數控銑削中彈刀機理及抑制方法的研究＊

廖玉松 韓 江

(①滁州職業技術學院，安徽 滁州239000;②合肥工業大學，安徽 合肥230003)

某公司在塑料模具模仁和電極加工中會出現如圖1 所示模仁過切和薄壁電極在邊緣出現崩邊和崩角現象，增加了企業燒焊打磨工作，造成了電極報廢，同時加工過程刀具的磨損加劇，甚至導致刀具折斷。因此，迫切需要找出造成這種現象的原因，并要優化加工參數和加工工藝，提出解決生產中這一實際問題合理方案。

1 彈刀現象及其產生機理

筆者深入企業調查發現，塑料模具模仁一般進行了預硬處理，材料的強度硬度高，采用高速數控銑削加工，往往在工件的轉角處刀具出現振顫、抖動產生而造成過切現象。而薄壁電極往往在高速數控銑削加工中，由于刀具的擺動與材料的彈性變形或振顫引起刀具與材料發生碰撞，同時發出異常的響聲，造成在電極邊緣出現崩邊和崩角現象，把這兩種現象稱為數控銑削中的“彈刀”現象。造成“彈刀”主要原因是切削力的波動較大，引起刀具或工件材料變形發生變化。切削力的波動包括大小和方向變化。正常加工工件時刀具受力和變形如圖2 所示;在刀具加工到工件的直身位，刀具急停或準備反向加工時，刀具由于慣性作用，刀具的受力和變形如圖3 所示。由于切削力的大小和方向變化造成刀具在工件的拐角或直身位處變形發生變化產生彈刀。筆者又對薄壁與非薄壁工件切削過程進行比較，發現非薄壁工件加工時切削力比較平穩，而薄壁工件加工時雖然切削力不是很大，但切削力波動大。從切削力大小的變化情況能夠判斷出材料的變化情況，當刀具切入材料時，切削力會迅速加大，在力的作用下，材料開始向背離刀具的方向產生彈性變形而讓刀，使刀具的切削量減小甚至零，切削力為零后，材料向刀具方向彈性恢復，刀具將再次切入材料，切削力又將加大，進入下一個切削循環［1］。由此可見，加工高硬度材料切削力越大，刀具變形大或工件薄壁高度越高，薄壁變形就越大，彈刀現象就越嚴重。驗比較(如圖5 所示)，具體參數如表1。

表1 實驗參數

2 影響彈刀的因素

為了研究數控銑削程中影響彈刀的因素，我們采用單因素試驗來了解各參數獨自變化對刀具或工件變形的影響。試驗選用對刀具或工件變形影響較大的參數為研究對象，對于高硬度工件實驗選擇不同工件材料、刀具直徑、裝刀長度、銑削方式，壁厚等。在設定的切削條件下(即采用同一機床、相同轉速、進給量和切削深度、采用側銑的加工模式)，改變研究對象中某一個參數用量，對所測得的刀具或工件變形的變化結果進行分析、研究。

2.1 實驗裝置

采用奧地利E MCO 公司生產的MC120—60 加工中心，所用刀具材料為Stana4 刃平底AITIN 涂層硬質合金立銑刀，主軸轉速為6 000 r/min，每齒進給量f=0.1 mm/齒，軸向切深為ap=2 mm。切削力的測試采用YDM 一III99 型整體式三向壓電磨削測力平臺，可同時檢測出沿銑削進給運動方向的力、垂直于進給運動方向的力和軸向力，激光位移傳感器型號為KEYENCE LK-G30，數據采集儀為NI PCI 4472，采樣頻率設為24 kHz。刀具變形測試系統如圖4 所示，薄壁工件的測量位置如圖5 所示。

2.2 實驗參數

對于高硬度材料采用常用材料進行切削加工，對于薄壁工件采用不同厚度紫銅電極在3 個位置進行實驗比較( 如圖5 所示) ，具體參數如表1。

2.3 不同參數對彈刀的影響

(1)不同工件材料影響

改變工件材料，測得不同的切削力F和刀具變形量δ，用MATLAB 軟件對實驗數據進行仿真，得到切削力F和刀具變形量δ 之間的關系如圖6 所示。從圖6 中可以看出刀具變形量δ 和切削力F呈線性關系，即δ ≈K·F，K為常數，具體K值因為刀具直徑和裝刀長度及其余因素發生變化而變化，所以沒有必要計算出具體數值。圖6 中第1 個點是切削T2 紫銅時的切削力和刀具變形量，最后1 個點是切削718 時的切削力和刀具變形量，可以看出被加工工件的材料強度硬度越高，切削力越大，刀具變形量越大，彈刀現象越嚴重。

(2)不同的刀具直徑

改變刀具直徑D，測得刀具的變形量δ，用MATLAB 軟件對實驗數據進行仿真，得到刀具直徑D和變形量δ 之間的關系圖7 所示。圖7 中曲線曲斜變化非常陡，結合實驗數據分析可以得到刀具直徑D和變形量δ 關系為δ ≈K/D4，D為刀具直徑，K為常數。當其他參數不變的情況下，刀具直徑D減小一半，刀具變形量δ 將增大16 倍。加工時刀具直徑D越小，刀具變形量δ 越大，彈刀現象越嚴重。

(3)不同裝刀長度

改變刀具裝刀長度L對刀具變形量δ 影響較為顯著，裝刀長度L和變形量δ 之間的關系如圖8 所示。利用MATLAB 軟件對實驗數據進行計算，得到裝刀長度和變形量δ 之間關系近似為δ ≈K·L3，L為裝刀長度，K為常數。當其他參數不變的情況下，刀具裝刀長度增加1 倍，刀具變形量將增大8 倍。

(4)改變銑削方式

采用順銑加工時，側向切削深度方向的切削分力Fy比走刀方向和軸向的分力都大，其次是走刀抗力Fx，最小的是軸向分力Fz;而采用逆銑加工時，走刀方向的切削分力Fx比側向切深和軸向的分力都大，其次是切深抗力Fy，最小的是軸向分力Fz。可以看出，順銑和逆銑加工方式發生變化時切削分力在X、Y和Z方向的分配比例同時產生變化，采用順銑加工時側向切深分力Fy是主切削力，采用逆銑加工時走刀方向分力Fx是主切削力，而分力Fx較大時，容易造成刀具或工件的變形［2］。順銑加工時的刀具切削厚度由最大逐漸減小到零，刀具切入工件后不會出現因切不下切屑而造成的彈刀現象，工藝系統的剛性好，切削振動小;逆銑加工時，刀具的切入厚度從零逐漸增加到最大，刀具切入工件時，因切削厚度小并將在工件表面劃過一段距離，如果此時刀具刃口處碰到工件材質中硬的質點或殘留在工件表面的切屑，都會造成刀具的彈刀或振顫，因此逆銑的切削振動大，彈刀現象嚴重［3］。

(5)不同壁厚

切削力的大小對薄壁的加工影響很大，壁厚越小，對切削力就越敏感，即使切削力很小，也會使薄壁工件產生變形，造成彈刀，從而產生崩邊或崩角。在切削試驗中，采用不同直徑的刀具，以相同的切削速度加工不同厚度的薄壁，測量其在上(2 mm)、中(10 mm)、下(25 mm)3 個部位的切削力，刀具切削薄壁的部位不同，切削力引起材料的變形就不一樣，而薄壁出現崩邊或崩角的部位都在薄壁的頂部約5 mm 內，故這一部位應是薄壁加工的危險區域，彈刀情況最嚴重;其次是中部，主要表現為表面質量達不到要求;根部約10 mm的范圍內情況較好，既不會崩邊崩角，表面質量也好。同時對比不同壁厚順銑和逆銑加工時的切削力變化，無論是改變切削速度、進給量(走刀速度)，還是改變側向切削深度，順銑加工的切削力都大于逆銑加工的情況，并可看出各工藝參數對切削力的影響程度如下:切削速度＜進給量(走刀速度)＜側向切削深度。因此，薄壁工件高速銑削時應盡量選擇較高的切削速度、適中的走刀速度、較小的側向切削深度，以減小切削力，減小刀具對薄壁工件的切削沖擊，提高加工過程的安全性，盡量減少和避免薄壁工件的邊角崩碎現象，提高加工質量和效率。

3 抑制彈刀的對策和措施

綜上所述，在數控加工中彈刀現象一般很少出現，只有在加工材料硬度比較高時，工件的轉角處或者加工薄壁工件在工件邊緣才會出現，為了有效地克服彈刀現象，以減小刀具或工件變形為目標，探討抑制的對策和應對措施，從而有效地保證工件的加工質量，應采取以下措施:

(1)增加刀具強度，對于高硬度的工件盡可能采用大直徑刀具進行加工，減小裝刀長度，增加強度，減小刀具的變形，減少彈刀。

(2)對于深度較大的工件，采用多方向切削加工，如有條件采用多軸加工，可以減小裝刀長度，避免刀具變形，而減少彈刀。

(3)對于深度較大的工件，因生產條件限制只能采用一次裝夾在三軸數控銑床完成工件的加工，當加工深度大于120 mm 時，要分開兩次裝夾刀具，即先裝上短的刀桿加工到100 mm 的深度，然后再裝上加長刀桿加工100 mm 以下的部分，并設置較小的吃刀量減小切削力，減小刀具的變形，減少彈刀。

(4)盡可能采用順銑，切削試驗結果表明，就切削力的大小而言，順銑時的切削合力大于逆銑。但逆銑時分力Fx較大，容易出現工件彈刀、崩角現象［1］。順銑分力Fx較小，銑削比較平穩，工件表面質量好。因此，應盡可能地采用順銑。

(5)薄壁工件加工時，因工件變形而產生彈刀，所以加工中應盡量減小切削力，減小工件的變形。一般采用小直徑的平刀高速等高環繞加工，為了提高工件的加工剛度，徑向留有較大的加工余量。還可根據薄壁工件不同部位設置不同的加工參數，薄壁工件的頂部容易產生崩邊、崩角，在加工這些敏感部位時應選擇較小的側向切削深度和進給量(走刀速度)，這樣可有效地提高工件質量。薄壁的加工一般不能一次加工完成，而是先將薄壁切削一部分，在加工完其他部位后，最后再將薄壁精加工到位，使厚度達到要求的尺寸。

4 結語

彈刀現象一般很少出現，最容易被編程者所忽略，因此要引起足夠的重視。編程時，應根據切削材料的性能合理選擇刀具的直徑和裝刀長度，正確選擇切削方式，對于硬度高、深度較大的工件，要合理安排加工工藝。對于薄壁工件加工時，要盡可能減小切削力，減小工件的變形，對于最敏感的邊緣區域，在加工此部位時應選用更小的側向切削深度和每齒進給量(即走刀速度)。某公司在塑料模具模仁和薄壁電極加工時，利用上述加工方法，避免了彈刀現象，有效地保證了工件質量。

［1］胡周玲.薄壁石墨電極高速銑削工藝參數優化試研究［D］. 廣州:廣東工業大學，2005.

［2］劉剛.金屬切削過程優化中多約束描述與應用［D］. 上海:上海交通大學，2007.

［3］丁燁.銑削動力學——穩定性分析方法與應用［D］. 上海:上海交通大學，2011.