不同螺旋角度立銑刀切削性能研究

涂志標，任巨濤，鄭寶增，馬紅亮

(臺州學院機械工程學院，浙江臺州318000)

金屬切削加工為機械制造業中最基本的加工方法，通過刀具的切削可以保證零件要求的形狀、表面精度、尺寸和性能要求［1］。此處主要介紹銑刀，下面從銑刀的結構、形狀和材料等方面作簡單介紹。銑刀種類繁多，如立銑刀、圓柱形銑刀、面銑刀、三面刃銑刀、角度銑刀［2］等，文中探究的是立銑刀切削性能。在不同的加工條件和工作環境下，刀具所體現出來的切削性能也會隨之改變。例如立銑刀分別在粗加工、半精加工和精加工工作條件下，即使是相同的螺旋角度立銑刀對銑刀整體的切削力和排屑的影響也是不同的。合適的螺旋角能使刀刃逐漸切入和切離工件，能增加實際工作前角，使排屑容易［3］。下面就在設定的銑削條件下探索不同螺旋角度的立銑刀對不同材質工件的切削性能。

關于切削性能好壞的評判標準，選擇銑刀的切削力和被銑削工件的表面光潔度作為兩大指標來進行研究。因為在切削加工中，切削力是基本參數，其變化直接影響加工過程中表面加工質量和刀具磨損、刀具與工件的相對位移等［4］; 而表面光潔度是最直接反映工件材料被加工后的工藝性。故此下文進行一系列的試驗來圍繞這兩者進行研究。

1 整體實驗設計

總共3 把不同螺旋角度的立銑刀(螺旋角度分別為30°，35°，45°，其他條件參數都統一) ，分別銑削材質為Al、45 鋼、Cr12 的工件。表1 為立銑刀其他參數條件，表2 為銑削條件。

表1 立銑刀其他參數條件

表2 銑削條件

2 DEFORM-3D 模擬仿真建立以及切削力結果

2.1 DEFORM-3D 前處理

DEFORM 中的幾何模型可以采用三維畫圖軟件(如UG 等) 來設定，即畫出仿真所需的刀具模型導出生成* .STL 文件［5］，然后在DEFORM 模型設定步驟中調用文件即可。首先在UG 軟件中創建螺旋角分別為30°、35°、45°的立銑刀單齒刀具模型，主切削刃前角為5°，后角為15°，如圖1 所示。劃分網格后的切削模型，如圖2 所示［6］。

圖1 切削刃幾何模型

圖2 Ⅱ分網格后的切削模型

前處理包括選擇加工的類型、刀具和工件的定義、網格的劃分等，如圖3—6，仿真中設置的銑削條件和表2 一樣。

圖3 選擇銑削

圖4 刀具網格劃分(50 000 格)

圖5 工件參數設置

圖6 工件劃分網格(50 000 格)

2.2 DEFORM-3D 運算結果及后處理

前處理完成后進入運算過程，這個過程一般比較漫長，5 000 步的運算一般需要12 h 以上。圖7 顯示了計算機的模擬過程，也顯示了銑削時切屑形成過程，即刀具自左向右水平勻速進給運動，切屑與工件在刀具作用下分離，產生切屑、發生彎曲變形到切屑從工件上切除?？梢钥闯? 切削過程中刀具在從左向右的水平方向上受到阻力最大，這是因為工件在這一方向上塑性變形最大，因此這一方向的力為整個切削過程的主切削力。

圖7 切削過程模擬示意圖

同時通過后處理也得到了整個切削過程各自的切削力變化，如圖8 所示。3 種不同螺旋角度銑削3 種材質工件，共能得到9 個切削力曲線圖。

從圖8 可以看出: 切削過程中刀具在從左向右的水平方向上受到阻力最大，這是因為工件在這一方向上塑性變形最大，因此這一方向的力為整個切削過程的主切削力。而模擬過程和實際切削過程一樣，也分為初始和穩態過程。在刀具剛開始切入工件時，工件單元受到刀具前刀面擠壓而發生變形，隨著變形程度增大，變形抗力增大，主切削力也相應增大，并達到一個較大值; 當個別單元變形達到了材料的變形極限時，單元失效同時切削力相應減?。?］; 在開始階段各個時刻，失效單元的數目和位置是不確定的，由此切削力數值上下波動; 但在切削平穩之后，單元失效是有規律進行的，即在各個時刻失效的單元數目是固定的，且失效單元相對位置也是固定的，此時主切削力大小穩定在一個數值附近［8］。

圖8 各自銑刀切削力變化組圖

接著作者用DEFORM 后處理得到每副圖中切削力平均值，制成圖9 所示曲線，可以清楚地看到: 在特定的銑削條件下，螺旋角度從30°到45°，螺旋角度越大，切削力數值越來越小; Al 的平均力值是最小的，接著是45 鋼，而Cr12 的平均切削力是最大的。這是因為3 種材質硬度不一，相對于其他兩種材質而言，Al 硬度很小，是最軟的，所以切削力相對最小。而在3 者中Cr12 是最硬的，所以切削力相對最大。就一般經驗而言，切削力小且平穩，加工出來的工件工藝性也就越好。

圖9 切削平均力折線圖

3 立銑刀實體切削性能實驗和工件表面光潔度測量

在結束DEFORM-3D 模擬仿真試驗后，再進行實體切削實驗。所用到的設備有: 數控攻絲加工中心brother TC-S2CZ-O 和共聚焦顯微鏡axio-csm-700。得到的顯微圖如圖10 所示。接著測量光潔度值，每副圖測量6 個點，30°銑削Al 表面Ra 值如圖11 所示。

圖10 不同螺旋角度銑刀切削不同材質的工件后表面粗糙度顯微圖

圖11 30°螺旋角度立銑刀切削Al 材質工件后的表面6 個Ra 值圖

圖11 為6 張數據圖的部分截圖，這6 個Ra 值分別 為1.433、0.975、0.786、0.912、3.816、5.254 μm，去掉最大值和最小值后得其均值為RaAl－30°=1.784 μm。同理，依次得出其余8 個面各自的光潔度數值，如圖12 所示。

圖12 不同工件切削后表面粗糙度

從圖12 明顯看到: 在特定的銑削條件下，螺旋角度越大，表面Ra 值就越低，也就意味著越光滑。這個結論和前面仿真得到的螺旋角度越大切削力越小的結論是有嚴密邏輯關系的，切削力的變化直接決定著切削熱的產生、分布，并影響刀具磨損、使用壽命，進而影響零件被加工表面的加工精度和已加工表面質量。一般來說，切削力越小，得到的工件表面光潔度就越好，由此說明: 在特定的銑削條件下，螺旋角度為45°時切削得到的工件表面粗糙度比另外兩組都好，證明了相應的切削力比另外兩組都小，工藝性更好。光潔度值的測量結論也能驗證仿真切削力數據的可靠性。

4 結束語

(1) 建立了DEFORM-3D 模型，分別用30°、35°、45°螺旋角度立銑刀銑削鋁合金、45 鋼和Cr12，對不同材質的銑削過程進行了有限元仿真，得出了相應的切削力變化曲線。

(2) 對仿真切削力進行分析，3 種不同螺旋角度立銑刀銑削3 種不同材質的工件，共得出了9 個仿真程序和切削力圖，算出每個圖的平均切削力并與切削力的理論知識相結合分析，得出螺旋角度越大切削力越小的結論。

(3) 用共聚焦顯微鏡測量被銑削工件表面的粗糙度，得出9 個面各自不同的粗糙度Ra 值。對比分析發現螺旋角度越大表面就越光滑，也就意味著工藝性越好，而根據切削力越小表面粗糙度越好的經驗結論，可以推斷出45°螺旋角度的切削力與另外兩組相比是最小的，也就證明了之前的DEFORM-3D 仿真結論是可靠的。

(4) 對現有的研究結果進行研究發現，即使用螺旋角度是45°的立銑刀銑削，材質Al 的表面粗糙度依舊不理想。觀察圖10 發現Al 的Ra 值比其他材質的數據要大很多。造成這種現象的原因: 首先因為Al 材質質地偏軟，相對于45 鋼和Cr12 來說硬度要小很多; 其次，在文中特定的銑削條件下，鋁材熔點較低，4 000 r/min 的轉速導致部分切屑受熱融化，因此造成了Al 表面比其他兩種材質粗糙很多。此課題還可以往下研究: 在特定的銑削環境下，采用怎樣的幾何參數，用立銑刀銑削鋁合金等偏軟材料才能保證工件表面的工藝性。

［1］陳日曜．金屬切削原理［M］．北京: 機械工業出版社，2009．

［2］尹震飚．面向復雜型腔工件高效數控加工的刀具優選技術研究［D］．重慶:重慶大學，2011．

［3］周啟紅．基于刀具壽命的銑刀螺旋角選擇［J］．企業家天地:下旬刊，2007(7) :141．

［4］李冷．高溫合金切削仿真技術研究［D］．沈陽: 東北大學，2009．

［5］戚洪強．激光微造型刀具高速切削的潤滑研究［D］．鎮江:江蘇大學，2012．

［6］夏亮亮，袁軍堂，汪振華，等．基于DEFORM-3D 的鋁合金銑削力仿真與試驗研究［J］．機械設計與制造，2013(4) :85－87．

［7］鄧小野．鋁合金高速切削加工機理的仿真研究［D］．沈陽:沈陽理工大學，2012．

［8］張廷梁．切削擠壓成形過程仿真及可視化編程［D］．西安:西安理工大學，2006．