高進給銑削加工工藝研究

王賀安

摘 要：在金屬切削加工中，如何提高銑削的加工效率，這個問題與金屬切削刀具的受力有關。文章分析金屬切削刀具單元在加工時的受力，從而找出如何提高加工效率的途徑。高進給銑削加工工藝的研究有助于人們在提高加工效率時做出合理的工藝選擇。

關鍵詞：加工效率；刀具；切削力；進給量

中圖分類號：TG54 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）23-0017-02

1 金屬切削加工工藝

在探討如何提高加工效率的時候，金屬切削加工工藝首先研究的對象是金屬切削的切削三要素，即切削速度、切削深度、進給量，對于這三個加工要素來說，切削速度對刀具的加工壽命影響最大，當切削速度提高20%，則刀具壽命將下降50%，同時因工件材料的強度、硬度等性能參數的限制，切削速度可提高的幅度不大，且提高切削速度也會增加切削功率，而加大切深度切削方案前面也進行了分析，因此為提高加工效率，我們把主要的研究對象放到進給量上。

2 進給量

2.1 與進給量有關的刀具參數

如何提高進給量，而不增加切削力和切削功率？針對這個問題對進給量進行分析，進給量是切削刃在每個旋轉單位下切削刃相對工件所移動的距離，進給量的大小直接影響刀具切削截面的大小，與進給量有關的刀具參數，如圖1所示。

金屬切削材料切削截面上所能承載單位面積的受力大小決定了刀片壽命的長短，每一片刀片被制造出來后，其單位面積下所能承受受力大小也就確定了，將刀片所能承受的單位面積下的力轉換成進給量就是刀片的允許平均鐵屑厚度，平均鐵屑厚代表著每個刀片能夠承受的進給量大小。

2.2 大進給銑削原理

一般情況下當銑刀的切削寬度與刀盤直徑相等的情況下，平均鐵屑厚度就等于進給量，當切削刀具的主偏角減小時，鐵屑的厚度h就會相應減小，如圖2所示，此時鐵屑厚度h值小于刀片允許的平均鐵屑厚度，這樣為了使刀片更有效地被利用，則可以選鐵屑厚度h和刀片允許的相等，這樣就可以使用更大的進給量f值了，這就是大進給銑刀的基本原理。

大進給銑削原理是基于用小的主偏角和小的切削深度實現平均鐵屑厚度的減小，從而提高進給量，故此所有的大進給加工都需要小的主偏角。切屑的厚度隨著主偏角的減小而減小，為了避免鐵屑過薄而影響加工表面質量，當進給量小于刀片刃口的倒鈍圓弧半徑，工件的加工表面形成時就不會進行切削而是碾壓，從而使已加工表面被碾壓造成表面質量下降或工件材料表面形成過大的冷做硬化層而影響工件的使用效果，見圖3分析，已加工表面是經過多次復雜的變形而形成的。切削刃刃尖角為Rn時，切削層在刃口鈍圓部分O點處存在復雜的應力狀態，切削層的金屬經剪切滑移沿刀具的前刀面流出形成鐵屑，O點下薄薄的一層金屬гhd不能沿OM進行剪切，而是被推擠壓入工件的已加工表面，這部分金屬首先受到壓應力，當切削后刀面BE滑過擠壓面后，工件已加工表面的壓力消失，工件產生彈性回彈，回彈值гh小于壓縮值гhd，這是已加工表面由于受到刀片后刀面的摩擦、拉伸的作用而產生內應力，內應力的大小和切削深度Ap的大小有關，如Ap→гhd值時，工件已加工表面的內應力最大，因此表面會形成一個冷作硬化層（加工硬化層），其硬度比工件高1-2倍，硬化層表面常常會出現細微裂紋，且表面粗糙度值較大，工件材料的疲勞強度也相應較低，從而影響工件的尺寸和形狀的穩定性。

故此需要提高進給量從而避免切削過薄。在使用大進給銑刀的時候要確保足夠大的進給，以便得到合適的切屑厚度和加工性能。

2.3 大進給加工理論依據

高進給銑削時，需要提高進給量的部分都在刀具的前刀刃，而當刀具的主偏角等于90 和主偏角等于15 時，鐵屑厚度相等的情況下，刀具的進給量可以放大3.86倍。

一般情況下，刀片的最大進給量約等于刀尖圓弧半徑的0.5倍，當主偏角等于90 時，此時進給量和鐵屑厚度與進給量相等，當主偏角等于45 時，進給量約等于1.415倍的鐵屑厚度，即≈0.849 mm，當主偏角等于15 時，此時進給量約等于3.86倍的鐵屑厚度，即≈2.318 mm，如圖4所示，這就是大進給加工理論依據。

2.4 大進給銑削的特點

大進給銑削的特點是：較小的切削深度，較大的進給量。從加工受力方向上進行分析，它與傳統的銑削加工方式比較，綜合切削力的方向（主切削力、進給力、切向力的合成力方向）更接近刀體回轉中心線，即切削加工刃所產生的徑向抗力的大部分分力是軸向力，而傳統的加工方式，切削綜合力的方向與回轉中心線之間所形成的角度較大（在45 ～90 之間），如圖5所示，這樣大進給銑削方式相對傳統的銑削方式，加工的穩定性和抗震動能力都得到有效的提高。

在銑削加工過程中為滿足工件形狀或工件夾具的要求，往往需要刀具有一定的懸伸，而傳統的銑削方式因徑向力較大會影響加工刀具的懸伸長度。一般鋼制品的刀桿在懸伸與直徑之比等于4的時候，就很難抑制切削力而產生的扭曲和撓度而出現加工震動問題。大進給銑削加工方式與傳統銑削方式（主偏角為90 ）相比，以懸伸長徑比L/d=4為校核依據分析，如圖6所示。此時懸伸軸的扭曲角度為φ，撓度為y，由此得到公式③和④：

綜合上述計算分析，對銑削刀具切削前角的平衡設計，如圖7所示。目前大進給銑刀的最大的長徑比達到10 D。

大進給銑刀實際加工應用過程中，加工效率和金屬去除率得到了有效地提高，直徑為66 mm的銑刀加工案例，見表1。

表中：Vf為進給速度，Vc為切削速度，Q為金屬去除率。

3 結 語

在這個例子中，雖然傳統銑刀的切削深度比大進給銑刀大3倍，但大進給銑刀的金屬去除率卻是傳統銑刀的3倍，在大多數的情況下，我們使用相對較低的切削速度，這樣刀具切削所產生的切削熱度相對較低，對刀具的壽命提高有較大的幫助，這樣就會降低刀具的成本，并高效地達成加工的目的。

參考文獻：

[1] 劉黨生.金屬切削原理與刀具[M].北京：北京理工大學出社，2009.

[2] 王守新.材料力學[M].北京：清華大學出版社，2005.