小直徑銑刀圓弧進刀方式銑削力的研究

張慶力,劉輝,史強,侯賀啟

（中國海洋大學工程學院，山東青島 266100）

0 引 言

隨著高速加工技術在模具制造領域越來越廣泛的應用，小直徑銑刀成為了加工淬硬模具必不可少的刀具。工件硬度較大，切削加工性差，切入過程中受周期性沖擊力的作用，是導致刀具的崩刃、斷刀現象發生的主要原因。為減小切入工件時刀具所受的沖擊力，圓弧進刀、斜向進刀、螺旋進刀等方式以不同的方式緩沖切削力。胡英寧[1]以直接切入工件的方式，對刀具進刀階段的碰撞力、接觸力以及加速度等進行研究，解釋因素間內在聯系，并依據仿真及試驗結果對切入條件進行了優化；葉友東[2]通過有限元法及試驗，研究了封閉區域“步進式垂直進刀”、斜向進刀、Z字形進刀、螺旋切向進刀過程中進刀應力及載荷大小，并推薦了各種進刀方式的適用范圍；劉闖[3]運用有限元分析法對薄壁件復合材料以螺旋進刀方式切削，研究對軸向力、徑向力影響較大的因素及提出優化因素方案；姜雪松[4]對斜向進刀過程做了動力學仿真，通過分析進刀過程的接觸力、應力、應變，研究切削用量對刀具破損的影響，切削力隨切削速度增加呈現下降趨勢與Abrao Mendes[5]得出結論一致;而劉戰強[6]對切削速度做過更詳細的分析，針對45鋼材料和灰鑄鐵，銑削力隨工作轉速的提高而增大，同時分析獲得轉速臨界值，即大于此值條件下，切向銑削力的大小隨速度提高而減小；龐俊忠[7]對不同硬度的P20鋼材料進行高速銑削，結論為隨材料硬度的提高，鋸齒形切屑形成所需的最小切削速度降低，并且工件的材料硬度越高，切削過程產生的切削力未必越大。

切削用量確定的情況下，工件的硬度、刀具夾持量，也對切削過程影響極大，工件硬度的變化又會影響切削溫度、切削力[8-10]等；對于刀具夾持量過小，會導致刀具的振動，也影響工件表面質量，對夾持量的研究中，李茂偉等[11-12]在切削試驗中，研究了切削力與夾持量的關系，得到夾持量與切削力并不是正比或者是反比關系，有一個最不適合加工的臨界值。

綜上，對于開放區域圓弧進刀方式的研究并不多，本文以淬硬45鋼為研究對象[13-14]，通過高速銑削試驗，使用小直徑刀具圓弧進刀方式側銑長方體工件，同時對不同刀具夾持量、不同硬度工件的切削情況進行了分析。研究以上不同切削條件下切削力的變化趨勢，對降低生產成本，提高生產效率等都有較大的實際意義。

1 高速銑削試驗

1.1 試驗材料與設備

高速銑削試驗在佳鐵JT-600A高速數控雕銑機上進行；硬質合金銑刀，刀具直徑d=4 mm，4刃，刃長10 mm，刀具總長50 mm。工件材料為經過熱處理后硬度分別為30、35、40、45 HRC及初始硬度為25 HRC的工件。加工方式為圓弧進刀干式銑削側銑。試驗測力系統采用大連理工大學研制的三向壓電石英測力儀（YDCB III05型）及電荷放大器（LN 5861型）、數據采集卡（USB-1902型）。測力系統示意圖如圖1所示。刀具的進刀路徑示意圖如圖2所示。其中A、B、C均為銑刀軸心移動過程點，A點為刀具初始位置點，B點為刀具開始切入工件點，C點為完全切入工件點，α為刀具開始切入至完全切入工件的旋轉角度，R為旋轉半徑。灰色區域為工件被切削的區域。

圖1 切削力測量系統示意圖

圖2 刀具進刀路徑示意圖

圖3 銑削力原始信號

圖4 銑削力與主軸轉速關系曲線

1.2 數據處理方法

試驗采用單因素法，試驗中對研究因素進行研究，由測力儀測到的信號如圖3，在n=10 000 r/min轉速下，銑削力實測圖，首先將所有數據減去空刀階段的切削力，然后，對圓弧進刀過程中切削力各個峰值大小排序，取前50個值的平均值，為此切削條件下的進刀階段切削力，并做3組重復試驗，取其平均值，作為最終切削力數值。

2 各因素對切削力的影響

2.1 主軸轉速對切削力的影響

側銑時主軸轉速分別為6000、8000、10 000、12 000、14 000 r/min，每齒進給量fz=0.015 mm/z，軸向切深0.2 mm，徑向切寬0.2 mm，工件硬度45 HRC，刀具夾持量50%（夾持部分占刀具總長的百分比）。

如圖4所示，6000～12 000 r/min三向切削分力上升趨勢明顯，是由于切屑慣性力增大引起的，在12 000 r/min之后，切削力變化不明顯，略有下降的趨勢，是由于切削熱的影響，剪切力的下降快于切屑慣性力的上升導致的。切削理論中介紹：切削力與切削速度不成線性關系，在切削速度較低時，小于某個臨界值，切削力呈上升趨勢，當切削速度大于這個臨界值，曲線又下降，然后趨于平穩[15]。與切削理論相符合的是，試驗中的最大速度值未達到或接近臨界值階段，三方向切削力的總體變化趨勢是隨著轉速的增加，切削力呈現上升趨勢，而對3個力影響最大的是Fy，主要是工件彈性模量大，切削過程中產生的抗力大，且刀具在徑向剛度小，可能會增加振動的可能性，降低加工表面質量，需要進行更大范圍切削速度的研究工作。

2.2 每齒進給量對切削力的影響

主軸轉速n=10 000 r/min，軸向切深0.2 mm，徑向切寬0.2 mm，工件硬度45 HRC、刀具夾持量50%。側銑時改變每齒進給量為0.005、0.01、0.015、0.02、0.025 mm。如圖5所示，僅改變每齒進給量，銑削力與每齒進給量之間的關系，總體上趨于正比例關系，3個方向的分力隨每齒進給量增加而增大。這是由于在單位時間內參與銑削的面積增加，加大了刀具的前刀面受力和后刀面與試件材料表面之間的摩擦力，切屑分離所做的切削功增大，相應的銑削力也增大。

2.3 徑向寬度對切削力的影響主軸轉

速n=10 000 r/min，軸向切深0.2 mm，每齒進給量fz=0.015mm/z，工件硬度45 HRC，刀具夾持量50%。側銑時改變徑向寬度為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mm。由圖6可知，隨著切削寬度的增加，3個分力變化趨勢并不明顯，Fy在0.2 mm寬度后繼續增加，切削力增長幅度減小，但總體與Fx一樣隨切削寬度增加而增加，主要是銑削面積增加，從而使變形力增大，同時增加了刀具與工件間的摩擦力，使得切削力增大。此外，當徑向切寬增大后，工件材料回彈現象突出，這也導致了徑向力的增大。

圖5 銑削力與每齒進給量關系曲線

圖6 銑削力與徑向切寬關系曲線

2.4 軸向切深對切削力的影響

主軸轉速n=10000 r/min，徑向切寬0.2 mm，每齒進給量fz=0.015 mm/z，工件硬度45 HRC，刀具夾持量50%。側銑時改變軸向切深為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mm。由圖7可知，僅改變軸向切深，切削力隨著切削寬度的增加，軸向分力變化不明顯，而Fx、Fy均隨切削寬度增加而增加。主要是因為銑削面積增加，變形力與摩擦力增大，切屑分離所需切削功增加，使得切削力增大。

圖7 銑削力與軸向切深關系曲線

圖8 銑削力與夾持量關系曲線

2.5 夾持量對切削力的影響

主軸轉速n=10 000 r/min、徑向切寬0.2 mm、軸向切深0.2 mm、每齒進給量fz=0.015 mm/z、工件硬度45 HRC。側銑時改變夾持量為40%、45%、50%、55%、60%。如圖8所示。隨著夾持長度的增加，銑削力總體呈現減小趨勢。Fy相較于Fx、Fz變化更明顯，夾持量不小于50%之后，Fy趨于平穩。增加刀具的夾持量使得刀具剛度提高，傳統加工中，將刀具的夾持量設置較大，而在進行型腔加工時，需要較大的刀具懸伸長度，而為避免由此引起的刀具振動加強，可選取最小50%夾持量，而對于不同的轉速，此臨界夾持量值不同，需進一步探究。

圖9 銑削力與工件硬度關系曲線

圖10 銑削力與旋轉半徑關系曲線

2.6 硬度對切削力的影響

主軸轉速n=10 000 r/min，徑向切寬0.2 mm，軸向切深0.2 mm，每齒進給量fz=0.015 mm/z，刀具夾持量50%。側銑時改變工件硬度為25（未淬硬）、30、35、40、45HRC。如圖9所示，各切削參數一定，僅改變工件的硬度，切削力總體隨著硬度增加呈現減小趨勢，因為隨著工件硬度的增高，切削溫度逐漸升高，切削熱對材料的熱軟化作用占主導地位，且切削熱對材料的軟化速率快于工件硬度的增高速率，因此實際切削硬度是降低的，同時切削熱也會造成摩擦因數減小，切削力減小。與文獻［10］中對45鋼工件硬度的研究相符,在50 HRC以下時，隨著硬度增加，切削溫度上升，對切削力有減小的作用。

2.7 旋轉半徑對切削力的影響

主軸轉速n=10 000 r/min，徑向切寬0.2 mm，軸向切深0.2 mm，每齒進給量fz=0.015 mm/z，刀具夾持量50%，工件硬度45 HRC。側銑時改變旋轉半徑為1、2、3、4、5 mm。由圖10可知，隨著半徑的增加，切削力總體減小，但主要是對Fx分力影響最大，Fy、Fz分力波動很小。隨著旋轉半徑的增加，進刀過程的切削層變化更加緩慢，刀具與切屑的接觸面積變小，單位時間形成的切屑更少，所需的切削力更小。因此，工件加工中可根據實際空間來調整進刀半徑。

3 結語

本文通過小直徑刀具對45鋼高速銑削加工試驗，研究了45鋼高速銑削過程中，各切削參數及

工件硬度、刀具夾持量對切削力的影響規律，結論如下:1）隨著主軸轉速提高，切削力不斷增加，在12 000 r/min后，略有減小趨勢；對于軸向切深、徑向切寬、每齒進給量增加，均由于單位時間切削量、切削面積增大導致切削力的增加；切削旋轉半徑對Fx方向切削力影響最大，且隨著旋轉半徑增大，對切削力Fx影響最大，隨著半徑的增大而減小。2）隨著工件硬度的增加，由于切削熱的影響，導致切削力降低；刀具夾持量的增加導致切削力降低，而在60%夾持量之后，切削力變化微小。

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