智能制造生產中立銑刀產生紋路的原因及解決方法

孫中柏

摘 要：立銑刀是數控機床上用得最多的一種銑刀，立銑刀的圓柱表面和端面上都有切削刃，它們可同時進行切削，也可單獨進行切削。主要用于平面銑削、凹槽銑削、臺階面銑削和仿形銑削。立銑刀在切削過程中容易產生紋路，俗稱刀紋，從而影響零件的表面質量，針對智能制造生產中立銑刀產生紋路的主要原因進行深度剖析，并提出具體的解決方法。

關鍵詞：智能制造；立銑刀；紋路；解決方法

中圖分類號：TD534；TD547 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.04.002

常用立銑刀一般以三刃和四刃右旋為主，螺旋角多以30°、45°、60°最為常見，也有其它定制角度和螺旋方向的刀具，例如0°螺旋角的刀具（成形刀居多）主要用于高光面加工。以下將從立銑刀加工側面和立銑刀加工平面進行刀紋產生的原因分析并給出具體解決方法。

1 立銑刀加工側面產生紋路的原因及解決方法

立銑刀加工側面產生紋路的主要原因有：每齒進給量的大小、刀具刃口微創傷、進給速度不均勻、機械振動等。

1.1 每齒進給量對側面紋路的影響

在加工零件側面時，工件表面會形成很多凹圓弧拼接而成的紋路，是由每個側刃交替切削形成。如圖1所示，在相同的主軸轉速下，使用不同的進給量分別加工出的3層側面。

從圖1可以看出降低進給速度或提高主軸轉速可提高表面光潔度，即每齒進給量越小，粗糙度越小。在正常的每齒進給量下，表面殘留的高度都在幾微米以內。而在刀具的安裝過程中可以發現，因為主軸錐孔的徑向跳動，彈簧夾頭與刀柄的同軸度等誤差，都會導致在實際加工時，刀具的每條側刃切深不在一個平面上，使得實際的殘留面高度如同單刃銑刀加工出來的。一把普通BT30刀柄夾持四刃立銑刀時四條側刃的最大徑向誤差達到33 μm，遠遠大于加工所需要達到的理論殘留面高度，如圖2所示，直接影響到工件的表面質量。因此在智能制造生產中要選擇相應的高速刀柄，使用正確的刀具安裝方法。

1.2 刀具刃口微創傷對側面紋路的影響

若在工件表面上沿著加工方向有明顯的拉絲痕跡，一般由損傷的刀具刃口導致，應及時更換刀具。若在工件表面上沿著加工方向有明顯的灰色毛刺痕跡，一般由后刀面磨損或黏刀導致，應更換刀具或加大切削液的流量和濃度。

1.3 進給速度不均勻對側面紋路的影響

若XY兩軸合成運動加工的側面出現深淺不規則的豎條紋，如圖3所示，大多是因為進給速度不均勻所致，適當提高伺服驅動器的速度環比增益即可。

1.4 機械振動對側面紋路的影響

若被加工表面上的豎條紋扭曲或不連續，主要是振動引起的不流暢切削導致。

1.4.1 主軸振動

主軸在個別轉速下有較明顯的振動，該振動導致刀具的每個刃出現不均勻切削，從而使工件表面粗糙度變差。應該檢查機械裝配精度及軸承有無異響等情況，同時優化驅動器陷波功能對共振點進行抑制。

1.4.2 刀具振動

在進行輪廓加工時，刀具會在內拐角處產生很深的螺旋狀刀紋。該現象是由于銑刀在平面上吃刀量小于刀具直徑，加工側壁向內側拐彎時由于吃刀量突然增加導致的“彈刀”。

解決刀具振動方法如下：

（1）增加刀具剛度：縮短刀具夾持長度、更換強力刀柄、短切削刃的刀具。

（2）減小側向力：更換大螺旋角和刃數多的刀具、減小XY平面的吃刀量、Z向分層加工。

（3）系統在拐角處降速：增大加減速時間常數和陡度時間常數，減小拐角降速比例，使系統在拐角時緩慢過渡。

（4）CAM后處理時勾選“拐角降速”一類的選項，降低拐角處的給定進給速度。

（5）CAM后處理時使用“擺線銑”一類的等體積加的方法。

2 立銑刀加工平面產生紋路的原因及解決方法

一般情況下立銑刀底部的橫刃不過中心，因此不能進行Z向的切入銑，只能從工件外部進刀或螺旋試下刀及斜插試下刀（也叫坡走下刀）。立銑刀加工平面產生紋路主要有常見立銑刀底紋以及刀具顫振引起的底紋。

2.1 常見立銑刀底紋

刀具在勻速前進過程中，刀身會略微彎曲（前傾），正常情況下這種彎曲不足以使刀尖在旋轉到后方時離開工件表面，從而產生掃尾痕跡，即“回頭紋”。

當切削力較大時，刀尖旋轉到后方時會離開工件表面。只會在工件表面上留下前部切削的刀紋。若進給速度突然發生變化或切削力方向變化時，刀具在卸力的瞬間恢復后方的切削，導致工件表面產生一個圓環狀的刀紋，如圖4所示，可通過降低進給速度、增加拐角處程序圓弧的大小或增加系統參數中的加減速時間常數解決。

2.2 刀具顫振引起的底紋

不論是連續的小線段或是長直線及圓弧軌跡，都會出現明暗交疊的圓環狀的刀紋，像一層層波浪。以下是刀具顫振引起底紋的原因及解決方法：

2.2.1 穩固性太差

解決穩固性太差的方法如下：

（1）保證機床水平，所有的6個地腳牢固安裝，地面厚實抗振。

（2）保證工件的有效固定及夾具的結構剛度，避免過大的懸伸和薄壁。

（3）保證刀柄的剛性，檢查彈簧夾頭和刀柄錐面是否磨損，并且測量安裝刀具后的徑向跳動，各連接部分是否有鐵屑殘留，保證錐面間的有效貼合面積，安裝刀具時ER加緊螺母是否達到有效鎖緊扭矩。

（4）保證刀具的剛性，減小刀具的懸伸量，更換多刃刀具或定制的短刃刀具。

2.2.2 驅動性能原因

解決驅動性能的方法如下：

（1）避免進給軸使用較高的臨界增益值引起的振蕩，以及較小的濾波參數引起的系統不穩定。

（2）指令加速度過大引起的脅迫振動，應增加指令平滑周期、增大加減速時間、降低向心加速度等。

（3）避開或抑制主軸共振點。

2.2.3 不合理的切屑參數

解決不合理切屑參數的方法如下：

（1）降低切削速度。

（2）提高進給量。

（3）改變切削深度。

3 結束語

在智能制造生產中，刀紋的產生會直接影響工件的表面質量，但刀紋也不可能直接消除，只能通過各種途徑來減少刀紋的產生。在智能制造生產中使用到的刀具種類也是非常繁多，本文僅針對常用的立銑刀在加工過程中產生紋路進行了分析及提出解決方法。生產加工中的零件表面質量，主要涉及的方面是表面層幾何微觀形狀誤差以及表面層的物理機械性能。而在實際生產過程中，對相關的工藝流程進行強化，使用相關工藝手段，對加工細節做到完善，通過保證零件表面粗糙度來防止零件使用性能受到表面加工質量的影響。

參考文獻：

[1] 劉建磊. 機械加工零件表面質量控制分析[J].南方農機，2017（24）.

[2] 李建. 影響數控機床加工精度因素及改進關鍵問題探討[J].中國設備工程，2018（20）.

[3] 鮑樹國. 數控機床加工精度異常故障與處理[J].內燃機與配件，2018（23）.