成形槽技術在高剛性整體硬質合金立銑刀開發中的應用

倪高明 張 海 周 磊 王 強 王羽

中株洲鉆石切削刀具股份有限公司，株洲，412007

0 引言

傳統的淬硬鋼加工方法是先銑削后淬硬再拋磨，隨著切削技術的發展，加工方法改進為粗銑后淬硬再精銑，甚至出現粗精銑一次加工完成的方式[1]，故銑削在淬硬鋼加工中的應用越來越廣泛。淬硬鋼銑削具有單位切削力大、刀具磨損嚴重、易產生鋸齒形鐵屑導致切削力循環變換和高頻振動的特點[2]。面對淬硬鋼銑削的挑戰，目前研究集中在立銑刀幾何角度方面，如前角、后角、螺旋角，而關于銑刀芯部直徑(簡稱“芯徑”)的研究報道較少。何理論[3]指出，芯徑變化對刀尖處應力的影響較小。苗淼[4]通過三維切削仿真指出，銑刀的槽前角、芯厚、齒間角和螺旋角對切削力的影響相差不大，但槽前角和螺旋角對切削溫度的影響要顯著大于芯厚和齒間角，綜合考慮，最優的設計應選用較大的芯厚。張楊廣[5]研究銑削系統一階固有頻率與剛度隨刀具芯徑變化規律時指出，隨著芯徑的減小，一階固有頻率提高，模態剛度下降，反映在顫振穩定域上，即穩定域整體下移，穩定區間變小。芯徑減小時，立銑刀刀體強度降低，也容易產生應力集中，因此在保證排屑流暢的前提下應盡量增大芯徑。然而，隨著銑刀芯徑的增大，螺旋槽體積必然減小，排屑受到影響，因此，主流觀點認為芯徑與銑刀直徑的比值存在一個合理范圍。邵子東[6]認為，芯徑取刀具直徑的45%～50%，張曉東[7]建議螺旋槽深度是銑刀半徑的1/2。

按傳統觀點，芯徑與銑刀直徑比值在50%是比較合適的，但考慮到淬硬鋼銑削時易產生高頻振動的問題，有必要開發一種大芯徑、高剛性且同時適度兼顧排屑性能的銑刀。

1 高剛性立銑刀的設計

1.1 基材及牌號的選擇

影響硬質合金基材性能的最關鍵指標是WC晶粒度。程劍兵[8]指出，當WC硬質相的晶粒尺寸小于0.5 μm時，Co黏結相的尺度進入納米量級，成為納米復合材料；合金的抗彎強度由1.6 GPa增加到4 GPa以上，硬度也明顯增加，由HRA89增加到HRA93，耐磨性和耐用度顯著提高。合金的超細化還可顯著改善表面涂層微觀組織和性能，同時，硬質合金的抗熱振性和抗氧化性也能得到顯著提高。考慮到銑削淬硬鋼時單位切削力大、刀具易崩刃、不耐磨等特點，最終決定選取某超細牌號材料作為銑刀基材，其相應性能指標見表1。

表1 物理性能Tab.1 Physical properties

目前整體硬質合金銑刀主流涂層是PVD TiAlN系涂層。TiAlN涂層的化學穩定性和抗磨損性能好，用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金刀具時，刀具壽命是傳統TiN涂層刀具壽命的3～4倍[9]。考慮到添加Si元素后，涂層的硬度和抗化學磨損可以顯著提高，涂層氧化溫度從800°提升到1 100°，顯微硬度從HV 2 800提升到HV 3 300，本研究中銑刀涂層選擇株洲鉆石切削刀具股份有限公司研發的某含Si涂層。

1.2 結構設計

本研究所開發刀具直徑選擇應用范圍最廣的6 mm，芯徑取0.7d(d為立銑刀直徑)，即4.2 mm。同時將某公司淬硬鋼標準銑刀作為對比刀具，命名為DB-4E-D6.0。

整體硬質合金立銑刀設計的關鍵是螺旋槽的設計。螺旋槽的大小直接決定了刀具容屑能力。假設切屑全部均勻地填充到螺旋槽中[10]，則在立銑刀螺旋角相同條件下，可以用螺旋槽截面面積取代螺旋槽體積來衡量不同立銑刀容排屑能力。

根據立銑刀螺旋槽的加工方法，螺旋槽可分為干涉槽和成形槽。干涉槽借助數控五軸磨削中心自帶的槽形計算軟件，采用標準砂輪、標準程序加工，其優勢是加工效率高、標準化程度高，缺點是只有部分參數可調。采用干涉槽方案，6 mm立銑刀螺旋槽面積為6.93 mm2，只有對比刀具螺旋槽面積的78%，容排屑性能惡化明顯。成形槽是根據立銑刀使用工況，自行設計螺旋槽截面形狀和加工螺旋槽所需要砂輪的形狀。成形槽設計標準化程度低，但通過合理的槽形設計，可以針對性提升刀具切削性能，且十分有利于技術保密。

圖1 成形槽及坐標系Fig.1 Profiled groove and coordinate system

將本研究開發的基于成形槽技術的高剛性立銑刀命名為CXS-4E-D6.0，它與DB-4E-D6.0銑刀的螺旋槽截面形狀對比見圖2，計算可得本文刀具螺旋面積SC=8.45 mm2、對比刀具面積SD=8.81 mm2，本文刀具螺旋槽面積為對比產品的96%，是采用干涉槽技術方案的122%，體現出成形槽技術可以兼顧剛性和容排屑性能的優勢。

(a)CXS-4E-D6.0 (b)DB-4E-D6.0圖2 槽形對比Fig.2 Profiled groove compare

2 切削仿真研究

2.1 動態仿真

將CXS-4E-D6.0和DB-4E-D6.0銑刀模型導入AdvantEdge仿真軟件。為提高計算效率，對刀具和工件進行簡化設置，銑刀截取參與切削的部分，僅細化刃口單元格，刀具切削旋轉角度為100°，保證至少一齒有完整的切入和切出，三維實體模型見圖3。刀具材料選擇Carbide-General，工件材料選擇SKD11，銑削方式設置為順銑，切削參數設置見表2。

(a)CXS-4E-D6.0 (b)DB-4E-D6.0圖3 三維實體模型Fig.3 3D entity model表2 仿真參數設置Tab.2 Simulation parameter module

線速度vc(m/min)每齒進給量Fz(mm)切削深度ap(mm)切削寬度ae(mm)1000.05100.2

切削力是切削過程中最重要指標之一，利用AdvantEdge后處理程序，提取x、y、z三個方向的切削力數值，然后計算出切削合力，最后得到切削合力隨時間變化的曲線，見圖4。由圖4可看出，CXS-4E-D6.0銑刀切削力較DB-4E-D6.0切削力大。考慮到兩者螺旋槽的徑向前角、徑向后角、螺旋角均相同，認為導致切削力差異較大的原因與雙圓弧槽形有關。

圖4 切削力仿真結果Fig.4 Simulation results of cutting force

圖5 切削溫度仿真結果Fig.5 Simulation results of cutting temperature

切削溫度隨時間變化曲線見圖5。CXS-4E-D6.0銑刀切削過程中平均溫度為164.3 ℃，DB-4E-D6.0銑刀平均溫度為155.8 ℃。在刃口結構相同情況下，CXS-4E-D6.0銑刀切削力大，切削溫度自然較高。

2.2 靜態仿真

圖6 CXS-4E-D6.0銑刀靜力學仿真結果Fig.6 CXS-4E-D6.0 Simulation results by using statics analysis

圖7 DB-4E-D6.0銑刀靜力學仿真結果Fig.7 DB-4E-D6.0 Simulation results by using statics analysis

在力的作用下，刀具會發生變形。利用前期切削力仿真數據，計算出CXS-4E-D6.0銑刀x、y、z三個方向切削力平均值分別為-198 N、-111 N、-140 N，DB-4E-D6.0銑刀的相應值分別為-161 N、-98 N、-114 N。將三維模型導入ANSYS Workbench，柄部設置為完全約束，分別加載上述三向切削力于刀具刃口，得到刀具變形量結果，見圖6和圖7。CXS-4E-D6.0銑刀變形量最大值為0.136 mm，DB-4E-D6.0銑刀變形量最大值為0.186mm。CXS-4E-D6.0銑刀在所受切削合力較DB-4E-D6.0銑刀大34%的情況下，變形量最大值僅為DB-4E-D6.0銑刀的73%，這充分體現了成形槽設計在剛性方面的優勢。

3 切削性能實驗研究

為了全面衡量高剛性CXS-4E-D6.0銑刀實際切削性能，從切削力、被加工零件表面粗糙度、被加工零件側壁讓刀量和刀具耐用度4個方面進行實驗對比。

3.1 切削力測試

實驗工件材料與切削仿真中的工件材料一樣，同為SKD11淬硬鋼，硬度為HRC60。實驗機床為進口MIKRON HSM800五軸加工中心。實驗中加工方式為順銑，干式切削。切削參數與切削仿真中完全相同，具體值見表2。

切削力傳感器采用瑞士Kistler9265B三向壓電式測力儀和電荷放大器及相應的數據采集與處理系統，經信號漂移及2倍基頻濾波處理后，切削力數據對比實驗結果見表3。結果顯示，CXS-4E-D6.0銑刀確實存在切削力較大的情況，與切削力仿真結果基本一致。

表3 切削力實驗結果數據Tab.3 Experimental results of cutting force

3.2 表面粗糙度測試

表面粗糙度是評價表面質量的必要指標，也是衡量產品加工精度的一項重要內容，它的大小反映的是工件已加工表面的微觀不平度，因此會影響零件在裝配過程中的可靠性[12]。振動現象的發生會惡化加工表面質量、降低機床和刀具的使用壽命。王素玉等[13]認為，刀桿愈長，剛性愈差，振動增加，粗糙度增大，故應盡量縮短刀桿的長度，提高剛度、減小振動。

由此，表面粗糙度Ra可以間接反映銑削加工中的振動情況。測量Ra時，使用新刀測試，工況和切削參數與切削力及切削仿真實驗相同，待切削穩定后，隨即對零件表面粗糙度進行測量。粗糙度測量測三點，取平均值，CXS -4E-D6.0銑刀加工部位表面粗糙度Ra=0.16 μm，DB -4E-D6.0銑刀加工部位表面粗糙度Ra=0.30 μm，CXS -4E-D6.0銑刀優勢明顯。

3.3 讓刀量測試

在切削力的作用下，銑刀會產生撓曲，懸伸越大的地方撓度越大，會使工件產生加工誤差(讓刀量)。讓刀量可以直觀地反映銑刀的剛性。在實驗中，利用百分表對讓刀量進行測量，測試示意圖見圖8。經測量，CXS-4E-D6.0銑刀加工部位讓刀量為0.08 mm，DB-4E-D6.0加工部位讓刀量為0.18 mm，CXS-4E-D6.0銑刀優勢明顯。

圖8 讓刀量測試示意圖Fig.8 Experimental results of relieving amount

3.4 刀具耐用度測試

圖9 后刀面磨損值隨加工時間變化趨勢Fig.9 Trend line by flank face and testing time

更換測試刀具后，進行刀具耐用度實驗。考慮到淬硬鋼加工刀具壽命較短，實驗中以10 min為一個測量周期，刀具每切削10 min后取出，使用KEYENCE VK-X200激光掃描顯微鏡測量后刀面磨損值。同時考慮到銑削淬硬鋼切削力較大，為保證實驗安全，在切削力測試的參數值基礎上，將切削深度ap由10 mm減小到4 mm，其余不變。后刀面磨損量與加工時間關系見圖9。前30 min，兩者均正常磨損，CXS -4E-D6.0銑刀因為切削力較大，后刀面磨損值也較大，但DB-4E-D6.0銑刀加工至35min時周刃崩缺，停止測試，CXS-4E-D6.0銑刀加工至58 min時周刃崩缺，停止測試，失效后刃口形貌見圖10。由結果可知，CXS-4E-D6.0銑刀的耐用度是DB-4E-D6.0銑刀的耐用度的1.66倍。

(a)CXS-4E-D6.0銑刀加工58 min失效

(b)DB-4E-D6.0銑刀加工35 min失效圖10 失效后刃口形貌Fig.10 Image of cutting edge after using

4 結論

(1)通過切削仿真和靜力學仿真發現，CXS-4E-D6.0銑刀相較DB-4E-D6.0銑刀，切削力更大，切削溫度和容排屑性能差別不大、刀具變形量更小。

(2)CXS-4E-D6.0銑刀應用成形槽技術，采用較大的芯徑設計，相較對比刀具，刀具剛性得到提高，抗振能力得以提高。隨著刀具抗振性能的提高，一方面零件讓刀量減小，由0.18 mm減小為0.08 mm，表面粗糙度Ra由0.30 μm降低至0.16 μm；另一方面，隨著對振動的抑制，刀具耐用度本身也有明顯提升，由35 min提升至58 min。另外，CXS-4E-D6.0銑刀和DB-4E-D6.0銑刀最終失效形式均為崩缺，與眾多文獻報道一致，即淬硬鋼加工存在單位切削力大的特點。

(3)成形槽與切削力大小有密切關系，其作用機理有待進一步研究。