鋁合金插銑加工切削力分析及成屑弧區(qū)劃分

■ 上海智能裝備有限公司 （上海 201600） 秦文津

■ 上海航天精密機(jī)械研究所 （上海 201600） 周井文 任培強(qiáng)

當(dāng)前航空航天產(chǎn)品為滿足輕量化要求，絕大部分采用典型的深腔、減重槽框和空心薄壁等結(jié)構(gòu)。由于極大的材料去除量和典型的弱剛性結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)加工方式及加工工序存在加工效率低、刀具系統(tǒng)剛度差和加工難度大等一系列問題。基于這一現(xiàn)狀，近年來國內(nèi)外學(xué)者提出了高速插銑加工方式。插銑加工又稱為Z軸銑削法，即在數(shù)控加工過程中，刀具沿刀軸方向直線進(jìn)給，利用底部的切削刃進(jìn)行鉆、銑組合切削，是一種能夠在Z軸方向上快速去除大量金屬的加工方式，主要用于粗加工和半精加工。本文采用切削試驗，建立了刀具切削角與瞬時切削力的關(guān)系，研究了切削力系數(shù)隨每齒切削材料面積的變化規(guī)律。

1. 試驗安排及方法

試驗在DMG MORI 1035V三軸加工中心上進(jìn)行（見圖1），機(jī)床最大轉(zhuǎn)速為12 000r/min。切削力測量系統(tǒng)為Kistler 9253B23多分量測力儀、Kistler 5070A電荷放大器（見圖2）以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。試驗刀具為山特維克可樂滿機(jī)夾式刀具（見圖3），直徑為25mm，齒數(shù)為2。刀具后角為21°，刀尖圓角直徑為0.8mm。試驗材料為典型2A12硬鋁合金鍛件。切削參數(shù)為：刀具轉(zhuǎn)速n=6 000r/min，每齒進(jìn)給量fz=0.05mm/z，切削深度ae=1mm。

圖1 DMG MORI 1035V三軸加工中心

圖2 Kistler 5070A電荷放大器

圖3 機(jī)夾式刀具

2. 試驗結(jié)果及討論

圖4所示為典型插銑加工刀具每齒運(yùn)動軌跡示意圖，可以看出瞬時實際每齒切削厚度ae是隨刀具轉(zhuǎn)角φ呈現(xiàn)先增大（0°＜φ＜90°）后減小（90°＜φ＜180°）的趨勢。實際瞬時每齒切削厚度ae不等于預(yù)設(shè)軸向切削深度ae，具體關(guān)系見式（1）。

圖4 插銑加工每齒運(yùn)動示意

圖5 實際每齒切削厚度ae/徑向切削深度ae隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化趨勢

式中，ae為實際每齒切削厚度（m m）；ae為徑向切削深度（m m）；φ為刀具轉(zhuǎn)角（°）；Dc為刀具直徑（mm），本試驗?zāi)J(rèn)為25mm。實際每齒切削厚度ae/徑向切削深度ae隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化趨勢具體如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)實際每齒切削厚度ae在刀具轉(zhuǎn)角φ=90°時達(dá)到最大值，等于徑向切削深度ae，在刀具切入/切出階段，實際每齒切削厚度ae最小。

將瞬時切削力按照刀具切向分力和法向Fn分力分解，并建立與瞬時轉(zhuǎn)角的關(guān)系，具體如式（2）及圖6所示。

從圖6a可以發(fā)現(xiàn)，對于切向切削力Ft，其大小隨刀具轉(zhuǎn)角φ呈現(xiàn)對稱分布，并且在φ=90°時達(dá)到最大值。另一點(diǎn)在當(dāng)φ=20°和φ=160°時呈現(xiàn)明顯的低谷。分析認(rèn)為當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)角φ在0°～20°和160°～180°，根據(jù)最小切削厚度理論，此時刀具并沒有切除材料。原因之一是過小的切削厚度導(dǎo)致材料受力發(fā)生彈性變形退讓；原因之二是刀具刃口圓角的存在，使得被去除材料受刃口圓角的擠壓并沒有被去除。在這一階段刀具后刀面僅僅是在加工表面發(fā)生擠壓，并不成屑。當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)角φ在20°～90°時，根據(jù)金屬切削理論，隨著瞬時切削厚度ae的不斷增大，意味著在刀具前刀面（即第一變形區(qū)）發(fā)生剪切滑移變形的材料厚度不斷增加，這導(dǎo)致了切向切削力Ft的不斷增大。同理在90°～160°瞬時切削厚度ae其變化趨勢隨著刀具轉(zhuǎn)角φ的增大而不斷減小。

分析法向切削力Fn可以發(fā)現(xiàn)（見圖6b），切削力整體相對于φ=90°對稱（但是方向相反）。在刀具轉(zhuǎn)角φ=45°和φ=135°時，法向切削力Fn達(dá)到最大值（但是方向相反），并且在0°～45°和180°～135°，法向切削力Fn不斷增大。結(jié)合上文的分析可以得到在這一區(qū)域?qū)儆诓牧匣貜梾^(qū)域，并且回彈隨著瞬時切削厚度ae的增大而不斷加劇。同時可以發(fā)現(xiàn)在20°～45°，屬于刀具后刀面與工件材料作用的過渡區(qū)域，在這一區(qū)間屬于從擠壓階段向切削階段的轉(zhuǎn)變區(qū)域，屬于劃擦區(qū)域。同理在135°～160°，瞬時切削厚度ae變化趨勢隨著刀具轉(zhuǎn)角φ的增大而不斷減小。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)毒呷锌谡嬲_始切除材料時（即φ=45°～135°），工件材料對刀具后刀面的擠壓回彈作用反而減輕，此時材料主要在刀具前刀面發(fā)生剪切滑移變形，如圖7所示。

圖6 切削力隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化規(guī)律

圖7 切削成屑弧區(qū)劃分

3. 結(jié)語

本文利用鋁合金插銑加工試驗，從切削理論角度建立了切削力與刀具轉(zhuǎn)角、瞬時每齒切削厚度的理論計算關(guān)系。基于切向/法向切削力的變化規(guī)律，將切削弧區(qū)劃分為擠壓區(qū)、劃擦區(qū)和切削區(qū)。切削弧區(qū)按照刀具轉(zhuǎn)角φ可以劃分為三個區(qū)域。

區(qū)域一：0°～20°(160°～180°），刀具僅僅在材料表面擠壓滑行，并不成屑。

區(qū)域二：20°～45°(135°～160°），刀具在材料表面發(fā)生劃擦，屬于從擠壓滑行向切削成屑轉(zhuǎn)變的過渡階段。在這一范圍內(nèi)既有刀具后刀面與材料的回彈擠壓作用，也有材料受刀具前刀面的剪切成屑作用。

區(qū)域三：45°～135°，材料主要發(fā)生剪切滑移變形，屬于正常切削過程。