3Cr13不銹鋼的低頻振動(dòng)銑削影響問題研究

周志楷，靳伍銀

（蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

1 引言

不銹鋼是諸多難切削材料中較為典型和常見的材料之一。近十幾年來(lái)，隨著氬氧脫碳精煉技術(shù)的廣泛應(yīng)用和爐外精煉技術(shù)與設(shè)施的日趨完善，其生產(chǎn)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展［1］。以其優(yōu)異的物理、化學(xué)、機(jī)械及熱性能被廣泛應(yīng)用于很多工業(yè)領(lǐng)域［2］。然而，在切削加工過程中會(huì)產(chǎn)生諸多加工缺陷，極大影響了不銹鋼的推廣應(yīng)用。因此不銹鋼的切削加工問題是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

目前，振動(dòng)切削技術(shù)是精密機(jī)械加工中典型的技術(shù)之一。振動(dòng)切削，又稱脈沖切削，即在傳統(tǒng)切削中刀具/工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上給工件/刀具額外施加某種外激振動(dòng)以實(shí)現(xiàn)更好加工效果的一種切削方法［3］。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)振動(dòng)切削進(jìn)行了大量的研究，并且取得了豐富的成果［4，5］。文獻(xiàn)研究了化學(xué)強(qiáng)化玻璃的軸向超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法提高了刀具壽命、加工精度，以及切削效率［6］。文獻(xiàn)針對(duì)超聲輔助銑削運(yùn)動(dòng)學(xué)、表面形貌等進(jìn)了分析研究，結(jié)果表明振動(dòng)銑削可減小表面粗糙度，可形成鱗狀表面［7-9］。同時(shí)，眾多學(xué)者對(duì)不同材料振動(dòng)銑削的銑削力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)切削可有效減小切削力［10，11］。文獻(xiàn)采用非線性周期函數(shù)的線性化理論進(jìn)一步建立了超聲振動(dòng)輔助銑削的動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明超聲振動(dòng)是一種有效抑制加工顫振的方法［12］。文獻(xiàn)對(duì)超聲振動(dòng)切削技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，指出超聲橢圓振動(dòng)切削在不分離區(qū)具有有效降低切削力、抑制加工過程顫振、提高零件表面加工質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)［13，14］。

近年來(lái)，對(duì)超聲振動(dòng)切削的研究較多，并且多采用價(jià)格昂貴的鈦合金、碳碳復(fù)合材料等，但對(duì)低頻振動(dòng)銑削的研究不多。因此，通過低頻振動(dòng)銑削3Cr13不銹鋼來(lái)分析其對(duì)銑削的影響。

2 工件/刀具運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 普通銑削

在普通銑削過程中，工件隨工作臺(tái)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而刀具則做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。則工件運(yùn)動(dòng)軌跡為：

式中：y0-工作臺(tái)沿進(jìn)給方向的位移；vf-工作臺(tái)進(jìn)給速度；t-時(shí)間。加工過程選用較小的加工深度，可忽略刀具螺旋角的影響，對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，三刃立銑刀直線銑端面時(shí)刀尖相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖1所示。

圖1 三刃立銑刀刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.1 Motion Trace of Three Tool Tips of Three-edge Milling Cutter

取點(diǎn)A為初始位置，則銑刀的任一切削刃刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

式中：xi-刀具在垂直于進(jìn)給方向的坐標(biāo)；yi-刀具沿進(jìn)給方向的坐標(biāo)；vf-進(jìn)給速度；t-時(shí)間；z-銑刀刀刃數(shù)；r-銑刀半徑；ω-銑刀旋轉(zhuǎn)角速度；i-刀刃的序號(hào)，i=0,1,2（三刃銑刀）。

2.2 振動(dòng)銑削

在振動(dòng)銑削過程中，工件不僅隨工作臺(tái)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而且在激振器的影響之下做小振幅的往返運(yùn)動(dòng)；同時(shí)刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。則工件運(yùn)動(dòng)軌跡為：

式中：y0-工作臺(tái)進(jìn)給方向的位移；vf-工作臺(tái)進(jìn)給速度；t-時(shí)間；A-激振振幅；f-激振頻率；φ-初相位角。引入低頻振動(dòng)之后，刀尖相對(duì)于工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為：

根據(jù)式（5）、（6），沿進(jìn)給方向施加低頻激勵(lì)，在簡(jiǎn)諧波的影響下迫使工件-刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，形成了不同于普通銑削的銑削軌跡。并且激振頻率與振幅對(duì)工件-刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)存在一定影響。

如圖2（a）所示，加入低頻振動(dòng)后工件-刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了明顯的變化，并且該軌跡與簡(jiǎn)諧波形存在著一定的關(guān)系。在振幅不變的情況下，提高頻率圖（b）所示，刀尖與工件之間的相對(duì)偏離次數(shù)明顯變多。在頻率不變時(shí)，增大振幅，如圖（c）所示，明顯可以看出偏離距離變大，從而改變了傳統(tǒng)銑削過程中工件-刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖2 振動(dòng)銑削刀尖軌跡坐標(biāo)Fig.2 Coordinate of Tool Tops for Vibration Milling

3 試驗(yàn)及結(jié)果討論

由于振動(dòng)激勵(lì)的引入導(dǎo)致工件/刀具的軌跡發(fā)生變化，從而改變了原有的切削效果。這里對(duì)不同條件下3Cr13不銹鋼加工過程的平均切削力進(jìn)行分析和討論。

3.1 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)在XKA5750/E數(shù)控滑枕升降臺(tái)銑床上進(jìn)行，由信號(hào)發(fā)生器提供低頻振蕩電流，通過激振器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，向工件施加激勵(lì)帶動(dòng)工件進(jìn)行振動(dòng)，振幅則通過激振器電壓來(lái)調(diào)節(jié)，試驗(yàn)裝置，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Experimental Device

試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)述如下：

XKA5750/E數(shù)控滑枕升降臺(tái)銑床，轉(zhuǎn)速（0～3500）r/min；SANDVIK硬質(zhì)合金刀具，刀齒數(shù)為3，刀片型號(hào)為R390-11 T308M-PL 1030；美國(guó)VG100M振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，頻率范圍（0～4500）Hz；勝利VC2002函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；固定式（平臺(tái)式）Kistler 9139AA測(cè)力儀，采樣頻率3000Hz；Kistler 5070電荷放大器。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

為探索低頻振動(dòng)銑削與普通銑削之間的區(qū)別，首先研究在這兩種不同銑削條件下銑削力的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)本組實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 銑削力對(duì)比試驗(yàn)Tab.1 Comperative Test of Milling Force

本組試驗(yàn)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)周期為0.06s，如圖4所示中是穩(wěn)定數(shù)據(jù)中抽取的兩個(gè)周期內(nèi)的銑削力數(shù)據(jù)，其中峰值表示刀刃與工件接觸時(shí)的銑削力，每個(gè)周期有兩個(gè)峰值，說(shuō)明刀具每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈有兩個(gè)刀刃參與了切削，并且第二個(gè)峰值比第一個(gè)峰值要小。而本試驗(yàn)所用銑刀為三刃立銑刀，經(jīng)測(cè)量其中兩個(gè)刀刃有一定程度的磨損。其中一個(gè)是微量磨損，在加工過程參與了切削，但由于刀刃磨損而產(chǎn)生的切削力峰值比正常刀齒產(chǎn)生的小。另一個(gè)刀刃磨損程度大，而試驗(yàn)中每齒進(jìn)給量最大值為0.02mm，因此該刀刃未參與切削，故在測(cè)力儀中不顯示峰值。圖4明顯可以看出振動(dòng)切削中各方向的力都有不同程度的減小。取銑削過程穩(wěn)定階段50個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

圖4 雙切削周期內(nèi)銑削力波形圖Fig.4 Waveform of Milling Force within Double Cutting Cycles

表2 銑削力結(jié)果分析Tab.2 Results Analysis of Milling Force

與普通銑削相比較，振動(dòng)銑削降低了各方向的銑削力。其中X和Y方向的銑削力相比于Z方向變化大，是因?yàn)樵谒矫鎯?nèi)沿工作臺(tái)進(jìn)給方向添加了激勵(lì)，振動(dòng)對(duì)Z方向的影響較小。低頻振動(dòng)能夠降低銑削力，并且與振動(dòng)頻率、電壓、以及主軸轉(zhuǎn)速有著密切的聯(lián)系，為探索以上變量對(duì)銑削力的影響，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，如表3所示。在不同的激振電壓下主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min，每齒進(jìn)給量0.01 mm，切削深度為1 mm，切削寬度為2 mm，頻率分別為100、200、300、400 Hz時(shí)的銑削力測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖5所示。圖中：Fx-垂直于進(jìn)給方向力；Fy-沿進(jìn)給方向力；Fz-沿刀具軸向方向力。

表3 單因素試驗(yàn)條件與結(jié)果Tab.3 Conditions and Results of Single Factor Experiment

圖5 激振電壓對(duì)銑削力均值的影響Fig.5 The Influence of Excitation Frequency on Average Value Milling Force

可以看出，電壓在（4～6）V時(shí)，切削力變化比較穩(wěn)定，（6～10）V內(nèi)銑削力變化幅度較大。而頻率為200 Hz時(shí)變化明顯，是因?yàn)榇藭r(shí)激振器向工件傳遞機(jī)械振動(dòng)的絲桿發(fā)生了微變形，導(dǎo)致振動(dòng)方向較進(jìn)給方向有所偏離。

在切削參數(shù)不變的情況下，電壓分別為4、6、8、10V時(shí)，頻率對(duì)切削力的影響情況，如圖6所示；在頻率100Hz時(shí)，產(chǎn)生的銑削力較小；并且電壓為6V時(shí)各方向產(chǎn)生的銑削力最為平穩(wěn)。因此在低頻振動(dòng)銑削時(shí)建議使用頻率100Hz，電壓6V。

圖6 激振頻率對(duì)銑削力均值影響圖Fig.6 The Influence of Excitation Voltage on Average Value Milling Force

逆銑與順銑是兩種不同的銑削方式，銑刀的切向方向與工件的進(jìn)給方向相反稱為逆銑，相同稱為順銑。逆銑時(shí)切削寬度從（0～2）mm，產(chǎn)生垂直向上的銑削分力，刀尖有抬起的趨勢(shì)；并且刀尖剛開始切入時(shí)切削厚度趨近于0，不切削工件而是擠壓，由此產(chǎn)生摩擦力，因此逆銑產(chǎn)生的銑削力比順銑的大。

頻率分別為100、400Hz時(shí)在不同振幅下順銑與逆銑時(shí)銑削力的動(dòng)態(tài)變化曲線，如圖7所示；可以看出在相同加工條件下，逆銑產(chǎn)生的銑削力要比順銑產(chǎn)生的銑削力大；并且當(dāng)頻率為100Hz、電壓4V時(shí)，順銑與逆銑產(chǎn)生的銑削力比較接近。

圖7 順/逆銑對(duì)銑削力均值的影響Fig.7 The Influence of Forward/Reverse Milling on Average Value Milling Force

除了激振器頻率、電壓，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力也存在影響，下面分別討論振動(dòng)頻率為400Hz、電壓為4V、切深為1 mm；切寬為2 mm時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力的影響狀況，如圖8所示。

圖8 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力均值的影響Fig.8 The Influence of Machine Tool Spindle Speed on Average Value Milling Force

在低頻振動(dòng)銑削中，銑削力隨主軸轉(zhuǎn)速的增加成上升趨勢(shì)；雖然主軸轉(zhuǎn)速的增加減小了切削周期，但是本圖數(shù)據(jù)所取為每次切削過程中穩(wěn)定階段的50個(gè)周期內(nèi)切削力的平均值，并且本組試驗(yàn)切削深度為1mm、切削寬度為2mm、每齒進(jìn)給量為0.01mm，因此切削力值得增加表明每齒所受銑削力的增加；故說(shuō)明在低頻振動(dòng)銑削過程中主軸轉(zhuǎn)速越高產(chǎn)生的銑削力越大。

4 結(jié)論

（1）沿進(jìn)給方向施加脈沖激勵(lì)的低頻振動(dòng)銑削，影響工件-刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，減小了銑削力，并且銑削力大小與順/逆銑、振動(dòng)頻率、電壓、主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此在加工過程中應(yīng)合理選擇參數(shù)。

（2）在相同參數(shù)下順銑產(chǎn)生的銑削力比逆銑產(chǎn)生的小，因此在低頻振動(dòng)銑削中建議采用順銑加工。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)激振頻率在（100～400）Hz之間時(shí)，銑削力先增大后減小，但是在100Hz時(shí)對(duì)應(yīng)的銑削力最?。患ふ耠妷簩?duì)銑削力影響規(guī)律不顯著，但是在電壓為6V時(shí)對(duì)應(yīng)最小銑削力；銑削力隨主軸轉(zhuǎn)速的增加呈上升趨勢(shì)。