立銑刀斷屑槽對切削性能影響規律試驗研究

戴磊，劉志剛，常文君，周宏根，李國超，錢冬清

(1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮江 212100；2.中國船舶集團有限公司，北京 100097；3.杭州優邁科技有限公司，浙江杭州 310000)

0 前言

隨著機械加工工業的快速發展，切削加工作為機械加工的重要環節[1]，也受到了更廣泛的關注。隨著各種工業材料的更新和發展,復合材料、鎳基合金、鈦合金等具有高性能的材料愈來愈廣泛運用于生活。加工對象的多元化，也給切削加工帶來了巨大的挑戰[2]。

整體式立銑刀因為具有良好的切削加工性能，被廣泛應用于船舶制造、航空航天、汽車制造和模具加工等行業，尤其是零件表面較為復雜的高速高精度加工。切削加工過程本質上就是材料去除的過程，而這個過程都是由加工刀具完成的[3]。機械加工刀具性能的優劣，決定加工質量與效率。尤其是在合金材料廣泛使用的現代社會，刀具的重要性不言而喻。國際生產工程科學院(CIRP)的一項研究報告指出：對刀具材料進行優化，可以使刀具的最大切削速度在每隔10年就提高1倍左右；對刀具關鍵結構參數進行優化，刀具的使用壽命每隔10年可以提高2倍左右[4]。因此，依據刀具加工特性，對刀具幾何結構參數進行優化，可以有效提升刀具整體加工性能[5]。

在銑刀設計中，斷屑的設計與制定是技術難點，也是影響刀具切削性能的重要環節。刀具斷屑槽的設計是為了控制切屑折斷，其效果將直接影響零件的生產率、加工質量、設備及技術人員的安全[6]。為了能夠獲得良好的斷屑性能，許多專家研究出了很多改善斷屑效果的方法和設備，而其中設計斷屑槽是最簡易、最經濟的方法。斷屑槽的原理是切屑受沖擊、擠壓變形后的應變大于或等于材料本身的斷裂應變和基于材料的加工硬化原理[7]。設計出合適的斷屑槽可對切屑流向、卷曲半徑和斷屑時間進行有效控制，可以保證加工工件質量、加工效率和精度，還可以控制機床和工件振動、降低切削溫度[8]。斷屑槽因斷屑性能良好，在切削加工中有著不可或缺的作用[9]。

本文作者提出一種以多因素交叉分組試驗為基礎，能夠方便快捷并準確地獲取整體式立銑刀切削加工特征參數的析因試驗法，旨在避免復雜的解析計算和試驗次數的增加，解決銑削加工特征參數選取的問題。該方法直接根據斷屑槽在刀具上的不同分布，通過銑削試驗獲得切削加工過程中具有代表性的特征參數，對特征參數進行處理分析，可為研究斷屑槽結構對刀具銑削性能的影響提供參考。

1 試驗設計

為研究斷屑槽分布數量對于刀具銑削性能的影響，通過銑削試驗研究兩把斷屑槽不同分布的銑刀性能差異。試驗所用儀器和刀具如圖1所示，試驗系統結構如圖2所示。

銑削試驗在三軸聯動立式加工中心VMC-860上進行。試驗中，使用瑞士Kistler9129A測力儀實時采集銑削過程中x、y和z方向上的銑削力，整套測力儀主要包括測力臺、振動采集裝置以及電荷放大器，如圖3所示。測力儀的測量范圍為±10 kN，精度為0.001 N，采樣頻率設置為50 kHz。利用Kistler IEPE振動傳感器實時采集斷屑槽銑刀切削加工中的振動信號。

試驗用工件為鋁合金Al7050、鈦合金TC4以及42CrMo鋼3種材料制成。加工時設定銑削軸向切深ap=4 mm不變，采用順銑、干式切削方式。如圖4所示，兩把刀具在同一個工件上走刀位置成軸對稱分布。每把刀具除第一次走刀切除全部，往后每次走刀均比前一次少進給10 mm，以此保留各工藝參數下的已加工表面。同時，單次切削結束后，利用收納盒收集切屑用于后續的分析。

由于對銑削性能的影響因素眾多，故采用析因試驗方法,分析轉速n、每齒進給量fz以及徑向切深ae對銑削力和振動的影響。具體因素以及水平設置如表1所示。正交試驗表如表2所示。

表1 正交試驗因素及水平

表2 正交試驗表

2 試驗結果及分析

2.1 力信號分析

在Kistler9129A測力儀所采集到的典型銑削力信號數據中取50組峰值求平均值作為該銑削力的樣本數值，分為x、y、z3個方向的力，結果如表3—表5所示。可知:兩把銑刀在加工42CrMo鋼時的銑削力總體上大于銑削鋁合金Al7050以及鈦合金TC4。這是因為被加工材料硬度高，導致切削時工件的剪切變形抗力增大，故而使得銑削力變大。

表3 銑削不同材料時x方向的銑削力 單位：N

表4 銑削不同材料時y方向的銑削力 單位:N

表5 銑削不同材料時z方向的銑削力 單位:N

2.2 振動信號分析

實際銑削加工中利用振動傳感器采集到的振動信號，會因為加工環境、采集設備參數設置等問題而摻雜了許多無用信號，所以必須對所得數據進行預處理后才能進行有效分析。對于斷屑槽銑刀銑削試驗所采集到的振動信號，進行無效值剔除、降采樣、小波分析降噪這3項預處理操作。

(1)無效值剔除

圖5所示為斷屑槽銑刀銑削加工鋁合金材料Al7050試樣時所采集到的振動信號時域波形。圖(a)中，a1、a2以及a3段是為了數據完整性，在銑削加工結束后采集的一段時間內的振動信號數據，其中：a1段數據對應切削剛結束時；a2段對應數控加工中心工作臺外移，準備收集切屑；a3段對應工作臺外移結束后狀態穩定區域內采集的數據。故而將a1、a2以及a3段數據作為無效數據剔除。圖(b)為剔除無效值以后的振動-時間波形。

(2)降采樣

銑削試驗中，振動信號采樣頻率為5 kHz，單次切削后所采集到的數據約為10萬個。總體數據量較大，如果將全部數據都用于后續分析，會導致效率低下。同時，傳感器采集到的大量冗余數據對于后期分析的準確性無益。本文作者為提高分析效率，在保證反映斷屑槽銑刀銑削加工全部信息的前提下，對采集到的原始數據進行降采樣操作。降采樣比例為1/100，單個信號的數據量縮減到約1 000個。圖5(c)所示為圖5(b)中數據進行降采樣操作后的信號曲線。可以看出降采樣以后的數據分布稀疏，但是同樣包含加工時間的全部信息，有利于加快后期分析的速度。

(3)小波分解降噪

經過前面兩項處理后的振動數據信號已經基本達到使用標準，但是由于銑削加工現場的工作環境以及振動測量系統設備復雜、接線較多等原因，采集到的振動信號中含有大量的噪聲信號，會造成信號分析出現偏差，降低分析結果的可信度。

利用傳感器采集到的信號數據都是由有效信號和噪聲信號疊加而成，所以在信號分析時，通常都要對所得信號進行降噪處理。本文作者利用小波分析法對振動信號進行降噪處理。

在小波分析中，涉及到近似分量和細節分量。其中，近似分量可以反映出信號中的高頻信息，而噪聲的能量主要集中在小波分析中的細節分量內。小波降噪的主要目標是將高頻成分中的噪聲過濾掉，同時保留原始信號的真實值，達到降噪的目的。小波降噪的方法主要分為小波分解與重構方法、閾值降噪法和模極大值降噪法等。小波閾值降噪過程如圖6所示，降噪效果受到小波基類型、分解層數、閾值規則等參數選擇的影響。

采用小波基為“dB5”，分解層數為6 的統一設置，對振動信號進行降采樣。降采樣處理后的振動信號如圖5所示。使用降采樣法得到的真實信號效果較好，在進行后續特征提取操作時，準確性可得到保證[12]。

經過處理后得到各加工狀態的振動數據如表6、表7所示。

由表6、表7可知:在同樣銑削工藝參數下，加工鋁合金Al7050、鈦合金TC4以及42CrMo鋼時，2號銑刀振動均值均小于1號銑刀。這是因為1號銑刀斷屑槽數量較多，在加工時，由原本一個完整的刀刃分解成多個短刃進行切削，形成的切屑在刀具軸向上并不連續，刀刃與工件之間的相互擠壓和銑削加工的斷續性使得切削穩定性較差[13]。同時，刀具開有多個斷屑槽，刀刃結構的不完整性對刀具自身力學性能影響較大。2號銑刀因為斷屑槽數量較少，切屑連續性較好，故而振動較小。

表6 試驗各工況下不同刀具振動幅值均值 單位:m·s-2

表7 試驗各工況下不同刀具振動幅值均方根值 單位：m·s-2

2.3 切屑形貌分析

本文作者研究斷屑槽銑刀切削性能的差異，切屑是反映刀具切削時狀態的重要指標之一。

由圖7—圖9可知：因為1 號銑刀斷屑槽較多，切屑呈現出碎屑狀，無法連成片；1號銑刀切削42CrMo鋼產生的切屑呈現出灼燒痕跡，切削時溫度過高。在切削3種不同材料時，切削鋁合金Al7050產生的切屑卷曲半徑大于切削鈦合金TC4以及切削42CrMo鋼時產生的切屑卷曲半徑，這是因為鋁合金硬度最低。

2.4 已加工表面質量分析

已加工表面質量指的是工件經過加工后的表面層狀態，它常常影響工件的使用性能。文中研究兩種不同槽型分布數量的斷屑槽銑刀切削性能差異，故而銑削加工表面質量也是重要的評價標準之一。鋁合金Al7050、鈦合金TC4、42CrMo鋼材料已加工表面分別如圖10—圖12所示。

由圖10—圖12可知：1號銑刀因斷屑槽分布較為密集，使得已加工表面留有很多小凸筋，材料去除率較低，表面粗糙度較高；2號銑刀因斷屑槽分布稀疏，切削時，后一刀齒可以完整切去前一刀齒未能去除的部分，材料去除量較大，故而沒有形成凸筋，表面粗糙度較低；1號銑刀切削時，42CrMo鋼已加工表面較鋁合金Al7050和鈦合金TC4已加工表面粗糙度大；當轉速n增加時，42CrMo鋼的表面粗糙度降低。這是因為當轉速n增大時，切削速度也隨之增大，工件的塑性變形較小，從而降低了表面粗糙度。

3 結語

通過Kistler測力儀、Kistler IEPE振動傳感器采集兩把具有同一結構且分布數量不同的斷屑槽銑刀切削過程中的力信號、振動信號，并對已加工工件表面質量進行分析，研究其對于刀具切削性能的影響。

(1)斷屑槽布置密集時，對刀具力學性能影響較大，工件已加工表面粗糙度大，材料去除率較低，因此更適合于精度要求不高的粗加工。

(2)斷屑分布稀疏時，材料去除量大，表面粗糙度較低。同時刀具切削時振動小，銑削穩定性較好，適合于精度要求較高的半精加工。

當進給量增大時，切削力也隨之增大，工件的塑性變形小，工件表面粗糙度較低。故而在文中的研究范圍內，對表面質量影響較大的是斷屑槽分布和進給量。研究結果可為整體式立銑刀斷屑槽結構進一步優化設計提供參考。