摆线走刀方式下高速铣削淬硬钢的切削力研究

【摘 要】本文通过对高速加工带不同拐角的型腔进行简单的实验研究，从中得出了减速程度、型腔拐角大小和切削力三者之间的相互关系，为在实际加工中选择相对合理的参数提供参考。

【关键词】摆线；走刀方式；高速铣削；淬硬钢；切削力

前言

高速切削时，刀具的损坏形式主要是磨损和破损。其损坏原因随刀具材料的工件材料不同，主要以磨损为主，但有的则是以破损为主，或者是磨损伴有微崩刃而损坏。

国内对高速加工淬硬钢的切削机理研究还处于初步探索阶段，淬硬钢铣削加工的研究较少，主要对陶瓷刀具、PCBN刀具和涂层刀具开展淬硬钢切削实验研究。而且大多仅限于直线切削的实验，并且多采用直径8mm以上的刀具。国外一些学者对淬硬模具高速加工的可能性进行了研究，并对硬态切削机理研究现状做了比较系统的总结。从国内外的学者对淬硬钢切削机理的研究方面来看，主要研究对象是切削过程中切削力特征、刀具涂层材料的选择、切屑形成机理、刀具磨损、破损机理、已加工的表面质量、刀具寿命等方面。

高速加工淬硬钢的切削效率和加工质量比传统加工(如电火花和手工抛光加工)有了很大的改进，这对增强企业的竞争力无疑是非常重要的。为此，有必要对小直径铣刀铣削淬硬钢过程中的振动、切削力、刀具磨损、切屑形态、切削参数优化等高速铣削的机理以及工艺问题进行研究，以便优化铣削工况，同时也可以应用到生产中，对其优选工艺参数，更好使用刀具，降低生产成本都有一定的意义。

1、实验条件和方案

1.1实验条件

本实验中用到的刀具为φ2的涂层（TiA1CN涂层）硬质合金平底立铣刀，所用的实验设备为YCM-V85A型立式加工中心，它的最高转速可达8000转/分。实验中用到的工件为经过淬硬处理、HRC53的45钢。实验中还用到相关的检测仪器，如测力仪、电荷放大器等。

1.2实验方案及分析方法

通过采取摆线走刀方式，改变刀具在拐角处的减速程度，研究不同角度拐角加工时的切削力和振动，进行拐角处的走刀方式和减速的参数优选，并得出刀具受力和振动随拐角角度的变化而变化的情况。具体方法是：

分别设定拐角处速度减少程度为20%、25%、30%、35%，相关的参数设置为垂直步进0.1mm，侧向步距为0.4mm，螺旋进刀角度为30°，最小切削宽度为0.02mm，最大螺旋半径为0.96mm，摆线步距为0.3mm，主轴转速为6370r/min，进给量为254.76mm/min。

在实验中分别对内拐角为60°、75°的型腔进行铣削实验，分别研究切削过程中的受力和振动情况。采用的分析方法为单因素测量法与综合分析归纳法，共进行4×4=16次实验。

1.3实验方法

选择带有拐角为60°、75°的型腔，用CAD软件进行建模，结合实际，然后用Cimatron E软件进行编程，选择合适的刀具和加工参数，生成高速铣削型腔的NC代码，用Cimatron E的后处理模块进行仿真加工，验证程序，最后输出加工代码，在数控铣床上进行试加工，再到数控加工中心进行实验。

由于所要研究的因素有多个，所以需要编制多个不同的程序，采用单因素实验，编制出不同的程序。采用的实验系统：高速机床、测力系统和振动测试系统组成。测力仪安装在机床工作台上，工件固定在测力仪上方，振动加速度传感器粘结在工件X方向上，加工时的切削力和振动信号分别通过压电式测力仪和振动加速度传感器输出，并经过A/D变换与处理，最终存储在计算机中。

2、实验数据分析

2.1不同减速程度时的受力情况

1.内拐角为75°的型腔在不同减速程度下的受力情况

实验参数：取主轴转速为6369r/min，切削深度为0.1mm，进给量为254.76mm/min，侧向步距为0.4mm，摆线步距为0.3mm。

实验结果：当拐角处速度分别减少20%，25%，30%，35%时，对应X和Y方向的四组最大切削力分别为70N、78N，68N、96N，63N、88N，72N、99N。

从上面的数据我们可以看出，随着减速程度的增加，在Y向的力成上升的趋势，而X方向的受力相对平缓；在考虑切削效率和受力的情况下，减速程度为30%较合适。

2.内拐角为60°的型腔在不同减速程度下的受力情况

实验参数：取主轴转速为6369r/min，切削深度为0.1mm，进给量为254.76mm/min，侧向步距为0.4mm，摆线步距为0.3mm。

实验结果：当拐角处速度分别减少20%，25%，30%，35%时，对应X和Y方向的四组最大切削力分别为67N、90N，134 N、119N，85 N、100N，58N、120N。

从上面的数据我们可以看出，随着减速程度的增加，X和Y方向的受力变化都比较大，尤其是减速程度为25%时，这两个方向的受力上升较快；在考虑切削效率和受力的情况下，减速程度为30%较合适。

2.2不同拐角下的受力情况分析

1.X方向的受力情况分析

实验参数：取主轴转速为6369r/min，切削深度为0.1mm，进给量为254.76mm/min，侧向步距为0.4mm，摆线步距为0.3mm。

实验结果：当拐角处速度分别减少20%，25%，30%，35%时，对应60°和70°拐角型腔的四组最大切削力分别为66N、70N，132 N、64N，85 N、64N，57N、72N。

2. Y方向的受力情况分析

实验参数：取主轴转速为6369r/min，切削深度为0.1mm，进给量为254.76mm/min，侧向步距为0.4mm，摆线步距为0.3mm。

实验结果：当拐角处速度分别减少20%，25%，30%，35%时，对应60°和70°拐角型腔的四组最大切削力分别为92N、79N，118 N、94N，100 N、88N，120 N、98N。

由上面的实验数据可以看出：在同等条件下，X和Y方向的受力情况是，角度小的型腔所受到的切削力要比角度大的型腔要大。究其原因，主要是因为加工型腔时，其切削进给方向改变突然，使得切削进给速度存在突变，相当于由定值变为零又变为定值，角度越小，突变越大，受力也越大。

3、结论

（1）通过实验数据对比，在综合考虑了切削效率和受力的情况下，减速程度为30%较佳。

（2）在同样的铣削条件下，角度较小的型腔，在拐角处所受的切削力都比拐角角度大的型腔要大。这是因为加工角度较小的型腔时，其切削进给方向改变突然，切削速度存在相当于是从原数值减小到0，再由0增加回原数值的突变情况，这种突变对高速加工是很不利的，所以在确定型腔的过渡角度时，应趋向于选择大的拐角。

参考文献

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