基于分屑原理的銑刀設(shè)計(jì)與研究

楊云輝

(云南開放大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 云南 昆明 650223)

在制造業(yè)中，銑刀扮演著十分重要的角色，許多零件都是通過銑刀加工而成，銑刀的使用性能以及成本都是十分重要的研究課題。當(dāng)前的諸多研究中,為了提升銑刀的性能，大部分以分屑原理為依據(jù)設(shè)計(jì)銑刀，使切削刃避開工件表面硬化層，同時(shí)還可以使切屑的厚度增加、寬度減小，從而減小切屑的變形程度[1]，因此分屑原理能夠在很大程度上降低切削溫度，減小切削力，極大提高刀具的使用壽命。

本文通過分析其他具有分屑原理的刀具，選擇出適合插銑刀具的兩種刀具分屑原理方案，即多刃組合錯(cuò)位和波刃分屑原理，構(gòu)建了基于分屑原理的插銑刀每齒允許進(jìn)給量與刀具幾何參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)出具有高性能、低成本且使用壽命長的銑刀刀具。

1 刀具分屑原理

采用分屑原理的刀具性能要比普通刀具更加優(yōu)良，因此分屑原理被廣泛運(yùn)用于銑刀的設(shè)計(jì)中。在刀刃上增加分屑槽屬于一種較為普遍的分屑方法，將原本一段的切削刃分為兩段甚至多段，并且分屑槽在相鄰切削刃上互相錯(cuò)開[2-3]。

另一種分屑原理的設(shè)計(jì)方案是將切削刃的形的區(qū)域出現(xiàn)間斷，這樣的改動(dòng)會(huì)使得較寬形狀的切屑在切削時(shí)被分為窄條切下[4]。對(duì)切削刃形狀進(jìn)行改變也是一種較為常用的分屑方法，除此之外，還有一種方法是將多個(gè)切削刃進(jìn)行組合，利用這一方式實(shí)現(xiàn)分屑。

假設(shè)錯(cuò)位分屑插銑刀具每組刀片的個(gè)數(shù)為N，同一組中相鄰兩刀片主切削刃的軸向相對(duì)偏移量為Δ，一組刀片切過后的切削區(qū)域縱截面如圖1所示，虛線表示下一組刀片即將切削的位置。

圖1 錯(cuò)位刀具切削區(qū)域縱截面

切削過程中，同組兩相鄰刀片的切削平面沿刀具軸向的距離d1為：

d1=fz+Δ

(1)

式中：fz為每齒進(jìn)給量。

切削過程中，相鄰兩組相同位置刀片的切削平面沿刀具軸向的距離d2為：

d2=N×fz

(2)

各刀片的切削順序一般為由外側(cè)至內(nèi)側(cè)，當(dāng)d2≤d1時(shí)，任一刀片均不會(huì)切削到相鄰刀片的切削區(qū)域，即錯(cuò)位分屑插銑刀具能可靠分屑的條件是：

(3)

上述分析表明，錯(cuò)位分屑插銑刀具能實(shí)現(xiàn)分屑的最大許用每齒進(jìn)給量僅與每個(gè)錯(cuò)位刀片組的刀片數(shù)量和相鄰兩刀片間的軸向錯(cuò)位距離有關(guān)。分屑刀具在使用過程中只要每齒進(jìn)給量的選取不超過設(shè)計(jì)值即能保證刀具可靠分屑，若每齒進(jìn)給量選取過大，刀具將失去分屑能力。

2 刀具材料的選擇

在選擇插銑刀具刀體材料時(shí)，首先應(yīng)考慮材料的韌性與剛性，只有這兩個(gè)條件都具備，在對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)才會(huì)避免因抵抗切削所產(chǎn)生的力而造成刀具的變形，還能夠有效緩沖加工時(shí)的切削振動(dòng)。由于常見的結(jié)構(gòu)鋼韌性和剛度都較差，并不能滿足刀具在加工時(shí)的性能要求，而各類合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和韌性則能滿足銑刀的加工要求，因此選用常用的合金結(jié)構(gòu)鋼,比如40Cr和42CrMo等[5]。

3 錯(cuò)位分屑插銑刀具性能分析

由于插銑刀具的優(yōu)勢(shì)在開槽中最為明顯，因此本文采用對(duì)合金材料開槽的方式進(jìn)行插銑實(shí)驗(yàn)。在開槽時(shí)，刀具首先從工件外部進(jìn)入，刀具的兩側(cè)和步進(jìn)方向都填充了要切割的材料，此時(shí)工件對(duì)刀具的包角最大，不會(huì)因?yàn)榈毒叩牟竭M(jìn)而顫振，但隨著加工的不斷進(jìn)行，刀具一旁的工件材料被切削下去，有一側(cè)出現(xiàn)空白區(qū)域，刀具步進(jìn)方向上受力不均勻，隨著刀具切削位置發(fā)生變化，刀片切除切屑的方式也會(huì)改變，切削力和切削振動(dòng)開始受到影響。順銑時(shí)刀具刀片的切削深度逐漸減小，這一變化特點(diǎn)是刀具對(duì)工件進(jìn)行最初的切入時(shí)會(huì)受到較大的沖擊力，切削振動(dòng)有可能會(huì)增加，從而降低刀具的使用壽命。逆銑則與順銑相反，當(dāng)對(duì)工件進(jìn)行逆銑時(shí)，隨著刀具的逐漸深入，切削深度開始增大，由于銑刀緩慢進(jìn)入到工件當(dāng)中，所受到的切削力較小，因此能明顯減少切削所產(chǎn)生的振動(dòng)，從而提高刀具的使用壽命。

為了能夠準(zhǔn)確分析刀具的使用壽命與分屑原理的相關(guān)性，本文分別設(shè)計(jì)出徑向錯(cuò)位1.2 mm和2.0 mm的分屑刀具與普通的刀具進(jìn)行對(duì)比，以174PH不銹鋼作為待加工的工件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中刀具磨損狀況主要通過機(jī)床主軸負(fù)載變化進(jìn)行估計(jì)，刀具工作時(shí)采用統(tǒng)一的切削參數(shù)，具體參數(shù)見表1。

表1 刀具磨損實(shí)驗(yàn)的切削參數(shù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，由表可知，3種刀具機(jī)床主軸負(fù)載變化幅度差別不大，但是所切除的材料量不同，30 min內(nèi)普通刀具切除了801 mm3的材料，之后切削振動(dòng)開始加劇，此時(shí)刀具已經(jīng)需要更換刀片；徑向錯(cuò)位1.2 mm分屑刀具在40 min內(nèi)切除了1 021 mm3材料后，振動(dòng)幅度也開始增加，但相比于普通刀具，振動(dòng)幅度較??；錯(cuò)位2.0 mm分屑刀具隨著徑向切深增加，工作效率隨之提高，35 min內(nèi)切除了1 197 mm3的材料，之后振動(dòng)幅度也開始增加，同樣也小于普通刀具的振動(dòng)幅度。

表2 刀具磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得兩種刀具的磨損情況以及工作量的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)刀具的使用壽命進(jìn)行定性分析，可知在對(duì)不銹鋼工件進(jìn)行加工時(shí)，對(duì)于給定的切削參數(shù)，有徑向錯(cuò)位的刀具要比沒有徑向錯(cuò)位的普通刀具的切削量更大，而且使用壽命也得到了極大的提升，并在一定范圍內(nèi)，刀具徑向錯(cuò)位越大，加工工件時(shí)的效率越高。

4 波刃分屑插銑刀具性能分析

為了避免對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)刀具發(fā)生破損現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也為了保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌剡M(jìn)行，工件選用40Cr這類容易加工的材料，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同樣采取首列開槽這一受力均勻且能夠保持很好的穩(wěn)定性的加工方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

選擇加工過程中最為穩(wěn)定的部分，對(duì)該階段的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，然后選擇切削振動(dòng)信號(hào)的有效最大值作為相應(yīng)切削參數(shù)下的切削力值[10]。切削力隨每齒進(jìn)給量的變化規(guī)律如圖2所示。由圖可知，對(duì)于所有刀具，工件上的切削力都呈現(xiàn)出隨著每齒進(jìn)給量的增加而增加的趨勢(shì)。直刃刀具的切削力變化最大。當(dāng)每齒進(jìn)給量從0.06 mm增加到0.09 mm時(shí)，直刃刀具的x,y,z方向切削力分別增加約1 400 N、140 N、240 N，分屑槽刀具x,y,z方向切削力分別增加了約950 N、360 N和490 N，波刃刀具x,y,z方向切削力分別增加了約950 N、360 N和490 N。因此，直刃刀具在使用過程中應(yīng)當(dāng)注意控制每齒進(jìn)給量，盡量采取較小的進(jìn)給量。

圖2 切削力隨每齒進(jìn)給量的變化規(guī)律

另外，由圖可知，直刃刀具切削力最大，分屑槽刀具次之，波刃刀具最小。以每齒進(jìn)給量為0.06 mm為例，分屑槽刀具在x,y,z方向的切削力分量為直刃刀具的77%、74%、91%，為波刃刀具的55%、45%和57%。在所設(shè)定的切削參數(shù)下，用簡單的分屑器磨削切削刃可以使切削力降低20%左右，而波刃分屑原理可以使切削力降低50%左右。

工件切削振動(dòng)幅度隨每齒進(jìn)給量的變化規(guī)律如圖3所示，由圖可知，隨著每齒進(jìn)給量增加，切削振動(dòng)幅度變大，每齒進(jìn)給量在0.07 mm以內(nèi)時(shí)，3種刀具切削振動(dòng)幅度的差值在0.1g之內(nèi)，相比較而言，引起切削振動(dòng)幅度最小的為直刃刀具。隨著每齒進(jìn)給量增加，波刃刀具的表面涂層開始出現(xiàn)破壞的情況，該刀具的切削振動(dòng)幅度也隨著表面涂層的破壞急劇變化。若3種刀具均未受到破壞，3種刀具所產(chǎn)生的切削振動(dòng)幅度都不高，且3種刀具之間的差距很小，故實(shí)驗(yàn)中不存在由于刀具的形狀不同而導(dǎo)致的切削幅度差異大，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況。

圖3 切削振動(dòng)精度對(duì)每齒進(jìn)給量的變化規(guī)律

5 整體葉輪的插銑加工

設(shè)計(jì)插銑專用刀具的目的是提供高性能、低成本的加工工具，雖然在與普通刀具的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中分屑插銑刀具性能更好，但是只有經(jīng)歷實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的考驗(yàn)，才能暴露出更多的有待改進(jìn)的問題，推進(jìn)分屑插銑刀具不斷改進(jìn)和優(yōu)化，本節(jié)主要探討插銑專用刀具在整體葉輪加工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況。

整體葉輪是離心式壓縮機(jī)的核心部件，離心式壓縮機(jī)主要用于氣體的壓縮和輸送，是各類大型化工廠的核心裝置。整體葉輪是一種加工難度很大的零部件，因其流道具有復(fù)雜的扭曲特性，在加工時(shí)一般將整體葉輪分為葉盤和蓋盤，兩者分別加工后再焊接到一起，整體葉輪的葉盤如圖4所示。葉盤的傳統(tǒng)加工方法多為分層銑削，該方法工藝較為成熟，應(yīng)用廣泛，但是加工效率偏低。

圖4 整體葉輪葉盤

應(yīng)用插銑工藝是提高整體葉輪粗加工效率的有效手段，通過與某鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)的合作，采用本文中設(shè)計(jì)的基于錯(cuò)位分屑原理的插銑專用刀具對(duì)整體葉輪進(jìn)行粗加工。因葉輪直徑的不同，葉輪流道尺寸也會(huì)有較大范圍的變化，為了提高加工效率，需要根據(jù)實(shí)際情況盡可能選擇直徑較大的插銑刀具，本文中使用的不同直徑的錯(cuò)位分屑插銑刀具如圖5所示。

圖5 粗加工整體葉輪實(shí)驗(yàn)中使用的插銑刀具

插銑加工整體葉輪葉盤流道時(shí)的加工現(xiàn)場(chǎng)及加工完成后的某型號(hào)葉輪外觀如圖6所示。實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的錯(cuò)位分屑插銑刀具達(dá)到了高性能、低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)也驗(yàn)證了插銑這種先進(jìn)工藝的高效性和應(yīng)用于整體葉輪加工的可行性。

圖6 插銑加工整體葉輪

6 結(jié)束語

本文選擇波刃和多切削刃組合的錯(cuò)位分屑原理作為插銑刀具的分屑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理，構(gòu)建了插銑刀每齒進(jìn)給量與刀具幾何參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。通過分析發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)位分屑插銑刀具每齒進(jìn)給量僅與每個(gè)錯(cuò)位刀片組的刀片數(shù)量和相鄰兩刀片間的軸向錯(cuò)位距離有關(guān)。為了分析錯(cuò)位分屑插銑刀具性能，采用刀具磨損實(shí)驗(yàn)，得出在給定切削參數(shù)的情況下，有徑向錯(cuò)位的刀具要比沒有徑向錯(cuò)位的普通刀具切削量更大，而且使用壽命更長。為分析波刃分屑插銑刀具性能，采取開槽加工方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從切削力和切削振動(dòng)對(duì)每齒進(jìn)給量的變化規(guī)律中得出，直刃刀具切削力最大，分屑槽刀具次之，波刃刀具最小，切削振動(dòng)幅度隨著每齒進(jìn)給量增加而變大。由此可知將錯(cuò)位分屑原理和波刃切屑原理應(yīng)用在插銑刀具上能夠使切削力明顯降低，提高了刀具壽命。

本文設(shè)計(jì)的插銑專用刀具選用合金材料，便于插銑開槽等工藝的運(yùn)用。在以后的研究中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同刀具的加工特點(diǎn)及其加工時(shí)的受力特點(diǎn)，選擇合適的專用材料設(shè)計(jì)刀片，同時(shí)還要依據(jù)相關(guān)切削理論，合理運(yùn)用分屑原理，通過各種設(shè)計(jì)方法盡可能提高刀具的使用壽命。