刀具磨損過程中銑削力與主軸電流試驗研究

梁軍華，高宏力

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.四川省高溫合金切削工藝技術(shù)工程實驗室，四川 德陽 618000）

1 引言

目前航空發(fā)動機使用最廣的一種高溫合金（鎳基高溫合金），已占先進航空發(fā)動機用材料約50%，主要用于發(fā)動機熱端部件，也被用于石油化工、船舶等行業(yè)。鎳基高溫合金GH4169（相當于美國牌號Inconel718）在高溫條件下仍具有優(yōu)良的高溫屈服強度、抗拉強度、抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞強度等特點，使其成為最難加工材料之一，其可加工性僅為45鋼的（6～20）%，其難加工性主要體現(xiàn)為切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴重等，隨著鎳基高溫合金材料的發(fā)展，更優(yōu)異的性能鎳基高溫合金進一步增大了其加工難度[1]。文獻[2]以TiCN 涂層刀具進行鎳基高溫合金Inconel718 切削試驗，并進行數(shù)理分析得到最佳的工藝參數(shù)組合。切削力大小部分反映了刀具在切削過程中磨損狀態(tài)，分析切削力時頻域信號規(guī)律對研究刀具的磨損狀態(tài)有重要意義[3]。

在切削加工過程中刀具不同磨損狀態(tài)下切削力、主軸電機的電流和功率不同，刀具狀態(tài)監(jiān)測中最有價值的方法、最有用的信號之一分別為切削力監(jiān)測法、主軸電機的電流與功率信號[4]。相關(guān)文獻對切削力影響因素的研究主要關(guān)注速度、切削深度等，而較少研究涉及到刀具不同磨損狀態(tài)對切削力影響，研究刀具不同磨損狀態(tài)的切削力變化規(guī)律能為刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測提供一定的理論依據(jù)[5]。

采用可轉(zhuǎn)位的TiAlN涂層刀具對GH4169 進行了銑削試驗，試驗結(jié)果表明：每齒進給量對切削力的影響顯著，刀具不同磨損狀態(tài)對軸向力的影響非常顯著，軸向力由磨損初期的854N增大至磨鈍時的1863N[6]。文獻[7]根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到了切削力隨著刀具磨損值增加而增大，擬合出了基于刀具磨損和切削速度的切削力模型，該模型能很好地反映切削力與刀具磨損之間的關(guān)系。

文獻[8]推導(dǎo)了刀具磨損量與主軸電流的公式，獲得了實驗數(shù)據(jù)，利用最小二乘法得到了刀具磨損量及主軸電流線性關(guān)系式，驗證了該公式的準確性。

國內(nèi)外相關(guān)研究對銑削力、銑削振動、主軸電流的影響因素的研究主要關(guān)注速度、每齒進給量、軸向切削深度與徑向切削深度等，而刀具不同磨損狀態(tài)對鎳基高溫合金GH4169銑削力與主軸電流影響規(guī)律的研究相對較少，研究刀具磨損過程中鎳基高溫合金GH4169銑削力特征與主軸電流特征能為刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測提供依據(jù)。

進行刀具磨損過程中鎳基高溫合金GH4169銑削試驗，研究刀具磨損過程中刀具磨損隨時間變化規(guī)律、銑削力與主軸電流隨刀具磨損變化規(guī)律。

2 試驗條件

（1）試驗機床：RW20 加工中心。

（2）試驗刀具：試驗選用Kennametal 的PVD??TiAlN 涂層硬質(zhì)合金刀具KCSM40，其型號為EDPT10T308PDSRGE，刀桿為美國Kennametal公司型號為16A02R025B16ED10的安裝2個刀片的φ16立銑刀刀桿。

（3）試驗材料：鎳基高溫合金GH4169，規(guī)格：φ115×45mm；其典型化學(xué)成分與力學(xué)性能，如表1、表2所示。

表1 GH4169典型的化學(xué)成分/wt%Tab.1 Typical Chemical Composition of GH4169/wt%

表2 GH4169常溫時力學(xué)性能Tab.2 Mechanical Properties of GH4169

（4）切削力設(shè)備：瑞士奇士樂公司生產(chǎn)的Kistler 9257B測力儀與Kistler DEWE?3021數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（5）電流傳感器：型號為MMI?200B電流傳感器。

（6）磨損量由VHX?6000型超景深數(shù)碼顯微鏡測量。

（7）冷卻潤滑方式：干切削。

3 試驗結(jié)果

試驗獲得了刀具磨損過程中刀具磨損隨時間變化規(guī)律、銑削力與主軸電流隨刀具磨損量變化規(guī)律。銑削參數(shù)為vc=45m·min?1，fz=0.08mm·r?1，ae=10mm，ap=0.2mm，新刀具累計加工35.68min到刀具磨鈍。

由圖1與表3可知，刀具A、B刀片磨損量隨磨損時間（累計加工時間）變化規(guī)律滿足磨損曲線，A、B刀片加工35min41s時后刀面磨損量VB分別為316.36μm、292.04μm。A、B刀片在相同加工時間內(nèi)刀具磨損量不同，在初期磨損階段兩刀片磨損量相差較大，急劇磨損階段兩刀片磨損量相差較小，正常磨損階段兩刀片磨損量相差最小。在初期磨損階段新刀具涂層表面粗糙度、殘余應(yīng)力等因素與工件間接觸時存在一個磨合期，切削刃較鋒利，后刀面與工件表面接觸面積較小，壓應(yīng)力大，刀具后刀面磨損量增加較快，A、B刀片磨損量相差較大。

表3 刀具磨損時間與磨損量Tab.3 Tool Wear Time and Wear Amount

圖1 刀具磨損曲線Fig.1 Tool Wear Curve

在正常磨損階段，隨著切削時間的增加，工件基體硬質(zhì)點多，高溫合金材料與刀具發(fā)生劇烈的摩擦，發(fā)生著復(fù)雜的物理化學(xué)變化，伴隨著磨粒磨損、氧化磨損、擴散磨損等，由于銑削周期性斷續(xù)切削特性，使刀具受到較大沖擊，刀具后刀面磨損較快，A、B刀片在此階段持續(xù)時間約為20min。

在急劇磨損階段，磨損帶寬度到一定限度后，切削溫度迅速增大、切削力大與周期性斷續(xù)切削造成的振動與沖擊等因素共同作用下，刀具后刀面磨損量急劇增加，直至刀具損壞而失去切削能力。

3.1 刀具磨損隨時間變化規(guī)律

3.2 銑削力隨刀具磨損量變化規(guī)律

切削力的變化影響著切削熱的產(chǎn)生與分布，間接反映刀具的磨損狀況和使用壽命，嚴重的刀具磨損還會引起切削顫振，進而損壞制造系統(tǒng)[5]。銑削力與刀具磨損關(guān)系，如圖2所示。

圖2 銑削力與刀具磨損關(guān)系Fig.2 Relationship Between Milling Force and Tool Wear

三個方向銑削力分別為Fx、Fy和Fz，其方向與機床坐標系中x、y和z保持一致。由圖2可知，銑削力隨刀具磨損量（A、B刀片磨損量VB平均值）增大而增大，F(xiàn)x絕對值均值由25.08N增大到133.95N，刀具磨鈍時Fx絕對值均值比磨損初期增大235%；Fy絕對值均值由51.17N增大到180.43N，刀具磨鈍時Fy絕對值均值比磨損初期增大129%；Fz絕對值均值由61.90N增大到334.37N，刀具磨鈍時Fz絕對值均值比磨損初期增大607%。

刀具磨損量增大對Fx和Fy絕對值均值影響規(guī)律是一致的，正常磨損階段，F(xiàn)x和Fy絕對值均值隨磨損量增加而緩慢增大，急劇磨損階段，F(xiàn)x和Fy絕對值均值隨磨損量增加而顯著增大，從新刀具到刀具磨鈍過程中，F(xiàn)y絕對值均值大于Fx絕對值均值。Fz絕對值均值在急劇磨損階段隨磨損量增加而急劇增大，影響最明顯。

隨著刀具磨損，后刀面與工件之間由線接觸變?yōu)槊娼佑|，接觸面積隨后刀面磨損量的增大而增大，后刀面與工件的接觸面互相摩擦，因鎳基高溫合金基體含有大量硬質(zhì)點而發(fā)生劇烈摩擦，接觸壓力很大，走刀抗力與摩擦力增大，導(dǎo)致切削力靜態(tài)分量均增大。

穩(wěn)態(tài)切削狀態(tài)下刀具的理論工作后角由于刀具磨損的存在變?yōu)榱愣?，在刀具具有軸向振動的條件下，刀具工作角度的周期變化使得刀具周期地進入負后角工作狀態(tài)，因而產(chǎn)生一個附加動態(tài)切削力（簡稱附動力），附動力的大小正比于刀具工作角度周期變化的幅度與刀具磨損量。切削力靜態(tài)分量和動態(tài)分量隨后刀面磨損量增大而增大[9]。

3.3 主軸電流隨刀具磨損量變化規(guī)律

主軸電流與刀具磨損關(guān)系，如圖3所示。由圖3可知，主軸電流隨刀具磨損量（A、B刀片磨損量VB平均值）增大呈線性增大，主軸電流信號絕對值均值由磨損初期約48A增大到約92A，刀具磨鈍時主軸電流絕對值均值比磨損初期增大91%。

圖3 主軸電流與刀具磨損關(guān)系Fig.3 Relationship Between Spindle Current and Tool Wear

刀具后刀面磨損量的變化導(dǎo)致切削力的變化，主軸電動機輸出轉(zhuǎn)矩隨之變化，其電流同時變化，通過觀察主軸電流的狀態(tài)，可評估主軸當前的運行能力，電流越大表明主軸載荷越大，當載荷超過某一閾值時，刀具或加工設(shè)備可能出現(xiàn)故障[10]。

4 結(jié)論

通過涂層硬質(zhì)合金立銑刀銑削GH4169試驗，可得以下結(jié)論：

（1）刀具A、B刀片磨損量隨磨損時間（累計加工時間）變化規(guī)律滿足磨損曲線；

（2）銑削力隨磨損量增大而增大，刀具磨鈍時Fx絕對值均值比磨損初期增大235%，刀具磨鈍時Fy絕對值均值比磨損初期增大129%，刀具磨鈍時Fz絕對值均值比磨損初期增大607%；

（3）主軸電流隨磨損量增大呈線性增大，刀具磨鈍時主軸電流絕對值均值比磨損初期增大91%。