程耀楠++韓禹++盧真真++劉利++劉亦智

摘要：針對在重型切削過程中，切削力和切削溫度遠(yuǎn)高于普通切削，刀具失效嚴(yán)重制約加工效率和加工質(zhì)量的問題，以重型切削的典型零件水室封頭為研究對象，依據(jù)疊加原理，采用有限元方法，進(jìn)行層切銑刀的優(yōu)化設(shè)計及分析.首先進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，分析層切銑刀和面銑刀的切削性能：其次結(jié)合重型切削特點(diǎn)，從層切銑刀階梯、刀具幾何角度和不等齒距等方面，設(shè)計適合于加工水室封頭的層切銑刀；然后通過有限元仿真優(yōu)化主偏角和分析不等齒距對刀具固有頻率的影響；最后對優(yōu)化的層切銑刀進(jìn)行銑削性能仿真驗(yàn)證.通過以上研究過程，為重型切削刀具設(shè)計及仿真分析提供參考和理論支撐.

關(guān)鍵詞：層切銑刀；重型切削；不等齒距；有限元分析

DOI： 10.15938/j.jhust.2015.03.001

中圖分類號：TG501

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683 （2015）03-0001-07

0 引 言

在我國重點(diǎn)工程建設(shè)中，隨著工業(yè)裝備向大型、大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展，各行業(yè)對重型、大型技術(shù)裝備及其設(shè)備制造的要求也越來越高，因此重型、大型裝備零件，如重型機(jī)床的導(dǎo)軌、飛機(jī)起落架、核電行業(yè)中應(yīng)用的筒節(jié)和水室封頭等的機(jī)械加工顯得尤為重要，在某些零件加工中（如機(jī)重型機(jī)床導(dǎo)軌、水室封頭等），多以平面銑削為主，大約占工作量的60%以上，普通刀具無法滿足高效加工的要求，需要開發(fā)新型高效率的重型銑削刀具來滿足要求.重型機(jī)械加工刀具技術(shù)的發(fā)展仍然落后于發(fā)達(dá)國家，因此有必要對重型加工銑削刀具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計及分析.

在普通加工中，層切銑刀又稱階梯銑刀，已較多應(yīng)用于工廠的生產(chǎn)，國內(nèi)諸多學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)研究，文對銑削圖形的分析，提出一種徑向位錯量較大的單組階梯銑刀；文對自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀進(jìn)行研究，分析得到自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀散熱效果和加工效率有明顯的提高；文設(shè)計的可轉(zhuǎn)位階梯面銑刀應(yīng)用于汽車生產(chǎn)，解決了加工設(shè)備功率較小的問題；渭陽柴油機(jī)廠王榮國認(rèn)為階梯式端銑刀在普通平面銑削時，主偏角以75。最佳，而在加工凹凸不平的表面時主偏角應(yīng)選擇900.目前，將層切銑刀較多地應(yīng)用在普通大切深加工中，而切削大型、重型零部件的公開資料和參考經(jīng)驗(yàn)較少，

由于銑削是斷續(xù)加工過程，對于抑制銑削加工時振動多國學(xué)者進(jìn)行過研究，認(rèn)為不等齒距對抑制銑削加工的振動有良好的效果，文通過X5030A立式升降銑床進(jìn)行的對比實(shí)驗(yàn)，分析得出不等齒距分布端銑刀的振動位移小于等齒距分布端銑刀；文利用XS5040銑床進(jìn)行的高速銑削對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證不等齒距刀具抑制振動的效果，并且通過對比發(fā)現(xiàn)不等齒距銑刀加工的表面質(zhì)量優(yōu)于等齒距分布刀；文在MICRON UCP五軸數(shù)控加工中心進(jìn)行切削對比，利用時域和頻域進(jìn)行分析，驗(yàn)證不等齒距分布銑刀切削的振動小于等齒距分布的銑刀.在普通切削中，層切銑刀和不等齒距分布對提高表面加工質(zhì)量和抑制振動有明顯的效果，但在重型切削中，由于切削參數(shù)和刀具要求不同，應(yīng)用不等齒距式層切銑刀的理論和經(jīng)驗(yàn)不足，缺少重型切削刀具設(shè)計的理論基礎(chǔ)，因此本文對重型銑削水室封頭零件層切銑刀進(jìn)行研究.

應(yīng)用于核電行業(yè)的水室封頭零件，其加工方式在行業(yè)內(nèi)被認(rèn)為是典型重型切削，水室封頭材料為低合金高強(qiáng)度SA508Ⅲ鋼，為難加工材料，并且其毛坯為鍛件，可加工性非常差，表面有裂紋、金屬夾雜、鍛造鏟溝、鍛造坑包、表面折疊、氧化皮、硬而脆的網(wǎng)狀碳化物等缺陷，使刀具在加工時產(chǎn)生較大沖擊力，易使刀具發(fā)生沖擊破損，降低刀具使用壽命，影響加工效率和表面質(zhì)量，水室封頭銑削加工過程材料去除量大，一般達(dá)到70%左右；刀具易發(fā)生粘接失效，影響使用壽命低，需頻繁換刀，嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率，導(dǎo)致生產(chǎn)成本和資源消耗嚴(yán)重.本文以核電行業(yè)所用的典型零件大型蒸汽發(fā)生器水室封頭零件的加工為研究對象，優(yōu)化設(shè)計不等齒距層切銑刀，以提高水室封頭的加工效率.

1 層切銑刀切削性能實(shí)驗(yàn)

通過切削對比實(shí)驗(yàn)，分析層切銑刀和普通銑刀的切削性能.實(shí)驗(yàn)條件等如下：

加工刀具：層切銑刀（φ125）、普通面銑刀（φ125）；

工件材料：SA508Ⅲ鋼；

實(shí)驗(yàn)儀器：銑床、Kistler測力儀、表面粗糙度測量儀.

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行L。（34）的正交實(shí)驗(yàn)，取切削速度（v）、每齒進(jìn)給量（fz）、銑削深度（ap）3個因素變量，并設(shè)定3個水平（實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1）.圖l為銑削實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用測力儀測量各個方向切削力最大值以及切削力的變化曲線（如圖2所示），應(yīng)用表面粗糙度測量儀測量表面粗糙度.

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析可知：層切銑刀切削性能要優(yōu)于普通面銑刀，其切削力小于普通的面銑刀，且表面加工質(zhì)量和加工效率優(yōu)于普通面銑刀.進(jìn)行層切銑刀和普通面銑刀的對比實(shí)驗(yàn)，可為重型層切銑刀的設(shè)計提供加工基礎(chǔ).

重型切削中，刀具的加工條件、刀具失效機(jī)理與普通切削有所差異.實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)和資料表明，重型切削的切削力和切削溫度都高于普通切削，一般重型加工切削力為普通加工切削力的數(shù)倍甚至達(dá)到幾十倍，切削溫度可達(dá)1000℃以上，刀具承受變載荷沖擊和熱沖擊，易產(chǎn)生振動，并且水室封頭鍛造件表面缺陷較多，加工時不斷變化的切深導(dǎo)致刀具易發(fā)生沖擊破損，制約刀具的使用壽命低.加工過程中，需要頻繁更換刀具，制約重型切削的加工效率，嚴(yán)重影響表面加工質(zhì)量

2 層切銑刀的設(shè)計

本文基于重型平面銑刀并結(jié)合層切銑刀和不等齒距刀齒分布等特點(diǎn)，進(jìn)行適用于水室封頭加工的高效不等齒距層切銑刀的設(shè)計.

2.1 刀盤直徑的確定

銑刀的直徑對壽命有直接的影響，若刀盤直徑選擇不合理，會加劇刀片磨損或造成崩刃，導(dǎo)致切削力急劇變化，產(chǎn)生振動.銑刀直徑同樣還影響銑削表面粗糙度和生產(chǎn)效率，確定面銑刀直徑應(yīng)保證：第一，其最大直徑不能和夾具或其他設(shè)備相干涉；第二，面銑刀的有效直徑應(yīng)為銑削寬度a。的1.3 -1.5倍.