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        鋁合金插銑加工切削力分析及成屑弧區(qū)劃分

        2020-11-21 08:30:30上海智能裝備有限公司上海201600秦文津
        金屬加工(冷加工) 2020年10期
        關(guān)鍵詞:刀面法向切削力

        ■ 上海智能裝備有限公司 (上海 201600) 秦文津

        ■ 上海航天精密機械研究所 (上海 201600) 周井文 任培強

        當(dāng)前航空航天產(chǎn)品為滿足輕量化要求,絕大部分采用典型的深腔、減重槽框和空心薄壁等結(jié)構(gòu)。由于極大的材料去除量和典型的弱剛性結(jié)構(gòu),采用傳統(tǒng)加工方式及加工工序存在加工效率低、刀具系統(tǒng)剛度差和加工難度大等一系列問題?;谶@一現(xiàn)狀,近年來國內(nèi)外學(xué)者提出了高速插銑加工方式。插銑加工又稱為Z軸銑削法,即在數(shù)控加工過程中,刀具沿刀軸方向直線進給,利用底部的切削刃進行鉆、銑組合切削,是一種能夠在Z軸方向上快速去除大量金屬的加工方式,主要用于粗加工和半精加工。本文采用切削試驗,建立了刀具切削角與瞬時切削力的關(guān)系,研究了切削力系數(shù)隨每齒切削材料面積的變化規(guī)律。

        1. 試驗安排及方法

        試驗在DMG MORI 1035V三軸加工中心上進行(見圖1),機床最大轉(zhuǎn)速為12 000r/min。切削力測量系統(tǒng)為Kistler 9253B23多分量測力儀、Kistler 5070A電荷放大器(見圖2)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。試驗刀具為山特維克可樂滿機夾式刀具(見圖3),直徑為25mm,齒數(shù)為2。刀具后角為21°,刀尖圓角直徑為0.8mm。試驗材料為典型2A12硬鋁合金鍛件。切削參數(shù)為:刀具轉(zhuǎn)速n=6 000r/min,每齒進給量fz=0.05mm/z,切削深度ae=1mm。

        圖1 DMG MORI 1035V三軸加工中心

        圖2 Kistler 5070A電荷放大器

        圖3 機夾式刀具

        2. 試驗結(jié)果及討論

        圖4所示為典型插銑加工刀具每齒運動軌跡示意圖,可以看出瞬時實際每齒切削厚度ae是隨刀具轉(zhuǎn)角φ呈現(xiàn)先增大(0°<φ<90°)后減?。?0°<φ<180°)的趨勢。實際瞬時每齒切削厚度ae不等于預(yù)設(shè)軸向切削深度ae,具體關(guān)系見式(1)。

        圖4 插銑加工每齒運動示意

        圖5 實際每齒切削厚度ae/徑向切削深度ae隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化趨勢

        式中,ae為實際每齒切削厚度(m m);ae為徑向切削深度(m m);φ為刀具轉(zhuǎn)角(°);Dc為刀具直徑(mm),本試驗?zāi)J為25mm。實際每齒切削厚度ae/徑向切削深度ae隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化趨勢具體如圖5所示??梢园l(fā)現(xiàn)實際每齒切削厚度ae在刀具轉(zhuǎn)角φ=90°時達到最大值,等于徑向切削深度ae,在刀具切入/切出階段,實際每齒切削厚度ae最小。

        將瞬時切削力按照刀具切向分力和法向Fn分力分解,并建立與瞬時轉(zhuǎn)角的關(guān)系,具體如式(2)及圖6所示。

        從圖6a可以發(fā)現(xiàn),對于切向切削力Ft,其大小隨刀具轉(zhuǎn)角φ呈現(xiàn)對稱分布,并且在φ=90°時達到最大值。另一點在當(dāng)φ=20°和φ=160°時呈現(xiàn)明顯的低谷。分析認為當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)角φ在0°~20°和160°~180°,根據(jù)最小切削厚度理論,此時刀具并沒有切除材料。原因之一是過小的切削厚度導(dǎo)致材料受力發(fā)生彈性變形退讓;原因之二是刀具刃口圓角的存在,使得被去除材料受刃口圓角的擠壓并沒有被去除。在這一階段刀具后刀面僅僅是在加工表面發(fā)生擠壓,并不成屑。當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)角φ在20°~90°時,根據(jù)金屬切削理論,隨著瞬時切削厚度ae的不斷增大,意味著在刀具前刀面(即第一變形區(qū))發(fā)生剪切滑移變形的材料厚度不斷增加,這導(dǎo)致了切向切削力Ft的不斷增大。同理在90°~160°瞬時切削厚度ae其變化趨勢隨著刀具轉(zhuǎn)角φ的增大而不斷減小。

        分析法向切削力Fn可以發(fā)現(xiàn)(見圖6b),切削力整體相對于φ=90°對稱(但是方向相反)。在刀具轉(zhuǎn)角φ=45°和φ=135°時,法向切削力Fn達到最大值(但是方向相反),并且在0°~45°和180°~135°,法向切削力Fn不斷增大。結(jié)合上文的分析可以得到在這一區(qū)域?qū)儆诓牧匣貜梾^(qū)域,并且回彈隨著瞬時切削厚度ae的增大而不斷加劇。同時可以發(fā)現(xiàn)在20°~45°,屬于刀具后刀面與工件材料作用的過渡區(qū)域,在這一區(qū)間屬于從擠壓階段向切削階段的轉(zhuǎn)變區(qū)域,屬于劃擦區(qū)域。同理在135°~160°,瞬時切削厚度ae變化趨勢隨著刀具轉(zhuǎn)角φ的增大而不斷減小??梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)毒呷锌谡嬲_始切除材料時(即φ=45°~135°),工件材料對刀具后刀面的擠壓回彈作用反而減輕,此時材料主要在刀具前刀面發(fā)生剪切滑移變形,如圖7所示。

        圖6 切削力隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化規(guī)律

        圖7 切削成屑弧區(qū)劃分

        3. 結(jié)語

        本文利用鋁合金插銑加工試驗,從切削理論角度建立了切削力與刀具轉(zhuǎn)角、瞬時每齒切削厚度的理論計算關(guān)系?;谇邢?法向切削力的變化規(guī)律,將切削弧區(qū)劃分為擠壓區(qū)、劃擦區(qū)和切削區(qū)。切削弧區(qū)按照刀具轉(zhuǎn)角φ可以劃分為三個區(qū)域。

        區(qū)域一:0°~20°(160°~180°),刀具僅僅在材料表面擠壓滑行,并不成屑。

        區(qū)域二:20°~45°(135°~160°),刀具在材料表面發(fā)生劃擦,屬于從擠壓滑行向切削成屑轉(zhuǎn)變的過渡階段。在這一范圍內(nèi)既有刀具后刀面與材料的回彈擠壓作用,也有材料受刀具前刀面的剪切成屑作用。

        區(qū)域三:45°~135°,材料主要發(fā)生剪切滑移變形,屬于正常切削過程。

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