呂天寶，謝鋰

株洲鉆石切削刀具股份有限公司；硬質(zhì)合金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 引言

在金屬切削加工中，機(jī)械零件的加工往往需要通過多道工序完成，可通過采用切削性能更好的新型刀具、改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用新材質(zhì)或新涂層等方法來提高生產(chǎn)效率[1]。可轉(zhuǎn)位圓形銑刀片面銑刀用途較廣[2]，廣泛應(yīng)用于汽車、模具、汽輪機(jī)和航空航天等行業(yè)零部件的加工制造，因其刀片形狀為圓形，切削刃口非常堅(jiān)固，采用螺釘壓緊方式刀片轉(zhuǎn)位快捷方便，實(shí)際使用中刀片可以轉(zhuǎn)位4～8次，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，主要用于粗銑、半精銑等能適應(yīng)難加工材料及惡劣工況的應(yīng)用場景，如汽輪機(jī)葉片的粗加工[3]。汽輪機(jī)葉片工作條件惡劣，需要能夠承受高溫、高壓和強(qiáng)沖擊等載荷，因此需要使用具有疲勞強(qiáng)度高、耐腐蝕性和耐高溫性等特性的不銹耐熱鋼材質(zhì)[4]。由于這類材料在加工過程中易產(chǎn)生加工硬化，切削力波動(dòng)較大，加之銑削的周期性特點(diǎn)，圓形銑刀片存在發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，繼而導(dǎo)致刀片螺釘壓緊力下降，引發(fā)刀片振動(dòng)，引起螺釘松動(dòng)。因此本文針對可轉(zhuǎn)位圓形銑刀片不同加工工況下的刀片夾固穩(wěn)定性展開研究，提出解決方案并進(jìn)行驗(yàn)證。

2 銑削狀態(tài)分析

如圖1所示，銑削時(shí)圓刀片通過螺釘以特定的預(yù)緊力及偏心量實(shí)現(xiàn)緊固。因其結(jié)構(gòu)簡單、排屑順暢而被廣泛應(yīng)用于銑削加工中。銑削加工時(shí)，刀片周期性地與工件接觸，伴隨而來的振動(dòng)對刀片夾緊穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。加工時(shí)，刀片所承受的切削力是造成刀片失穩(wěn)的根源。

圖1 螺釘緊固

從圖2可見，在圓刀片切削加工時(shí)，主偏角隨切削深度ap和每齒進(jìn)給量fz而變化，進(jìn)而影響切削力的大小和方向。因切屑對刀片的作用力方向?yàn)閔ex的法向，所以作用力會隨主偏角的增加逐漸向刀具徑向方向傾斜。

最大切屑厚度hex可表示為

(1)

式中，fz為每齒進(jìn)給量(mm/z)；ap為切深(mm)；ic為圓刀片直徑(mm)；κr為主偏角(°)。

(2)

切削力的計(jì)算公式為

F=kc×Ad

(3)

式中，F(xiàn)為切削力(N)；kc為單位切削力(N/mm2)；Ad為切削面積(mm2)。

其中單位切削力的計(jì)算公式為

(4)

取平均切屑厚度為最大切屑厚度的一半，將式(1)和式(4)代入式(3)，可得

(5)

式中，Kc1為1mm平均切屑厚度所需的單位切削力(N)；hex為平均切屑厚度(mm)；mc為切屑厚度補(bǔ)償系數(shù)；γ為前角。

圖2 圓刀片切削狀態(tài)

切削加工時(shí)，常需調(diào)整切削三要素中的切削深度和進(jìn)給量，其改變對刀片裝夾穩(wěn)定性會產(chǎn)生影響。本研究中，固定前角和刀片直徑ic，由式(5)可見，切削力隨每齒進(jìn)給量fz的增加而變大；在切削深度apic/2時(shí)，會隨著ap的增加而減小，但這種情況在實(shí)際使用時(shí)會極大減少刀片的可轉(zhuǎn)位次數(shù)，且會對刀片和工件造成較大的沖擊，故一般采用或更換更大的刀片來實(shí)現(xiàn)更大的切削深度。

3 無限位結(jié)構(gòu)圓形銑刀片面銑刀限位試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)機(jī)床為VMC1000立式銑床，切削力采集設(shè)備為Kistler 9125測力儀。試驗(yàn)刀具采用株洲鉆石切削刀具股份有限公司的FMR02- 063-A22-RC12- 06面銑刀，刀盤直徑為63mm，刀片為YBM253/RCKT1204MO-MM。試驗(yàn)材料為1Cr18Ni9Ti長方形板料，尺寸500mm×240mm×100mm，采用Supur55掃描電鏡進(jìn)行成分測定，具體成分見表1。由于大量Cr元素的添加，使工件中產(chǎn)生硬質(zhì)顆粒，并出現(xiàn)嚴(yán)重加工硬化現(xiàn)象[5]。

表1 1Cr18Ni9Ti的化學(xué)成分 (wt.%)

3.2 試驗(yàn)方法及步驟

在刀盤安裝一個(gè)刀片進(jìn)行切削試驗(yàn)，采用5N·m扭矩緊固刀片螺釘，使用扭矩扳手測量扭矩[6]，以取得相同的預(yù)緊力。如圖3所示，螺釘壓緊后用記號筆在刀槽和刀片標(biāo)記初始位置，根據(jù)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行加工。采集加工中該單齒的切削力數(shù)據(jù)[7]，切削相同距離后停機(jī)對刀片旋轉(zhuǎn)情況進(jìn)行測量。

圖3 刀片初始位置

表2 試驗(yàn)參數(shù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

進(jìn)入穩(wěn)定切削階段后的切削力數(shù)據(jù)如圖4所示。Fx為刀具切削速度方向的受力，反映切削抗力的大??；Fy為刀具進(jìn)給方向的受力，反映進(jìn)給抗力的大小；Fz為軸向力，反映背向抗力的大小，其合力構(gòu)成總的切削力。

圖4 切削力

切削速度方向的分力Fx最大，其次為Fz和Fy，第1組因切削寬度ae較小，造成背向力Fz的減小，可見，克服被加工材料彈塑性變形的抗力占切削力的大部分。其次是第二變形區(qū)切屑對刀具前刀面、第三變形區(qū)已加工表面與后刀面的摩擦抗力，切屑剪切變形的第一變形區(qū)是彈塑性抗力的主要來源，反映為Fx最大。隨著切削深度ap增加，則背向力Fz增大，進(jìn)給力Fy隨進(jìn)給量和切削深度的增加變大，切削力Fx則受切削深度、切削寬度和進(jìn)給量的綜合影響，符合上述計(jì)算分析。其中，F(xiàn)z和Fy對刀片緊固的穩(wěn)定性影響較大。

不同參數(shù)工況下，圓刀片轉(zhuǎn)動(dòng)情況如圖5所示，第1組參數(shù)工況下刀片未偏轉(zhuǎn)，第2組參數(shù)工況下刀片偏轉(zhuǎn)27°，第3組參數(shù)工況下刀片偏轉(zhuǎn)4.2°，繼續(xù)延長加工距離，加工35刀后刀片偏轉(zhuǎn)16.2°。第1組與第3、4組對比可見，切削速度方向的Fx并不是造成刀片失穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)的主要因素；在相同加工量時(shí)，F(xiàn)z和Fy較大的第2組參數(shù)工況圓刀片偏轉(zhuǎn)最大；由第3和第4組參數(shù)工況可見，隨著加工量或時(shí)間的延長，刀片將持續(xù)發(fā)生失穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

(a)第1組參數(shù)

考慮到工藝能力，設(shè)計(jì)了兩種不同限位結(jié)構(gòu)以抑制刀片的失穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并采用4組不同參數(shù)驗(yàn)證其防轉(zhuǎn)可靠性[8]。兩種不同刀片限位結(jié)構(gòu)[9]及其配套的刀具刀槽如圖6所示，分別為底部凹槽和八邊形結(jié)構(gòu)，緊固后均與刀槽定位面緊密貼合。

(a)結(jié)構(gòu)1

在第1組、第3組及第4組參數(shù)工況下驗(yàn)證兩種不同防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圓刀片，均未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；在第2組參數(shù)工況下，結(jié)構(gòu)2刀片未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而結(jié)構(gòu)1發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)(4°)，如圖7所示。驗(yàn)證結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)2互為90°的底部2個(gè)防轉(zhuǎn)邊可有效抑制刀片轉(zhuǎn)動(dòng)。

(a)結(jié)構(gòu)1

4 結(jié)語

本文通過對圓形銑刀片面銑刀切削過程進(jìn)行分析，并對不銹鋼面銑加工時(shí)的切削力進(jìn)行測量和分析，驗(yàn)證不銹鋼面銑加工時(shí)圓形銑刀片定位穩(wěn)定性。針對失穩(wěn)情況提出兩種改良結(jié)構(gòu)，對兩種不同的改良結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并得出以下結(jié)論。

(1)在切削參數(shù)較小時(shí)，即使無限位結(jié)構(gòu)的圓形銑刀片也不會發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；

(2)切削抗力Fx不是造成刀片轉(zhuǎn)動(dòng)的主要因素，背向抗力Fz和進(jìn)給抗力Fy是造成圓形銑刀片轉(zhuǎn)動(dòng)的主要因素；

(3)對于改良的防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)2的防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)更加有效。