孔維平，陳必國，張東海，宋啟豪，趙巍，張毅

1成都工具研究所有限公司；2啟東錦橋軸承有限公司

1 引言

面對市場對內(nèi)環(huán)槽成型銑刀的需求大量增多以及更多的加工要求，整體硬質(zhì)合金銑刀被廣泛應(yīng)用，但其使用成本很高?？蓳Q頭銑刀相比于整體硬質(zhì)合金槽銑刀節(jié)省了材料成本，降低了刀具涂層費用，模塊化的設(shè)計讓使用更靈活，精確的互換性節(jié)省了對刀時間。對比刀片式機夾槽銑刀，可換頭銑刀在φ35加工范圍內(nèi)更具優(yōu)勢，可滿足更多的切削刃及更精密復(fù)雜的形狀要求，更符合機械加工廠對刀具的使用需求?？蓳Q頭銑刀以模塊化的思維，將刀頭與刀桿通過接口結(jié)構(gòu)和螺釘組合，可應(yīng)用于各種形狀的槽、倒角和螺紋的銑加工工序。

實際使用證明，銑刀的失效形式多為工件出現(xiàn)振紋。針對振紋問題，對可換頭銑刀進行優(yōu)化，采用錯齒的設(shè)計方式降低刀具在切削時的振顫，提高其壽命及使用穩(wěn)定性。D26銑刀直徑適中，通過對HT-C系列的D26型號對稱結(jié)構(gòu)與錯齒結(jié)構(gòu)進行分析，運用有限元仿真技術(shù)對銑刀錯齒設(shè)計的效果進行分析對比，得出錯齒在刀具銑削時的振顫優(yōu)化效果，從而提高銑刀在加工中的安全性與穩(wěn)定性。

2 工藝設(shè)計

根據(jù)銑內(nèi)環(huán)槽等要求，可換頭刀具能夠按不同的加工要求更換刀頭，采用螺紋中心孔連接，確保刀頭更換的便利性和穩(wěn)定性。圖1為零件的正視圖及左視圖。

圖1 零件的正視及左視圖

目前D26型號采用如圖2所示的加工模式進行內(nèi)環(huán)槽銑削加工。為了減小刀具在切削時產(chǎn)生的振動，根據(jù)提升刀具壽命的要求對刀頭刃型采用錯齒設(shè)計，從而在保證工件加工的精確性及配合刀具裝夾條件不變的前提下提高刀具壽命。

圖2 刀具銑削加工模型

根據(jù)加工工藝經(jīng)驗，為保證刃磨時不發(fā)生干涉現(xiàn)象，將錯齒齒形調(diào)整為35°與45°(見圖3a)，以保證切削時槽型不受影響，減小后續(xù)錯齒切削時的加工余量。

切削力計算公式為

F=kcapf(N)

單位面積上承受的切削力為

切削凈功率為

式中，ap為切削深度(mm)；f為每轉(zhuǎn)進給量(mm/r)；kcl為前角γ0=0°、切削厚度hm=1mm、切削面積為1mm2時的切削力(N/mm2)；Vc為切削速度(mm/min)；mc為切削厚度指數(shù)，表示切削厚度對切削力影響的程度，mc越大，表示切削厚度的變化對切削力的影響越大；反之，則越小。

3 仿真驗證

采用ThirdWave AdvantEdge FEM軟件對刀具進行仿真實驗，模擬實際切削情況，對比錯齒結(jié)構(gòu)與對稱結(jié)構(gòu)在切削時的切削力分布情況。設(shè)定刀具材料為Carbude-Grade-K，選用0.002mm厚度的TiN涂層。工件材料為AISI-52100，刀具直徑為26mm，內(nèi)徑為5mm，錯齒角度為35°和45°，對稱角度為45°。

(a)錯齒結(jié)構(gòu)

第一次實驗設(shè)定切削深度為2mm，每齒進給量為0.3mm/z，主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，初始溫度20℃。

從圖4和圖5可以看出，錯齒結(jié)構(gòu)的整體受力比對稱結(jié)構(gòu)大幅降低，證明錯齒結(jié)構(gòu)確實能改善該類型銑刀的切削受力情況從而達到延長刀具壽命的作用，為進一步探究切削情況的改善情況，對兩種結(jié)構(gòu)的銑刀進行第二次實驗。

圖4 對稱結(jié)構(gòu)的切削力分布

圖5 錯齒結(jié)構(gòu)的切削力分布

第二次實驗按實際應(yīng)用，設(shè)定切削深度為2mm，每齒進給量為0.15mm/z，主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min，初始溫度為20℃。將涂層材料換為AlCrN。

針對實際切削情況，重點觀察刀具Z軸的受力情況(見圖6和圖7)，根據(jù)受力情況分析刀具切削時的振動。對比可以看出，相較于對稱結(jié)構(gòu)，錯齒結(jié)構(gòu)整體受力降低，最大受力降低12.24%，最小受力降低15.24%；對稱結(jié)構(gòu)的受力為7876.71N，錯齒結(jié)構(gòu)的受力為6533.78N；錯齒結(jié)構(gòu)的整體振動幅度相較于對稱結(jié)構(gòu)優(yōu)化了17.05%。

圖6 對稱刀頭結(jié)構(gòu)的Z軸受力

圖7 錯齒刀頭結(jié)構(gòu)的Z軸受力

通過對比兩種結(jié)構(gòu)刀頭在加工時的壓力分布(見圖8和圖9)可以看出，在相同時間內(nèi)，錯齒結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布在最大值上無明顯變化，但整體上錯齒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布得到明顯改善，第一個峰值后，錯齒結(jié)構(gòu)相較于對稱結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢，峰值下降10%～35%。

圖8 對稱結(jié)構(gòu)刀頭的壓力分布

圖9 錯齒結(jié)構(gòu)刀頭的壓力分布

4 實際使用效果

根據(jù)現(xiàn)場實際使用數(shù)據(jù)，在同樣的加工設(shè)備參數(shù)條件下，錯齒結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具相對之前的對稱硬質(zhì)合金刀具，實際壽命從600件/z提升到了800件/z。因此，整個車間也升級替換為錯齒結(jié)構(gòu)刀頭，在實際使用中，錯齒結(jié)構(gòu)刀具給整體加工工藝帶來了壽命的提升。

加工一定數(shù)量成品后，對比兩種結(jié)構(gòu)的加工成品件(見圖10)發(fā)現(xiàn)，錯齒結(jié)構(gòu)刀頭相較于對稱結(jié)構(gòu)刀頭表現(xiàn)更加穩(wěn)定。

圖10 實際加工成品效果對比

5 結(jié)語

利用ThirdWave AdvantEdge FEM軟件對刀具進行仿真實驗，對比錯齒結(jié)構(gòu)與對稱結(jié)構(gòu)在切削時的切削力分布發(fā)現(xiàn)，相對于對稱結(jié)構(gòu)的刀具，錯齒結(jié)構(gòu)刀具在加工時切削應(yīng)力分布(在頻率、峰值等指標方面)明顯被改善。在加工中，錯齒結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具實際使用壽命提升了33%，并且加工時對鐵屑排除也有所改善，工件的加工表面無微觀振紋，光潔度優(yōu)于對稱結(jié)構(gòu)刀具加工工件。