高速铣削刀具悬伸量的试验研究

1．引言
                      
    高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一。在高速铣削中，刀具悬伸量即刀尖到主轴伸出端的长度对加工过程的影响很大，并且直接影响刀具磨损。传统上认为，增大刀具的悬伸量势必会造成刀具刚度降低，特别是在加工淬硬钢等硬度比较高的难加工材料时，习惯于选择小的刀具悬伸量。刀具安装时尽量多夹持刀柄部分，可以提高刀具的刚度，减小振动，使切削过程更加稳定，刀具磨损更小，从而使得模具深腔必须采用电火花加工，加工时间长，效率低。因此刀具悬伸量对加工过程的影响逐渐引起关注。
                      
    国外通过刀具刚度对刀具寿命影响的研究表明，球头立铣刀两切削刃上的受力不均使刀具寿命急剧下降，适当改变铣刀悬伸长度，可以改善铣刀两切削刃上刀具磨损不平衡，从而延长刀具寿命。S Smith也提出高速铣削中刀具长径比对金属切除率影响很大，并以稳定的最大金属切除率为目标，通过直径12.7mm端铣刀高速铣削实验测量的加工稳定性耳垂图，证明不同刀具悬伸量的稳定切削范围有明显变化。目前国内尚无这方面的试验研究报道。
                  
2．试验
                      
     试验在Gentiger105立式高速加工机床上进行。YDM-III99型整体式三向压电式测力平台和YD-8型压电式加速度传感器分别测量切削力和振动。XT53022-CTV高倍连续变倍摄影体视显微镜采集刀具后刀面磨损，TR100表面粗糙度仪测量工件表面粗糙度。工件材料为塑料模具钢S136H，淬火后硬度为51HRC。刀具选择STANA直径2mm的AlTiN涂层硬质合金4刃铣刀，根据铣刀的长度选取了生产中的悬伸量13mm、15mm和刀杆长度的1/2即19mm进行比较。通过改变不同的刀具悬伸量，测量和记录加工过程中的切削力、切削振动、刀具后刀面磨损面积和表面粗糙度。
                      
    其他试验条件:切削条件：主轴转速n=14330r/min，每齿进给量fz=0.03mm/齿，进给速度Vf＝860mm/min，轴向切深Ad＝0.1mm，径向切深Rd＝1.5mm；顺铣；空气冷却刀具：涂层：AlTiN；前角：8°；后角：6°；螺旋角：30°；D1：2mm；D2：3mm；L1：38mm；L2：9mm。
                 
3．试验结果与分析
                 
     3．1 切削力
                      
      随着刀具加工长度的增加，对不同悬伸量条件下的铣削力进行了测量，由不同条件下三个方向切削力的合力变化情况可知：随切削长度的增大，刀具急剧磨损，切削力上升很快，刀具磨损达到稳定后，切削力略有下降，然后继续增大。不同悬伸量的切削力大小不同，悬伸量15mm的切削力最大，悬伸量19mm时切削力反而减小，这说明切削力和悬伸量无正比关系，并不是悬伸量越小，切削力越小。实际上，存在着一个不适合加工的悬伸量，当超过该悬伸量后切削力反而减小。此外刀具达到稳定切削的加工长度也存在相同规律。
                 
     3．2 切削振动
                      
     记录不同条件下的振动时域波形，并进行频率分析。试验记录的不同刀具悬伸量下振动波形及其功率谱表明，振动功率谱中出现的主要频率成分为：每齿切刃啮合频率957.03Hz及其倍频1914.06Hz和1669.92Hz。从齿啮合频率fo的幅值变化情况来看，随着切削长度的增加，不同刀具悬伸量下的振动幅值变化都有一个增加后减小再增加的过程。在刀具初期磨损阶段，由于刀具磨损加快，切削力增加，振动加强，随后切削进入稳定磨损阶段，切削力相对初期磨损时小，振动也会减小。但当刀具磨损达到一定程度，振动再次加强。
                      
     随着切削长度的增加，试验范围内最大悬伸量19mm的功率谱振幅幅度整体上最小，这说明并不是刀具悬伸量越大，高速切削振动就越强。产生这种现象的原因主要是高速切削时激振频率较大，悬伸量增加后可降低刀具的固有频率，避免引起共振、颤振的发生，从而使切削过程中的振动强度降低，因此可适当提高悬伸量。
                
      3.3 刀具磨损和表面粗糙度
                      
    在体式显微镜下拍摄刀具后刀面磨损情况，利用图形软件计算磨损面积，由不同刀具悬伸量的刀具磨损曲线可见，刀具磨损面积随加工长度的增加而增大。但刀具磨损并不随刀具悬伸量的增加呈正比关系，当刀具悬伸长度为19mm时刀具磨损面积反而有所降低。这是因为随着悬伸量增加，刀具系统固有频率升高使得振动减小，刀具磨损相应减小。不同刀具悬伸量下表面粗糙度的变化同切削力和刀具磨损的变化规律大体相同。当悬伸量增大超过某一数值后，表面粗糙度有所减小。
                 
4．结论
                  
    通过不同刀具悬伸量时高速铣削淬硬钢材料过程中切削力、振动、刀具后刀面磨损面积和表面粗糙度的变化，可得出以下结论。
                      
    增加刀具悬伸量长度，切削力和切削振动增大，刀具磨损加剧，表面质量下降。但悬伸量长度超过某一数值后，切削力、切削振动和刀具磨损并不是一味的增加反而下降，加工质量有所提高。对本实验采用的直径2mm铣刀，悬伸量19mm时比15mm的加工效果更优。因此进行模具型腔加工时，在刀具成本允许的情况下，适当增大刀具悬伸量，可以在一定范围扩大目前模具型腔加工时刀具加工范围，避免进行电火花加工，降低模具加工的综合成本。