基于小直径铣刀高速铣削淬硬模具钢加工效率和切削力的研究

2013-09-27徐华

制造技术与机床 2013年12期

徐华

(广西工业职业技术学院，广西南宁 530001)

由于淬硬钢自身的延伸率比较小、塑性低，加工后容易得到较高的表面质量，所以在模具行业中得到广泛的应用。但是淬硬钢经淬火或低温去应力退火后本身硬度较高，此时的切削加工性差，在高速铣削过程中容易造成刀具磨损、破损等现象。而在淬硬钢的精加工中，比如小型模具、曲率半径较小的圆弧面、清根等场合，小直径刀具又必不可少。小直径铣刀的加工和普通立铣刀加工不只是尺寸上的区别，由于其直径小，刀杆受到微小的力和振动都能导致刀具破损，因此对小直径铣刀加工淬硬材料的研究提出了要求，以便在今后的生产加工中选择较合理的参数。

1 试验

1.1 试验条件

本实验用到的机床为YCM－V85A型立式加工中心，铣刀为φ1.5 mm的硬质合金两刃球头立铣刀，干式切削淬硬45钢，硬度45～50 HRC的工件。测量用到的仪器有YD－1型压电式测力传感器，DHF－6A电荷放大器，QLV型多功能虚拟式信号分析仪。

1.2 试验参数

试验中设备参数:主轴转速n=6 369 r/min，每齿进给量fz=0.01 mm/齿，侧向步距ssp=0.4 mm，背吃刀量asp=0.1 mm，螺旋进刀角度β=30°，最小切削宽度cmin=0.02 mm，最大螺旋半径rβ=0.96 mm。摆线走刀步距为b=0.3 mm，圆弧走刀半径为rb=0.7 mm。

1.3 试验方法

试验采用单因素法。通过试验，研究高速铣削时切削速度Vc(m/min)、每齿进给量fz(mm/齿)、径向切削深度Rd(mm)、轴向切深Ad(mm)对切削拐角、切削力的影响规律，以及对于不同的角度它们切削情况的对比。在做切削速度试验时，保证刀具每齿进给量fz恒定，进给速度Vf按公式Vf=fz×n×z(n为主轴转速，z为刀具齿数)计算。

1.3.1 不同走刀方式下铣削不同拐角的试验方法

试验中要加工工件的圆弧半径取4种数值:1.25 mm，1.50 mm，1.75 mm，2.00 mm。对具有不同圆弧半径拐角的工件进行铣削试验，分别研究铣削过程中各切削参数对工件受力的影响情况。试验分别采取摆线走刀方式和圆弧走刀方式进行，根据工件不同的圆弧半径分别进行4次，每次均采取单层切削方式进行。

1.3.2 不同减速程度下铣削拐角半径为1.5 mm圆弧的试验方法

针对拐角半径为1.5 mm的特定圆弧工件进行铣削，分别设定铣削速度的减少程度为:20%，25%，30%，35%。通过采取摆线走刀方式和圆弧走刀两种方式进行铣削，根据不同的减速程度分别进行4次试验，且每次加工均采取分层铣削的方式进行，以分析切削过程中受力和加工效率情况。

2 试验结果与分析

2.1 不同拐角圆弧半径下的影响

2.1.1 加工效率

通过试验测得当圆弧拐角半径分别为:1.25 mm，1.50 mm，1.75 mm，2.00 mm时，摆线走刀方式下的加工时间分别为:57 s，81 s，102 s，141 s，圆弧走刀方式下的加工时间分别为:15 s，17 s，22 s，45 s。由数据可以看出，随着圆弧拐角半径的增大，在切削要素相同的情况下，圆弧走刀方式的加工效率要比摆线走刀方式高;同时，由于加工大圆弧半径时去除的材料较多，加工时间也随之增加，使得加工效率随圆弧半径的增大而降低。

2.1.2 切削力

由图1和图2可以看出，在两种走刀方式下，随着圆弧半径的减小，加工时X、Y、Z三个方向所受到的切削力均随之增大，且在半径为1.25 mm时增大得比较明显，在圆弧走刀方式下Z方向的受力和平均力均比摆线走刀方式下的大，这说明工件拐角越小，方向转变急剧，刀具受到的突变越大，所以受力也越大。具体分析如下:

当切削工件拐角的圆弧半径为2 mm时，摆线走刀的方式下，3个方向的受力和平均力均比圆弧走刀的方式大，此时选择圆弧走刀的方式加工比较好。

当切削工件拐角的圆弧半径为1.75 mm时，在Z方向的受力和平均力，两种走刀方式下相接近，但在X、Y轴两个方向的受力，圆弧走刀的方式下较小，所以此时选择圆弧走刀的方式加工比较好。

当切削工件拐角的圆弧半径为1.50 mm时，在X、Y轴方向，圆弧走刀方式下的受力较小;摆线走刀方式下，在Z轴方向的力和平均力均较小，综合考虑，此时选择摆线走刀的方式加工比较好。

当切削工件拐角的圆弧半径为1.25 mm时，在X、Y方向，圆弧走刀方式下的受力较小;摆线走刀方式下，在Z轴方向的力和平均力均较小，综合考虑，此时选择摆线走刀的方式加工比较好。

2.2 不同减速程度下的影响

通过对上面的切削力分析，我们可以知道，工件的拐角在圆弧半径为1.5 mm时是受力变化突变前比较明显的一个点，用它来做减速程度变化切削试验，得到的数据会比较明显，所以选择圆弧拐角半径为1.50 mm的工件减速程度加工试验。

2.2.1 加工效率

通过试验测得当减速程度分别为:20%，25%，30%，35%时，摆线走刀方式下的加工时间分别为83.5 s，84 s，83.8 s，83 s，圆弧走刀方式下的加工时间分别为:32.5 s，28 s，26 s，24.5 s。由试验数据可知，在摆线走刀方式下，圆弧拐角处速度减小对加工时间的影响较小，对加工效率影响不大;而在圆弧走刀方式下，圆弧拐角处随着速度减小，单件工件的加工时间减少得较明显，加工效率也越高，但都低于原始速度下的加工效率。

2.2.2 切削力

由图3可以看出，在摆线走刀方式下做减速试验时，Z轴方向受力逐渐减小，X、Y轴方向受力先是逐渐减小然后再增大;Z轴的受力曲线与平均力曲线最为接近，反映出Z轴的分力是平均力的主要来源;在减速到20%时，Z轴受到的分力和平均力均最小，所以此时宜采用降速比为20%左右。