仇 健 李健康

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鋁合金銑削力和溫度場的試驗研究*

仇 健1李健康2

(1.沈陽機床(集團)有限責(zé)任公司國家重點實驗室 沈陽 110142；2.中捷機床有限公司 沈陽 110142)

應(yīng)用測力儀和紅外熱像儀對鋁合金切削過程中的切削力和溫度信號進行了測試，建立了硬質(zhì)合金立銑刀切削鋁合金的銑削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ停梢杂行У刂笇?dǎo)生產(chǎn)，合理選擇切削工藝參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，銑削溫度隨切削參數(shù)變化趨勢與銑削力同步。切屑的長度、圓弧半徑、厚度分別受切削深度、切削速度以及每齒進給量影響而使切屑呈現(xiàn)不同形態(tài)。立銑刀在切削鋁合金時除切削作用外，還伴隨較為嚴(yán)重的塑性變形。另外，分析了切削參數(shù)對表面質(zhì)量的影響。

立銑刀 切屑 切削熱 銑削力 三維表面形貌

前言

切削力和切削溫度是金屬切削過程中兩個重要過程量[1]，對研究切削機理、評價機床和刀具的切削性能、計算能耗、優(yōu)化切削參數(shù)、設(shè)計刀具結(jié)構(gòu)都有重要指導(dǎo)意義。另外，這兩個參數(shù)還可以作為監(jiān)測切削異常、診斷機床故障的依據(jù)。

硬質(zhì)合金因其硬度高、韌性好和良好的高溫硬度等特性使之在金屬加工中得到了廣泛應(yīng)用。這里對硬質(zhì)合金立銑刀切削鋁合金時的銑削力和銑削溫度進行組合試驗研究。關(guān)注切削用量對切削力、刀具系統(tǒng)溫度場分布以及刀具切削性能的影響程度，并建立雙齒硬質(zhì)合金立銑刀切削7075鋁合金時的切削力模型。

1 銑削力和銑削溫度試驗

試驗在VMC0656mu五軸高速加工中心上進行，該機床采用高速電主軸，最高轉(zhuǎn)速2 400 rpm，工作臺采用雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，臺面直徑400 mm，X、Y、Z行程600、560、450 mm，X、Y、Z軸快移速度40 m/min，定位精度X、Y、Z軸0.008 mm，重復(fù)定位精度X、Y、Z軸0.005 mm。具有高速、高加速度、高剛性、高精度等特點，可在單位時間內(nèi)實現(xiàn)高速切削，而且可獲得高表面質(zhì)量。

Ф10硬質(zhì)合金立銑刀，刀具螺旋角35°，刀柄長60 mm，切削刃長40 mm。工件材料為7075鋁合金，理想性能見表1。

試驗采用Kistler 9265B三向切削力測力儀；Kistler 5070電荷放大器；DynoWare數(shù)據(jù)分析軟件。ThermoVision A40 M紅外熱像儀，非制冷焦平面微熱量探測器, 靈敏度范圍7.5～13 mm，可探測到0.08℃的溫度變化。切削力測試系統(tǒng)及各測試儀器布置如圖1所示。

表1 7075鋁合金的力學(xué)性能

圖1 試驗裝置布置圖

試驗參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速(r/min)，切削深度a(mm)，每齒進給量(mm)，具體如表2所示，其中，第1組實驗為機床空轉(zhuǎn)實驗。

刀具每轉(zhuǎn)歷時60，單位s。因此，各試驗中刀具完成每轉(zhuǎn)切削所需時間為表中列。依據(jù)參數(shù)可以由每轉(zhuǎn)進給量和主軸轉(zhuǎn)速計算得到進給速度f(mm/min)。

2 銑削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ图胺治?/h2>

理論切削力模型將切削刃沿軸線劃分為許多個切削微元，并將作用在微元上的力分解為切向、徑向和軸向三方向切削力，采用幾何分析法判斷刀刃微元在任意時刻是否參與切削[2]。但是在實際生產(chǎn)中理論切削力模型往往受各種條件制約而不具有通用性，重新修改模型參數(shù)較耗時，不修改則易導(dǎo)致不同切削工藝參數(shù)變化后，模型的預(yù)測精度下降。CIRP在96～97年對55個研究團隊針對加工過程建模調(diào)研發(fā)現(xiàn)：43%為經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?2%為分析模型，25%為有限元模型[3]?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)驗?zāi)Ｐ透m用于生產(chǎn)實際。因此，基于切削力(負載)和切削用量間的經(jīng)驗關(guān)系，建立如式(1)形式的切削力經(jīng)驗表達式，往往是知道生產(chǎn)的切實有效的方式。

試驗中各試驗參數(shù)測得的切削力和溫度值如表2中x，y，z，和所示。

表2 正交試驗參數(shù)及切削力和穩(wěn)定統(tǒng)計表（室溫12.2℃）

依照式（1）方法對切削力的測量值計算得到切削力指數(shù)形式經(jīng)驗公式[4]：

切削力合力表述式：

圖2為各參數(shù)條件下以刀具旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)，三向力為縱坐標(biāo)獲得的切削力信號。由此可知，轉(zhuǎn)速大時向力最大，其次是向力，該兩方向力基本處于同一量級，而向力最小。和兩向周期基本一致，而向并未體現(xiàn)出明顯的周期性，表現(xiàn)比較隨機。

可以看出轉(zhuǎn)速在5000 r/min時兩個刀齒所受和向切削力規(guī)律和力值基本相同，并且臨轉(zhuǎn)體現(xiàn)明顯的周期性；在轉(zhuǎn)速8000 r/min時臨轉(zhuǎn)也體現(xiàn)出明顯的周期性，但兩個刀齒在同一周期內(nèi)的和向受力大小有所區(qū)別。=0.05 mm/r時向力無明顯規(guī)律性，而=0.1 mm/r時規(guī)律性較強。另外，和兩向力的相位相差90℃，這與使用雙刃銑刀切削有關(guān)。

由于立銑刀在方槽切削中銑刀走橫邊和縱邊時的切削進給方向不固定，切削力分力方向隨著刀具位置變化，因此圖2中X和Y向切削力信號可得出：沿進給方向的切削力值始終大于垂直進給方向的切削力值，徑向力明顯大于軸向力。

3 銑削溫度正交實驗分析

圖3和圖4分別為銑削試驗后刀具系統(tǒng)紅外熱圖像和溫度三維溫度場分布圖，可見，剛結(jié)束切削時刀尖點的溫度仍然是刀具系統(tǒng)溫度最高處，其次是刀柄。

圖3 刀具熱圖像

圖4 刀具三維溫度場

由熱像儀測得各組試驗中刀具系統(tǒng)溫度值如圖5所示，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖6所示，結(jié)合試驗參數(shù)可得出：溫度隨切削速度增加而最大，隨切深和進給增大而升高。這與切削力隨切削參數(shù)的變化趨勢不十分一致。這是因為刀具系統(tǒng)溫度的改變除與切削負載有關(guān)外，還與主軸轉(zhuǎn)速等造成主軸系統(tǒng)負載變化的因素有關(guān)，而兩者對溫度的影響程度會隨各種條件變化而改變，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。

圖5 切削后刀具系統(tǒng)溫度

圖6 刀具系統(tǒng)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差分布

表3 切削力和溫度試驗極差分析

4 切屑形態(tài)研究

切屑形態(tài)是切屑形成過程的最終結(jié)果，主要是經(jīng)過第一變形區(qū)變形，再通過第二變形區(qū)使切屑底部纖維拉長，然后遇斷屑槽或斷屑臺以及周圍介質(zhì)中迅速冷卻再次變形形成，因此，切屑的形態(tài)并不不完全等同于切屑的變形狀態(tài)[3]。但是切屑形態(tài)可以側(cè)面反映切削參數(shù)對加工過程的影響程度，并且切削熱主要由切屑帶走，而剩余部分傳到工件、刀具和周圍介質(zhì)中，因此，研究不同參數(shù)條件下獲得的切屑形態(tài)對于理解切削過程，尋求最優(yōu)工藝參數(shù)十分有意義。

正交試驗中各參數(shù)對應(yīng)的切屑形態(tài)分別如圖7中2~5，其中3、4為長條螺旋切屑，2、5為短圓弧或逗號狀切屑，尤以5的圓弧半徑最小、斷屑最分散。對照表2中試驗參數(shù)可發(fā)現(xiàn)，切屑長度與切削深度有關(guān)，深度越大則切屑長度越大；圓弧半徑與切削速度有關(guān)，速度越大，圓弧半徑越大；切屑厚度與每齒進給量有關(guān)，進給量越大，切屑厚度越大。

圖7 多參數(shù)試驗對應(yīng)切屑形態(tài)

當(dāng)切屑內(nèi)部應(yīng)力達到材料的斷裂強度時，切屑才會發(fā)生折斷，而切削速度高時，切屑甩動時的離心力大，并且切削速度提高后切屑溫度升高，切屑變軟，則切屑的圓弧半徑較大；而垂直進給方向（Y向）的切削力受切削深度影響最大，而切屑在排出切削區(qū)斷屑時受Y向切削力沖擊最大，增大切深，切削力變大，切屑容易撞擊工件表面彎曲而斷裂，進而形成短圓弧切屑；而進給量大時，相鄰兩轉(zhuǎn)的切削厚度加大，從而形成的切屑厚度變大[5]。

5 銑削加工表面輪廓

切削熱如不能很快排出，會使工藝系統(tǒng)的溫度升高，使刀具硬度降低，工件材料軟化，從而促使刀具和工件粘合，形成圖8所示刀具切入、切出時的材料粘結(jié)現(xiàn)象，嚴(yán)重的會造成刀具化學(xué)磨損。

圖8 加工后工件表面

圖9為切削后表面的輪廓等高線分布，圖中深色區(qū)域為材料殘留位置，白色區(qū)域為加工后輪廓高度分布均勻、表面光滑的位置。由此可以發(fā)現(xiàn)，相鄰兩次切削間隔處會有部分材料堆積，這說明硬質(zhì)合金立銑刀在切削鋁合金材料時除形成材料去除外，還伴隨較為嚴(yán)重的塑性變形[6]，從而在刀具切削進給方向兩端發(fā)生耕犁作用而形成材料堆積。

圖9 輪廓等高線圖

結(jié)論也可從圖10中輪廓三維高度分布得到驗證。最終堆積的材料反映在加工后的輪廓表面變形為毛刺或粘結(jié)狀切屑等形態(tài)。因此，在切削鋁合金時，切削行距不應(yīng)過大，切削用量要適中，以免因切削用量選擇較大造成負載增大而影響硬質(zhì)合金刀具切削材料時的切削性能，造成表面質(zhì)量惡化。

圖10 加工表面三維輪廓高度分布

6 結(jié)語

（1）建立的切削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢院芎玫剡_到預(yù)測切削力目的。

（2）切削合力和切削溫度隨切削參數(shù)近似同步變化。溫度隨刀具每齒進給量的增加而持續(xù)地增加。

（3）切屑長度與切削深度有關(guān)；切屑厚度隨每齒進給量增大而增大。

（4）硬質(zhì)合金立銑刀在切削鋁合金時，除切削作用外，還伴隨較為嚴(yán)重的塑性變形。

[1] Sumet Heamawatanachai, Eberhard Bamberg. Cutting force model of orbital single-point micromachining tool[J], International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2010,50:815-823．

[2] R.S.Pawade,Suhas S. Joshi, P.KBrahmankar, M. Rahma. An investigation of cutting forces and surface damage in high-speedturning of Inconel 718[J], Journal of Materials Processing Technology 192-193(2007) 139-146．

[3] Herbert Schulz，Eberhard Abele,何寧．高速加工理論與應(yīng)用[M],科學(xué)出版社,2010．

[4] Manuel San-Juan, Oscar Martin, Francisco Santos. Experimental study of friction from cutting forces in orthogonal milling[J], International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2010,50:591-600．

[5] 上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會．金屬切削手冊（第三版）[M],上?？茖W(xué)出版社,2000,6．

[6] 劉鵬,徐九華,馮素玲等.PCD刀具高速銑削TA15鈦金切削力的研究[J],南京航空航天大學(xué)學(xué)報,42(2):224-229.

*國家科技重大專項項目編號：2010ZX04016-011