楊云輝

(云南開放大學機電工程學院， 云南 昆明 650223)

在制造業(yè)中，銑刀扮演著十分重要的角色，許多零件都是通過銑刀加工而成，銑刀的使用性能以及成本都是十分重要的研究課題。當前的諸多研究中,為了提升銑刀的性能，大部分以分屑原理為依據(jù)設計銑刀，使切削刃避開工件表面硬化層，同時還可以使切屑的厚度增加、寬度減小，從而減小切屑的變形程度[1]，因此分屑原理能夠在很大程度上降低切削溫度，減小切削力，極大提高刀具的使用壽命。

本文通過分析其他具有分屑原理的刀具，選擇出適合插銑刀具的兩種刀具分屑原理方案，即多刃組合錯位和波刃分屑原理，構建了基于分屑原理的插銑刀每齒允許進給量與刀具幾何參數(shù)之間關系的數(shù)學模型，開發(fā)出具有高性能、低成本且使用壽命長的銑刀刀具。

1 刀具分屑原理

采用分屑原理的刀具性能要比普通刀具更加優(yōu)良，因此分屑原理被廣泛運用于銑刀的設計中。在刀刃上增加分屑槽屬于一種較為普遍的分屑方法，將原本一段的切削刃分為兩段甚至多段，并且分屑槽在相鄰切削刃上互相錯開[2-3]。

另一種分屑原理的設計方案是將切削刃的形的區(qū)域出現(xiàn)間斷，這樣的改動會使得較寬形狀的切屑在切削時被分為窄條切下[4]。對切削刃形狀進行改變也是一種較為常用的分屑方法，除此之外，還有一種方法是將多個切削刃進行組合，利用這一方式實現(xiàn)分屑。

假設錯位分屑插銑刀具每組刀片的個數(shù)為N，同一組中相鄰兩刀片主切削刃的軸向相對偏移量為Δ，一組刀片切過后的切削區(qū)域縱截面如圖1所示，虛線表示下一組刀片即將切削的位置。

圖1 錯位刀具切削區(qū)域縱截面

切削過程中，同組兩相鄰刀片的切削平面沿刀具軸向的距離d1為：

d1=fz+Δ

(1)

式中：fz為每齒進給量。

切削過程中，相鄰兩組相同位置刀片的切削平面沿刀具軸向的距離d2為：

d2=N×fz

(2)

各刀片的切削順序一般為由外側(cè)至內(nèi)側(cè)，當d2≤d1時，任一刀片均不會切削到相鄰刀片的切削區(qū)域，即錯位分屑插銑刀具能可靠分屑的條件是：

(3)

上述分析表明，錯位分屑插銑刀具能實現(xiàn)分屑的最大許用每齒進給量僅與每個錯位刀片組的刀片數(shù)量和相鄰兩刀片間的軸向錯位距離有關。分屑刀具在使用過程中只要每齒進給量的選取不超過設計值即能保證刀具可靠分屑，若每齒進給量選取過大，刀具將失去分屑能力。

2 刀具材料的選擇

在選擇插銑刀具刀體材料時，首先應考慮材料的韌性與剛性，只有這兩個條件都具備，在對工件進行加工時才會避免因抵抗切削所產(chǎn)生的力而造成刀具的變形，還能夠有效緩沖加工時的切削振動。由于常見的結(jié)構鋼韌性和剛度都較差，并不能滿足刀具在加工時的性能要求，而各類合金結(jié)構鋼的強度和韌性則能滿足銑刀的加工要求，因此選用常用的合金結(jié)構鋼,比如40Cr和42CrMo等[5]。

3 錯位分屑插銑刀具性能分析

由于插銑刀具的優(yōu)勢在開槽中最為明顯，因此本文采用對合金材料開槽的方式進行插銑實驗。在開槽時，刀具首先從工件外部進入，刀具的兩側(cè)和步進方向都填充了要切割的材料，此時工件對刀具的包角最大，不會因為刀具的步進而顫振，但隨著加工的不斷進行，刀具一旁的工件材料被切削下去，有一側(cè)出現(xiàn)空白區(qū)域，刀具步進方向上受力不均勻，隨著刀具切削位置發(fā)生變化，刀片切除切屑的方式也會改變，切削力和切削振動開始受到影響。順銑時刀具刀片的切削深度逐漸減小，這一變化特點是刀具對工件進行最初的切入時會受到較大的沖擊力，切削振動有可能會增加，從而降低刀具的使用壽命。逆銑則與順銑相反，當對工件進行逆銑時，隨著刀具的逐漸深入，切削深度開始增大，由于銑刀緩慢進入到工件當中，所受到的切削力較小，因此能明顯減少切削所產(chǎn)生的振動，從而提高刀具的使用壽命。

為了能夠準確分析刀具的使用壽命與分屑原理的相關性，本文分別設計出徑向錯位1.2 mm和2.0 mm的分屑刀具與普通的刀具進行對比，以174PH不銹鋼作為待加工的工件進行實驗，實驗過程中刀具磨損狀況主要通過機床主軸負載變化進行估計，刀具工作時采用統(tǒng)一的切削參數(shù)，具體參數(shù)見表1。

表1 刀具磨損實驗的切削參數(shù)

實驗數(shù)據(jù)見表2，由表可知，3種刀具機床主軸負載變化幅度差別不大，但是所切除的材料量不同，30 min內(nèi)普通刀具切除了801 mm3的材料，之后切削振動開始加劇，此時刀具已經(jīng)需要更換刀片；徑向錯位1.2 mm分屑刀具在40 min內(nèi)切除了1 021 mm3材料后，振動幅度也開始增加，但相比于普通刀具，振動幅度較??；錯位2.0 mm分屑刀具隨著徑向切深增加，工作效率隨之提高，35 min內(nèi)切除了1 197 mm3的材料，之后振動幅度也開始增加，同樣也小于普通刀具的振動幅度。

表2 刀具磨損實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)實驗所得兩種刀具的磨損情況以及工作量的相關數(shù)據(jù)，對刀具的使用壽命進行定性分析，可知在對不銹鋼工件進行加工時，對于給定的切削參數(shù)，有徑向錯位的刀具要比沒有徑向錯位的普通刀具的切削量更大，而且使用壽命也得到了極大的提升，并在一定范圍內(nèi)，刀具徑向錯位越大，加工工件時的效率越高。

4 波刃分屑插銑刀具性能分析

為了避免對工件進行加工時刀具發(fā)生破損現(xiàn)象，影響實驗數(shù)據(jù)的準確性，也為了保證實驗能夠順利地進行，工件選用40Cr這類容易加工的材料，以增強實驗數(shù)據(jù)的準確性，同樣采取首列開槽這一受力均勻且能夠保持很好的穩(wěn)定性的加工方式進行實驗。

選擇加工過程中最為穩(wěn)定的部分，對該階段的相關數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析，然后選擇切削振動信號的有效最大值作為相應切削參數(shù)下的切削力值[10]。切削力隨每齒進給量的變化規(guī)律如圖2所示。由圖可知，對于所有刀具，工件上的切削力都呈現(xiàn)出隨著每齒進給量的增加而增加的趨勢。直刃刀具的切削力變化最大。當每齒進給量從0.06 mm增加到0.09 mm時，直刃刀具的x,y,z方向切削力分別增加約1 400 N、140 N、240 N，分屑槽刀具x,y,z方向切削力分別增加了約950 N、360 N和490 N，波刃刀具x,y,z方向切削力分別增加了約950 N、360 N和490 N。因此，直刃刀具在使用過程中應當注意控制每齒進給量，盡量采取較小的進給量。

圖2 切削力隨每齒進給量的變化規(guī)律

另外，由圖可知，直刃刀具切削力最大，分屑槽刀具次之，波刃刀具最小。以每齒進給量為0.06 mm為例，分屑槽刀具在x,y,z方向的切削力分量為直刃刀具的77%、74%、91%，為波刃刀具的55%、45%和57%。在所設定的切削參數(shù)下，用簡單的分屑器磨削切削刃可以使切削力降低20%左右，而波刃分屑原理可以使切削力降低50%左右。

工件切削振動幅度隨每齒進給量的變化規(guī)律如圖3所示，由圖可知，隨著每齒進給量增加，切削振動幅度變大，每齒進給量在0.07 mm以內(nèi)時，3種刀具切削振動幅度的差值在0.1g之內(nèi)，相比較而言，引起切削振動幅度最小的為直刃刀具。隨著每齒進給量增加，波刃刀具的表面涂層開始出現(xiàn)破壞的情況，該刀具的切削振動幅度也隨著表面涂層的破壞急劇變化。若3種刀具均未受到破壞，3種刀具所產(chǎn)生的切削振動幅度都不高，且3種刀具之間的差距很小，故實驗中不存在由于刀具的形狀不同而導致的切削幅度差異大，影響實驗結(jié)果的情況。

圖3 切削振動精度對每齒進給量的變化規(guī)律

5 整體葉輪的插銑加工

設計插銑專用刀具的目的是提供高性能、低成本的加工工具，雖然在與普通刀具的對比實驗中分屑插銑刀具性能更好，但是只有經(jīng)歷實際生產(chǎn)應用的考驗，才能暴露出更多的有待改進的問題，推進分屑插銑刀具不斷改進和優(yōu)化，本節(jié)主要探討插銑專用刀具在整體葉輪加工現(xiàn)場的實際應用情況。

整體葉輪是離心式壓縮機的核心部件，離心式壓縮機主要用于氣體的壓縮和輸送，是各類大型化工廠的核心裝置。整體葉輪是一種加工難度很大的零部件，因其流道具有復雜的扭曲特性，在加工時一般將整體葉輪分為葉盤和蓋盤，兩者分別加工后再焊接到一起，整體葉輪的葉盤如圖4所示。葉盤的傳統(tǒng)加工方法多為分層銑削，該方法工藝較為成熟，應用廣泛，但是加工效率偏低。

圖4 整體葉輪葉盤

應用插銑工藝是提高整體葉輪粗加工效率的有效手段，通過與某鼓風機集團的合作，采用本文中設計的基于錯位分屑原理的插銑專用刀具對整體葉輪進行粗加工。因葉輪直徑的不同，葉輪流道尺寸也會有較大范圍的變化，為了提高加工效率，需要根據(jù)實際情況盡可能選擇直徑較大的插銑刀具，本文中使用的不同直徑的錯位分屑插銑刀具如圖5所示。

圖5 粗加工整體葉輪實驗中使用的插銑刀具

插銑加工整體葉輪葉盤流道時的加工現(xiàn)場及加工完成后的某型號葉輪外觀如圖6所示。實驗證明，本文所設計的錯位分屑插銑刀具達到了高性能、低成本的設計目標，同時也驗證了插銑這種先進工藝的高效性和應用于整體葉輪加工的可行性。

圖6 插銑加工整體葉輪

6 結(jié)束語

本文選擇波刃和多切削刃組合的錯位分屑原理作為插銑刀具的分屑結(jié)構設計的原理，構建了插銑刀每齒進給量與刀具幾何參數(shù)之間關系的數(shù)學模型。通過分析發(fā)現(xiàn)，錯位分屑插銑刀具每齒進給量僅與每個錯位刀片組的刀片數(shù)量和相鄰兩刀片間的軸向錯位距離有關。為了分析錯位分屑插銑刀具性能，采用刀具磨損實驗，得出在給定切削參數(shù)的情況下，有徑向錯位的刀具要比沒有徑向錯位的普通刀具切削量更大，而且使用壽命更長。為分析波刃分屑插銑刀具性能，采取開槽加工方式進行實驗，從切削力和切削振動對每齒進給量的變化規(guī)律中得出，直刃刀具切削力最大，分屑槽刀具次之，波刃刀具最小，切削振動幅度隨著每齒進給量增加而變大。由此可知將錯位分屑原理和波刃切屑原理應用在插銑刀具上能夠使切削力明顯降低，提高了刀具壽命。

本文設計的插銑專用刀具選用合金材料，便于插銑開槽等工藝的運用。在以后的研究中，應當根據(jù)不同刀具的加工特點及其加工時的受力特點，選擇合適的專用材料設計刀片，同時還要依據(jù)相關切削理論，合理運用分屑原理，通過各種設計方法盡可能提高刀具的使用壽命。