不同螺旋角度立銑刀切削性能研究

涂志標(biāo)，任巨濤，鄭寶增，馬紅亮

(臺州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江臺州318000)

金屬切削加工為機(jī)械制造業(yè)中最基本的加工方法，通過刀具的切削可以保證零件要求的形狀、表面精度、尺寸和性能要求［1］。此處主要介紹銑刀，下面從銑刀的結(jié)構(gòu)、形狀和材料等方面作簡單介紹。銑刀種類繁多，如立銑刀、圓柱形銑刀、面銑刀、三面刃銑刀、角度銑刀［2］等，文中探究的是立銑刀切削性能。在不同的加工條件和工作環(huán)境下，刀具所體現(xiàn)出來的切削性能也會隨之改變。例如立銑刀分別在粗加工、半精加工和精加工工作條件下，即使是相同的螺旋角度立銑刀對銑刀整體的切削力和排屑的影響也是不同的。合適的螺旋角能使刀刃逐漸切入和切離工件，能增加實(shí)際工作前角，使排屑容易［3］。下面就在設(shè)定的銑削條件下探索不同螺旋角度的立銑刀對不同材質(zhì)工件的切削性能。

關(guān)于切削性能好壞的評判標(biāo)準(zhǔn)，選擇銑刀的切削力和被銑削工件的表面光潔度作為兩大指標(biāo)來進(jìn)行研究。因?yàn)樵谇邢骷庸ぶ?，切削力是基本參?shù)，其變化直接影響加工過程中表面加工質(zhì)量和刀具磨損、刀具與工件的相對位移等［4］; 而表面光潔度是最直接反映工件材料被加工后的工藝性。故此下文進(jìn)行一系列的試驗(yàn)來圍繞這兩者進(jìn)行研究。

1 整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計

總共3 把不同螺旋角度的立銑刀(螺旋角度分別為30°，35°，45°，其他條件參數(shù)都統(tǒng)一) ，分別銑削材質(zhì)為Al、45 鋼、Cr12 的工件。表1 為立銑刀其他參數(shù)條件，表2 為銑削條件。

表1 立銑刀其他參數(shù)條件

表2 銑削條件

2 DEFORM-3D 模擬仿真建立以及切削力結(jié)果

2.1 DEFORM-3D 前處理

DEFORM 中的幾何模型可以采用三維畫圖軟件(如UG 等) 來設(shè)定，即畫出仿真所需的刀具模型導(dǎo)出生成* .STL 文件［5］，然后在DEFORM 模型設(shè)定步驟中調(diào)用文件即可。首先在UG 軟件中創(chuàng)建螺旋角分別為30°、35°、45°的立銑刀單齒刀具模型，主切削刃前角為5°，后角為15°，如圖1 所示。劃分網(wǎng)格后的切削模型，如圖2 所示［6］。

圖1 切削刃幾何模型

圖2 Ⅱ分網(wǎng)格后的切削模型

前處理包括選擇加工的類型、刀具和工件的定義、網(wǎng)格的劃分等，如圖3—6，仿真中設(shè)置的銑削條件和表2 一樣。

圖3 選擇銑削

圖4 刀具網(wǎng)格劃分(50 000 格)

圖5 工件參數(shù)設(shè)置

圖6 工件劃分網(wǎng)格(50 000 格)

2.2 DEFORM-3D 運(yùn)算結(jié)果及后處理

前處理完成后進(jìn)入運(yùn)算過程，這個過程一般比較漫長，5 000 步的運(yùn)算一般需要12 h 以上。圖7 顯示了計算機(jī)的模擬過程，也顯示了銑削時切屑形成過程，即刀具自左向右水平勻速進(jìn)給運(yùn)動，切屑與工件在刀具作用下分離，產(chǎn)生切屑、發(fā)生彎曲變形到切屑從工件上切除。可以看出: 切削過程中刀具在從左向右的水平方向上受到阻力最大，這是因?yàn)楣ぜ谶@一方向上塑性變形最大，因此這一方向的力為整個切削過程的主切削力。

圖7 切削過程模擬示意圖

同時通過后處理也得到了整個切削過程各自的切削力變化，如圖8 所示。3 種不同螺旋角度銑削3 種材質(zhì)工件，共能得到9 個切削力曲線圖。

從圖8 可以看出: 切削過程中刀具在從左向右的水平方向上受到阻力最大，這是因?yàn)楣ぜ谶@一方向上塑性變形最大，因此這一方向的力為整個切削過程的主切削力。而模擬過程和實(shí)際切削過程一樣，也分為初始和穩(wěn)態(tài)過程。在刀具剛開始切入工件時，工件單元受到刀具前刀面擠壓而發(fā)生變形，隨著變形程度增大，變形抗力增大，主切削力也相應(yīng)增大，并達(dá)到一個較大值; 當(dāng)個別單元變形達(dá)到了材料的變形極限時，單元失效同時切削力相應(yīng)減小［7］; 在開始階段各個時刻，失效單元的數(shù)目和位置是不確定的，由此切削力數(shù)值上下波動; 但在切削平穩(wěn)之后，單元失效是有規(guī)律進(jìn)行的，即在各個時刻失效的單元數(shù)目是固定的，且失效單元相對位置也是固定的，此時主切削力大小穩(wěn)定在一個數(shù)值附近［8］。

圖8 各自銑刀切削力變化組圖

接著作者用DEFORM 后處理得到每副圖中切削力平均值，制成圖9 所示曲線，可以清楚地看到: 在特定的銑削條件下，螺旋角度從30°到45°，螺旋角度越大，切削力數(shù)值越來越小; Al 的平均力值是最小的，接著是45 鋼，而Cr12 的平均切削力是最大的。這是因?yàn)? 種材質(zhì)硬度不一，相對于其他兩種材質(zhì)而言，Al 硬度很小，是最軟的，所以切削力相對最小。而在3 者中Cr12 是最硬的，所以切削力相對最大。就一般經(jīng)驗(yàn)而言，切削力小且平穩(wěn)，加工出來的工件工藝性也就越好。

圖9 切削平均力折線圖

3 立銑刀實(shí)體切削性能實(shí)驗(yàn)和工件表面光潔度測量

在結(jié)束DEFORM-3D 模擬仿真試驗(yàn)后，再進(jìn)行實(shí)體切削實(shí)驗(yàn)。所用到的設(shè)備有: 數(shù)控攻絲加工中心brother TC-S2CZ-O 和共聚焦顯微鏡axio-csm-700。得到的顯微圖如圖10 所示。接著測量光潔度值，每副圖測量6 個點(diǎn)，30°銑削Al 表面Ra 值如圖11 所示。

圖10 不同螺旋角度銑刀切削不同材質(zhì)的工件后表面粗糙度顯微圖

圖11 30°螺旋角度立銑刀切削Al 材質(zhì)工件后的表面6 個Ra 值圖

圖11 為6 張數(shù)據(jù)圖的部分截圖，這6 個Ra 值分別 為1.433、0.975、0.786、0.912、3.816、5.254 μm，去掉最大值和最小值后得其均值為RaAl－30°=1.784 μm。同理，依次得出其余8 個面各自的光潔度數(shù)值，如圖12 所示。

圖12 不同工件切削后表面粗糙度

從圖12 明顯看到: 在特定的銑削條件下，螺旋角度越大，表面Ra 值就越低，也就意味著越光滑。這個結(jié)論和前面仿真得到的螺旋角度越大切削力越小的結(jié)論是有嚴(yán)密邏輯關(guān)系的，切削力的變化直接決定著切削熱的產(chǎn)生、分布，并影響刀具磨損、使用壽命，進(jìn)而影響零件被加工表面的加工精度和已加工表面質(zhì)量。一般來說，切削力越小，得到的工件表面光潔度就越好，由此說明: 在特定的銑削條件下，螺旋角度為45°時切削得到的工件表面粗糙度比另外兩組都好，證明了相應(yīng)的切削力比另外兩組都小，工藝性更好。光潔度值的測量結(jié)論也能驗(yàn)證仿真切削力數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結(jié)束語

(1) 建立了DEFORM-3D 模型，分別用30°、35°、45°螺旋角度立銑刀銑削鋁合金、45 鋼和Cr12，對不同材質(zhì)的銑削過程進(jìn)行了有限元仿真，得出了相應(yīng)的切削力變化曲線。

(2) 對仿真切削力進(jìn)行分析，3 種不同螺旋角度立銑刀銑削3 種不同材質(zhì)的工件，共得出了9 個仿真程序和切削力圖，算出每個圖的平均切削力并與切削力的理論知識相結(jié)合分析，得出螺旋角度越大切削力越小的結(jié)論。

(3) 用共聚焦顯微鏡測量被銑削工件表面的粗糙度，得出9 個面各自不同的粗糙度Ra 值。對比分析發(fā)現(xiàn)螺旋角度越大表面就越光滑，也就意味著工藝性越好，而根據(jù)切削力越小表面粗糙度越好的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，可以推斷出45°螺旋角度的切削力與另外兩組相比是最小的，也就證明了之前的DEFORM-3D 仿真結(jié)論是可靠的。

(4) 對現(xiàn)有的研究結(jié)果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，即使用螺旋角度是45°的立銑刀銑削，材質(zhì)Al 的表面粗糙度依舊不理想。觀察圖10 發(fā)現(xiàn)Al 的Ra 值比其他材質(zhì)的數(shù)據(jù)要大很多。造成這種現(xiàn)象的原因: 首先因?yàn)锳l 材質(zhì)質(zhì)地偏軟，相對于45 鋼和Cr12 來說硬度要小很多; 其次，在文中特定的銑削條件下，鋁材熔點(diǎn)較低，4 000 r/min 的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致部分切屑受熱融化，因此造成了Al 表面比其他兩種材質(zhì)粗糙很多。此課題還可以往下研究: 在特定的銑削環(huán)境下，采用怎樣的幾何參數(shù)，用立銑刀銑削鋁合金等偏軟材料才能保證工件表面的工藝性。

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