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[刀具设计] 不等螺旋角立铣刀试验研究

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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2019-8-8 07:56:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    不等螺旋角立铣刀试验研究
    许晋1,2,庞安定1,刘鹏程1,谢鹏1,李屏1,2,王社权1,2
    1株洲市钻石切削刀具股份有限公司;2硬质合金国家重点实验室
    摘要:不等螺旋角立铣刀的切削刃有不同的螺旋角,通过切削试验对比不对称不等螺旋角立铣刀和传统等齿距立铣刀、对称式不等螺旋角立铣刀的切削性能。试验结果表明:与传统等齿距立铣刀相比,不等螺旋角立铣刀显著降低了切削过程中的振动,对称式不等螺旋角立铣刀切削力小于不对称不等螺旋角立铣刀,在加工薄壁零件时,不对称的不等螺旋角立铣刀能够获得比普通不等螺旋角立铣刀更好的表面质量。
    关键词:不等螺旋角;切削刃;不对称;等齿距;振动;薄壁;表面质量
    1 引 言

    [size=1em]近年来航空航天零部件向轻量化发展,在大量钛合金或铝合金结构件和连接件上进行大切削深度和大进给的铣削。但是零部件的壁厚逐渐变薄,会导致切削振动加剧,加工时破损甚至破裂的不平滑或变形较大,因此,为了满足消除振动又不降低切削效率和加工成本,提高工件表面粗糙度和刀具寿命,山特维克最早设计制造了用于满足薄壁工件(钛合金、铝合金)表面光洁度很高、加工工艺难度大的不等螺旋角立铣刀。

    [size=1em]不等螺旋角立铣刀改变了各齿的实际每齿进给量,每个刀刃产生的铣削力波形不再一致,有效降低或避免了加工系统的谐振,有利于获得高质量的加工表面和提高刀具寿命,三菱、SGS和钴领等刀具厂商都开发了不等螺旋角系列立铣刀系列。受限于制造工艺和成本,该类形不等齿距铣刀结构都采用对刃相等邻刃不等的结构设计,随着制造工艺的改进,各种不对称不等螺旋角立铣刀会越来越多地出现在市场上。

    [size=1em]以四刃立铣刀为例,开发了一种不对称的不等螺旋角立铣刀,新结构刀具每条切削刃的螺旋角都不相等。通过切削试验方法分析了该新结构立铣刀与传统等齿距立铣刀、对刃相等邻刃不等螺旋角立铣刀在不同工况条件下切削性能的差异。

    2 不对称不等螺旋角立铣刀结构

    [size=1em]不对称不等螺旋角立铣刀的结构非常复杂,图1a为立铣刀切削刃部分轴向展开图,图1b为轴向端齿图。通过改变螺旋角和端齿齿距的分布,设计了不对称不等螺旋角立铣刀。图2为不对称式刀具与PM系列立铣刀和VSM系列立铣刀的外观。

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    [size=0.8em](a)轴向展开 (b)轴向端齿
    [size=0.8em]图1 不等螺旋角立铣刀结构

    [size=1em]除上述新结构刀具外,参与切削试验的刀具有传统等齿距立铣刀和螺旋角对刃相等邻刃不等的对称式不等螺旋角立铣刀。刀具直径φ8mm,刃数z=4,切削刃长H=20mm,全长L=60mm,表1为参与切削试验刀具螺旋角与端齿齿距分布情况。

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    (a) 不对称不等螺旋角立铣刀
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    (b) 普通不等螺旋角立铣刀
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    (c) 等齿距立铣刀
    [size=0.8em]图2 不对称式和普通不等螺旋角立铣刀、等齿距立铣刀
    [size=0.8em]表1 切削试验刀具结构
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    3 不等螺旋角立铣刀切削试验3.1 试验目的

    [size=1em]通过测试工件表面质量,切削过程中的铣削力等试验方法,分析不对称不等螺旋角立铣刀的切削性能,主要完成以下试验任务:

    [size=1em]①在相同条件下,确定其与传统等齿距立铣刀切削性能的差异;

    [size=1em]②在相同条件下,确定其与普通不等螺旋角立铣刀切削性能的差异。

    3.2 试验条件、内容和方案

    [size=1em]切削试验主要测试了刀具在不同工件刚性条件下的表面质量(工件材料为奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti(HB180))以及切削过程中的切削力和振动加速度。由于试验系统复杂,涉及的仪器设备较多,切削试验分两部分完成:试验1以切削力和振动加速度为试验目的,以变切削深度ap、切削宽度ae湿式切削为试验条件;试验2以对比薄壁件表面质量为试验目的,以干式切削和薄壁加工为试验条件。

    [size=1em](1)切削力

    [size=1em]在水冷条件下,采用瑞士阿奇夏米尔公司Mikron Ucp1000五轴高速加工中心,借助瑞士Kistler的三向测力仪9144B测量切削过程中的切削力,其测力原理如图3所示。刀具由德国雄克静压膨胀工具系统装夹,悬伸L=24mm。

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    [size=0.8em]图3 9144B测力仪及测力原理

    [size=1em]根据刀具结构特点,试验主要通过改变切宽ae和切深ap,测量了各种结构刀具在切削过程中的铣削力,切削参数如表2所示。

    [size=0.8em]表2 切削试验参数
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    [size=1em](2)薄壁加工

    [size=1em]薄壁加工在瑞士高速机床Mikron HSM800上进行侧铣切削(顺铣),采用高压气冷,刀具的安装同其它试验,工件尺寸为L55×W45×H5.8,通过虎钳装夹在机床工作台面。表3为薄壁加工的切削流程和切削参数。

    [size=0.8em]表3 薄壁加工切削试验参数
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    4 试验结果和分析4.1 侧铣条件下切削力

    [size=1em]铣削加工属于断续切削,在切削过程中刀具或工件承受周期性的载荷。特别是在机械载荷的冲击和环境干扰(噪音和机床振动等)条件下,切削力在任何时刻都是变化的。

    [size=1em](1)垂直进给分力Fx值

    [size=1em]为了能便捷和有效地评价刀具产生的切削力,主要分析垂直进给分力Fx的最大值(见表4)。

    [size=1em]对比数据得出以下结论:

    [size=1em]①在侧铣情况下,8种刀具切削力随着ae和ap的增大而增大,传统等齿距立铣刀的切削力明显大于不等螺旋角立铣刀的切削力,从切削过程中的峰谷值来看,不等螺旋角立铣刀有效地减少了切削力的波动(见图4),降低切削加工系统的振动。

    [size=1em]②不等螺旋角结构刀具能够明显降低切削过程中的切削力,普通对称式不等螺旋角立铣刀的切削力要小于不对称不等螺旋角立铣刀的切削力。

    [size=0.8em]表4 不同切削参数条件下的垂直进给分力Fx
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    4ed7c1d66b84513cc70d1c6e6a582437.jpg
    [size=0.8em]
    (a)等齿距立铣刀
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    (b) 不等螺旋角立铣刀
    [size=0.8em]图4 等齿距立铣刀和不等螺旋角立铣刀切削过程(Fx)


    [size=1em](2)切削力的频谱分析

    [size=1em]铣削加工属于周期性断续切削,刀具将产生频率f=NZ/60(N为刀具转速,Z为刀具齿数)的切削力,通过对周期信号的傅里叶级数分析,切削力主要由上述频率的分频、基频和倍频周期的切削力组成。当铣削力谱分散在更为广泛的频率上,其各频率处具有较小的幅值,比较平坦,而对于同一机床来说,铣削时激起的振动必然减少,从而达到降低铣削振动的目的。

    [size=1em]在侧铣条件下(N=2000r/min,fz=0.05mm,ap=8mm,ae=0.8mm),图5为各种结构刀具在侧铣情况下的频谱分析。可以看出,传统等齿距立铣刀的切削力集中在频率为100Hz的切削力分量上,切削力值也明显大于不等螺旋角立铣刀,而对称式不等螺旋角立铣刀的切削力要小于不对称不等螺旋角立铣刀的切削力。

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    [size=0.8em](a)刀具1
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    [size=0.8em](b)刀具2
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    [size=0.8em](c)刀具3
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    [size=0.8em](d)刀具4
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    [size=0.8em](e)刀具5
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    [size=0.8em](f)刀具6
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    [size=0.8em](g)刀具7
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    [size=0.8em](h)刀具8
    [size=0.8em]图5 侧铣条件下的频谱分析

    4.2 振动加速度

    [size=1em]振动是切削过程中的有害现象,会使加工表面产生振痕,刀具易于磨损,严重时将产生崩刃,机床连接特性会受到破坏严重时甚至使切削加工无法继续进行。衡量振动的参数主要有位移、速度和加速度,对加工过程中加速度的测量是比较常用的手段。试验通过Kistler振动加速度计和5134B电荷放大器记录了切削过程中的振动加速度。图6为N=3000r/min、F=0.05mm/z、ap=12mm、ae=0.4mm条件下的试验刀具振动加速度值的对比情况(垂直进给方向)。可以看出,采用不等螺旋角结构设计的刀具在切削过程中能明显降低振动趋势。

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    [size=0.8em]图6 垂直进给方向振动加速度

    4.3 薄壁加工

    [size=1em]薄壁件由于其刚性较差,在切削过程中,容易发生变形的状况,刀具与工件间发生剧烈的振动,工件容易发生变形和破坏(见图7)。当壁厚较薄时,薄壁在切削力的作用下发生严重的变形,导致薄壁上缘发生让刀,未参与实际切削,而薄壁的下端逐渐变小,导致薄壁在刀具轴向上厚度极不均匀(见图7a)。表5列出了各刀具获得的进刀处薄壁尺寸和薄壁是否发生如图7b所示的破坏状况。

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    [size=0.8em](a) 薄壁变形

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    [size=0.8em](b)薄壁破坏
    [size=0.8em]图7 薄壁缺陷

    [size=0.8em]表5 薄壁进刀处尺寸
    89b137b329f8689f4384b234bf8c6c34.jpg

    [size=1em]与加工刚性工件不同,不对称不等螺旋角立铣刀在加工薄壁工件时表现出现了较好的性能,图8和图9为各刀具加工后的薄壁表面对比情况。

    [size=1em]传统等齿距立铣刀和普通不等螺旋角立铣刀的加工表面都出现了严重的振纹,此外,在薄壁的出口处都出现了严重的破坏。

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    [size=0.8em]图8 薄壁加工表面粗糙度(垂直进给方向)

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    [size=0.8em](a)刀具1

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    [size=0.8em](b)刀具2

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    [size=0.8em](c)刀具3

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    [size=0.8em](d)刀具4

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    [size=0.8em](e)刀具5

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    [size=0.8em](f)刀具6

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    [size=0.8em](g)刀具7

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    [size=0.8em](h)刀具8
    [size=0.8em]图9 薄壁加工表面纹路

    5 结语

    [size=1em](1)在侧铣刚性工件情况下,不等螺旋角立铣刀的切削力和振动加速度明显小于传统等齿距立铣刀,能够有效地降低切削加工系统的振动,而且普通对称式不等螺旋角立铣刀切削力要小于不对称不等螺旋角立铣刀的切削力。

    [size=1em](2)在工件刚性较差的情况下,尤其是薄壁加工条件下,传统等齿距立铣刀和对称式不等螺旋角立铣刀的加工工件表面都出现了严重的振纹,不对称不等螺旋角立铣刀能够获得更好的表面质量。

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    Experimental Research on Unequal Helix Angles End mills
    [size=1em]Xu Jin,Pang Anding,Liu Pengcheng,Xie Peng,Li Ping,Wang Shequan

    [size=1em]Abstract: Each cutting edges of unequal helix end mill is provided with variablet helix angle.Through the cutting experiment,compared with traditional end mills,unequal helix angle end mills and ordinary unequal helix angles end mills.The experimental results show that unequal helix angles end mills can significantly reduce the vibration in the cutting process compared with the traditional enqual pitch end mills,especially when the thin-walled parts are processed,the unequal helix angle end mills can obtain better surface quality than the common unequal helix end mills.

    [size=1em]Keywords:unequal helix angle;cutting edge;equal pitch;vibration;thin wall;surface quality


    [size=1em]中图分类号:TG714;TH161

    [size=1em]文献标志码:A

    [size=1em]基金项目:国家重大专项(2016ZX04002-003)

    [size=1em]收稿日期:2018年5月

    [size=1em]第一作者:许晋,工程师,株洲钻石切削刀具股份有限公司,412000 湖南省株洲市

    [size=1em]First Author:Xu Jin,Engineer,Zhuzhou Cemented Carbide Tool Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412007,China



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