高进给铣削加工工艺研究

高进给铣削加工工艺研究-董景齐金属切削加工工艺中，铣削加工方式相对其它的加工方式，所参与加工的切削刀片刃数是最多的，因此它的加工效率和金属去除率也相对较高，从而在选择零部件的粗加工（以去除工件多余金属为目的的加工方式）方案时，为获得具有较高的加工效率时，往往会考虑如何使用铣削的加工方式进行，使得铣削工艺成为了目前提高加工效率的首选加工方式。

对于如何提高铣削刀具的加工效率，如何获得更高的加工效率，从刀具的角度出发，长时间内铣削刀具一直以增加铣刀的有效切削刃数和提高刀片的切削深度为发展目标，因此目前的很多铣削刀具规格中都会有密齿铣刀和大切深铣刀（螺旋玉米铣刀）。

对于增加切削刀片的个数和提高切削深度的加工方式，根据金属切削力和切削功率进行分析：研究金属切削的切削三要素：切削速度、切削深度、进给量，根据金属切削的挤压变形和剪切力的变化和实验，我们得到如下公式：切削力：F=N×C×Ap×Fz0.75×Vc-0.15×K------------------（1）F------切削力（kg f）N------参与切削刀片个数C------工件材料系数（工件材料对切削力影响的参数）Ap-----切削深度（切削刃垂直切入工件的神对）（mm）Fz-----每齿进给量（切削刀具每个切削刃在刀具旋转一周时在 进给方向移动的直线距离）（mm）Vc-----切削速度（刀具与工件接触点处的相对移动速度，它根 据不同的工件材料和刀具材料而选定）（m/min） K------切削刀具参数（包括刀具的前角、后角、刃口钝化等刀具 因素对切削力影响的参数）（kw）（2）切削功率： P= ×P------切削功率（kw）F------切削力（kg f）Vc-----切削速度（m/min）根据公式（1），对切削力影响最大的加工参数是切削深度Ap，对于刀具本身对切削力影响最大的是切削刃的数量N，如果切削深度提高1倍，切削力将增大一倍，而增加一个切削刃，对于切削力来说也将增加了一个数量级，因此根据公式（2），金属切削时产生的切削功率也会相应的提高了许多，由此对机床的主电机的功率要求也提高了很多，同时因切削力的增加，使得机床的主要受力机构件的受力也产生了很大的影响，而传统的机床刀具与机床连接机构的联结刚性相对较弱（例如7：24的主轴刀柄机构），在较大的切削弯矩的作用下对机床主轴连接刀柄将产生加大的影响（切削扭矩、弯矩如图1所示）。

（图1）对铣削刀具（面铣刀-图2和玉米铣刀-图3）的切削扭矩和产生的弯矩，针对钛合金材料的加工进行了如下实例分析：图2图3在上述两个实例中可以看出，虽然切削扭矩没有达到机床的主轴额定的电机扭矩，但切削所产生的弯矩已超过了机床刀柄所能承受的最大弯矩了，在这种情况下，由于切削力和切削弯矩的作用，使得机床的刀具系统产生了钟摆运动，即切削震动，从而使刀具的寿命和加工精度都会受到很大的影响。

根据在Aachen大学进行的试验测试报告（见图4），刀柄的（图形中的下部曲线）加载曲线，图中的线斜率代表着刀具拉紧后对刀具夹持能力的影响程度，两段的斜率分别代表受力和变形后的刚性。

在1200Nm的弯矩作用下刀柄与机床主轴端面已完全脱开。

检测设备见图（5）图（4）图（5）根据上述分析在铣削加工工艺的提高加工效率的研究中，无论是增加刀片的个数还是增加铣刀的切削深度，都会给机床带来机构强度不足和机床功率不足及切削震动等问题，因此在不购买新的设备的前提下，要提高铣削工艺的加工效率就需要寻找另外的途径了。

在探讨如何提高加工效率的时候，首先研究的对象是金属切削的切削三要素，即切削速度、切削深度、进给量，对于这三个加工要素来说，切削速度对刀具的加工寿命影响最大，当切削速度提高20%则刀具寿命将下降50%，同时因工件材料的强度、硬度等性能参数的限制，切削速度可提高的幅度一般不大，且提高切削速度也会增加切削功率见公式（2），而加大切深得切削方案前面也进行了分析，因此为提高加工效率，我们把主要的研究对象放到进给量上。

但如何提高进给量，而不增加切削力和切削功率？针对这个问题对进给量进行分析，进给量是切削刃在每个旋转单位下切削刃相对工件所移动的距离，进给量的大小直接影响刀具切削截面的大小，与进给量有关的刀具参数见图（6）。

图（6）金属切削材料切削截面上所能单位面积的受力大小决定了刀片的寿命长短，每一片刀片被制造出来后，其单位面积下所能承受受力大小也就确定了，将刀片所能承受的单位面积下的力转换成进给量就是刀片的允许平均铁屑厚度hm，平均铁屑厚代表着每个刀片能够承受的进给量大小。

一般情况下当铣刀的切削宽度与刀盘直径相等的情况下，平均铁屑厚度就等于进给量，当切削刀具的主偏角减小时，铁屑的厚度h就会相应减小见图7，此时铁屑厚度h值小于刀片允许的平均铁屑厚度hm，这样为了使刀片更有效地被利用，则可以选铁屑厚度h和刀片允许的hm相等，这样就可以使用更大的进给量f值了，这就是大进给铣刀的基本原理。

图（7）大进给铣削原理是基于用小的主偏角和小的切削深度实现平均铁屑厚度的减小，从而提高进给量，故此所有的大进给加工都需要小的主偏角。

切屑的厚度随着主偏角的减小而减小，为了避免铁屑过薄而影响加工表面质量，当进给量小于刀片刃口的倒钝圆弧半径，工件的加工表面形成时就不会进行切削而是碾压，从而使已加工表面被碾压造成表面质量下降或工件材料表面形成过大的冷做硬化层而影响工件的使用效果，见图（8）分析，已加工表面是经过多次复杂的变形而形成的。

切削刃刃尖角为Rn时，切削层在刃口钝圆部分O点处存在复杂的应力状态，切削层的金属经剪切滑移沿刀具的前刀面流出形成铁屑，O点下薄薄的一层金属гhd不能沿OM进行剪切，而是被推挤压入工件的已加工表面，这部分金属首先受到压应力，当切削后刀面BE滑过挤压面后，工件已加工表面的压力消失，工件产生弹性回弹，回弹值гh小于压缩值гhd，这是已加工表面由于受到刀片后刀面的摩擦、拉伸的作用而产生内应力，内应力的大小和切削深度Ap的大小有关，如Ap→гhd值时，工件已加工表面的内应力最大，因此表面会形成一个冷作硬化层（加工硬化层），其硬度比工件高1-2倍，硬化层表面常常会出现细微裂纹，且表面粗糙度值较大且工件材料的疲劳强度也相应较低，从而影响工件的尺寸和形状的稳定性。

图（8）故此需要提高进给量从而避免过于薄的切削的产生。

在使用大进给铣刀的时候要确保足够大的进给，以便得到合适的切屑厚度和加工性能。

高进给铣削时，需要提高进给量的部分都在刀具的前刀刃，而当刀具的主偏角等于90°和主偏角等于15°时，铁屑厚度等于的情况下，刀具的进给量可以放大3.86倍，一般情况下，刀片的最大进给量约等于刀尖圆弧半径的0.5倍，当主偏角等于90°时，此时进给量和铁屑厚度与进给量相等，当主偏角等于45°时，进给量约等于1.415倍的铁屑厚度，即≈0.849mm，当主偏角等于15°时，此时进给量等于3.86倍的铁屑厚度，即≈2.318mm，见图（9）所示，这就是大进给加工理论依据。

图（9）大进给铣削的特点是：较小的切削深度，较大的进给量。

从加工受力方向上进行分析，它与传统的铣削加工方式比较，综合切削力的方向（主切削力、进给力、切向力的合成力方向）更接近刀体回转中心线，即切削加工刃所产生的径向抗力的大部分分力是轴向力，而传统的加工方式，切削综合力的方向与回转中心线之间所形成的角度较大（在45°~90°之间），见图（10）所示，这样大进给铣削方式相对传统的铣削方式，加工的稳定性和抗震动能力都得到有效的提高。

在铣削加工过程中为满足工件形状或工件夹具的要求，往往需要刀具有一定的悬伸，而传统的铣削方式因径向力较大会影响加工刀具图（10）的悬伸长度，一般钢制品的刀杆在大于悬伸与直径之比等于4的时候，就很难抑制切削力而产生的扭曲和挠度而出现加工震动问题。

大进给铣削加工方式与传统方肩铣刀（主偏角为90°）相比，以悬伸长径比L/d=4为校核依据分析如下：见图（11）。

此时悬伸轴的扭曲角度为φ，挠度为y，由此得到公式（3）和（4）：扭转角：φ=T/GIp ∫dx----------------------------------------（3） 极限挠度：y =fL /3EIp ---------------------------------------------（4）图（11）式中：T 为刀杆所承受的扭矩T= F f 为刀杆所承受的径向力GIp 为截面扭曲刚度EIp 为抗弯刚度L1max 为长径比为4时的刀杆长度L2为大进给铣刀能达到的最大悬伸长度由公式（3）得到：φ= =T L /GIp 其中T 2=sin15°FD/2则：L2= ° = ° ≈15.5D由公式（4）得到：y == 其中f 2=sin15°f 1 则：L= =° =64D /sin15°≈247.3D即：L 2≈6.5D综合上述计算分析和对铣削刀具切削前角的平衡设计后， 见图（12）目前大进给铣刀的最大的长径比达到10D。

图（11）大进给铣刀实际加工应用过程中，加工效率和金属去除率得到了有效地提高，下表为直径为66mm的铣刀加工案例，表中Vf为进给速度，Vc为切削速度，Q为金属去除率。

在这个例子中虽然传统铣刀的切削深度比大进给铣刀高3倍，但大进给铣刀的金属去除率却是传统铣刀的3倍，在大多数的情况下，我们使用相对较低的切削速度，这样刀具切削所产生的切削热相对较低，对刀具的寿命提高有较大的帮助，这样就会降低刀具的成本并高效地达成加工的目的。

参考文献：（1）Kennametal TOOLING SYSTEMS 2013（2）Kennametal INNOVATIONS CATALOGUE 2014（3）《金属切削原理》（4）《材料力学》（5）Kennametal FY13 新产品推广资料。