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高速铣削摆线加工的刀具磨损研究

更新时间:2009-03-28

1 引言

模具制造业中,淬硬钢这一高硬度、高耐磨性材料正越来越多地被用来制造精密模具。采用高速铣削方式加工淬硬钢模具,具有可直接加工、效率高、可取代磨削及电火花加工等特点,同时也能保证淬硬钢模具的加工精度和表面质量,降低制造费用[1-2]。淬硬钢材料硬度可达HRC 50-70,因此加工时也存在切削力大且切削温度高,刀具可能快速失效等问题,对加工工艺提出了更高要求[3-4]

探索高速铣削淬硬钢的路径、走刀与刀具寿命之间内在相互影响规律具有重要的现实意义,成为国内外诸多学者的重要关注点之一[5]。文献[6]研究了深切高速粗铣加工淬硬钢的可行性,并进行了走刀方式和刀具磨损的相关讨论。文献[7]对K30刀具高速铣削淬硬钢的磨损形态和磨损机理做了研究。摆线加工方式因为具有降低刀具载荷及保护刀具的特点,在淬硬钢加工中逐步得到较多应用,少量文献对其展开了研究。文献[8]提出了一种摆线建模的方法并成功运用接触角来预测铣削力,而铣削力的大小与刀具磨损有密切关系。文献[9]研究了淬硬模具钢高速铣削中不同走刀方式下切削力和加工效率,认为淬硬钢高速加工时从铣削力的角度出发,宜选用摆线加工方式。文献[10]提出一种兼顾铣削力、机床和型腔几何的摆线加工方法,实验表明摆线加工方法比调节进给速率的方法能更好地控制铣削力和刀具磨损。该研究将关注摆线走刀在不同循环圆半径和轨迹间距下对淬硬钢高速铣削的刀具磨损及加工效率的影响。因不同走刀方式在高速硬铣削过程中对刀具磨损等有较大影响,而行切是模具加工的重要走刀方式,因此摆线走刀方式将与行切走刀加工进行对比研究。该研究所获得的摆线加工结果和结论将对实际加工有积极指导意义。

2 摆线及行切的高速铣削试验研究

2.1 试验条件

试验设备主要为DMU-60T高速加工中心,其数控系统为HEIDENHAIN iTNC 530,主轴最高转速24000rpm,滚珠丝杠导轨进给率范围(1~15000)mm/min。试验材料为P20钢,淬火后硬度为52HRC。刀具选取株钻公司的整体硬质合金四刃平底立铣刀(HMX-4E-D6.0),直径Φ6mm,螺旋角45°,刀具悬伸量为20mm。加工采用顺铣方式,高压空气冷却。加工后用OLYMPUS-SZ61体式显微镜观测后刀面磨损量。

2.2 试验方案设计

两种不同的铣削方式,如图1所示,行切加工,如图1(a)所示。摆线加工,如图1(b)所示。走刀过程中的间距对加工具有重要影响,行切间距考察三种典型情况:0.5mm、0.7mm以及0.9mm;摆线加工的循环圆轨迹间距相应考察0.5mm、0.7mm和0.9mm三种情况。摆线加工的另外一个重要走刀参数是循环圆的半径,考察半径为2mm和5mm的两种摆线铣削方式分别试验。所加工的工件材料尺寸为(60×80×100)mm,其它加工参数采用实际生产用参数:主轴转速为8000r/min,进给速度为960mm/min,轴向切深为4mm。

总之,任何学科的入门都不是一蹴而就的,需要教师耐心地加以引导,根据学生的实际情况制定教学方案,在教学中采取多样的方式和方法,激发学生的学习兴趣,培养学生的数学能力,从而提高教学效率。

  

图1 走刀方式Fig.1 Cutting Tool Paths

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表1 试验方案设计Tab.1 The Experimental Design

  

行切 摆线1:R=2mm 摆线2:R=5mm 0.5 0.5 0.5 0.7 0.7 0.7 0.9 0.9 0.9轨迹间距/mm

2.3.2 药物因素 在对危重患者实施治疗的过程中,某些药物可导致患者出现一系列不良心理反应。如使用利多卡因治疗心律不齐,当静脉滴注速度达到4 mg/min时,大部分患者可出现谵妄等精神症状[5]。将巴比妥类,抗胆碱能药(尤其是东莨菪碱)作为术前用药,将增加麻醉苏醒期兴奋、烦躁的发生率。氯胺酮麻醉后的患者发生情感改变的概率较高,因麻醉性镇痛药引起的苏醒延长,常用纳洛酮进行拮抗,但纳洛酮同时会逆转阿片激动剂的所有作用,包括镇痛。患者会突然出现疼痛,引起明显的交感神经兴奋等[14]。

双因素试验的方差分析中,通过各个因素“贡献率”的比较可以衡量因素作用的大小。并且,例如对于因素A,若FA>F0.01(dfA,dfe)则表示该因素对试验结果有非常显著的影响;若F0.05(dfA,dfe)<FA<F0.01(dfA,dfe)则表示该因素对试验结果有显著的影响,若FA<F0.01(dfA,dfe)则该因素对试验结果影响不显著。

3 实验结果及分析

3.1 走刀方式和轨迹间距对刀具磨损的影响

针对走刀方式和轨迹间距对材料去除量的影响问题,进行双因素试验的方差分析,如表3所示。结果标明:对于走刀方式和轨迹间距两因素均有,F>F0.01(2,4),所以走刀方式和轨迹间距都是非常显著影响材料切除量的因素。从贡献率上分析,轨迹间距的贡献率为56.71%,走刀方式的贡献率为39.44%,所以轨迹间距是决定材料切除量的重要因素。因此,就材料切除量为指标而言,应首先考查轨迹间距,然后是走刀方式。

  

图2 不同走刀方式下的刀具磨损与切削长度和材料去除量的关系Fig.2 The Relationship Between Flank Wear and Cutting Length or Volume of Metal Removed with Different Cutter Path Strategies

3.2 走刀方式和轨迹间距对有效切削长度的影响

材料去除率在不同走刀方式及轨迹间距下的变化,如图5所示。从图5可得:(1)相同轨迹间距时,行切的材料去除率最高,其次是摆线1(R=2mm),最低的是摆线2(R=5mm)。这是因为不同于行切,摆线的渐进式切削走刀方式决定了会有一段是无效切削,并且半径越大则无效切削时间相对越长;(2)随着轨迹间距的增加,行切和摆线加工的材料去除率增加。对于摆线来说,轨迹间距增加,循环圆个数减少,切削时间变短,因此材料去除率增加。对材料去除率进行方差及贡献率分析,如表4所示。对于走刀方式有 F走刀方式>F0.01(2,4),对于轨迹间距则有 F0.05(2,4)<F轨迹间距<F0.01(2,4),走刀方式对于材料去除率的影响是非常显著的,而轨迹间距对材料去除率的影响是显著的。从贡献率上看,走刀方式的贡献率最大,为58.30%,轨迹间距的贡献率次之,为32.39%。因此,对于材料去除率而言,应优先考虑走刀方式的选择,其次是轨迹间距。

  

图3 不同走刀方式下的切削长度Fig.3 Cutting Lengthof Various Cutter Paths

 

表2 切削长度的双因素试验方差及贡献率分析Tab.2 ANOVA Results for Cutting Length and PCR

  

差异源 SS df MS F F临界值 贡献率(%)轨迹间距 647.83 2 323.92 15.65 F0.05(2,4)=6.94 54.15走刀方式 389.22 2 194.61 9.40 F0.01(2,4)=18 31.06随机误差 82.80 4 20.7 14.79总和 1119.85 8 100

3.3 走刀方式和轨迹间距对材料去除量的影响

对于摆线及行切这两种走刀方式,设计并开展了双因素加工实验,获得不同加工参数组合条件下的刀具磨损、有效切削长度、材料去除量和材料去除率,并进行了对比分析,试验结果表明:

中子探测效率和中子能量分辨率是反冲质子磁谱仪的2个重要性能指标。下面模拟和分析聚乙烯靶尺寸、质子准直器尺寸和二极偏转磁场的磁感应强度3个主要因素对中子探测效率和中子能量分辨率的影响。

为提高试验效率,设计双因素试验,如表1所示。对每个组合,分别进行磨损试验,获得不同方式加工的刀具磨损、切削长度、材料去除量、材料去除率的关系,并通过方差与贡献率分析,讨论各因素对实验结果的影响程度,从而为实际加工中的摆线加工提供参考依据。

在不同走刀方式下完成表1设计的高速铣削试验,建立的刀具磨损与切削长度和材料去除量的关系,如图2所示。实验结果表明:在相同的轨迹间距条件下,切削长度或材料去除量相同时,摆线走刀方式的刀具磨损量小于行切方式,且摆线的走刀方式在循环圆半径R=5mm时比循环圆半径R=2mm时的刀具磨损小。相同走刀方式下,刀具磨损有随着轨迹间距的增加而增大的趋势。此外,当摆线的循环圆间距增大时,由于刀具磨损加快,摆线加工相对行切在刀具耐用度和材料去除量方面的优势有逐渐缩小的趋势。因此,摆线的循环圆间距应该设置为一个相对合理的值而不能过大。

  

图4 材料去除量和切削长度Fig.4 Comparison of Volume of Metal Removed and Cutting Length

 

表3 材料去除量试验方差及贡献率分析Tab.3 ANOVA Results for Volume of Metal Removed and PCR

  

差异源 SS df MS F F临界值 贡献率(%)轨迹间距 502.60 2 251.3 59.83 F0.05(2,4)=6.94 56.71走刀方式 352.11 2 176.06 41.72 F0.01(2,4)=18 39.44随机误差 16.88 4 4.22 3.85总和 871.32 8 100

3.4 走刀方式和轨迹间距对材料去除率的影响

有效切削长度是衡量刀具寿命以及加工轨迹优劣的重要指标。采用行切及摆线不同的走刀方式及轨迹间距进行高速铣削试验,当后刀面磨损量到达0.2mm时,所得走刀方式和轨迹间距对有效切削长度的影响关系,如图3所示。从图3中可以看出:(1)在相同的轨迹间距的条件下,有效切削长度依次为:摆线2(R=5mm)>摆线1(R=2mm)>行切。这是由于在相同的间距时,行切的接触角大于摆线的接触角,从而导致切削长度明显比摆线的短。而在相同的轨迹间距、刀具直径和铣削参数的情况下,循环圆直径较大时接触角反而比较小,所以摆线2(R=5mm)的切削长度大于摆线1(R=2mm)。(2)三种刀具路径的切削长度都随着轨迹间距的增加而降低。这是由于相同条件下,随着轨迹间距的增加,刀具要切触的材料会随之增加,伴随而产生的铣削力和铣削热也随之增大,一定程度上加剧了刀具的磨损,缩短了有效切削长度。由表 2 可知:对于轨迹间距和走刀方式均有 F0.05(2,4)<F<F0.01(2,4),因此轨迹间距对有效切削长度的影响都是显著的。从贡献率分析,轨迹间距的贡献率为54.15%大于轨迹间距的贡献率31.06%,因此在考虑到实际加工过程的切削长度时,应优先考虑轨迹间距同时也要重视走刀方式的影响。

  

图5 材料切除率的变化Fig.5 Comparison of Metal Removal Rate

 

表4 材料切除率双因素实验方差及贡献率分析Tab.4 ANOVA Results for Metal Removal Rate and PCR

  

差异源 SS df MS F F临界值 贡献率(%)轨迹间距 368.47 2 184.24 14.92 F0.05(2,4)=6.94 32.39走刀方式 643.45 2 321.73 26.05 F0.01(2,4)=18 58.30随机误差 49.40 4 12.35 9.31总和 1061.32 8 100

4 结论

不同走刀方式和轨迹间距高速铣削时,材料的去除量及对应的切削长度,如图4所示。从图4中可以得知:在达到刀具磨钝标准时,行切、摆线 1(R=2mm)、摆线 2(R=5mm)三种走刀方式的材料去除量均表现出随着轨迹间距的加大而减小的规律;而在同轨迹间距时,摆线的材料去除量明显优于行切方式的材料去除量。

(1)行切及摆线加工当轨迹间距的增大时会使得刀具磨损加快,有效切削长度下降,材料去除量减少,但是会提高材料去除率;

(2)摆线走刀方式在材料去除率方面不及行切,但在相同刀具及后刀面磨顿条件下,摆线走刀方式能更有效控制刀具磨损,获得更多的材料去除量。

(3)适当增大摆线的循环圆半径可使刀具磨损的控制效果更好,有效切削长度和材料去除量也会增大。增大摆线循环圆半径会使得材料去除率降低。

由第2节两点夹持模式下的优化结果可知,两点夹持力仅与lr(即l4)有关,且与包络夹持优化方向相同。若在2种模式下l4取值范围相同,则夹持器各结构参数取包络夹持模式下的优化结果时,2种模式的夹持力均可达到最大,因此选取包络夹持模式下的优化结果作为最终的优化值。

(4)对于有效切削长度和材料去除量而言,影响有效切削长度和材料切除量的第一因素是轨迹间距,其次是走刀方式。对于材料去除率而言,首要的影响因素则是走刀方式。

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吴世雄,马伟,李斌,宋月贤
《机械设计与制造》 2018年第05期
《机械设计与制造》2018年第05期文献

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