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数控机床/铣床 |
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高速铣削铝合金时切削力和表面质量影响因素的试验研究 |
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作者：李亮 何宁 何磊 王珉 |
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1 引言
高速铣削加工可获得较高的金属切除率、很高的加工精度和良好的加工表面质量，因此在现代制造业中受到普遍重视，发展很快。高速铣削技术首先应用于航空制造业。由于对高硬度材料进行高速铣削加工可在一定程度上替代效率较低的电火花加工从而缩短模具制造周期，因此目前高速铣削技术在模具制造业也得到广泛应用。
在航空制造业中，高速铣削的主要加工对象为铝合金构件。为提高飞机性能，在飞机结构设计中大量采用铝合金整体框架和薄壁结构，而铝合金高速铣削技术使对此类构件的高效加工成为可能，从而在一定程度上推动了飞机结构的改进。高速铣削时，由于主轴转速提高，在每齿进给量不变的情况下，进给速度会大幅增加，目前采用直线电机驱动的高速铣床的进给速度已达100m/min。因此，在规划高速铣削的刀具轨迹时，必须考虑进给方向改变时机床进给系统的响应速度，以防止发生过切等现象。
针对典型铝合金框架结构的高速铣削工艺，本文通过切削试验研究了当金属去除率恒定时铣削工艺参数对铣削力和加工表面质量的影响以及铣削圆角时的铣削力和表面粗糙度特征。
2 试验目的与方法
1) 试验目的
通过切削试验，主要研究径向切深ap、轴向切深ae对铣削力和加工表面粗糙度Ra的影响。铣削力取连续测量50点峰值的平均值，加工表面粗糙度Ra取三次测量的平均值。
2) 试验方法
试验条件：试件材料为7075预拉伸铝合金，试件结构见图1；加工机床为MICRON UCP710五坐标加工中心，主轴最大转速18,00m/min，功率15kW，最大进给速度20m/min；刀具选用f10mm超细晶粒硬质合金整体立铣刀，2齿，30°螺旋角，刀尖圆弧半径R=1.5mm；所有铣削试验均采用油雾冷却。
图1 7075铝合金C型框铣削试件
测量仪器：采用Kistler9265B, 三向动态压电测力仪、5019A电荷放大器和计算机数据采集系统测量、记录切削力；采用Mahr M1表面粗糙度测量仪测量加工表面粗糙度。
铣削参数：主轴转速18000r/min，对应铣削速度565m/min；为对比加工表面粗糙度，每齿进给量fz分别取0.05mm和0.1mm；径向切深ap和轴向切深ae的乘积恒定为2mm2。
3 试验结果与分析
加工图1所示试件时，由于铣削进给方向要发生改变，因此采用Fxy(Fx与Fy的合力)和Fz作为切削力评价参数。根据测量结果，切削过程中Fxy峰值切削力如图2所示。Fz的峰值切削力变化趋势与图2类似，但Fz的大小仅为Fxy的1/3。
(ap=2mm，ae=1mm，fz=0.1mm)
图2 Fxy峰值切削力
1) ap对铣削力的影响
由图2可见，当刀具刚切入试件拐角处时，切削力迅速增大到加工试件直边时的约1.7倍，这主要是由于高速铣削中进给方向发生变化时，为防止过切，机床进给速度自动降低，造成每齿进给量(即切削厚度)下降；同时，在切削拐角处时，铣刀的切入角Yi增大(图4所示的切入角Yi为负值)，每齿切削长度增加，使尺寸效应在拐角处加剧。以上两种因素综合作用的结果使铣刀在铣削试件拐角处时切屑平均厚度减小，由尺寸效应引起铣削力急剧增大。表1 铣削试验切削力测量结果
| 铣削方式 | ap
(mm) | f=0.05mm | f=0.10mm | Fxy
(直边) | Fxy
(拐角) | Fxy
(直边) | Fxy
(拐角) | Fz
(直边) | Fz
(拐角) | | 逆铣 | 6 | 100 | 200 | 105 | 170 | -35 | -50 | | 顺铣 | 6 | 120 | 210 | 130 | 220 | -40 | -50 | | 顺铣 | 4 | 100 | 155 | 120 | 120 | -30 | -55 | | 顺铣 | 2 | 120 | 190 | 140 | 200 | -25 | -38 | | 顺铣 | 1 | 80 | 110 | 95 | 125 | -15 | -25 | | 顺铣 | 0.5 | 55 | 100 | 65 | 105 | 15 | 30 |
根据表所列试验结果，得到铣削力Fxy、Fz与进给量ap的关系(见图3)以及加工试件直边与拐角处时Fz的对比情况(见图4)。由图可见，当切深大于铣刀的刀尖圆弧半径R时(f16mm铣刀R=1.5mm)，Fxy变化不大，而Fz随ap的增大而增大，图中的Fz负值则表示刀具受拉力作用(切削试验中，当ap=16mm时，加工至拐角处时f16mm立铣刀曾被折断)。当主轴转速较高时，刀具的夹紧力因受离心力影响而下降，当切深较大时，在较大拉力作用下可能造成刀具夹紧力不足而发生拉刀现象。当每齿进给量从0.05mm增大到0.10mm时，Fxy仅增大约15%；而在相同切削面积和进给量条件下(即金属去除率恒定)，当ap小于刀尖圆弧半径时(ap<1.5mm)，切削力则迅速减小。该结果对于减小高速铣削时的加工变形具有一定指导意义。
图3 铣削力Fxy、Fz与进给量ap的关系
图4 加工试件直边与拐角处时Fz的对比
2) ap对加工表面粗糙度的影响
切削试验中分别采用了顺铣和逆铣两种铣削方式。由于逆铣时切屑厚度是由薄变厚，当刀刃刚接触试件时，后刀面与试件之间摩擦较大，容易引起振动；切削试件拐角处时，因切入角Yi和铣削长度的增加(见图5)，逆铣的摩擦效应也会引起切削振动，并在拐角处产生振纹。而顺铣时则正好相反，虽然顺铣时切削力稍大于逆铣，但顺铣时切屑厚度是由厚变薄，刀具后刀面与试件之间摩擦效应较小，在拐角处不易引起切削振动。但由于顺铣对工件和刀具的冲击力均较大，因此加工时应尽可能减小刀具悬伸长度和增加工件刚性。
图5 铣削时的切入角Yi和切出角Yo
试件加工表面粗糙度与ap的关系如图6所示。测量结果表明，试件拐角处的表面粗糙度Ra值略高于试件直边处的Ra值，逆铣时在试件拐角处出现了斜向振纹；但当Ra=0.5mm时，试件拐角处的Ra值反而小于直边处的Ra值，这是由于切削厚度变化引起的铣削力波动会对加工表面粗糙度产生一定影响，当轴向切深较小时，随着铣削力的减小，铣削力波动对加工表面粗糙度的影响也随之减小，因此，随着轴向切深的减小，表面粗糙度Ra值呈下降趋势。 
(a)每齿进给量Ra=0.05mm (b)每齿进给量Ra=0.10mm
图6 试件加工表面粗糙度Ra与ap的关系
当采用较大进给量ap进行铣削加工时，工件直边处出现垂直于进给方向的振纹，但对表面粗糙度Ra影响不大(见图7)。由于振纹处表面粗糙度曲线的峰间距基本上等于铣削时的每转进给量，因此可判定该振纹主要是由于刀具高速旋转时的动平衡偏心量造成两个刀齿的径向尺寸产生偏差而引起的。
(ap=6mm，ae=0.33mm，fz=0.1mm/z，顺铣)
图7 振纹处的表面粗糙度测量曲线
根据试验数据和分析结果可知：使用圆柱铣刀对铝合金材料进行高速铣削时，应选用较大的径向切深量(约为刀具直径的40%～80%)和较小的轴向切深量(小于刀具直径的30%)。由于径向加工余量较大，可在一定程度上增加工件刚性，加上径向铣削力和加工表面粗糙度值均较小，因此加大径向切深既能满足加工工艺要求，又可通过调整工艺参数最大限度地减小加工变形。
4 结论
高速铣削铝合金材料时，在金属去除率恒定的情况下，选用较小的轴向切深和较大的径向切深比选用较大轴向切深和较小径向切深更为有利。
高速铣削铝合金材料时，选用较小的轴向切深不仅可大幅度降低切削力，而且可获得更好的表面加工质量。
从减小切削变形的角度选择切削用量时，选用较大的径向切深不仅可降低切削力，而且可增加工件刚性。
由切削试验数据可知，在满足加工要求和机床、刀具条件允许的前提下，还可进一步增大进给量和切削面积，以达到提高加工效率的目的。
作者单位：南京航空航天大学(end)
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(2/19/2005) |
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