鋁合金插銑加工切削力分析及成屑弧區(qū)劃分

利用鋁合金插銑加工試驗(yàn)，從切削理論角度建立了切削力與刀具轉(zhuǎn)角、瞬時(shí)每齒切削厚度的理論計(jì)算關(guān)系?；谇邢?法向切削力的變化規(guī)律，將切削弧區(qū)劃分為擠壓區(qū)、劃擦區(qū)和切削區(qū)。當(dāng)前航空航天產(chǎn)品為滿足輕量化要求，絕大部分采用典型的深腔、減重槽框和空心薄壁等結(jié)構(gòu)。由于極大的材料去除量和典型的弱剛性結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)加工方式及加工工序存在加工效率低、刀具系統(tǒng)剛度差和加工難度大等一系列問題?；谶@一現(xiàn)狀，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了高速插銑加工方式。插銑加工又稱為Z軸銑削法，即在數(shù)控加工過程中，刀具沿刀軸方向直線進(jìn)給，利用底部的切削刃進(jìn)行鉆、銑組合切削，是一種能夠在Z方向上快速去除大量金屬的加工方式，主要用于粗加工和半精加工。本文采用切削試驗(yàn)，建立了刀具切削角與瞬時(shí)切削力的關(guān)系，研究了切削力系數(shù)隨每齒切削材料面積的變化規(guī)律。1.試驗(yàn)安排及方法試驗(yàn)在DMGMORI1035V三軸加工中心上進(jìn)行（見圖1），機(jī)床最大轉(zhuǎn)速為12000r/min。切削力測(cè)量系統(tǒng)為Kistler9253B23多分量測(cè)力儀、Kistler5070A電荷放大器（見圖2）以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。試驗(yàn)刀具為山特維克可樂滿機(jī)夾式刀具，直徑為25mm，齒數(shù)為2。刀具后角為21°，刀尖圓角直徑為0.8mm（見圖3）。試驗(yàn)材料為典型2A12硬鋁合金鍛件。切削參數(shù)為刀具轉(zhuǎn)速n=6000r/min，每齒進(jìn)給量fz=0.05mm/z，切寬ae=1mm。圖1DMGMORI1035V三軸加工中心圖2Kistler5070A電荷放大器圖3機(jī)夾式刀具2.試驗(yàn)結(jié)果及討論圖4所示為典型插銑加工刀具每齒運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，可以看出瞬時(shí)實(shí)際每齒切削厚度ae’是隨刀具轉(zhuǎn)角φ呈現(xiàn)先增大（0°<φ<90°）后減?。?0°<φ<180°）的趨勢(shì)。實(shí)際瞬時(shí)每齒切削厚度ae’不等于預(yù)設(shè)軸向切削深度ae，具體關(guān)系見式（1）。圖4插銑加工每齒運(yùn)動(dòng)示意圖5實(shí)際每齒切削厚度ae'/徑向切削深度ae隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化趨勢(shì)式中，ae'為實(shí)際每齒切削厚度（mm）；ae為徑向切削深度（mm）；φ為刀具轉(zhuǎn)角（°）；Dc為刀具直徑（mm），本試驗(yàn)?zāi)J(rèn)為25mm。實(shí)際每齒切削厚度ae'/徑向切削深度ae隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化趨勢(shì)具體如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際每齒切削厚度ae'在刀具轉(zhuǎn)角φ=90°時(shí)達(dá)到最大值，等于徑向切削深度ae，在刀具切入/切出階段，實(shí)際每齒切削厚度ae'最小。將瞬時(shí)切削力按照刀具切向Ft分力和法向Fn分力分解合成，并建立與瞬時(shí)轉(zhuǎn)角的關(guān)系，具體如式（2）及圖6所示。a）切削力Ft隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化規(guī)律b）切削力Fn隨刀具轉(zhuǎn)角φ變化規(guī)律圖6切削力刀具轉(zhuǎn)角φ變化規(guī)律從圖6a可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于切向切削力Ft，其大小隨刀具轉(zhuǎn)角φ呈現(xiàn)對(duì)稱分布，并且在φ=90°時(shí)達(dá)到最大值。另一點(diǎn)在于當(dāng)φ=20°和φ=160°時(shí)呈現(xiàn)明顯的低谷。分析認(rèn)為當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)角φ在0°～20°和160°～180°范圍內(nèi)由于最小切厚理論，此時(shí)刀具并沒有切除材料。原因之一在于過小的切厚導(dǎo)致材料受力發(fā)生彈性變形退讓；原因之二在于刀具刃口圓角的存在，使得被去除材料受刃口圓角的擠壓并沒有被去除。在這一階段刀具后刀面僅僅是在加工表面發(fā)生擠壓，并不成屑。當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)角φ在20°～90°范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)金屬切削理論，隨著瞬時(shí)切厚ae'的不斷增大，意味著在刀具前刀面（即第一變形區(qū)）發(fā)生剪切滑移變形的材料厚度不斷增加，這導(dǎo)致了切向切削力Ft的不斷增大。同理在90°～160°范圍內(nèi)瞬時(shí)切厚ae'其變化趨勢(shì)隨著刀具轉(zhuǎn)角φ的增大而不斷減小。對(duì)于法向切削力Fn的分析可以發(fā)現(xiàn)（見圖6b），切削力整體相對(duì)于φ=90°對(duì)稱（但是方向相反）。在刀具轉(zhuǎn)角φ=45°和φ=135°時(shí)法向切削力Fn達(dá)到最大值（但是方向相反），并且在0°～45°和180°～135°范圍內(nèi)，是法向切削力Fn不斷增大的。結(jié)合上文的分析可以得到在這一區(qū)域?qū)儆诓牧匣貜梾^(qū)域，并且回彈隨著瞬時(shí)切厚ae'的增大而不斷加劇。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在20°～45°范圍內(nèi)，屬于刀具后刀面與工件材料作用的過渡區(qū)域，在這一區(qū)間屬于從擠壓階段向切削階段的轉(zhuǎn)變區(qū)域，屬于劃擦區(qū)域。（同理在135°～160°范圍內(nèi)瞬時(shí)切厚ae'其變化趨勢(shì)隨著刀具轉(zhuǎn)角φ的增大而不斷減?。??？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)毒呷锌谡嬲_始切除材料時(shí)（即φ=45°～135°范圍內(nèi)），工件材料對(duì)刀具后刀面的擠壓回彈作用反而減輕，此時(shí)材料主要在刀具前刀面發(fā)生剪切滑移變形，具體如圖7所示。圖7

切削成屑弧區(qū)劃分3.結(jié)語本文利用鋁合金插銑加工試驗(yàn)，從切削理論角度建立了切削力與刀具轉(zhuǎn)角、瞬時(shí)每齒切削厚度的理論計(jì)算關(guān)系?；谇邢?法向切削力的變化規(guī)律，將切削弧區(qū)劃分為擠壓區(qū)、劃擦區(qū)和切削區(qū)。切削弧區(qū)按照刀具轉(zhuǎn)角φ可以劃分為三個(gè)區(qū)域：區(qū)域一：0°～20°(160°～180°)范圍內(nèi)，刀具僅僅在材料表面擠壓滑行，并不成屑。區(qū)域二：20°～45°(135°～160°)范圍內(nèi)，刀具在材料