可转位波形刃铣刀片的铣削力试验研究

(b)方肩铣刀片

图1 刀片结构

图2为双齿铣削条件下，波形刃铣刀片切入工件时的示意图，S是波形刃刀片的波距，刀刃1与刀刃2之间错开S/2，设每齿进给量fz对应的铣削厚度为tc。

图2 波形刃铣刀片铣削示意图

刀刃1第1次走刀切除的工件材料如图2中六边形网格阴影部分所示，由于只有较短的切削刃参与切削，所以在工件的轴向上还有很大一部分材料未被切削，此时的切削厚度和直线刃铣刀基本持平；刀刃2第1次走刀切除的工件材料如图2中四边形网格阴影部分所示，其中包括上一走刀中未切除的部分，故参与切削的切削刃变长，并且切削厚度增大，切削厚度约为直线刃铣刀片的两倍；刀刃1和刀刃2第2次走刀切除的材料分别如图2中斜线和水平横线的阴影部分所示，它与刀刃2的第1次走刀基本相同，且后续的切削也基本一样。

在上面的铣削过程中，未参与切削的切削刃起到了一定的分屑作用。图2中的矩形abcd代表了直线刃铣刀在轴向切深为S/2、每齿进给量fz的条件下，两次走刀的切削层面积。从图中可以看出，相同情况下波形刃铣刀两次走刀的切削层面积比直线刃铣刀少，故铣削力也小于直线刃。

2 试验条件与试验方案

（1）试验条件

工件材料为45钢，尺寸为90mm×80mm×70mm。数控机床采用韩国斗山DNM515数控加工中心，机床功率为11kW，转速范围：0-10000r/min。试验场地布置如图3所示；采用的硬质合金可转位铣刀片的型号为波形刃P290-ACKT1806PDR-FW铣刀片和直线刃P290-ACCT1806PDR-TL铣刀片，两种刀片采用一种刀杆，刀杆型号为P290-EPW-D25-2-120-W-25-18；测力仪为瑞士KISTLER系列9257B切削力测量系统，铣削方式采用顺铣，不使用冷却液。

图3 现场布置图

图4为试验中所用到的两种刀片和一种刀杆，图4a中，波形刃刀片的前角为15.574°，后角为7°，棱带宽度为0.123mm；图4b中，直线刃刀片前角为18.641°，后角为7°，棱带宽度为0.104mm。

(a)波形刃刀片 (b)直线刃刀片

(c)刀杆

图4 刀具

(2)试验方案

对比波形刃刀片和直线刃刀片在相同铣削条件切削45钢时的铣削力，选取10组铣削参数，对比试验的切削参数选择如表1所示。

表1 铣削力对比试验的参数选择

对波形刃刀片采用正交试验，所设计的四因素三水平试验表L9（34）如表2所示。

表2 正交因素水平表

3 试验结果与分析

(1)两种刀片的铣削力对比结果分析

根据表1的试验参数，得到在相同切削参数下两种刀片的铣削力，其结果制成柱状图见图5。

图5 两种刀片铣削力对比

从图5可以看出，在多数情况下且切削参数相同时，波形刃刀片的铣削合力与直线刃刀片相比可以降低10%-20%，波形刃刀片在铣削力方面有更好的性能，主要有以下三个原因：

①波形刃刀片主切削刃的分屑结构很独特，铣削时可将直线的长条状切屑转变为短而厚的细鳞片状切屑，以减少工件表层和切屑的塑性变形抗力。

②在轴向上波形刃刀片的主切削刃投影是正弦曲线，从波形顶点来看，顶点的上下两面都与工件相接触，所以形成的铣削分力可以相互平衡。

③由于两把刀片安装在刀杆上的位置相互错开，其波形刃以错位的形式得以有效搭接，每把波形刃铣刀片在切削时切削刃没有全部参与切削，且波形刃刀片更容易切入工件。

(2)正交试验结果分析

①线性回归分析

波形刃铣刀片铣削45钢时采用的铣削试验方案及结果如表3所示。根据表3，采用多元线性回归的方法，建立45钢波形刃刀片铣削力经验公式为

R2为多元线性回归的相关度系数，常被用来评价回归方程与试验数据的拟合程度，其值与1越接近，则表示拟合程度越高，由此可知式（1）-式（4）的拟合程度很高。

②铣削因素对铣削力影响分析

使用极差法分析表3的试验结果，可以得出各铣削因素对铣削力的影响主次情况。由表4可知，每齿进给量对铣削合力的影响最大，其次为轴向切深和径向切深，铣削速度对铣削力的影响最小。

表3 波形刃刀片铣削45钢试验方案与结果

表4 试验因素主次的确定

当试验参数为ap=4mm、vc=120m/min、fz=0.05mm/r、ae=0.5mm时，铣削力有最小值512.4N，这也是本试验所得到的最优切削参数。

小结

本文对可转位波形刃铣削刀片铣削机理和铣削力进行了研究，

在相同条件下分别采用波形刃铣刀片和直线刃铣刀片对45钢进行了铣削试验，通过对试验结果的分析，得到如下结论：

(1)研究了波形刃铣刀片的作用机理，双齿铣削时波形刃铣刀两次走刀的切削层面积比直线刃铣刀少，理论上波形刃刀片的切削力更小。

(2)在相同的切削参数下，分别使用波形刃铣刀片和直线刃铣刀片切削45钢，波形刃铣刀片的切削力与直线刃铣刀片相比可以降低10%-20%。

(3)对波形刃铣刀片进行正交试验，通过多元线性回归分析的方法得出铣削力的经验公式；通过极差分析法得到了各铣削因素对波形刃刀片铣削力的影响程度，每齿进给量对铣削力的影响最大，其次是轴向切深和径向切深，切削速度对铣削力的影响最小。

(4)试验得到了最小铣削力所对应的切削参数，即ap=4mm，vc=120m/min，fz=0.05mm/r，ae=0.5mm。在实际生产中，可以使用高的铣削速度和小的进给量来减少波形刃刀片的铣削力。

原载《工具技术》 作者：何云