高速铣削工艺参数优化的试验探讨

高速铣削工艺参数优化的试验探讨

何信庆

广东文灿压铸股份有限公司528241

摘要：本文在高速铣削中，机床加工参数和刀具参数的优化关系到产品质量、加工效率和加工经济性，多年来一直是高速铣削研究的重点。目前的高速铣削生产中普遍存在的问题是缺乏优化的高速铣削工艺参数，实际生产中主轴转速偏低，铣削用量及刀具选择欠优化，造成实际生产中加工成本的增加和加工效率的降低，使高速铣削的应有的高效率、高加工精度、低成本的优势没有得到完全的发挥，限制了高速铣削技术在生产中的进一步推广使用。加工工艺的优化来源于对高速铣削过程的深入、系统的研究。从辨证唯物论的观点和铣削加工的研究发展来看，切削加工各要素之间存在着必然的联系，它们之间相互作用，相互影响，要深刻理解掌握这些联系，需要进行大量艰苦研究和试验，前面的可行性试验中已对高速铣削的机理进行初步的研究。但高速铣削过程是一个涉及到刀具、机床等多方面因素的复杂加工过程，需要综合考虑，因此，可行性试验只是有益的尝试，为后续的多因素试验做了铺垫。多因素正交试验是探索铣削加工过程各因素间关系的有效途径，也是试验优化设计的重要方法。高速铣削参数优化的多因素试验，需要综合考虑机床和刀具参数，并尽可能地扩大优化空间的可行域，所以选取的铣削加工工艺参数除覆盖日常加工生产实际外，还应可能达到机床运转的极限。

关键词：高速铣削，材料，铣削温度

一、高速铣削技术在高速铣削中的应用

高速铣削技术是先进制造技术的最重要的共性基础技术。它的研究开发与推广应用将会带来巨大经济效益，高速铣削技术是改变制造业面貌，促进制造业进步所迫切需要。从实际情况看，大多数高速铣削数控机床和加工中心目前并没有充分发挥出其应有的潜力，主要原因就是没有对高速铣削技术的基础理论进行系统研究，因而难于制定合理的高速铣削工艺规范，从而在精度、生产效率、表面质量、生产成本等方面获得最佳加工效果。而试验优化技术在高速铣削参数优化研究中的应用目前还非常少，应该说如果两项先进技术能有效的结合，能够成倍的提高企业的经济利润和经济效益。

金属切削特别是高速铣削过程中，由于材料的塑性变形，会出现各种物理现象，如切屑变形、切削力、切削热与温度、刀具磨损与破损以及加工表面完整性等。切屑变形的过程也就是切削力产生的过程，同时切削力又直接影响切削热的产生，并进一步影响刀具的磨损、刀具耐用度、卷屑与断屑以及加工表面质量。切削热是切削过程的主要物理现象之一，切削时所消耗的能量大部分都转化为热能，只有极少数能量用以形成新表面和以晶格扭曲等形式形成的潜能，因此可以近似认为切削所消耗的能量全部转化为热能。大量的切削热使得切削温度升高，这将直接影响刀具前刀面上的摩擦系数、积屑瘤的形成和消失、刀具磨损以及工件加工精度和加工表面完整性，所以对切削热和切削温度的研究有着重要的意义。一般来说，所谓切削温度是指温度达到稳定状态时的前刀面与切屑的接触面上的平均温度，因为它与切削机理及加工质量高低有着密切的关系。

二、高速区切削温度分析

当切削速度超过切削过程的某一临界点时，切削速度的增加将导致温度的下降，如图.1（a）所示。基于这一设想，大量的研究和结果表明，在高速区切削温度并没有下降的趋势，这其中的研究认为温度将随着切削速度的增加而上升直到最大值，此点接近工件材料的熔点，见图.1（b）所示。并没有发生高速区切削温度下降的现象，这一现象解释了为什么在切削铝合金时没有对切削速度有固定的限制。铝合金的熔点660℃远低于超硬陶瓷刀具失去强度磨损加剧的温度。相反，却认为在切削铸铁、钢等其它高熔点的金属及合金时这种切削过程产生的热可以成为一个可控制的因素，这里刀具使用可以通过对切削速度进行限制。

经过切削的加工表面都具有一定的粗糙度，这是因为工件表面经受了超过材料本身硬度值的高压强的挤压应力，又由后刀面磨损带施加很大的摩擦力，使之经受强烈的摩擦，从而受到剪切和拉伸应力。另外，在切削表面形成过程中，表面材料还要经受加热和冷却，又由于加热和冷却的时间极短，升温和降温速度极高，从而使材料受到额外的温度应力。此外，还有切削运动可切削抗力的不均匀性和不稳定性，切削过程中工艺系统的弹性变形及其变化和波动，以及工具与工件表面间摩擦力的波动性等因素，都成为切削过程中产生振动的根源。这些都是产生加工表面粗糙度的根本原因。高速铣削不同于普通铣削的优势之处在于：当主轴高速运转时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床一刀具一工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳振动小，因而能加工出非常精密、非常光洁的零件，零件经高速铣削的表面质量常可达到磨削的水平，残留在工件表面上的应力也很小，故常可省去铣削后的精加工工序。

在高速加工中，冷却润滑介质是至关重要的。在金属加工行业使用切削液己成习惯，大多数人认为切削液是取得良好的加工表面、提高刀具寿命的必要手段。可是研究和实践表明：由于今大的刀具材料有了很大的发展，情况也在不断地变化，新的硬质合金刀具在高速、高温的情况下不用切削液，切削效率会更高。这是因为在高速加工时，铣削主轴高速旋转，切削液若要达到切削区，首先要克服极大的离心力。即使它克服了离心力进入切削区，也可能由于切削区的高温而立即蒸发，冷却效果很小甚至没有。同时切削液会使刀具刃部的温度激烈变化，容易导致裂纹的产生。因此高速机床的转速达到42000r/mni，采用油\气冷却润滑的干式切削方式：这种方式可以用高压气体迅速吹走切削区产生的切屑，从而将大量的切削热带走：同时经雾化的润滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一层极薄的微观保护膜，可有效地延长刀具寿命并提高零件的表面质量。

四、切削力源于弹性变形和塑性变形及摩擦力

在很大冲击力的作用下，将会产生弹性让刀现象，使冲击力减小，此时完全可以使刀具和工件只产生接触而没有挤压作用，即产生了第一波峰后的波谷。由于主轴的连续转动和主轴进给运动使铣削正常进行，因而又使铣削力从刚开始的接触达到最大，如图所示的第二个波峰处，同时实验中采用的铣削方式为顺铣，铣削厚度从厚到薄，所以是铣削力逐渐减小，实际测得的X向和Y向铣削力的变化基本上是如此的。从刀具方面分析，Z向的铣削力应该很小，因为产生Z向切削力主要是由于存在刀尖圆弧半径所导致的。从理论上来说，在不考虑振动的情况下，铣刀铣削加工中铣削力应是近似为三角形的脉冲力，刀具没有切入工件时，铣削力应为零，刀具从切入工件到切出，动态铣削力应从零增加到最大，然后逐渐减小到零。而实际所测量到的铣削力是带有高频振动力，如图的动态铣削力的时域采样图，如局部放大图。从图中可以看出，高速铣削铝合金时铣削力中带有高频振动成分，这是由于刀齿周期性地撞击工件，相当于刀具对工件施加周期的脉冲冲击，周期的冲击引起刀具—工件振动，振动又引起铣削厚度变化，铣削厚度变化又引起了铣削力地变化。可以认为端铣高速加工是一个自激振动过程，这种自激振动贯穿铣削加工的全过程，有资料显示，适当的振动有利于提高表面质量。

切削加工过程中会产生一系列的物理及化学变化，如被加工材料经受强烈的弹性变形，剪切滑移形成切屑；材料在变形过程中产生切削抗力和大量的切削热，在刀具工作区域形成高温高压区域；由于载荷不均匀和变形的波动，还会产生切削振动，等等。_这些变化对切削加工的顺利与否产生巨大的影响。这些物理化学变化的本质一直是切削加工机理研究的重点之一。

结束语

探讨了铣削用量的四要素—铣削速度、切深、进给量、步距和刀具参数—刀具前角以及喷雾速度对三个目标特性值—铣削力、铣削温度和表面粗糙度的影响程度。对正交表的试验结果采用方差分析的方法，然后根据正交分析表中的显著性水平排列出影响各目标特性值的主次因素。转速、切深和刀具前角是影响铣削力的主要因素，其它各因素对铣削力的影响不是很明显。铣削力随转速的变化经历了两个上升—下降的过程，这一现象验证了萨洛蒙博士的预言，即高速区内铣削力随转速的增加反而下降了。这是由于高速铣削过程比普通铣削过程快得多，发生了突变滑移和绝热剪切，使铣削区的应变硬化来不及发生，因而铣削力在高速下反而下降。铣削力的增大与切深的增大成正比，而与刀具前角成反比关系。转速、进给量、前角、喷雾速度、步距和切深各因素因材料的不同而不同程度的影响铣削过程中的温度。但铣削速度始终是影响铣削温度最显著的因素

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