基于分屑原理的铣刀设计与研究

杨云辉

(云南开放大学机电工程学院， 云南 昆明 650223)

在制造业中，铣刀扮演着十分重要的角色，许多零件都是通过铣刀加工而成，铣刀的使用性能以及成本都是十分重要的研究课题。当前的诸多研究中,为了提升铣刀的性能，大部分以分屑原理为依据设计铣刀，使切削刃避开工件表面硬化层，同时还可以使切屑的厚度增加、宽度减小，从而减小切屑的变形程度[1]，因此分屑原理能够在很大程度上降低切削温度，减小切削力，极大提高刀具的使用寿命。

本文通过分析其他具有分屑原理的刀具，选择出适合插铣刀具的两种刀具分屑原理方案，即多刃组合错位和波刃分屑原理，构建了基于分屑原理的插铣刀每齿允许进给量与刀具几何参数之间关系的数学模型，开发出具有高性能、低成本且使用寿命长的铣刀刀具。

1 刀具分屑原理

采用分屑原理的刀具性能要比普通刀具更加优良，因此分屑原理被广泛运用于铣刀的设计中。在刀刃上增加分屑槽属于一种较为普遍的分屑方法，将原本一段的切削刃分为两段甚至多段，并且分屑槽在相邻切削刃上互相错开[2-3]。

另一种分屑原理的设计方案是将切削刃的形的区域出现间断，这样的改动会使得较宽形状的切屑在切削时被分为窄条切下[4]。对切削刃形状进行改变也是一种较为常用的分屑方法，除此之外，还有一种方法是将多个切削刃进行组合，利用这一方式实现分屑。

假设错位分屑插铣刀具每组刀片的个数为N，同一组中相邻两刀片主切削刃的轴向相对偏移量为Δ，一组刀片切过后的切削区域纵截面如图1所示，虚线表示下一组刀片即将切削的位置。

图1 错位刀具切削区域纵截面

切削过程中，同组两相邻刀片的切削平面沿刀具轴向的距离d1为：

d1=fz+Δ

(1)

式中：fz为每齿进给量。

切削过程中，相邻两组相同位置刀片的切削平面沿刀具轴向的距离d2为：

d2=N×fz

(2)

各刀片的切削顺序一般为由外侧至内侧，当d2≤d1时，任一刀片均不会切削到相邻刀片的切削区域，即错位分屑插铣刀具能可靠分屑的条件是：

(3)

上述分析表明，错位分屑插铣刀具能实现分屑的最大许用每齿进给量仅与每个错位刀片组的刀片数量和相邻两刀片间的轴向错位距离有关。分屑刀具在使用过程中只要每齿进给量的选取不超过设计值即能保证刀具可靠分屑，若每齿进给量选取过大，刀具将失去分屑能力。

2 刀具材料的选择

在选择插铣刀具刀体材料时，首先应考虑材料的韧性与刚性，只有这两个条件都具备，在对工件进行加工时才会避免因抵抗切削所产生的力而造成刀具的变形，还能够有效缓冲加工时的切削振动。由于常见的结构钢韧性和刚度都较差，并不能满足刀具在加工时的性能要求，而各类合金结构钢的强度和韧性则能满足铣刀的加工要求，因此选用常用的合金结构钢,比如40Cr和42CrMo等[5]。

3 错位分屑插铣刀具性能分析

由于插铣刀具的优势在开槽中最为明显，因此本文采用对合金材料开槽的方式进行插铣实验。在开槽时，刀具首先从工件外部进入，刀具的两侧和步进方向都填充了要切割的材料，此时工件对刀具的包角最大，不会因为刀具的步进而颤振，但随着加工的不断进行，刀具一旁的工件材料被切削下去，有一侧出现空白区域，刀具步进方向上受力不均匀，随着刀具切削位置发生变化，刀片切除切屑的方式也会改变，切削力和切削振动开始受到影响。顺铣时刀具刀片的切削深度逐渐减小，这一变化特点是刀具对工件进行最初的切入时会受到较大的冲击力，切削振动有可能会增加，从而降低刀具的使用寿命。逆铣则与顺铣相反，当对工件进行逆铣时，随着刀具的逐渐深入，切削深度开始增大，由于铣刀缓慢进入到工件当中，所受到的切削力较小，因此能明显减少切削所产生的振动，从而提高刀具的使用寿命。

为了能够准确分析刀具的使用寿命与分屑原理的相关性，本文分别设计出径向错位1.2 mm和2.0 mm的分屑刀具与普通的刀具进行对比，以174PH不锈钢作为待加工的工件进行实验，实验过程中刀具磨损状况主要通过机床主轴负载变化进行估计，刀具工作时采用统一的切削参数，具体参数见表1。

表1 刀具磨损实验的切削参数

实验数据见表2，由表可知，3种刀具机床主轴负载变化幅度差别不大，但是所切除的材料量不同，30 min内普通刀具切除了801 mm3的材料，之后切削振动开始加剧，此时刀具已经需要更换刀片；径向错位1.2 mm分屑刀具在40 min内切除了1 021 mm3材料后，振动幅度也开始增加，但相比于普通刀具，振动幅度较小；错位2.0 mm分屑刀具随着径向切深增加，工作效率随之提高，35 min内切除了1 197 mm3的材料，之后振动幅度也开始增加，同样也小于普通刀具的振动幅度。

表2 刀具磨损实验数据

根据实验所得两种刀具的磨损情况以及工作量的相关数据，对刀具的使用寿命进行定性分析，可知在对不锈钢工件进行加工时，对于给定的切削参数，有径向错位的刀具要比没有径向错位的普通刀具的切削量更大，而且使用寿命也得到了极大的提升，并在一定范围内，刀具径向错位越大，加工工件时的效率越高。

4 波刃分屑插铣刀具性能分析

为了避免对工件进行加工时刀具发生破损现象，影响实验数据的准确性，也为了保证实验能够顺利地进行，工件选用40Cr这类容易加工的材料，以增强实验数据的准确性，同样采取首列开槽这一受力均匀且能够保持很好的稳定性的加工方式进行实验。

选择加工过程中最为稳定的部分，对该阶段的相关数据进行时域和频域分析，然后选择切削振动信号的有效最大值作为相应切削参数下的切削力值[10]。切削力随每齿进给量的变化规律如图2所示。由图可知，对于所有刀具，工件上的切削力都呈现出随着每齿进给量的增加而增加的趋势。直刃刀具的切削力变化最大。当每齿进给量从0.06 mm增加到0.09 mm时，直刃刀具的x,y,z方向切削力分别增加约1 400 N、140 N、240 N，分屑槽刀具x,y,z方向切削力分别增加了约950 N、360 N和490 N，波刃刀具x,y,z方向切削力分别增加了约950 N、360 N和490 N。因此，直刃刀具在使用过程中应当注意控制每齿进给量，尽量采取较小的进给量。

图2 切削力随每齿进给量的变化规律

另外，由图可知，直刃刀具切削力最大，分屑槽刀具次之，波刃刀具最小。以每齿进给量为0.06 mm为例，分屑槽刀具在x,y,z方向的切削力分量为直刃刀具的77%、74%、91%，为波刃刀具的55%、45%和57%。在所设定的切削参数下，用简单的分屑器磨削切削刃可以使切削力降低20%左右，而波刃分屑原理可以使切削力降低50%左右。

工件切削振动幅度随每齿进给量的变化规律如图3所示，由图可知，随着每齿进给量增加，切削振动幅度变大，每齿进给量在0.07 mm以内时，3种刀具切削振动幅度的差值在0.1g之内，相比较而言，引起切削振动幅度最小的为直刃刀具。随着每齿进给量增加，波刃刀具的表面涂层开始出现破坏的情况，该刀具的切削振动幅度也随着表面涂层的破坏急剧变化。若3种刀具均未受到破坏，3种刀具所产生的切削振动幅度都不高，且3种刀具之间的差距很小，故实验中不存在由于刀具的形状不同而导致的切削幅度差异大，影响实验结果的情况。

图3 切削振动精度对每齿进给量的变化规律

5 整体叶轮的插铣加工

设计插铣专用刀具的目的是提供高性能、低成本的加工工具，虽然在与普通刀具的对比实验中分屑插铣刀具性能更好，但是只有经历实际生产应用的考验，才能暴露出更多的有待改进的问题，推进分屑插铣刀具不断改进和优化，本节主要探讨插铣专用刀具在整体叶轮加工现场的实际应用情况。

整体叶轮是离心式压缩机的核心部件，离心式压缩机主要用于气体的压缩和输送，是各类大型化工厂的核心装置。整体叶轮是一种加工难度很大的零部件，因其流道具有复杂的扭曲特性，在加工时一般将整体叶轮分为叶盘和盖盘，两者分别加工后再焊接到一起，整体叶轮的叶盘如图4所示。叶盘的传统加工方法多为分层铣削，该方法工艺较为成熟，应用广泛，但是加工效率偏低。

图4 整体叶轮叶盘

应用插铣工艺是提高整体叶轮粗加工效率的有效手段，通过与某鼓风机集团的合作，采用本文中设计的基于错位分屑原理的插铣专用刀具对整体叶轮进行粗加工。因叶轮直径的不同，叶轮流道尺寸也会有较大范围的变化，为了提高加工效率，需要根据实际情况尽可能选择直径较大的插铣刀具，本文中使用的不同直径的错位分屑插铣刀具如图5所示。

图5 粗加工整体叶轮实验中使用的插铣刀具

插铣加工整体叶轮叶盘流道时的加工现场及加工完成后的某型号叶轮外观如图6所示。实验证明，本文所设计的错位分屑插铣刀具达到了高性能、低成本的设计目标，同时也验证了插铣这种先进工艺的高效性和应用于整体叶轮加工的可行性。

图6 插铣加工整体叶轮

6 结束语

本文选择波刃和多切削刃组合的错位分屑原理作为插铣刀具的分屑结构设计的原理，构建了插铣刀每齿进给量与刀具几何参数之间关系的数学模型。通过分析发现，错位分屑插铣刀具每齿进给量仅与每个错位刀片组的刀片数量和相邻两刀片间的轴向错位距离有关。为了分析错位分屑插铣刀具性能，采用刀具磨损实验，得出在给定切削参数的情况下，有径向错位的刀具要比没有径向错位的普通刀具切削量更大，而且使用寿命更长。为分析波刃分屑插铣刀具性能，采取开槽加工方式进行实验，从切削力和切削振动对每齿进给量的变化规律中得出，直刃刀具切削力最大，分屑槽刀具次之，波刃刀具最小，切削振动幅度随着每齿进给量增加而变大。由此可知将错位分屑原理和波刃切屑原理应用在插铣刀具上能够使切削力明显降低，提高了刀具寿命。

本文设计的插铣专用刀具选用合金材料，便于插铣开槽等工艺的运用。在以后的研究中，应当根据不同刀具的加工特点及其加工时的受力特点，选择合适的专用材料设计刀片，同时还要依据相关切削理论，合理运用分屑原理，通过各种设计方法尽可能提高刀具的使用寿命。