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1 引言
在相同或相近的切削条件下，不同的刀具会表现出不同的切削特性。同时，对于不同的加工对象和加工要求，刀具也表现出不同的加工工艺效果。因此，研究刀具的切削特性和加工工艺效果对于优选加工刀具具有重要意义。本文根据新设计的大型龙门式五坐标混联机床的实际切削条件和加工对象要求，分别对带有斜坡台阶式分屑槽和弧形卷屑槽的两种硬质合金面铣刀的寿命指标、卷屑和分屑效果以及在铣削过程中对工艺系统的动态影响等切削特性进行了试验研究，研究结果为实际加工中刀具的优化选择提供了参考依据。
2 切削试验条件
1) 试验刀具
选用两种硬质合金面铣刀(面铣刀A 和面铣刀B)进行切削试验。刀具主要技术参数为：①面铣刀A：刀盘直径D=50mm，刀齿数Z=4，主偏角kr=75°；前刀面有沿切刃方向的斜坡台阶式分屑槽。②面铣刀B：刀盘直径D=50mm，刀齿数Z=5，主偏角kr=75°；前刀面沿主切刃法剖面方向有弧形卷屑槽，表面有陶瓷薄膜涂层。
2) 试验机床
切削试验在齐齐哈尔第二机床厂生产的XH768型加工中心和通用立式铣床上进行。
3) 试件材料
试件材料为0Cr13Ni5Mo不锈钢，铸态硬度HB=270～314。
3 铣刀切削寿命试验
试验条件和试验结果见表1。铣削时采用不对称铣削方式，刀齿切出边的切削厚度az=0。在表1所示切削条件下，两种面铣刀的刀具寿命期望值tc分别为67min和57min，均达到了加工工艺要求。 表1 两种面铣刀切削寿命试验条件与结果
| 试验刀具 | 面铣刀A | 面铣刀B | | 切削用量 | n(r/min) | 855* | 950 | | v(m/min) | 134 | 149 | | fZ(mm/Z) | 0.083 | 0.099 | | vf(mm/min) | 283 | 470 | | B(mm) | 34 | 30 | | ap(mm) | 3 | 3 | | 切削液 | 少量20#机油 | 干切削 | | 试验机床型号 | XH786 | 通用立铣** | | 切削时间(min) | 30.77 | 20.83 | 磨损量VB(mm)| 0.15 | 0.1 | | 磨损量VB=0.6mm 时优选刀具寿命期望值 | tc=67min | tc=57min | | 注：*第一铣削循环(1min)时切削用量为n=950r/min、vf=315mm/min、ap=5mm。因XH786 的主轴系统刚度不足，故从第二铣削循环起切削用量降至表中数值。**改用通用立式铣床后，工艺系统刚度有较大改善。 | |
4 铣刀卷屑、分屑效果试验
试验条件和试验结果见表2。面铣刀B 只起卷屑作用而无分屑效果，铣削时(切深ap = 5mm)形成较大的C 形整块切屑。面铣刀A 具有卷屑和分屑综合效果，铣削时(切深ap = 5mm)整块切屑被分为螺旋形屑和紧C 形屑两种切屑。表2 两种面铣刀卷屑、分屑试验条件与结果
| 试验刀具 | 面铣刀A | 面铣刀B | | 切削用量 | n(r/min) | 760* | 760 | | v(m/min) | 119 | 119 | | fZ(mm/Z) | 0.089 | 0.071 | | vf(mm/min) | 270 | 270 | | B(mm) | 30 | 30 | | ap(mm) | 5 | 5 | | 切削液 | 干切削 | 干切削 | | 试验机床型号 | X5030A* | X5030A | | 切削长度(mm) | 12 | 27 | | 切屑形状 | C 形屑** | 紧螺旋形屑和紧C 形屑*** | 注：- *X5030A 立式铣床功率为4.5kW。
- **刀具磨损量VB=0.1mm。
- ***刀具磨损量VB=0.8mm。
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5 铣刀切削对工艺系统的动态影响
在两种硬质合金面铣刀的铣削过程中，通过观测下列现象来分析其对工艺系统的动态影响：①工艺系统振动及其对表面粗糙度的影响；②切屑收缩系数(x= 切削长度/ 切屑长度)的差异；③切削温度的变化。两种铣刀切削时对工艺系统的动态影响如表3 所示。表3 两种面铣刀铣削时对工艺系统的动态影响
| 试验刀具 | 面铣刀A | 面铣刀B | | 振动及表面粗糙度 | 切削时振动、噪音较小，加工表面较光整 | 切削时振动、噪音大，加工表面挤压严重，振纹清晰 | | 切屑收缩系数 | x=1.88 | x=1.60 | | 切屑表层颜色 | 微黄色 | 黄褐色 |
6 结论
1) 在半精铣(切削深度ap≤3mm)条件下，两种硬质合金面铣刀刀片的切削寿命均可达到预期要求，其中面铣刀B的切削寿命和耐磨性更佳(可能与表面陶瓷薄膜涂层有关)。
2) 在粗铣(铣削深度ap≥3mm)条件下，面铣刀A具有更佳的综合切削性能，由于其具有良好的分屑、卷屑性能，切屑在切离工件时已被分割成两条窄而紧凑的卷屑(经测定切屑收缩系数达1.88，比面铣刀B切削时的切屑收缩系数大17%)，由于切屑被分割并紧缩，在铣刀齿间弧形封闭容屑空间中所占体积显著减小，因此避免了切屑对加工表面和已加工表面的挤压、刮蹭；而面铣刀B由于缺少分屑功能，铣削中宽大的C 形屑在卷屑槽中逐渐卷曲时对刀片施加的附加弯曲变形力大得多，在断续切削条件下易引发工艺系统较大的强迫振动和噪音，这不仅使加工表面粗糙度恶化，而且导致切削温度上升，刀具切削寿命下降(切削不锈钢材料时尤为突出)。
3) 在本文给定的切削条件下，根据切削试验结果及理论分析，建议粗铣加工0Cr13Ni5Mo不锈钢时可选用面铣刀A，而半精铣加工时选用面铣刀B效果更好。
作者：齐齐哈尔二机床企业集团 曲波 周辉 江崇民
清华大学 王立平 金之垣 段广洪
原载《工具技术》2003年第2期
7/9/2006
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