具有倾斜角度的球头铣刀

与加工表面呈倾角的球头铣刀的切削力模型

第二部分，切削条件、跳动、犁切和倾角的影响

M. Fontaine, A. Moufki, A. Devillez, D. Dudzinski

修订日期: 2006 —12—12；收稿日期: 2007 —01—12 ————————————————————————————————摘要

本文着重对球头铣刀刀具轴线和工件加工表面之间的加工倾角造成对切削力的影响进行了理论研究。从热力切割模型计算得到的切削力，在本论文第1部分介绍[M. Fontaine, A. Moufki, A. Devillez切割中球头与工具面倾角铣削力模型。第一部分的预测力模型和实验验证J. Mater. Process. Technol. 189 (2007) 73–84]在这里我们将展开详细的讨论并且与实验结果进行比较。前文提出的球头铣刀模型可应用于直线刀具轨迹和变化的加工倾角的机械加工中。本文则同时对斜面和轮廓配置进行了研究。研究中的实验结果是在一台装配Kistler测力计的3 轴数控铣床上进行测试的，注意这里指出的形状和切削力信号水平。为了确定最佳倾角，我们对刀具作用最大的切削力的变化做了研究。全文对切削条件、径向跳动、犁切现象和切削稳定性造成的影响分别进行了讨论。

关键词：球头铣刀，切削力量，切削条件，刀具跳动;犁切;刀具倾角

1.简介

许多学者提出了有效的模型来预测铣削操作中切削力。一些实验结果对钢[2-15]，铝合金[14-18]，锌合金[19,20]或航空合金[6,21-23]是有效的。然而，这些因素对结果的影响很少被讨论。众所周知，一些参数的影响在切削力水平和变化是明显的，并且在加工模型中考虑这些因素是重要的。在球头铣刀的主要参数是切削条件、刀具的跳动、犁切现象和加工倾角。在加工时，我们总是把它们分开对待而不是统一考虑。

在文献中，球头铣削加工所得到的切削力实验结果往往是相对切削条件（（主轴频率，进给量，切削深度，切削模式）的影响。最主要的原因是，实验测试需要大量的时间和经费。许多实验文献表明对于变化的切削速度值与额定进给率相关[3,4,6,11,13,15,18,19,21]，而有其他文献研究表明是受进给率和主轴运动频率的双重影响[7，11，12,16,17,22]。通常的装置来测量切削力是压电式测功机，高速铣削，但它的使用是受限于所使用的传感器动态响应。然而，只有研究处理高切削速度的学者数量减少[6,7,12,22]。有些作者提出是由于轴向切削深度[7,15,19,21]或是径向切削深度[13,17]，也有提出是两者共同影响的结果[3,4,6,12,16,20,22]。在过去研究的过程中，主要还是应用一些旧的切削模式，却鲜有人将它与最新的切削模式进行对比。

刀具跳动是传统地以面铣削加工为蓝本的，仅有少部分学者提出一些解决方案将球头铣削中刀具的运动考虑进来。这样，跳动就通常被认为仅是径向偏心（径向跳动）[3,14]，而摆角（轴向跳动）却很少考虑。在球头铣刀中，有限的刀具的直径和长度减少了自身对跳动的影响。在一个完整的五轴铣削力模型中，利用轴向跳动精确计算工件加工表面与刀具的接触面是非常有趣的[22]。这些过去的文献表明，径向跳动对边缘的接触面和切削力大小有着巨大的影响，尤其是对于高切削速度和低切削厚度的情况。

非剪切现象出现在尖端，并产生额外的力作用在刀具上。它们可以由正交切削下产生的滑移线所决定[24，25]。在球头铣刀中，它们曾被隐晦地考虑到机械模型，但并没有进行具体的说明。然而，一些学者通过利用剪切和从转向实验中获得的边缘系数[21]将剪切过程从边缘现象中分离出去，或者直接通过铣削实验反推然后进行二乘法调整或卷积积分法

[8,15,18,26,27]来实现。我们可以分析模型认识到，犁切似乎就是主要影响切削力的边缘现象，同时也确定了由于局部剪切会造成额外的切削力的事实。

过去的10 年里，有很多关于球头铣刀的加工倾角研究的文章。有研究表明可以通过注意发生刀尖的几何和动力学问题、改变工具和工件之间的接触面来控制切削力大小并使得它在刀具上得以再分配。倾角可以用在各种球头铣削的加工中，即使是对于复杂曲面，但通常我们只关心由平面或圆构成的曲面。许多学者通过实验测试和与原有的铣刀模型获得优化参数,从而可以分析它们对切削力 [5,6,8–10,15,17,19,20]、刀具或零件的变形和加工误差

[4,10,11,28–30]、表面形貌[8–10,29,31,32]、刀具寿命[7]、甚至是刀具与工件接触区域的大小[10,11,15,19]和切削形状[8,10]的影响。一些参考倾角可以从这些研究中提取，但是想获得有价值的数据则需要优化工序。为了控制这个过程，重点似乎是取决于整个过程切削力的大小以及工艺稳定性和表面完整性。

为了研究球头铣刀的切削参数所扮演的角色， 我们对由形变模型预测[1]出的切削力和从实验测试获得的切削力进行了比较和讨论。为了简化观察和方便与文献中已获得的可用的数据进行比较，在这里我们只对三轴铣床切削斜面上的球头铣刀进行研究。 加工材料是 4 42CrMo 钢,通常用于注塑模具的制造， 对它的特点， 如：加工硬化、应变率敏感性和热软化，我们都非常了解。某些结果给出了四个开槽的参考方法，并且从全部实验数据中得到的关于切削条件、径向跳动、犁切现象和加工倾角对切削力的影响也验证了 Part I 中的模型的合理性[1]。本文对球头铣刀刀具轴线和工件加工表面之间的倾角进行了理论研究，为优化全过程切削力大小以及抑制犁切现象提供了依据。

2．铣削试验和模拟

拟议的实验和计算结果和对应的讨论主要是对应于某一区间公称直径的铣刀(ΔD > mm 12 )的开槽试验。这些测试似乎是最适合单独分析每个参数的影响，因为充分的刀具径向切深下进给量稳定整个切削的过程，并且可以得到过程中切削力的变化规律；因此，这种方法的测量质量是最好的，离散现象也同时得以避免。

2.1．切削办法

图1列出了参考面和四个测试切割开槽办法。Z —轴刀轨的两个不同方向的斜面的切割方法: 斜向上铣削[图.1(a)]；斜向下铣削[图.1(b)]；两种不同主切削模式下的轮廓切割方法:顺铣轮廓[图.1(c)]；逆铣轮廓[图.1(d)]。未切削的表面是一个在水平( Y X - )参考平面Y 方向的斜面，倾角用d 表示[图(1)]。刀具Z 轴与机床Z 轴统一(三轴铣削配置)。全局坐标系(GCS)的参考点取为工件加工表面角落三轴交点处，如图 1 中的点O 。与刀具固结的局部坐标系(LCS)取为刀具上的点E 。

2.2. 实验装置及参数设定

这个实验是在干燥条件下的立式三轴数控铣床进行的，工件材料为4 42CrMo 钢（即AISI

4142)。切削力测量仪器则是一台六组件的Kistler 测力计（B9265 型）

。输出信号被录存储在由德维创电脑控制的高通道 Kistler 电荷放大器中。在工件中部截取信号，并将电压/时间信号转化为力量/旋转角度。频谱分析是检查实验信号的稳定性，低通滤波信号可以抑制由于振动产生的加速仪的噪声。

实验中采用了Diager-Industrie 公司的有两个凹槽的球头铣刀(参考51221)，其公称直径为12mm ，公称螺旋角为17°，法向前角为0°，即

06mm R =；017o i =；0o n a =。 主轴的频率和进给量被限定为: Ω= 5000 rpm ，0.05/t f =牙和每转。这个Kistler 测力计装