倪壽勇，劉杰，陳勇，婁磊

(南京工業(yè)職業(yè)技術大學 機械工程學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

螺紋旋風銑削加工具有銑削速度快、加工效率高的特點，因加工過程中切屑飛濺如旋風而得名旋風銑，簡稱旋銑，被廣泛應用于螺桿、蝸桿、絲杠、螺母、凸輪盤等零件的加工[1]。旋銑加工時工件繞自身軸線作低速轉動，與工件軸線保持一定傾斜安裝角的刀盤則根據(jù)所加工螺紋的導程大小沿工件軸線作同步移動進給，機床主運動是刀盤的高速旋轉，工件的低速轉動和刀盤的同步移動構成了進給運動。螺紋旋銑技術用于高硬度材料切削時被稱為硬旋銑加工，它是硬切削技術在旋風銑削工藝上的推廣應用，是一種螺紋件高精、高效加工的現(xiàn)代制造工藝。

受當前刀具材料技術的限制，硬旋銑所用刀具材料的性能更多是偏重耐磨性，而抗沖擊性能不足[2]。為避免刀具發(fā)生崩刃打刀，抑制表面振紋的產生，提高加工表面質量，對硬旋銑過程的切削振動進行測試分析是十分必要的。

切削振動可分為強迫振動和自激振動。前者指切削過程中由于周期性干涉力引起的加工系統(tǒng)振動，是加工表面波紋度的主要成因之一；后者是由切削過程中產生的力激勵并斷續(xù)的一種振動，嚴重影響加工表面質量、刀具壽命。

目前的刀具切削振動研究主要集中在車削、銑削、鉆削等傳統(tǒng)加工工藝，對于旋風銑削加工的切削過程刀具狀態(tài)缺乏有效研究，造成對旋銑刀具加工狀態(tài)的認識不足，制約了硬旋銑工藝能力的提升。TANGJISITCHAROEN S[3]通過切削力信號的功率譜密度對車削加工的切屑形態(tài)和刀具顫振進行辨識，YOON M C等[4]通過切削力采集與小波變換實現(xiàn)了端銑加工中顫振現(xiàn)象的實時監(jiān)測，HWAN S J等[5]通過旋銑單元的有限元分析和模態(tài)測試對旋銑單元的穩(wěn)定性進行了檢驗，但并未考慮刀具因素。

本文針對硬旋銑過程的刀具振動問題，構建測試平臺并開展試驗研究。研究工作對了解硬旋銑過程刀具狀態(tài)，提升工藝性能具有重要意義。

1 硬旋銑工藝

1.1 工藝特點

圖1為順切法內旋銑外螺紋的加工示意圖[5]。切削主運動為銑刀盤繞其軸線的轉速大小為nt的高速旋轉，工件在繞其軸線以轉速nw作低速旋轉進給的同時，銑刀盤根據(jù)所加工螺紋件的導程沿工件軸向以進給速度vf作直線進給運動，刀盤軸線相對工件軸線的傾斜角等于被加工螺紋件的公稱螺旋升角β。

1—刀盤；2—刀具；3—工件；4—旋銑頭。圖1 順切法旋銑外螺紋加工示意圖

1.2 加工設備

圖2為旋風銑削機床的結構示意圖[6]。機床頭架3繞C軸的轉動和床鞍5沿z軸的移動是機床的進給運動，旋銑頭7是機床的主軸。通過升降臺6的x向運動實現(xiàn)旋銑頭7的高度調節(jié)，進而控制旋銑深度。工件一端由機床頭架3夾緊，另一端由機床尾架9的頂針進行中心孔定位，同時旋銑頭7兩側的跟刀架11分別沿+U1、+U2方向夾緊工件以提高裝夾剛度，而輔助支承10沿V1-V4方向的高度調節(jié)可以進一步提高定位剛度和穩(wěn)定性，減小過定位變形。

1—底座；2—主軸箱；3—頭架；4—床身；5—床鞍；6—升降臺；7—旋銑頭；8—工件；9—尾架；10—輔助支承；11—跟刀架。圖2 旋銑機床的結構示意圖

2 切削試驗

2.1 測試裝置

測試裝置采用前期研究所構建的刀齒旋銑力測試系統(tǒng)[8]，如圖3所示，能夠同時采集三向切削力，且每個方向的有效測試頻率可達1 kHz，測力范圍是：|Fx|≤0.4 kN，|Fy|≤0.5 kN，|Fz|≤1 kN。

圖3 刀齒旋銑力測試系統(tǒng)

2.2 試驗設計

試驗選用雙圓弧刃形的PCBN定制刀具，其前角為0°，法后角為7°，倒棱25°×0.15，刀廓圓弧半徑R為3.304 mm；工件材料為GCr15，預制直徑為φ77.9 mm；刀盤裝有3把刀具，其旋銑直徑為φ94.5 mm，刀盤安裝角β為2.279°；所加工絲杠的小徑為φ73.4 mm，公稱螺距Ph為10 mm；切削方式為順切硬旋銑。

試驗的切削路徑如圖4所示[7]。共進行3組切削試驗，每組切削試驗由1個切入段和3個不同切削參數(shù)的加工段構成，每個加工段長10 mm。加工段的切削參數(shù)見表1。切入段的切削參數(shù)如下：x向進給速度20 mm/min，z向進給速度36.1 mm/min，切削速度為160 m/min。

圖4 刀具廓形及切削路徑示意圖

表1 硬旋銑加工試驗切削參數(shù)

3 測試結果

硬旋銑加工時單刀齒的切削頻率(單齒頻率ft,Hz)可根據(jù)公式(1)進行計算，當代入切削參數(shù)時，可以得到表1中4個不同切削段的單齒頻率，分別為9.43 Hz、10.61 Hz、11.79 Hz和14.15 Hz。

(1)

對表1所設計的12種切削條件下的切削力信號進行在線監(jiān)測，其幅頻特性如圖5(a)-圖5(l)所示，圖中500 Hz以上的三向切削力幅值很小，可以忽略。

圖5 切削力的幅頻特性

4 數(shù)據(jù)分析

通過對圖5不同切削參數(shù)組合條件下的切削力幅頻特性的分析，可以得出如下結論：

1)刀齒切削力信號的主要成分是硬旋銑的單齒頻率以及單齒頻率的整數(shù)倍，說明硬旋銑工藝系統(tǒng)的振動類型是斷續(xù)切削的交變切削力引起的強迫振動，具體表現(xiàn)為200 Hz以下的低頻振動。切削過程中沒有自激振動，說明所設計的硬旋銑刀具系統(tǒng)具有足夠的剛度。

2)硬旋銑的斷續(xù)切削特性決定了強迫振動是無法避免的，減小強迫振動對硬旋銑過程影響的有效途徑是減小切削力，如優(yōu)化切削參數(shù)、增加刀具鋒利度等。然而，考慮到PCBN旋銑刀具的抗沖擊性能較差，后者對減小切削力的作用有限。

5 結語

所研制硬旋銑機床在加工時存在明顯的強迫振動，未發(fā)生自激振動，因此控制硬旋銑切削振動的有效途徑是通過減小每齒進給量來控制切削力的大小。