洪培強(qiáng)

(廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361021)

0 引言

鈦合金因具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕等特點(diǎn)，在航空航天、輪船和化工等行業(yè)擁有較大的市場前景，但同時該材料切屑卷曲大、導(dǎo)熱性低，并易形成硬化層，是典型的難加工材料[1-2]。為保證加工效率，實(shí)際加工通常采用低切削速度、小進(jìn)給量、大背吃刀量的加工方式[3]。因此，帶有分屑槽結(jié)構(gòu)的長刃型立銑刀在鈦合金加工中得到廣泛應(yīng)用。

目前，關(guān)于分屑槽的研究方向主要集中在以下幾個方面：第一，利用有限元仿真，結(jié)合切削用量和加工參數(shù)，探究分屑槽對切削排屑干涉的影響規(guī)律[4-6]；其次，根據(jù)刀具具體設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化分屑槽刀具的磨削加工工藝[7]；最后，對于特定銑刀，研究分屑槽槽型對刀具溫度、切削力和應(yīng)力的影響，提高刀具壽命[8-9]。雖然在鉆頭、PCB銑刀等特定刀具的分屑槽槽型設(shè)計(jì)具有一定的研究進(jìn)展，但對于通用型長刃立銑刀，分屑槽的設(shè)計(jì)仍停留在經(jīng)驗(yàn)階段，缺乏系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法。

為此，本文通過有限元仿真，根據(jù)鈦合金加工長刃立銑刀切削刃的熱力分布得出分屑槽的有效設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過正交分析[10]，得出該設(shè)計(jì)參數(shù)對刀具切削壽命的影響程度，最終得到立銑刀分屑槽設(shè)計(jì)的最佳參數(shù)匹配。為通用型長刃立銑刀的分屑槽系統(tǒng)性設(shè)計(jì)提供行之有效的思路。

1 分屑槽立銑刀模型建立

為分析分屑槽對立銑刀切削力熱分布的影響，采用UG建立D12*40*100五刃圓角頭長刃立銑刀仿真模型，如圖1所示，立銑刀結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，分屑槽采用等槽寬設(shè)計(jì)，槽寬0.2 mm，槽深0.2 mm。立銑刀材質(zhì)采用硬質(zhì)合金YT14，加工材料采用鈦合金TC4。

表1 五刃圓角頭立銑刀結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1中，W為分屑槽寬度，H為分屑槽深度。

表1中，D為立銑刀刀具刃徑，λ為螺旋角，γ為周刃前角，α為周刃后角。

為簡化計(jì)算，截取五刃圓角頭立銑刀仿真模型帶分屑槽部分3 mm。采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，對TC4采用側(cè)銑加工，如圖2所示，側(cè)銑加工參數(shù)如表2所示。

表2 側(cè)銑加工參數(shù)

2 分屑槽加工受力分析

以表2參數(shù)進(jìn)行側(cè)銑加工，采用ABAQUS仿真，切削刃受力分布如圖3所示。

由圖3可知，分屑槽兩端應(yīng)變較切削刃其他部分更顯著，同時，由于分屑槽的影響，相鄰刃在分屑槽相同位置進(jìn)給量是其他位置的2倍，導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生應(yīng)力集中，增大發(fā)生破損的風(fēng)險(xiǎn)。因此，分屑槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響刀具切削刃的受力分布和使用壽命。分屑槽的具體設(shè)計(jì)參數(shù)為分屑槽寬度、深度和長度。

另一方面，在加工過程中，切削刃磨損時，分屑槽前端寬度會變大，若采用常規(guī)分屑槽定槽寬設(shè)計(jì)，分屑槽后端存在與被加工工件干涉的風(fēng)險(xiǎn)，使刀具產(chǎn)生振動，降低刀具壽命和加工表面質(zhì)量。故分屑槽寬度采用變寬度設(shè)計(jì)，具備自動補(bǔ)償功能，如圖4所示。

圖4中，Wmin為分屑槽前端寬度，Wmax為分屑槽后端寬度。

3 分屑槽關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)識別

由上文可知，立銑刀分屑槽的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為分屑槽前端寬度Wmin，分屑槽后端寬度Wmax，長度L和深度H。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，D12的五刃圓角頭立銑刀分屑槽設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍為0.05 mm≤Wmin≤0.2 mm，0.1 mm≤Wmax≤0.5 mm，0.3 mm≤L≤2.0 mm，0.2 mm≤H≤1.0 mm。該范圍在保證刀具加工效率的同時，刀具使用壽命不會產(chǎn)生過大的波動。

為比較設(shè)計(jì)參數(shù)對刀具的受力影響，利用有限元仿真模擬側(cè)銑試驗(yàn)，并采用正交分析法，建立四因素三水平的因素水平表，分析前端寬度、后端寬度、長度和深度對刀具使用壽命的影響程度。以表2所示加工參數(shù)仿真，切削刃應(yīng)力為判定基準(zhǔn)，刀具應(yīng)力越小、分布越均勻，刀具使用壽命越高，因素水平表如表3所示。

表3 分屑槽設(shè)計(jì)參數(shù)因素水平表

經(jīng)計(jì)算各設(shè)計(jì)參數(shù)與應(yīng)力曲線如圖5-圖8所示。

由圖5-圖8可知，Wmax對刀具應(yīng)力影響最顯著，即分屑槽設(shè)計(jì)是最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。刀具應(yīng)力隨著Wmax增加逐漸變大，但Wmax≥Wmin，Wmin大于0.125 mm后對刀具應(yīng)力影響較小，同時刀具應(yīng)力同樣隨著L增加逐漸變大，在H=0.6 mm時刀具應(yīng)力最小。因此，硬質(zhì)合金D12五刃圓角頭立銑刀分屑槽最佳參數(shù)為Wmin=0.125 mm，Wmax=0.3 mm，L=0.3 mm，H=0.6 mm。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后帶分屑槽整體立銑刀的加工效果，分別制作圖1所示D12*40*100五刃圓角頭立銑刀和分屑槽優(yōu)化后的五刃圓角頭立銑刀，如圖9所示，分屑槽如圖10所示。以后刀面磨損寬度0.3 mm作為刀具磨鈍基準(zhǔn)，以表2銑削參數(shù)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，優(yōu)化前銑刀銑削140 min，后刀面磨損0.304 mm；優(yōu)化后銑刀銑削180 min，后刀面磨損0.307 mm，刀具使用壽命提高28.6%，刀具后刀面磨損如圖11所示。因此，優(yōu)化后的分屑槽可有效降低鈦合金加工用整體立銑刀側(cè)銑時的刀具磨損，提高刀具使用壽命。

5 結(jié)論

通過有限元仿真結(jié)合銑削實(shí)驗(yàn)分析，在本文設(shè)定的加工條件下，獲得結(jié)論如下：

1)經(jīng)仿真分析可知，分屑槽前端寬度、后端寬度、長度和深度會直接影響刀具的受力分布和散熱條件，并影響刀具的使用壽命。

2)經(jīng)仿真和正交分析，對刀具切削刃受力影響程度排名依次是分屑槽后端寬度、前端寬度、深度和長度。因此，應(yīng)優(yōu)先設(shè)計(jì)分屑槽后端寬度和前端寬度，在保證刀具切削效率的前提下，之后再決定分屑槽的深度和長度。

3)經(jīng)對比實(shí)驗(yàn)，分屑槽優(yōu)化后刀具使用壽命提高28.6%，表明分屑槽優(yōu)化可有效降低鈦合金加工用整體立銑刀側(cè)銑時的刀具磨損，提高刀具使用壽命。