高速銑削刀具懸伸量的試驗研究
一、引言
高速切削刀具技術是實現高速加工的關鍵技術之一。在高速銑削中，刀具懸伸量即刀尖到主軸伸出端的長度對加工過程的影響很大，并且直接影響刀具磨損。傳統上認為，增大刀具的懸伸量勢必會造成刀具剛度降低，特別是在加工淬硬鋼等硬度比較高的難加工材料時，習慣于選擇小的刀具懸伸量。刀具安裝時盡量多夾持刀柄部分，可以提高刀具的剛度，減小振動，使切削過程更加穩定，刀具磨損更小，從而使得模具深腔必須采用電火花加工，加工時間長，效率低。因此刀具懸伸量對加工過程的影響逐漸引起關注。
國外通過刀具剛度對刀具壽命影響的研究表明，球頭立銑刀兩切削刃上的受力不均使刀具壽命急劇下降，適當改變銑刀懸伸長度，可以改善銑刀兩切削刃上刀具磨損不平衡，從而延長刀具壽命。S Smith也提出高速銑削中刀具長徑比對金屬切除率影響很大，并以穩定的最大金屬切除率為目標，通過直徑12.7mm端銑刀高速銑削實驗測量的加工穩定性耳垂圖，證明不同刀具懸伸量的穩定切削范圍有明顯變化。目前國內尚無這方面的試驗研究報道。
二、試驗
試驗在Gentiger105立式高速加工機床上進行。YDM-III99型整體式三向壓電式測力平臺和YD-8型壓電式加速度傳感器分別測量切削力和振動。XT53022-CTV高倍連續變倍攝影體視顯微鏡采集刀具后刀面磨損，TR100表面粗糙度儀測量工件表面粗糙度。工件材料為塑料模具鋼S136H，淬火后硬度為51HRC。刀具選擇STANA直徑2mm的AlTiN涂層硬質合金4刃銑刀，根據銑刀的長度選取了生產中的懸伸量13mm、15mm和刀桿長度的1/2即19mm進行比較。通過改變不同的刀具懸伸量，測量和記錄加工過程中的切削力、切削振動、刀具后刀面磨損面積和表面粗糙度。
其他試驗條件:切削條件：主軸轉速n=14330r/min，每齒進給量fz=0.03mm/齒，進給速度Vf＝860mm/min，軸向切深Ad＝0.1mm，徑向切深Rd＝1.5mm；順銑；空氣冷卻；刀具：涂層：AlTiN；前角：8°；后角：6°；螺旋角：30°；D1：2mm；D2：3mm；L1：38mm；L2：9mm。
三、試驗結果與分析
1．切削力
隨著刀具加工長度的增加，對不同懸伸量條件下的銑削力進行了測量，由不同條件下三個方向切削力的合力變化情況可知：隨切削長度的增大，刀具急劇磨損，切削力上升很快，刀具磨損達到穩定后，切削力略有下降，然后繼續增大。不同懸伸量的切削力大小不同，懸伸量15mm的切削力最大，懸伸量19mm時切削力反而減小，這說明切削力和懸伸量無正比關系，并不是懸伸量越小，切削力越小。實際上，存在著一個不適合加工的懸伸量，當超過該懸伸量后切削力反而減小。此外刀具達到穩定切削的加工長度也存在相同規律。
2．切削振動
記錄不同條件下的振動時域波形，并進行頻率分析。試驗記錄的不同刀具懸伸量下振動波形及其功率譜表明，振動功率譜中出現的主要頻率成分為：每齒切刃嚙合頻率957.03Hz及其倍頻1914.06Hz和1669.92Hz。從齒嚙合頻率fo的幅值變化情況來看，隨著切削長度的增加，不同刀具懸伸量下的振動幅值變化都有一個增加后減小再增加的過程。在刀具初期磨損階段，由于刀具磨損加快，切削力增加，振動加強，隨后切削進入穩定磨損階段，切削力相對初期磨損時小，振動也會減小。但當刀具磨損達到一定程度，振動再次加強。
隨著切削長度的增加，試驗范圍內最大懸伸量19mm的功率譜振幅幅度整體上最小，這說明并不是刀具懸伸量越大，高速切削振動就越強。產生這種現象的原因主要是高速切削時激振頻率較大，懸伸量增加后可降低刀具的固有頻率，避免引起共振、顫振的發生，從而使切削過程中的振動強度降低，因此可適當提高懸伸量。
3．刀具磨損和表面粗糙度
在體式顯微鏡下拍攝刀具后刀面磨損情況，利用圖形軟件計算磨損面積，由不同刀具懸伸量的刀具磨損曲線可見，刀具磨損面積隨加工長度的增加而增大。但刀具磨損并不隨刀具懸伸量的增加呈正比關系，當刀具懸伸長度為19mm時刀具磨損面積反而有所降低。這是因為隨著懸伸量增加，刀具系統固有頻率升高使得振動減小，刀具磨損相應減小。不同刀具懸伸量下表面粗糙度的變化同切削力和刀具磨損的變化規律大體相同。當懸伸量增大超過某一數值后，表面粗糙度有所減小。
四、結論
通過不同刀具懸伸量時高速銑削淬硬鋼材料過程中切削力、振動、刀具后刀面磨損面積和表面粗糙度的變化，可得出以下結論。
增加刀具懸伸量長度，切削力和切削振動增大，刀具磨損加劇，表面質量下降。但懸伸量長度超過某一數值后，切削力、切削振動和刀具磨損并不是一味的增加反而下降，加工質量有所提高。對本實驗采用的直徑2mm銑刀，懸伸量19mm時比15mm的加工效果更優。因此進行模具型腔加工時，在刀具成本允許的情況下，適當增大刀具懸伸量，可以在一定范圍擴大目前模具型腔加工時刀具加工范圍，避免進行電火花加工，降低模具加工的綜合成本。