改变主轴转速影响高速铣削载荷的单因素分析研究

王 雅， 王 敏

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230022）

0 引 言

在机械制造业，提高生产效率和降低加工成本一直是长期追求的目标，由于加工零件的辅助时间大幅度降低，使得切削工时所占的比例越来越大，要想进一步提高生产率只有大幅度提高切削速度。但是铣刀等高速刀具在高速旋转时各部分都要承受很大的离心力，离心力过大极易导致刀体破碎，这无论是对人身安全还是对刀具的耐用度都是很不利的，因此，研究高的切削速度对于刀具应力场的影响是具有重要的现实意义的［1］。

本文利用有限元软件建立三维刚塑性力学模型，研究高速铣削刀具速度场和等效应力应变场分布规律，为实际生产和理论的完善提供基础。

1 高速铣用量与刀具应力场的关系

高速加工的速度比常规切削加工的速度高出很多。根据德国的切削物理学家萨洛蒙博士的超高速模拟试验指出：当切削速度超过每种工件材料的常规速度范围时，切削速度再增大时，切削温度反而降低，切削力也会大幅度降低［2］。

高速加工必须具备高的主轴转速、高的进给速度、快速空行程、迅速加速和及时准停的性质。高的主轴转速就意味高的切削速度，而为了保证零件加工的精度，则要求保持刀具每齿进给量的恒定，这就要求进给速度大幅度提高，同时又因为是高速加工，希望加工的辅助时间进一步减少，所以高速机床的空行程时间就要减少，这样一来，只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内准停，即快速进给应具有很大的加、减速度才称得上是真正意义上的高速加工。因此在考虑切削用量对高速铣刀应力场的影响上，切削速度和进给量就成为了重要因素。

2 主轴转速对刀具剪切角的影响

由于不同的加工工序和机床以及工件材料、刀具材料和加工工艺的多样性，对应的切削速度范围也不同，因而很难就高速切削的速度范围给定一个确定数值。如果从侧重于加工工艺的角度看，HSM的速度值区间：车削700～7000m／min；铣削300～6000m／min；钻削200～1100m／min；磨削150～360m／s等，而且还有继续提高的趋势。如果从侧重于加工材料的角度出发，加工材料的高速加工和常规加工的切削速度对照图如图1所示［3］。

图1 七种材料的常规切削速度与高速切削速度对照图

从高速切削机理来看，由于高速切削过程比普通切削过程快的多，如图2所示，按Merchant′s剪切角（又称麦钱特方程）当切削速度较低时，金属始剪切面为OA，终剪切面为OM，剪切角为φ，但当切削速度很高时，金属流动速度大于塑性变形速度，即在OA线上尚未显著变形就已流动到OA′线上，终剪切面变为OM′，剪切角变为φ′，这意味着此时的第一变形区后移，使剪切角增大（φ′＞φ）。同时铣削速度对刀具前刀面上的平均摩擦系数μ也有影响，在高速区，铣削速度增大，铣削温度提高，μ减小，则摩擦角ψ减小，由上式可见，剪切角增大，剪切变形减小，剪切变形的抗力也随之减小。在高速范围内，由于μ减小量很大，如加工钢件时，铣削速度由250m／min提高到2100m／min，μ从0.6减小到0.26［4］，因此，剪切角φ增大，导致剪切力减小幅度较大；由于切屑的质量很小，虽然铣削速度提高，导致切屑惯性力增大，但其增加幅度比剪切力减小幅度小的多，故在高速切削范围内，切削速度的提高还是导致了铣削力的降低。

图2 速度对剪切角的影响

3 改变主轴转速n时铣刀的应力应变分布

假设刀具模型的其它的因素都不变，仅改变刀具的切削速度即铣刀的主轴转速，那么根据图求立铣刀所受切削力载荷，经过计算，每个刀刃所受切削力如表1所示，以及在不平衡量φ一定（φ＝33.09g·mm），仅改变转速时由刀具不平衡量产生的离心力Fe计算公式［1］求得的离心力的数值。

图3 铣削力关系图［5］

表1 铣刀在不同转速下的切削力／每刃、离心力

在高速主轴系统中，任何旋转体的不平衡都会产生离心力，对于高速旋转的铣刀而言，刀具的不平衡会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速成平方关系，随着转速升高，离心力以平方关系迅速增大，从而对刀具的安全性和加工质量带来不利的影响。

从表1中可以看出，随着主轴转速n的增加，离心力的增加非常明显，对于铣削加工的安全性而言已经成为一个不容忽视的因素，但随着主轴转速n从5000r／min增加到100000r／min，铣削力是不断下降的，到100000r／min时可以看出每刃切削力已经不如离心力大了，从切削力和离心力变化的趋势来看，是与高速切削机理相符合的，下面是铣刀在不同转速下的最大等效应力和最大应变的有限元分析，如表2所示。

表2 不同转速下铣刀的最大等效应力和最大应变

从表2还可以看出，随着转速不断的升高，刀具的等效应力和等效应变量随之减少，但并非成倍减少，也不是按指数规律变化。图4为主轴转速20000r／min时刀具的等效应力分布和应变的分布图，说明如下：

（1）在主轴转速为20000r／min时，最大等效应力和最大等效应变均发生在刀尖处，在整把刀具中，刀尖是最薄弱的环节，它直接受到切削力的作用，并同时受到离心力的影响，所以在铣削时，它最易产生扭曲变形，发生刀尖破碎、崩刃等情况。

（2）由于立铣刀本身的几何结构，刃部和柄部相比，刃部有刀槽的存在，削弱了铣刀刃部的强度，在刃部与槽部接触的地方也容易产生复杂曲面应力集中。

（3）刀具应力和应变最小的地方为刀柄后端，以及整个刀体的中心位置，由于刀体的中心不受切削力的作用，只间接受到离心力的作用，由此可看出，离心力所引起的刀具的应力和应变是沿径向分布于刀体上，越向圆周的地方，离心力所引起的应力应变越大，在最外端为最大，如图5所示。

图4 主轴转速为20000r／min的刀具等效应力和节点应变图

图5 主轴转速20000r／min时刀具受离心力作用图

图6 铣削力载荷随转速变化趋势图

4 结 论

（1）在一定的转速范围内虽然离心力不断增大，但随着切削力的不断下降，刀具所承受的载荷作用的下降趋势是非常明显的，所以在控制好离心载荷的前提下，一定转速范围内，转速越高，对加工质量的提高，刀具寿命的延长等都是十分有效的。

（2）高速铣削时，对指定的工件材料、刀具参数、背吃刀量、侧吃刀量以及进给量，铣削载荷开始随铣削速度的提高而下降是较为明显的，但当铣削速度大到一定程度，铣削载荷不是无限的减小，而是趋近于一个定值。

1 张伯霖，杨庆东，陈长年.高速切削技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，2002：1－31.

2 Salomon C.Process for the Machining of Metals or Similarly Acting Materials when being Worked by Cutting Tools.German Patent，523594.1931－04.

3 Jackson D.The Cutting Materials of Tomorrow：Building on the Capabilities of Today.Proceeding of the SCTE Conference［J］.San Diego：Nov，1989.

4 刘战强，万 熠，艾 兴.高速铣削中切削力的研究.中国机械工程［J］，2003，5（14）：734－737.

5 吴 隆.铜合金的高速铣削加工的研究.制造技术与机床［J］，2004（1）：48－50.