数控铣削中弹刀机理及抑制方法的研究＊

廖玉松 韩 江

(①滁州职业技术学院，安徽 滁州239000;②合肥工业大学，安徽 合肥230003)

某公司在塑料模具模仁和电极加工中会出现如图1 所示模仁过切和薄壁电极在边缘出现崩边和崩角现象，增加了企业烧焊打磨工作，造成了电极报废，同时加工过程刀具的磨损加剧，甚至导致刀具折断。因此，迫切需要找出造成这种现象的原因，并要优化加工参数和加工工艺，提出解决生产中这一实际问题合理方案。

1 弹刀现象及其产生机理

笔者深入企业调查发现，塑料模具模仁一般进行了预硬处理，材料的强度硬度高，采用高速数控铣削加工，往往在工件的转角处刀具出现振颤、抖动产生而造成过切现象。而薄壁电极往往在高速数控铣削加工中，由于刀具的摆动与材料的弹性变形或振颤引起刀具与材料发生碰撞，同时发出异常的响声，造成在电极边缘出现崩边和崩角现象，把这两种现象称为数控铣削中的“弹刀”现象。造成“弹刀”主要原因是切削力的波动较大，引起刀具或工件材料变形发生变化。切削力的波动包括大小和方向变化。正常加工工件时刀具受力和变形如图2 所示;在刀具加工到工件的直身位，刀具急停或准备反向加工时，刀具由于惯性作用，刀具的受力和变形如图3 所示。由于切削力的大小和方向变化造成刀具在工件的拐角或直身位处变形发生变化产生弹刀。笔者又对薄壁与非薄壁工件切削过程进行比较，发现非薄壁工件加工时切削力比较平稳，而薄壁工件加工时虽然切削力不是很大，但切削力波动大。从切削力大小的变化情况能够判断出材料的变化情况，当刀具切入材料时，切削力会迅速加大，在力的作用下，材料开始向背离刀具的方向产生弹性变形而让刀，使刀具的切削量减小甚至零，切削力为零后，材料向刀具方向弹性恢复，刀具将再次切入材料，切削力又将加大，进入下一个切削循环［1］。由此可见，加工高硬度材料切削力越大，刀具变形大或工件薄壁高度越高，薄壁变形就越大，弹刀现象就越严重。验比较(如图5 所示)，具体参数如表1。

表1 实验参数

2 影响弹刀的因素

为了研究数控铣削程中影响弹刀的因素，我们采用单因素试验来了解各参数独自变化对刀具或工件变形的影响。试验选用对刀具或工件变形影响较大的参数为研究对象，对于高硬度工件实验选择不同工件材料、刀具直径、装刀长度、铣削方式，壁厚等。在设定的切削条件下(即采用同一机床、相同转速、进给量和切削深度、采用侧铣的加工模式)，改变研究对象中某一个参数用量，对所测得的刀具或工件变形的变化结果进行分析、研究。

2.1 实验装置

采用奥地利E MCO 公司生产的MC120—60 加工中心，所用刀具材料为Stana4 刃平底AITIN 涂层硬质合金立铣刀，主轴转速为6 000 r/min，每齿进给量f=0.1 mm/齿，轴向切深为ap=2 mm。切削力的测试采用YDM 一III99 型整体式三向压电磨削测力平台，可同时检测出沿铣削进给运动方向的力、垂直于进给运动方向的力和轴向力，激光位移传感器型号为KEYENCE LK-G30，数据采集仪为NI PCI 4472，采样频率设为24 kHz。刀具变形测试系统如图4 所示，薄壁工件的测量位置如图5 所示。

2.2 实验参数

对于高硬度材料采用常用材料进行切削加工，对于薄壁工件采用不同厚度紫铜电极在3 个位置进行实验比较( 如图5 所示) ，具体参数如表1。

2.3 不同参数对弹刀的影响

(1)不同工件材料影响

改变工件材料，测得不同的切削力F和刀具变形量δ，用MATLAB 软件对实验数据进行仿真，得到切削力F和刀具变形量δ 之间的关系如图6 所示。从图6 中可以看出刀具变形量δ 和切削力F呈线性关系，即δ ≈K·F，K为常数，具体K值因为刀具直径和装刀长度及其余因素发生变化而变化，所以没有必要计算出具体数值。图6 中第1 个点是切削T2 紫铜时的切削力和刀具变形量，最后1 个点是切削718 时的切削力和刀具变形量，可以看出被加工工件的材料强度硬度越高，切削力越大，刀具变形量越大，弹刀现象越严重。

(2)不同的刀具直径

改变刀具直径D，测得刀具的变形量δ，用MATLAB 软件对实验数据进行仿真，得到刀具直径D和变形量δ 之间的关系图7 所示。图7 中曲线曲斜变化非常陡，结合实验数据分析可以得到刀具直径D和变形量δ 关系为δ ≈K/D4，D为刀具直径，K为常数。当其他参数不变的情况下，刀具直径D减小一半，刀具变形量δ 将增大16 倍。加工时刀具直径D越小，刀具变形量δ 越大，弹刀现象越严重。

(3)不同装刀长度

改变刀具装刀长度L对刀具变形量δ 影响较为显著，装刀长度L和变形量δ 之间的关系如图8 所示。利用MATLAB 软件对实验数据进行计算，得到装刀长度和变形量δ 之间关系近似为δ ≈K·L3，L为装刀长度，K为常数。当其他参数不变的情况下，刀具装刀长度增加1 倍，刀具变形量将增大8 倍。

(4)改变铣削方式

采用顺铣加工时，侧向切削深度方向的切削分力Fy比走刀方向和轴向的分力都大，其次是走刀抗力Fx，最小的是轴向分力Fz;而采用逆铣加工时，走刀方向的切削分力Fx比侧向切深和轴向的分力都大，其次是切深抗力Fy，最小的是轴向分力Fz。可以看出，顺铣和逆铣加工方式发生变化时切削分力在X、Y和Z方向的分配比例同时产生变化，采用顺铣加工时侧向切深分力Fy是主切削力，采用逆铣加工时走刀方向分力Fx是主切削力，而分力Fx较大时，容易造成刀具或工件的变形［2］。顺铣加工时的刀具切削厚度由最大逐渐减小到零，刀具切入工件后不会出现因切不下切屑而造成的弹刀现象，工艺系统的刚性好，切削振动小;逆铣加工时，刀具的切入厚度从零逐渐增加到最大，刀具切入工件时，因切削厚度小并将在工件表面划过一段距离，如果此时刀具刃口处碰到工件材质中硬的质点或残留在工件表面的切屑，都会造成刀具的弹刀或振颤，因此逆铣的切削振动大，弹刀现象严重［3］。

(5)不同壁厚

切削力的大小对薄壁的加工影响很大，壁厚越小，对切削力就越敏感，即使切削力很小，也会使薄壁工件产生变形，造成弹刀，从而产生崩边或崩角。在切削试验中，采用不同直径的刀具，以相同的切削速度加工不同厚度的薄壁，测量其在上(2 mm)、中(10 mm)、下(25 mm)3 个部位的切削力，刀具切削薄壁的部位不同，切削力引起材料的变形就不一样，而薄壁出现崩边或崩角的部位都在薄壁的顶部约5 mm 内，故这一部位应是薄壁加工的危险区域，弹刀情况最严重;其次是中部，主要表现为表面质量达不到要求;根部约10 mm的范围内情况较好，既不会崩边崩角，表面质量也好。同时对比不同壁厚顺铣和逆铣加工时的切削力变化，无论是改变切削速度、进给量(走刀速度)，还是改变侧向切削深度，顺铣加工的切削力都大于逆铣加工的情况，并可看出各工艺参数对切削力的影响程度如下:切削速度＜进给量(走刀速度)＜侧向切削深度。因此，薄壁工件高速铣削时应尽量选择较高的切削速度、适中的走刀速度、较小的侧向切削深度，以减小切削力，减小刀具对薄壁工件的切削冲击，提高加工过程的安全性，尽量减少和避免薄壁工件的边角崩碎现象，提高加工质量和效率。

3 抑制弹刀的对策和措施

综上所述，在数控加工中弹刀现象一般很少出现，只有在加工材料硬度比较高时，工件的转角处或者加工薄壁工件在工件边缘才会出现，为了有效地克服弹刀现象，以减小刀具或工件变形为目标，探讨抑制的对策和应对措施，从而有效地保证工件的加工质量，应采取以下措施:

(1)增加刀具强度，对于高硬度的工件尽可能采用大直径刀具进行加工，减小装刀长度，增加强度，减小刀具的变形，减少弹刀。

(2)对于深度较大的工件，采用多方向切削加工，如有条件采用多轴加工，可以减小装刀长度，避免刀具变形，而减少弹刀。

(3)对于深度较大的工件，因生产条件限制只能采用一次装夹在三轴数控铣床完成工件的加工，当加工深度大于120 mm 时，要分开两次装夹刀具，即先装上短的刀杆加工到100 mm 的深度，然后再装上加长刀杆加工100 mm 以下的部分，并设置较小的吃刀量减小切削力，减小刀具的变形，减少弹刀。

(4)尽可能采用顺铣，切削试验结果表明，就切削力的大小而言，顺铣时的切削合力大于逆铣。但逆铣时分力Fx较大，容易出现工件弹刀、崩角现象［1］。顺铣分力Fx较小，铣削比较平稳，工件表面质量好。因此，应尽可能地采用顺铣。

(5)薄壁工件加工时，因工件变形而产生弹刀，所以加工中应尽量减小切削力，减小工件的变形。一般采用小直径的平刀高速等高环绕加工，为了提高工件的加工刚度，径向留有较大的加工余量。还可根据薄壁工件不同部位设置不同的加工参数，薄壁工件的顶部容易产生崩边、崩角，在加工这些敏感部位时应选择较小的侧向切削深度和进给量(走刀速度)，这样可有效地提高工件质量。薄壁的加工一般不能一次加工完成，而是先将薄壁切削一部分，在加工完其他部位后，最后再将薄壁精加工到位，使厚度达到要求的尺寸。

4 结语

弹刀现象一般很少出现，最容易被编程者所忽略，因此要引起足够的重视。编程时，应根据切削材料的性能合理选择刀具的直径和装刀长度，正确选择切削方式，对于硬度高、深度较大的工件，要合理安排加工工艺。对于薄壁工件加工时，要尽可能减小切削力，减小工件的变形，对于最敏感的边缘区域，在加工此部位时应选用更小的侧向切削深度和每齿进给量(即走刀速度)。某公司在塑料模具模仁和薄壁电极加工时，利用上述加工方法，避免了弹刀现象，有效地保证了工件质量。

［1］胡周玲.薄壁石墨电极高速铣削工艺参数优化试研究［D］. 广州:广东工业大学，2005.

［2］刘刚.金属切削过程优化中多约束描述与应用［D］. 上海:上海交通大学，2007.

［3］丁烨.铣削动力学——稳定性分析方法与应用［D］. 上海:上海交通大学，2011.