■ ■上汽通用汽車 （200120） 鄧紅星 林雨芳
摘要：切削三要素中，在切削速度和背吃刀量一定時，進(jìn)給量的設(shè)定起著非常關(guān)鍵的作用，而切削厚度體現(xiàn)了進(jìn)給量的大小，通過分析進(jìn)給量與切屑厚度的關(guān)系，推導(dǎo)出一種平面銑削、曲軸軸頸外銑和內(nèi)銑時進(jìn)給量與切屑厚度的計算公式，便于新項目規(guī)劃時設(shè)定合理的切削參數(shù)，也可指導(dǎo)現(xiàn)有生產(chǎn)線切削參數(shù)的優(yōu)化，同樣可用于加工中心差補(bǔ)銑軸或者差補(bǔ)銑孔時的計算。
刀具切削三要素為切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量。切削速度主要由刀具材質(zhì)決定，背吃刀量由工藝余量決定，進(jìn)給量由刀具材質(zhì)、幾何尺寸、工件材質(zhì)以及機(jī)床參數(shù)等決定。進(jìn)給量直接影響著刀具壽命、切削效率、刀具負(fù)荷及機(jī)床主軸負(fù)載。切屑厚度的大小體現(xiàn)了每齒進(jìn)給量的大小，在其他條件一定時，每齒進(jìn)給量越大，切屑越厚，刀具要承受的切削力越大，機(jī)床主軸的切削功率也會越大。本文通過對銑削的分析，推導(dǎo)出一種平面銑削、曲軸軸頸外銑及內(nèi)銑時每齒進(jìn)給量與切屑厚度的關(guān)系公式。
（1）切屑的形成過程。切屑的形成過程是一種擠壓剪切的過程，被切削的金屬主要經(jīng)歷剪切滑移變形，最終從工件剝離而形成切屑，如圖1所示。
圖 1
（2）切屑厚度。理論切屑厚度取決于刀具幾何角度和每齒進(jìn)給量，但切屑的形成是一種擠壓過程，切屑形成過程中受到了刀具的擠壓，產(chǎn)生了相應(yīng)的形變，如圖2所示，所以實際測量的切屑厚度并不等于理論的切屑厚度。實際變形的程度受刀具前角、倒棱、斷屑槽形狀及位置和切削速度等眾多因素的影響,本文所分析的是切屑變形前的理論切屑厚度。
車削是典型的連續(xù)加工，形成的切屑厚度是均勻的，切屑厚度受刀具的主偏角與每齒進(jìn)給量的影響。當(dāng)?shù)毒咭欢〞r，每齒進(jìn)給量fz的大小直接影響著切屑厚度，如圖3所示，不難得出切屑厚度公式：h＝fz×sinкr，當(dāng)?shù)毒咧髌千?span>r=90°時，理論切屑厚度才等于每齒進(jìn)給量fz的大小。
銑削不同于車削，是一種斷續(xù)切削加工，切屑也不再是均勻的厚度。如圖4所示，一個齒轉(zhuǎn)一圈時，刀具中心從B點移動到C點，切屑厚度從靠近面銑刀中心位置向兩邊逐漸變薄，會存在一個最大切屑厚度hmax。當(dāng)工件過面銑刀中心時，hmax＝fz×sinкr ，在銑刀主偏角為90°時，hmax=fz，為了簡化計算，在后面的分析計算中，假定刀具主偏角кr=90°。
當(dāng)工件不過面銑刀中心時，最大切削厚度不等于每齒進(jìn)給量，如圖5所示，此時線段MN的長度便為最大切屑厚度，即hmax=MN，由勾股定理，可得出如下公式：式中，R為銑刀半徑（mm）；d為銑刀中心到工件的最小距離（mm）。
圖 2
圖 3
圖 4
由此公式可知，在刀具半徑R和程序每齒進(jìn)給量fz一定時，最大切屑厚度隨著工件離銑刀中心的距離增大而減小。假設(shè)刀具半徑R=50mm，用上述公式，得到最大切屑厚度與工件離刀具中心距離d的幾組數(shù)據(jù)，如表1所示。
可以看出，當(dāng)工件離刀具中心距離d=40mm、每齒進(jìn)給量為0.2mm時，實際最大切屑厚度為0.12mm；每齒進(jìn)給量增大到0.34mm，最大切削厚度達(dá)到0.2mm。
在銑面過程中，一般刀具直徑不會和銑削寬度相差太大，如果有用大直徑的面銑刀銑小面的情況，可以相應(yīng)增大每齒進(jìn)給量的設(shè)定。
（1）曲軸頸銑削運動分析。在小排量發(fā)動機(jī)曲軸加工中，連桿頸加工一般采用內(nèi)銑或者外銑，曲軸、外銑刀盤及內(nèi)銑刀盤如圖6、圖7和圖8所示。外銑連桿頸時，刀具徑向進(jìn)給到要加工直徑位置，曲軸以主軸徑自轉(zhuǎn)的同時，刀具跟隨運動，曲軸自轉(zhuǎn)一周后，刀具徑向退刀，完成一個連桿頸的銑削。
圖 5
表1 最大切削厚度與工件離刀具中心距離數(shù)據(jù)
離刀具中心最小距離d/mm 0 10 20 30 40 40每齒進(jìn)給量fz/mm 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.34最大切屑厚度hmax/mm 0.2 0.196 0.18 0.16 0.12 0.2
內(nèi)銑連桿頸時，根據(jù)實際情況可以分為曲軸不旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)兩類：曲軸不旋轉(zhuǎn)時，銑刀自轉(zhuǎn)的同時，繞連桿頸公轉(zhuǎn)一周，完成一個連桿頸的銑削。曲軸旋轉(zhuǎn)時，銑刀進(jìn)行隨動銑削，與外銑連桿頸相似。
曲軸主軸頸的加工比較簡單，可以用傳統(tǒng)的車削，也可以銑削，銑削時沒有刀具的隨動，曲軸自轉(zhuǎn)一周，完成一個主軸頸的銑削。
（2）外銑軸頸最大切屑厚度。外銑連桿頸比外銑主軸頸的運動復(fù)雜，但其本質(zhì)是一樣的，即刀具旋轉(zhuǎn)的同時，軸頸旋轉(zhuǎn)一周，完成一個軸頸外圓的銑削，軸頸相對刀具的旋轉(zhuǎn)速度即進(jìn)給速度。如果把軸頸旋轉(zhuǎn)一周的長度展開到刀具的圓周上，每齒旋轉(zhuǎn)一周時，軸頸旋轉(zhuǎn)角度為α，軸頸與刀具的切入點便由N點轉(zhuǎn)到L點，如圖9所示，此時弧長NL的長度等于程序的每齒進(jìn)給量，變形前的切屑截面形狀如圖9所示，其中線段MN的長度即該切屑的最大厚度hmax。
在扇形ANL中，由弧長公式
在三角形ANB中，由余弦定理BN2＝AB2+AN2-2AN×BN×cosβ，得β
在三角形ANC中，同理可得
則hmax＝MC-NC＝R2+ap-
。
根據(jù)公式可知，外銑時的最大切屑厚度與刀具半徑R1、單邊切削余量ap、工件半徑R2和fz有關(guān)。假設(shè)刀具半徑為R1=350mm，單邊切削余量ap=2mm，根據(jù)此公式計算軸頸半徑R2=20mm和71mm時，不同每齒進(jìn)給量下的最大切削厚度hmax，如表2所示。
由表2中數(shù)據(jù)可以看出，程序的每齒進(jìn)給與最大切屑厚度相差較大，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)最大切屑厚度來設(shè)定程序的每齒進(jìn)給量。
(3)內(nèi)銑軸頸的切屑厚度。內(nèi)銑軸頸與外銑軸頸類似，但公式有所不切屑變形前的截面如圖10中NLK圍成的形狀所示，弧長NL等于每齒進(jìn)給量fz，線段MN的長度便是該切屑的最大厚度hmax。
圖6 曲軸
圖7 內(nèi)銑刀盤
圖8 外銑刀盤
圖 9
表2 不同每齒進(jìn)給量下的最大切削厚度同。
程序fz/mm工件半徑R2/mm 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 20 0.08 0.12 0.17 0.21 0.25 0.29 0.33 71 0.05 0.08 0.1 0.13 0.15 0.17 0.2
在刀具扇形ANL中，由弧長公式fz＝
在三角形ACL中，由余弦定理CL2＝AC2+AL2-2AC×AL×cosβ, 得β＝arccos
在三角形ANC中，同理可得NC＝
則hmax＝MC-NC=R2+ap-
同樣，外銑時的最大切屑厚度與刀具半徑R1、單邊切削余量ap、工件半徑R2和fz有關(guān)，假設(shè)刀具半徑為R1=105mm，單邊切削余量ap=2，根據(jù)此公式計算軸頸半徑R2=20mm和71mm時，不同每齒進(jìn)給量下的最大切削厚度hmax，所得數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 不同每齒進(jìn)給量下的最大切削厚度
程序fz/mm 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 20 0.07 0.11 0.15 0.18 0.22 0.25 0.29 71 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.09 0.1
可以看出，程序的每齒進(jìn)給量與最大切屑厚度同樣相差較大。
每齒進(jìn)給量是切削中的重要因素，影響到切削效率、刀具負(fù)載及主軸負(fù)載等，他的大小可以反映在理論切屑厚度上。由于曲軸軸頸銑削是斷續(xù)切削，刀具直徑與工件直徑差異較大，不能依靠一般的車削、鉆削及平面銑削等經(jīng)驗來設(shè)定每齒進(jìn)給量，應(yīng)根據(jù)最大切屑厚度來設(shè)定每齒進(jìn)給量。
通過分析面銑，曲軸軸頸外銑、內(nèi)銑，明確了銑削中每齒進(jìn)給量與切屑厚度的關(guān)系，并推導(dǎo)出其公式，經(jīng)過與供應(yīng)商提供的切削參數(shù)對比，計算結(jié)果一致，不再受設(shè)備和刀具供應(yīng)商不提供計算方法的限制，便于新項目規(guī)劃時設(shè)定合理的切削參數(shù)，也可指導(dǎo)現(xiàn)有生產(chǎn)線切削參數(shù)的優(yōu)化，同樣可用于加工中心差補(bǔ)銑軸或者差補(bǔ)銑孔時的參數(shù)設(shè)定。
參考文獻(xiàn):
[1] 沈志雄.金屬切削原理與刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
圖 10
（收稿日期：20170510）
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