铣削加工材料对刀具的使用寿命产生显著影响

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生产技术研究所（WBK）研究的成果表明，采用被动减震的刀具铣切加工硬质材料时能够在很大程度上减少切削磨损，并提高刀具的耐用度。通过贴近作用点来改变铣刀入口冲击的减振措施，可以对刀具的使用寿命产生显著的影响。

　　高硬度材料或表面容易脆裂材料的铣削加工，由于铣刀入口冲击时机械交替负荷高，很可能会导致刀具的磨损增加，从而导致使用寿命缩短。同样，在对轮廓进行不连续或对不圆材料车加工时，也会发生这种情况。卡尔斯鲁厄大学生产技术研究所（WBK）正在研究，如何能够在其他切削参数不变的情况下，通过在贴近作用点的位置上改变刀片垫板材料的方法来对刀具使用寿命产生积极的影响。

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　　在下文中我们将证明，在被动减振的铣刀上柔韧性是如何变化的，它对刀具的使用寿命产生了何种影响。此外，先前在车削过程中也对车刀的柔韧性做了变化试验，现在把这种试验结果与铣削过程的试验结果加以比较，并介绍下一步实验所得出的结论。

图1  理想化切削力曲线

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　　在铣加工时，刀具承受着因工艺方法而造成的交变负荷。这种负荷有机械性质的，也有热性质的。在机械负荷方面，特别值得一提的是刀片的入口冲击。在刀刃进入材料的瞬间，切削力会发生明显的提升。

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　　例如，在进给同向进行铣削时，刀具的刃部在每次进入到材料时，都会经历一次刀具的入口冲击。图1中给出了理想的切削力变化曲线。这种效应由于脆硬的氧化层而得到了明显的加强，在铸造工件或类似工件上常会发生这种情况。

润滑剂加强交变负荷

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　　一方面，刀具传导的过程热会增加刀具的热负荷；另一方面，刀刃切割空气引起的温度变化也会增加刀具的热负荷。由于使用了润滑剂，热交变负荷还会进一步加剧。

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　　生产技术研究所承办了由德国研究协会资助的“通过刀具入口冲击时的柔韧性变化，提高切削加工时刀具的使用寿命”的项目。该项目探讨了机械过载负荷，并通过试验证明通过在贴近作用点的位置上改变柔韧性能够尽可能的减少这种机械过载负荷。启动这个研究项目的原因是基于以前多项工作中取得的结果。这些结果能够证明：机床驱动装置的刚性对刀具的使用寿命是有一定的影响。

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图2  装有垫板的铣头刀架

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　　例如，使用高刚性电机主轴的机床比使用刚性不太强的驱动装置的机床刀具磨损得更快。但由于目前大量使用的电机主轴本身具有很多优点，因而有一种选择的可能性，这种选择成本低廉而且对柔韧性，以及使用寿命的参数进行了优化，而且不必改变驱动方案。传统的车刀在转动冲切刀片下面垫有经过研磨的硬质金属垫板，以保证刀片位置牢固。在垫板其他参数不变的情况下，我们对这种垫板的材料做了修改。

　　类似在这个项目的前期阶段在车床上所做的试验。首先，研制了一种铣头刀架，它允许把柔韧性不同的材料放到刀具上。为了使试验结果与先前的车削试验取得的结果具有尽可能高的可比性，将铣头刀架设计成了可以安放与前期试验中相同的转动冲切刀片。图2中显示了装有垫板的铣头刀架，垫板装在转动冲切刀片和刀体之间。

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    在选择所用垫板的材料时，参考了前期的试验结果，当时发现强度不高和弹性模数不大的材料并不适合。试验用的材料树脂浸润纸（弹性模数7GPa）、酰基玻璃（4GPa）、镁（40GPa）和铝（70GPa）表明：强度不足，弹性模数太小，会导致弹性变形过大，部分塑性变形过大，它们抵消了切削刀片的预应力，因而不能够继续使用。

　　由于这种原因，垫板材料只能选用强度和弹性模数较高的材料。具体来讲，就是铸铁材料EN-GJS-250（弹性模数110GPa）、EN-GJS-600（170GPa），以及钢材S 235 JR（210GPa）。采用垫板的弹性模数作为标志性的标准是因为在尺寸不变的情况下，弹性模数是垫板柔韧性的惟一变量。

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可转位刀片断裂成为使用寿命的标准

　　对工件材料提出了两个要求，一是它们在经济快速的运行过程中会使刀具磨损，二是要在日常的切削工作中能够得到应用。最后选用的是一种铝合金（AlSi10Mg），它是一种带有多层石墨的铸铁（EN-GJS 260 Gr），以及一种结构钢（S 235 JR）。使用寿命的标准是：在测量到切削力升高时检测到的可转位刀片的断裂。使用寿命的定义是可转位刀片断裂前能够承受的刀刃入口的冲击。

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部分超过建议最大值

　　选择的切削试验过程参数按照相应的切削材料和所使用的可转位刀片进行了调整，使刀刃在一个适当的时间段内发生断裂。这意味着在具体情况下，参数的调整必须高于制造厂家建议的最大值。

　　S 235 JR、EN-GJS 260 Gr和AlSi10Mg三种材料当中的每一种都同三种不同的垫板进行了组合。在9种可能的组合中，每个系列做十次试验，一直运行到刀片断裂。此外，在对结构钢进行加工时，用刀具制造厂家Tübinger Walter AG公司的原装垫板同样进行了试验。

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　　用铝合金所做的切削试验没有取得可以利用的结果。即使在500m/min和3675m/min之间的切削速度进行变化，也没有导致在适当的可以预见的时间段之内刀刃的断裂。所以仅列出了加工钢和铸铁材料的结果。

图3  负荷变换弹性模数图，以及采用S 235 JR材料所做测试系列的平均值比较

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　　加工S 235 JR材料在刀刃断裂前所达到的荷载循环见列于对相应材料弹性模数的各种垫板上。从中可以清楚地看出，垫板的变化可以对刀具的使用寿命产生影响。与硬金属原装垫板相比，使用钢垫板可以将平均使用寿命提高176%（见图3）。

　　相反，使用灰口球墨铸铁制成的垫板的平均使用寿命减少了约30%，而使用多层石墨铸铁制成的垫板则使使用寿命提高了42%。

　　以EN-GJS 260 Gr为材料所做的试验则是另一种情况。与钢制垫板相比，无论是球墨铸铁制成的垫板（提高330%），还是多层石墨铸铁制成的垫板（提高37%），都在使用寿命方面具有明显的优势（见图4）。

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图4  负荷变换弹性模数图，以及采用EN-GJS 260 Gr材料所做测试系列的平均值比较

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　　加工铸铁材料在刀具使用寿命上出现的个别的极端差别，其部分原因归咎于结果数值的波动，因而需要继续加以核准。这些结果和前期所做的车削试验取得的结果很难形成对比，因为有一部分出现相互矛盾的现象。

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所有加工都需要垫板

　　不过似乎这还回答不了对普遍适用的最佳的柔韧性的问题。倒是应当提出这样的问题，哪种柔韧性对于什么样的条件才是最佳的。例如，有各种的加工过程（铣、车），以及各种的工件材料很难做相互比较，需要根据结果做出判断，不同的柔韧性或垫板是根据相应的加工情况进行调整的。

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　　使用寿命试验的结果波动幅度很大，而且也没有普遍适用的最佳柔韧性，这种趋势要求在减少干扰因素的同时继续对柔韧性的影响进行试验。同时，还提出了这样的一个问题，在垫板基础上对柔韧性做简单的变化，所取得的结果是否会消失在波动范围内。

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　　WBK研究所后来的跟踪研究也表明，取得较为可靠的结果的一种可能性在于，设计一种主动铣头，这种铣头的柔韧性可以无级调整，而且能够继续加强我们所希望的效果。例如，可以设想一种液压机械式的刀具系统，该系统在可转位刀片后面装有一个压力可变的油箱，油箱可以改变柔韧性和减振。【MechNet】

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