钻铣切削加工负荷分析

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一. 铣削加工

铣削操作为使用具有一个或一个以上之切刃并绕著某一固定轴旋转的刀具来进行切削的操作，切削时刀具固定而工件进给以完成加工。由切削所产生的切屑形状可以更进一步区别出此切削操作与其他金属切削操作不同的地方，铣削所产生的切屑一般都是短而不连续的碎片，在此强调的是，铣削时会产生不连续切屑是由于刀具的几何形状所造成的；而不是如车削加工一样不连续切屑是由于切屑的破裂所产生的。对于大多数的铣削操作而言，未变形的切屑厚度由切屑的一端到另外一端都一直在改变，最大切屑厚度可能发生在切屑的任一端或者是在靠近切屑中央的位置，但这完全视切削过程而定。铣削时由于切屑成规则性的不连续变化，使得切削力与切削温度也呈周期性的变化，而并非稳定状态。当刀具切入工件时，刀尖会受到强烈的冲击陡震，接著是切削负载一直在改变。当刀具切入工件时，刀具表面是冷的，但是在切屑形成过程中逐渐受到加热，当切屑形成以后又开始受到冷却，直到下一个切入动作产生。刀具切入时的陡震现象对刀具本身的寿命很不利，而冷却周期则是有帮助的，除非所使用的材料对于热陡震很敏感。

切削过程中，由于切削负载是呈周期性的变化，此提供了引起工具机任一部份之振动的自然模态所需的能量，此种振动会使得表面粗度很差，而且将使刀具寿命降低。

铣削加工操作的最大优点之一就是小而轻的刀具很容易在高速率下旋转，以便在尺寸及形状变化很大的工件上製造出平坦或弯曲的表面。 $ S. K" H7 l/ n. Y2 d6 |

图  作用于铣刀和工件或铣床工作台的切削分力图

* R) j' \0 [9 F9 p

如图所示为进行铣削加工时，作用于铣刀和工件或铣床工作台的切削分力。 0 s$ B' @, a. H& V4 o, u- ?' k

以动力计测出铣削负载：

# X5 E) K) q8 p
1. 作用于铣刀的切削分力 5 d1 x8 |7 |) `9 B; V Z
   # F5 \. |1 B- v8 F9 m7 X# H
   • 主切削力或圆周(切向)分力Fz：其作用于铣刀转动的切线方向，为消耗功率的主要切削力。 O! }! p1 p1 ?! j/ t
   • 径向分力Fz：其作用于铣刀之径向，与切向力Fz两者之合力，此将造成铣刀心轴弯曲和扭转。 / } m( \& |* U1 s2 Q% t' H# R
   • 轴向分力Fy：其作用于铣刀轴线方向，大小对于螺旋齿之圆柱铣刀来说与螺旋角β的大小有关。
2. 作用于工件或铣床工作台的切削分力 / j0 _8 [( y$ R/ s; @8 e# {: x4 M
   使用螺旋齿圆柱铣刀铣削时，Fvh(F'xz)与铣削抗力Fz和Fx的合力Fzx大小相等，作用方向相反，而作用于工件或工作台的切削力又可分解为以下三个分力：

   ( h% y4 K1 [* O0 u
   • 水平分力Fh：其与铣床纵向进给转动方向平行，作用在铣床纵向进给机构上。 3 h* f' n5 A9 N& P
   • 垂直分力Fv：其垂直于铣床工作台。对螺旋齿圆柱铣刀铣削，Fv是Fvh(F'xz)的分力，依铣削方式的不同，会使工件自工作台抬起或压向工作台；对于端铣刀铣削，Fv与Fy大小相等，但方向相反。
   • 横向分力Fv：其平行于铣床横向进给转动方向，作用于铣床横向进给机构。对于螺旋齿圆柱铣刀铣削而言，Fv与Fy大小相等，方向相反；对于端铣刀铣削而言，Fv是Fho(F'xz)的分力。

二. 钻削加工

钻头是一种能够在金属零件上快速且容易产生孔的工具，其可以用于高精密钻孔上，例如PCB钻孔。而其由于寿命长、高穿透率而广受青睐。 - y$ q. T- ]) a% B- x

一般标准麻花钻头有两个主切削刃、两个负切削刃和一个横刃。在切削过程中，每个切削刃所受的切削负载在理想的情况下是相互抵消的，而经整理化简后可将各切削负载的合成视为一个扭距Me和进给负载Ff。 , s! N! ?; k4 m$ E

根据实验结果资料显示，标准麻花钻头钻削负载在各切削刃上之分配比例如下表一所示。由表中可得知，钻削一般材料时，轴向负载主要来自横刃，约佔总轴向力的57﹪；而扭矩主要主切削刃产生，约佔总扭矩的80﹪。 + ?+ R3 ~* s% Q% J& X4 a5 D1 ]5 T! i$ G5 Q* u" O" \" \9 A6 n: X# U ?% f2 P% ]3 X4 H7 h! } j; B# T

表1 钻削负荷分配比例关系

钻削负载 - L; u$ I c$ R9 [3 s- t	主切削刃	横刃 $ o7 a5 i R6 S	刃带 7 k6 ?6 ^5 y) Y
进给负载Ff	40﹪	57﹪ - y$ L# F- f1 U/ m3 [6 L4 ~+ ]0 O	3﹪
扭矩Me	78﹪	10﹪	12﹪标准麻花钻头钻削时的进给负载

Ff(N)、钻削扭矩和切削功率可利用以下实验公式计算得知：
扭矩Me
Me=9.81Crd₀^XTf^YTK_T
轴向负载Ff : `6 Y" S2 i; e. Z: TF=9.8C<sub>F</sub>d<sub>0</sub><sup>XF</sup>K<sub>F</sub> - ?5 } `" r1 H1 q& `

上式中，CT、CF为切削补正系数， XT、yT、XF、yF为切削指数由下表皆可得知。KT、KF为修正系数乘积，若使用新钻头进行钻削，则轴向负载修正系数KF为0.9，扭矩修正系数Me为0.87；又d0表钻头直径。 ! T$ N; ^$ B7 j, N8 m' v3 q# W$ b8 G3 U8 Q" i9 f7 h$ z3 z7 N1 B" X; G7 M6 F& Y3 M. h3 S# b7 K5 X8 C3 [! B8 J. D8 }$ `% I9 `+ B) U- O9 T6 N3 Z7 L: o9 J7 B, N1 `* S2 W. P) i& i, s6 G. s; J( J

表2 钻削系数与指数参考关系表

加工材料 9 ~1 e- k) U3 ?* y3 o2 L	刀具材料 " j) ]4 [. W) c( l4 L$ t	系数和指数 & ?- Z/ F" f2 q0 m) f
		轴向力力矩
		CF 5 p2 s; J# {" w/ g) d	XF , a9 u1 I; U$ l1 c* G	YF ' _/ G3 W6 G; ?8 W3 }) t	CT	XT % t4 f% `9 ]% X	YT s! z- r: N; V @5 H3 E- z
钢σb＝0.637GPa ; e! R4 o5 C& ?0 l% A2 B0 e6 j; }% n	高速钢	61.2	1.0 $ }! R* H# ]) d& k3 K4 Q	0.7	0.031	2.0	0.8 8 K2 a: ?! s* ^& O4 [' v/ T
耐热钢1Cr18Ni9Ti	高速钢	143	1.0	0.7 4 O X# N' M+ U2 q' q; v	0.041 & O8 \8 j1 ~' j	2.0	0.7 ( T3 v+ W0 U& h- Y/ `
灰铸铁190HB	高速钢 $ l- {9 D, }! v1 e	42.7	1.0	0.8 3 a( x' U' [5 k/ F/ f	0.021	2.0 0 k4 v$ R7 f, K. \	0.8 1 A( r& g: \* b# h! ]( O2 y+ f+ |9 }
	超硬合金 7 B2 s% ~2 S! S1 X+ v; M/ N' W; @	42 & J" j5 g& i% Z4 d/ @# o0 D2 e. v	1.2 ( a6 X0 i" i0 L# }# z	0.75 % l6 \; ^+ j$ V9 C" }& [$ U5 H	0.012	2.2 ~0 V W; S/ p; z h/ N+ ^' \3 @! E	0.8 9 l3 f; i$ f: _9 n
可锻铸铁150HB 6 h- \# S" @/ |0 y+ c	高速钢 2 [# T3 ^, u2 p$ I6 ^8 t	43.3 / s! r: Q& a" J; O	1.0	0.8 : Z1 C& z) C6 y1 H5 O, F	0.021	2.0 7 S) ~* W5 m' [- ]	0.8 4 d, h% {( U3 F5 z# r7 J. }6 b# B# j
	超硬合金 5 V, S$ P7 M" E& K( p$ w* V	32.5 0 V- z# l* G8 h	1.2 7 h' y V/ S, J- e4 q/ z: }" f	0.75 ) l. s6 ~' v1 A4 r n	0.01	2.2	0.8
非均质铜合金100～140HB , X; j; Z) W1 y	高速钢 6 T6 h* E9 _4 R- x6 Q	31.5 ) y8 v5 z8 Q- ]% y* y	1.0 ; N* ?# T/ C! T- ?8 Y1 V	0.8 # c8 v5 \3 o% S$ P* s+ e	0.012	2.0 , w D% E* h% P& N	0.8

而钻削功率可由下式得知。 / _; W3 W5 c" ^6 ?P_m=2pTn10^-10/60

式中，T为力矩，单位为N‧m；n表钻头或工件之转速，单位为r / min；Pm表所求之钻削功率，单位为kW。