智能制造生产中立铣刀产生纹路的原因及解决方法

    孙中柏

    摘 要：立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀，立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。主要用于平面铣削、凹槽铣削、台阶面铣削和仿形铣削。立铣刀在切削过程中容易产生纹路，俗称刀纹，从而影响零件的表面质量，针对智能制造生产中立铣刀产生纹路的主要原因进行深度剖析，并提出具体的解决方法。

    关键词：智能制造；立铣刀；纹路；解决方法

    中图分类号：TD534；TD547 文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.04.002

    常用立铣刀一般以三刃和四刃右旋为主，螺旋角多以30°、45°、60°最为常见，也有其它定制角度和螺旋方向的刀具，例如0°螺旋角的刀具（成形刀居多）主要用于高光面加工。以下将从立铣刀加工侧面和立铣刀加工平面进行刀纹产生的原因分析并给出具体解决方法。

    1 立铣刀加工侧面产生纹路的原因及解决方法

    立铣刀加工侧面产生纹路的主要原因有：每齿进给量的大小、刀具刃口微创伤、进给速度不均匀、机械振动等。

    1.1 每齿进给量对侧面纹路的影响

    在加工零件侧面时，工件表面会形成很多凹圆弧拼接而成的纹路，是由每个侧刃交替切削形成。如图1所示，在相同的主轴转速下，使用不同的进给量分别加工出的3层侧面。

    从图1可以看出降低进给速度或提高主轴转速可提高表面光洁度，即每齿进给量越小，粗糙度越小。在正常的每齿进给量下，表面残留的高度都在几微米以内。而在刀具的安装过程中可以发现，因为主轴锥孔的径向跳动，弹簧夹头与刀柄的同轴度等误差，都会导致在实际加工时，刀具的每条侧刃切深不在一个平面上，使得实际的残留面高度如同单刃铣刀加工出来的。一把普通BT30刀柄夹持四刃立铣刀时四条侧刃的最大径向误差达到33 μm，远远大于加工所需要达到的理论残留面高度，如图2所示，直接影响到工件的表面质量。因此在智能制造生产中要选择相应的高速刀柄，使用正确的刀具安装方法。

    1.2 刀具刃口微创伤对侧面纹路的影响

    若在工件表面上沿着加工方向有明显的拉丝痕迹，一般由损伤的刀具刃口导致，应及时更换刀具。若在工件表面上沿着加工方向有明显的灰色毛刺痕迹，一般由后刀面磨损或黏刀导致，应更换刀具或加大切削液的流量和浓度。

    1.3 进给速度不均匀对侧面纹路的影响

    若XY两轴合成运动加工的侧面出现深浅不规则的竖条纹，如图3所示，大多是因为进给速度不均匀所致，适当提高伺服驱动器的速度环比增益即可。

    1.4 机械振动对侧面纹路的影响

    若被加工表面上的竖条纹扭曲或不连续，主要是振动引起的不流畅切削导致。

    1.4.1 主轴振动

    主轴在个别转速下有较明显的振动，该振动导致刀具的每个刃出现不均匀切削，从而使工件表面粗糙度变差。应该检查机械装配精度及轴承有无异响等情况，同时优化驱动器陷波功能对共振点进行抑制。

    1.4.2 刀具振动

    在进行轮廓加工时，刀具会在内拐角处产生很深的螺旋状刀纹。该现象是由于铣刀在平面上吃刀量小于刀具直径，加工侧壁向内侧拐弯时由于吃刀量突然增加导致的“弹刀”。

    解决刀具振动方法如下：

    （1）增加刀具刚度：缩短刀具夹持长度、更换强力刀柄、短切削刃的刀具。

    （2）减小侧向力：更换大螺旋角和刃数多的刀具、减小XY平面的吃刀量、Z向分层加工。

    （3）系统在拐角处降速：增大加减速时间常数和陡度时间常数，减小拐角降速比例，使系统在拐角时缓慢过渡。

    （4）CAM后处理时勾选“拐角降速”一类的选项，降低拐角处的给定进给速度。

    （5）CAM后处理时使用“摆线铣”一类的等体积加的方法。

    2 立铣刀加工平面产生纹路的原因及解决方法

    一般情况下立铣刀底部的横刃不过中心，因此不能进行Z向的切入铣，只能从工件外部进刀或螺旋试下刀及斜插试下刀（也叫坡走下刀）。立铣刀加工平面产生纹路主要有常见立铣刀底纹以及刀具颤振引起的底纹。

    2.1 常见立铣刀底纹

    刀具在匀速前进过程中，刀身会略微弯曲（前倾），正常情况下这种弯曲不足以使刀尖在旋转到后方时离开工件表面，从而产生扫尾痕迹，即“回头纹”。

    当切削力较大时，刀尖旋转到后方时会离开工件表面。只会在工件表面上留下前部切削的刀纹。若进给速度突然发生变化或切削力方向变化时，刀具在卸力的瞬间恢复后方的切削，导致工件表面产生一个圆环状的刀纹，如图4所示，可通过降低进给速度、增加拐角处程序圆弧的大小或增加系统参数中的加减速时间常数解决。

    2.2 刀具颤振引起的底纹

    不论是连续的小线段或是长直线及圆弧轨迹，都会出现明暗交叠的圆环状的刀纹，像一层层波浪。以下是刀具颤振引起底纹的原因及解决方法：

    2.2.1 稳固性太差

    解决稳固性太差的方法如下：

    （1）保证机床水平，所有的6个地脚牢固安装，地面厚实抗振。

    （2）保证工件的有效固定及夹具的结构刚度，避免过大的悬伸和薄壁。

    （3）保證刀柄的刚性，检查弹簧夹头和刀柄锥面是否磨损，并且测量安装刀具后的径向跳动，各连接部分是否有铁屑残留，保证锥面间的有效贴合面积，安装刀具时ER加紧螺母是否达到有效锁紧扭矩。

    （4）保证刀具的刚性，减小刀具的悬伸量，更换多刃刀具或定制的短刃刀具。

    2.2.2 驱动性能原因

    解决驱动性能的方法如下：

    （1）避免进给轴使用较高的临界增益值引起的振荡，以及较小的滤波参数引起的系统不稳定。

    （2）指令加速度过大引起的胁迫振动，应增加指令平滑周期、增大加减速时间、降低向心加速度等。

    （3）避开或抑制主轴共振点。

    2.2.3 不合理的切屑参数

    解决不合理切屑参数的方法如下：

    （1）降低切削速度。

    （2）提高进给量。

    （3）改变切削深度。

    3 结束语

    在智能制造生产中，刀纹的产生会直接影响工件的表面质量，但刀纹也不可能直接消除，只能通过各种途径来减少刀纹的产生。在智能制造生产中使用到的刀具种类也是非常繁多，本文仅针对常用的立铣刀在加工过程中产生纹路进行了分析及提出解决方法。生产加工中的零件表面质量，主要涉及的方面是表面层几何微观形状误差以及表面层的物理机械性能。而在实际生产过程中，对相关的工艺流程进行强化，使用相关工艺手段，对加工细节做到完善，通过保证零件表面粗糙度来防止零件使用性能受到表面加工质量的影响。

    参考文献：

    [1] 刘建磊. 机械加工零件表面质量控制分析[J].南方农机，2017（24）.

    [2] 李建. 影响数控机床加工精度因素及改进关键问题探讨[J].中国设备工程，2018（20）.

    [3] 鲍树国. 数控机床加工精度异常故障与处理[J].内燃机与配件，2018（23）.