程耀楠++韩禹++卢真真++刘利++刘亦智

摘要：针对在重型切削过程中，切削力和切削温度远高于普通切削，刀具失效严重制约加工效率和加工质量的问题，以重型切削的典型零件水室封头为研究对象，依据叠加原理，采用有限元方法，进行层切铣刀的优化设计及分析.首先进行切削实验，分析层切铣刀和面铣刀的切削性能：其次结合重型切削特点，从层切铣刀阶梯、刀具几何角度和不等齿距等方面，设计适合于加工水室封头的层切铣刀；然后通过有限元仿真优化主偏角和分析不等齿距对刀具固有频率的影响；最后对优化的层切铣刀进行铣削性能仿真验证.通过以上研究过程，为重型切削刀具设计及仿真分析提供参考和理论支撑.

关键词：层切铣刀；重型切削；不等齿距；有限元分析

DOI： 10.15938/j.jhust.2015.03.001

中图分类号：TG501

文献标志码：A

文章编号：1007-2683 （2015）03-0001-07

0 引 言

在我国重点工程建设中，随着工业装备向大型、大容量、高参数、高效率的方向发展，各行业对重型、大型技术装备及其设备制造的要求也越来越高，因此重型、大型装备零件，如重型机床的导轨、飞机起落架、核电行业中应用的筒节和水室封头等的机械加工显得尤为重要，在某些零件加工中（如机重型机床导轨、水室封头等），多以平面铣削为主，大约占工作量的60%以上，普通刀具无法满足高效加工的要求，需要开发新型高效率的重型铣削刀具来满足要求.重型机械加工刀具技术的发展仍然落后于发达国家，因此有必要对重型加工铣削刀具进行优化设计及分析.

在普通加工中，层切铣刀又称阶梯铣刀，已较多应用于工厂的生产，国内诸多学者进行过相关研究，文对铣削图形的分析，提出一种径向位错量较大的单组阶梯铣刀；文对自阶梯层剥强力端铣刀进行研究，分析得到自阶梯层剥强力端铣刀散热效果和加工效率有明显的提高；文设计的可转位阶梯面铣刀应用于汽车生产，解决了加工设备功率较小的问题；渭阳柴油机厂王荣国认为阶梯式端铣刀在普通平面铣削时，主偏角以75。最佳，而在加工凹凸不平的表面时主偏角应选择900.目前，将层切铣刀较多地应用在普通大切深加工中，而切削大型、重型零部件的公开资料和参考经验较少，

由于铣削是断续加工过程，对于抑制铣削加工时振动多国学者进行过研究，认为不等齿距对抑制铣削加工的振动有良好的效果，文通过X5030A立式升降铣床进行的对比实验，分析得出不等齿距分布端铣刀的振动位移小于等齿距分布端铣刀；文利用XS5040铣床进行的高速铣削对比实验，验证不等齿距刀具抑制振动的效果，并且通过对比发现不等齿距铣刀加工的表面质量优于等齿距分布刀；文在MICRON UCP五轴数控加工中心进行切削对比，利用时域和频域进行分析，验证不等齿距分布铣刀切削的振动小于等齿距分布的铣刀.在普通切削中，层切铣刀和不等齿距分布对提高表面加工质量和抑制振动有明显的效果，但在重型切削中，由于切削参数和刀具要求不同，应用不等齿距式层切铣刀的理论和经验不足，缺少重型切削刀具设计的理论基础，因此本文对重型铣削水室封头零件层切铣刀进行研究.

应用于核电行业的水室封头零件，其加工方式在行业内被认为是典型重型切削，水室封头材料为低合金高强度SA508Ⅲ钢，为难加工材料，并且其毛坯为锻件，可加工性非常差，表面有裂纹、金属夹杂、锻造铲沟、锻造坑包、表面折叠、氧化皮、硬而脆的网状碳化物等缺陷，使刀具在加工时产生较大冲击力，易使刀具发生冲击破损，降低刀具使用寿命，影响加工效率和表面质量，水室封头铣削加工过程材料去除量大，一般达到70%左右；刀具易发生粘接失效，影响使用寿命低，需频繁换刀，严重制约生产效率，导致生产成本和资源消耗严重.本文以核电行业所用的典型零件大型蒸汽发生器水室封头零件的加工为研究对象，优化设计不等齿距层切铣刀，以提高水室封头的加工效率.

1 层切铣刀切削性能实验

通过切削对比实验，分析层切铣刀和普通铣刀的切削性能.实验条件等如下：

加工刀具：层切铣刀（φ125）、普通面铣刀（φ125）；

工件材料：SA508Ⅲ钢；

实验仪器：铣床、Kistler测力仪、表面粗糙度测量仪.

实验进行L。（34）的正交实验，取切削速度（v）、每齿进给量（fz）、铣削深度（ap）3个因素变量，并设定3个水平（实验参数见表1）.图l为铣削实验现场图，实验中应用测力仪测量各个方向切削力最大值以及切削力的变化曲线（如图2所示），应用表面粗糙度测量仪测量表面粗糙度.

通过实验结果对比分析可知：层切铣刀切削性能要优于普通面铣刀，其切削力小于普通的面铣刀，且表面加工质量和加工效率优于普通面铣刀.进行层切铣刀和普通面铣刀的对比实验，可为重型层切铣刀的设计提供加工基础.

重型切削中，刀具的加工条件、刀具失效机理与普通切削有所差异.实际加工经验和资料表明，重型切削的切削力和切削温度都高于普通切削，一般重型加工切削力为普通加工切削力的数倍甚至达到几十倍，切削温度可达1000℃以上，刀具承受变载荷冲击和热冲击，易产生振动，并且水室封头锻造件表面缺陷较多，加工时不断变化的切深导致刀具易发生冲击破损，制约刀具的使用寿命低.加工过程中，需要频繁更换刀具，制约重型切削的加工效率，严重影响表面加工质量

2 层切铣刀的设计

本文基于重型平面铣刀并结合层切铣刀和不等齿距刀齿分布等特点，进行适用于水室封头加工的高效不等齿距层切铣刀的设计.

2.1 刀盘直径的确定

铣刀的直径对寿命有直接的影响，若刀盘直径选择不合理，会加剧刀片磨损或造成崩刃，导致切削力急剧变化，产生振动.铣刀直径同样还影响铣削表面粗糙度和生产效率，确定面铣刀直径应保证：第一，其最大直径不能和夹具或其他设备相干涉；第二，面铣刀的有效直径应为铣削宽度a。的1.3 -1.5倍.