高速剑杆带铣深槽工艺研究

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摘 要：对K88复合材料高速剑杆带的铣深槽工艺进行了研究，利用单因素法，分别试验了刀具材料及刀具几何参数、切削加工参数对其宏观加工效果的影响。与此同时，在保证质量和效率前提下，初步确定了K88深槽加工的加工工艺：使用3切削刃的直刃硬质合金刀具，在转速3400r/min情况下，一次直接吃到深度。

关键词：高速剑杆带；铣削加工；刀具；加工参数；加工效果

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2013）15-0182-02

1 前言

近几年，剑杆织机逐渐向高速发展，其配套剑杆带产品也为了适应其高速运转的特点，新近开发出了几种厚、窄、孔型小的新产品，K88是其中一种较典型的产品。其产品厚度为4mm，通长段宽度为13mm，带身孔型为3.1×44mm，且在加工面有一个深1.9mm、宽6.7mm的通槽。

由于该通槽一是为了满足带身孔与剑轮的配合，二是确保剑杆带能在导轨中平稳运行，因此该通槽的加工质量就尤为重要。由于复合材料与金属性质不同，它是多层含胶的预浸料叠层复合成型，所以该通槽在铣削加工中，会出现分层、槽底有明显的刀痕等问题，因此必须进行相关工艺研究。本文通过对K88复合材料剑杆带的铣削加工入手，利用单因素法，分别试验了刀具材料及刀具几何参数、切削加工参数对其宏观加工效果的影响，为该类剑杆带产品的深槽铣削加工工艺设计提供一定的实验基础。

2 铣削加工试验

2.1 试验方法

依据铣削加工后深槽分层情况及加工后槽底、槽边的外观质量，取得相关加工参数。

2.2 试验方案

K88复合材料铣削加工试验，所用增强材料为碳纤维预浸料和聚酯纤维布，基体材料为配方环氧树脂。试件为特定铺层结构，复合成型后加工成450×13×4mm的窄条。刀具进给方向与试件铺层方向一致。通过试验不同的刀具材质及刀具几何参数、不同切削参数（切削深度、切削速度、进给量），对试件的加工质量进行评价判定，并获得相对理想的加工参数。

3 试验结果及分析讨论

3.1 刀具材质

本次研究，主要使通过全高速钢刀具和整体硬质合金刀具进行试验比较。采用高速钢立铣刀，加工初期试件的槽底、槽边质量较好，分层情况不明显，有少量发生分层；但在累计加工长度超多10米后，试件的槽底、槽边宏观质量明显下降，分层情况增加明显；而采用硬质合金立铣刀，试件的加工质量一直较好，分层情况虽时有出现，但基本保持某一个较低比率。见图1，图2。经分析，主要原因如下：复合材料制品本身具有导热性差、组织不均匀等缺点；

高速钢刀具硬度低、耐磨性差。在加工时，切削区温度高且集中于刀具切削刃附近，纤维的回弹及粉末状的加工屑又加重了擦伤刃口和后刀面，同时由于碳纤维的硬度较高，因此高速钢刀具磨损严重，耐用度低；硬质合金刀具硬度高、耐磨性好、导热系数高。由于硬质合金比普通淬火钢的导热系数高10倍以上，因此在相同加工条件下，使用硬质合金刀具加工试件，其切削区的温度相对较低，对复合材料影响较小，同时硬质合金刀具不产生积屑瘤，故而硬质合金刀具不易磨损，且宏观加工质量好。

经过多次验证，使用硬质合金刀具进行K88铣深槽加工，对分层现象有较好的改善效果，且宏观加工质量较高；同时硬质合金刀具耐用性较佳，只要无崩刃或后刀面无明显高亮磨损情况，即可正常使用。

3.2 刀具几何参数

根据刀具几何参数，可笼统的把立铣刀刀具分为螺旋刃铣刀和直刃铣刀。采用螺旋刃铣刀，在进行试件加工时，较易出现分层现象。而采用直刃铣刀，加工同类型产品时，分层情况相对较少；同时，采用直刃铣刀，其槽底、槽边的宏观加工质量好于螺旋刃铣刀。见图3，图4。

产生此情况的原因为：螺旋刃铣刀，其前角与刀具轴线有一定夹角，在进行铣削加工时，就会在侧边产生一个较大的螺旋力，同时，由于试件深槽为连续铣削加工，其刃角也会与试件断面形成的相对夹角而产生一定的层间应力；而当由螺旋力引起的层间应力（占大部分）和连续加工时刃角与试件夹角产生的层间应力（占小部分）总和大于层间界面强度时，就使得剑杆带头部碳纤维层之间产生剥离分层。而直刃铣刀，其前角为0度，与刀具轴线平行，不会出现层间应力，只是在连续加工时，其刃角会与试件断面形成的相对夹角而产生一定的层间应力，此层间应力较小，一般不足以破坏层间界面强度。

3.3 刀具刃数

刀具刃数一般由一个到多个，可叫为单刃、2刃、3刃、多刃刀具。由于刀具本身直径仅有6.6mm，考虑到强度及后期刃磨的情况，本试验研究只进行了2刃、3刃铣刀的试验，其试件铣削加工后，分层情况无明显差异，槽底、槽边的宏观质量，3刃略好于2刃。原因分析：切削刃的增加，减小了在快速加工时每个刃口的平均吃刀量，降低发生让刀、振动的几率，使切削更加平稳，因而在进行试件加工时，3刃铣刀就会好于2刃铣刀的加工质量。

3.4 切削参数

切削参数主要包括切削速度、进给量和切削深度三个要素，其各自的变化对切削质量有较明显的差异。本次试验加工，是在进给量不变的情况下，通过改变其他两个要素以及采用不同刀具参数来进行铣削加工试验。

3.4.1 采用螺旋刃非标尺寸铣刀（6.6mm）

分别采用0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm及1.8mm（一次吃到深度）等几种切削深度，分别在1100r/min、1495r/min、3400r/min等转速下，对试件进行多种组合性试验。根据试件加工后的加工质量来判断，发现刀具在转速3400r/min情况下，按照先0.5mm切削深度加工1.5mm深，再0.2mm切削深度加工剩下的余量直到工艺尺寸，此时分层现象最少，出现分层的缝隙尺寸最小，且槽底、槽边宏观质量相对最好；同时确保了加工效率，见图5，图6。

原因如下：从金属切削加工的成熟理论来看，在一定范围内，切削速度越高越好；在加工复合材料试件时，一定程度上也符合该理论。单次切削深度过小，试件因刀具挤压发生一定的弹性变形，而无法达到实际切削，从而出现刀具底端与试件剐蹭摩擦产生加工刀纹，所以加工质量不佳；而单次切削深度过大（一次吃到1.8mm深度），就会导致螺旋力引起的层间应力和连续加工时刃角与试件夹角产生的层间应力过大，从而就使得试件多层碳纤维层之间产生剥离分层现象的几率增加。

3.4.2 采用直刃非标尺寸铣刀（6.6mm）

分别采用0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm及1.8mm（一次吃到深度）等几种切削深度，分别在1100r/min、1495r/min、3400r/min等转速下，对试件进行多种组合性试验。根据试件加工后的加工质量来判断，发现刀具在转速3400r/min情况下，不管是一次直接吃到深度，还是通过多次切削加工到工艺深度，其在分层现象、出现分层的缝隙尺寸及槽底、槽边宏观质量等方面，均没有明显差异；只是在较小吃刀量时，有一定的刀纹出现。见图7。

原因分析如下：由于其前角为0度，与刀具轴线平行，不会出现层间应力，只是在连续加工时，其刃角会与试件断面形成的相对夹角而产生一定的层间应力，而不管采用一次吃到深度还是多次加工吃到深度，其相对层间应力均较小，基本不足以破坏层间界面强度。

4 结论

通过刀具材质及刀具几何参数、切削加工参数等方面试验研究及分析，初步得出保证K88铣深槽加工质量的相关结论有以下几点：采用硬质合金刀具；采用直刃立铣刀优于螺旋刃立铣刀；3刃刀具优于2刃刀具；采用螺旋刃非标尺寸铣刀，在转速3400r/min情况下，按照先0.5mm切削深度加工1.5mm深，再0.2mm切削深度加工剩下的余量直到工艺尺寸，可获得较理想效果；采用直刃非标尺寸铣刀，在转速3400r/min情况下，可采用一次直接吃到深度的方式进行加工。根据以上结论，并在保证质量和效率前提下，初步确定了K88深槽加工的加工工艺：使用3切削刃的直刃硬质合金刀具，在转速3400r/min情况下，一次直接吃到深度。

参考文献

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