专利名称：控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法
技术领域：
发明涉及一种用于高速铣削工艺领域；具体涉及一种控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法。
背景技术：
球头铣刀是一种高速切削复杂曲面的典型刀具，在汽车大型淬硬钢模具型面精加工中应用广泛。为了保证大型淬硬钢模具型面的完整性和汽车覆盖件成形质量，一道工序内，不同硬度的加工区域需要由同一台机床和同一把刀具完成，刀具使用寿命应达到4h以上，对高速球头铣刀使用寿命和消耗量的控制提出了较高的要求。由于模具淬火表面和镶块硬度超过HRC55，存在较大的弹性回复，且型面加工特征多变，高速球头铣刀精加工时切削速度 和切削效率大幅度提高引起的刀具变形、振动、磨损、破损极易导致不可预料的刀具损伤，直接影响其使用寿命，由此导致的铣刀消耗量和辅助工时的显著增加已成为加工企业控制工艺成本与工艺质量的瓶颈。目前，在高速铣刀使用寿命与高速铣削工艺技术研究方面，主要采用控制变量法针对某个特定的工艺参数进行研究和建模，较少全面综合考虑多特征量对高速铣刀使用寿命与切削效率的影响。采用上述方法和结论无法解决高速球头铣刀切削淬硬钢过程中多特征量交互作用引起切削效率与刀具寿命的功能耦合问题，较难在工艺上获得最优方案。在此条件下，进行大型淬硬钢曲面高速铣削加工，其后果是铣刀超期服役，安全可靠性迅速下降，不仅无法保证加工精度和加工表面质量，而且直接导致铣刀失效，引发多种安全性问题。
发明内容
发明的目的是提供一种采用球头铣刀高速切削大型淬硬钢复杂曲面刀具延长使用寿命与减小消耗量的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法。上述的目的通过以下的技术方案实现
一种控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，本方法首先采用变悬伸与变转速切削方法进行涂层硬质合金球头铣刀高速铣削淬硬钢振动磨损实验，获得了高速球头铣刀切削淬硬钢初期磨损特征；然后通过高速铣刀切削淬硬钢实验，得到了铣削方式、力口工倾角0° 15°、铣刀直径30-20mm、转速3000-8000rpm、行距O. 2-0. 45mm和切削路径对高速铣刀切削效率与使用寿命的影响；之后在高速铣刀效率寿命功能价值与铣刀消耗量评估分析基础上，得到了高速铣削大型淬硬钢复杂曲面过程中控制刀具消耗量的工艺设计方法，用于在汽车覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工中进行工艺验证。所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的高速铣刀切削淬硬钢振动磨损实验是采用直径为20mm,悬伸量为92mm或IOOmm或105mm或IlOmmffc刀，分别以转速5000rpm或6000rpm或7000rpm或8000rpm进行切削淬硬钢初期磨损实验。所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的铣削方式是在主轴转速SOOOrpm条件下，分别采用顺铣和逆铣方式进行高速球头铣刀切削淬硬钢磨损实验，工件材料为Crl2MoV，硬度HRC55-60。实验获得了高速球头铣刀磨损曲线对高速铣刀使用寿命影响。所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的加工倾角是在主轴转速8000rpm条件下，分别采用沿行距方向固定加工倾角(15° )和变加工倾角(0°^15° )进行涂层硬质合金高速球头铣刀切削淬硬钢磨损实验，获得铣刀磨损状态及磨损曲线。所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的定倾角切削铣刀切削刃切触长度范围为2mm，定倾角切削铣刀的磨损位置相对集中；在铣刀磨钝标准均为O. 2mm条件下，定倾角切削铣刀切削长度约为270m ;所述的变倾角切削铣刀切削刃切触长度范围为3. 6mm，在铣刀磨钝标准均为O. 2mm条件下，变倾角切削铣刀切削长度为448m。所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，在铣刀直径 30-20mm时进行涂层硬质合金高速球头铣刀切削淬硬钢实验；其中，铣刀悬伸量为92-110mm，齿数为2,每齿进给量为O. 2-0. 4mm,轴向切深为O. 2-0. 3mm,统削行距为O. 2mnT0. 45mm。所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的铣刀消耗量公式为，其中A为高速铣刀效率寿命功能值(m2/个)，T为铣刀使用寿命(min)，St为单位时间切削淬硬钢型面面积(m2/min)，S为淬硬钢型面切削面积(m2)，m为铣刀消耗数量(个)。有益效果
I.本发明有效的解决了高速铣削大型淬硬钢曲面铣刀高效率与长寿命等服役性能冲突引起的工艺域干涉问题，延长了较高切削效率水平条件下高速铣刀的使用寿命和刀具消耗量的控制。本发明的铣刀逆铣过程一直处于较平稳切削状态，切削长度为384m，尚未达到磨钝标准；实验结果表明，铣削方式对铣刀维持其高速切削过程中正常磨损阶段的切削能力具有显著影响；铣刀顺铣过程中在较短切削行程内发生了较为剧烈的磨损过程，缩短了刀具使用寿命；铣刀逆铣过程中的磨损较平稳，有利于延长高速切削条件下刀具使用寿命。本发明的变倾角切削未改变铣刀前、后刀面的磨损特性，但通过分散铣刀切触位置，一方面使更多的铣刀涂层表面参与切削，另一方面通过增大铣刀与淬硬钢接触长度，使铣刀磨损更加均匀，从而达到降低铣刀磨损量，延长其有效切削长度的效果，其磨损率明显小于定倾角切削铣刀磨损率；实验及分析结果如表I
表I直径20mm与直径30mm铣刀性能对比
直径30mm铣刀主轴转速由3200rpm上升到6000rpm，切削效率得到较大幅度提高，但其使用寿命显著减小，铣刀切削效率与使用寿命之间存在较强的不相容性，并对铣刀切削性能产生较大影响。在转速为6000rpm条件下，保持高速铣削淬硬钢加工效率不变，铣刀直径由30mm减小至20mm，铣刀使用寿命显著增大；该结果表明，在高速切削参数相对稳定条件下，通过变换铣刀直径，控制和调整切削速度及铣刀与淬硬钢之间的切触关系，可有效降低切削效率与使用寿命之间相互制约的作用强度，从而在较高效率水平上达到抑制铣刀磨损，提闻纟先刀使用寿命。本发明的高速铣刀效率寿命功能A值大小反映了铣刀切削效率与使用寿命水平，反映了每个铣刀所能切削淬硬钢型面的表面积，和切削预定淬硬钢型面表面积所消耗的铣刀数量。铣刀切削淬硬钢效率寿命功能值越大，其高效率与长寿命切削方案之间的不相容性越低，铣刀高速切削淬硬钢抗磨损能力越强，消耗量越小。因此，以控制高速切削淬硬钢铣刀消耗量为工艺设计目标，可显著增加单个铣刀高速切削淬硬钢型面的精加工效率。本发明的工艺3使铣刀切削力减小了 8. 4%，沿进给方向振幅降低6. 1%-16. 5%，沿行距方向振幅降低4. 1%-12. 8%，刀具使用寿命提高了 9. 7%，切削效率提高了 38. 5%，加工表面质量提高了 50%，刀具消耗量减少了 40%，模具型面精加工及抛光时间由270小时缩短到92小时，加工效率得到显著提高。本发明解决了高速球头铣刀精加工时切削速度和切削效率大幅度提高导致的铣刀消耗量和辅助工时显著增加，实现了较高切削效率水平条件下高速铣刀消耗量控制，减少了淬硬钢曲面精加工过程中刀具频繁更换对加工表面质量的影响，使大型淬硬钢曲面后续抛光时间显著缩短。
附图I是铣刀振动总行程图。附图2是铣刀后刀面磨损图。附图3是铣刀逆铣、顺磨损曲线对比图。附图4是定倾角铣刀磨损曲线图。附图5是变倾角铣刀磨损曲线图。附图6控制高速铣刀效率寿命与消耗量工艺设计过程图。
具体实施例方式 实施例I :
一种控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，本方法首先采用变悬伸与变转速切削方法进行涂层硬质合金球头铣刀高速铣削淬硬钢振动磨损实验，获得了高速球头铣刀切削淬硬钢初期磨损特征；然后通过高速铣刀切削淬硬钢实验，得到了铣削方式、力口工倾角0° 15°、铣刀直径30-20mm、转速3000-8000rpm、行距O. 2-0. 45mm和切削路径对高速铣刀切削效率与使用寿命的影响；之后在高速铣刀效率寿命功能价值与铣刀消耗量评估分析基础上，得到了高速铣削大型淬硬钢复杂曲面过程中控制刀具消耗量的工艺设计方法，用于在汽车覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工中进行工艺验证。实施例2
实施例I所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的高速铣刀切削淬硬钢振动磨损实验是采用直径为20mm,悬伸量为92mm或IOOmm或105mm或IlOmm统刀，分别以转速5000rpm或6000rpm或7000rpm或8000rpm进行切削淬硬钢初期磨损实验。得到累积切削长度1600mm的铣刀前后刀面磨损实验结果是振幅产生的冲击能量并未使铣刀发生破损，铣刀后刀面初期磨损宽度与振幅之间无明确关系，但与振动频率和振动总行程的变化趋势基本相同，即在确定切削时间与切削长度内，铣刀振动频率和振动行程越大，其初期磨损越严重。实施例3
实施例I所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的铣削方式是在主轴转速SOOOrpm条件下，分别采用顺铣和逆铣方式进行高速球头铣刀切削淬硬钢磨损实验，工件材料为Crl2MoV，硬度HRC55-60。实验获得了高速球头铣刀磨损曲线对高速铣刀使用寿命影响。铣刀逆铣过程则一直处于较平稳切削状态，切削长度为384m，尚未达到磨钝标准。该实验结果表明，铣削方式对铣刀维持其高速切削过程中正常磨损阶段的切削能力具有显著影响；铣刀顺铣过程中在较短切削行程内发生了较为剧烈的磨损过程，缩短了刀具使用寿命；铣刀逆铣过程中的磨损较平稳，有利于延长高速切削条件下刀具使用寿命O实施例4
实施例I所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的加工倾角是在主轴转速8000rpm条件下,分别采用沿行距方向固定加工倾角(15 ° )和变加工倾角(0°^15° )进行涂层硬质合金高速球头铣刀切削淬硬钢磨损实验，获得铣刀磨损状态及磨损曲线。实施例5
实施例I或4所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的定倾角切削铣刀切削刃切触长度范围为2mm，定倾角切削铣刀的磨损位置相对集中；在铣刀磨钝标准均为O. 2mm条件下，定倾角切削铣刀切削长度约为270m ;所述的变倾角切削铣刀切削刃切触长度范围为3. 6mm，在铣刀磨钝标准均为O. 2mm条件下，变倾角切削铣刀切削长度为448m。实施例6
实施例I所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，在铣刀直径30-20mm时进行涂层硬质合金高速球头铣刀切削淬硬钢实验；其中，铣刀悬伸量为92 -IlOmm,齿数为2,每齿进给量为O. 2-0. 4mm,轴向切深为O. 2-0. 3mm,统削行距为O. 2mnT0· 45mm。实施例7
实施例I所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，所述的铣刀消耗量公式为，其中A为高速铣刀效率寿命功能值(m2/个)，T为铣刀使用寿命(min)，St为单位时间切削淬硬钢型面面积(m2/min)，S为淬硬钢型面切削面积(m2)，m为铣刀消耗数量(个)。实施例8
上述实施例I所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，高速铣削淬硬钢模具工艺验证实验，采用上述方法进行高速铣削汽车内板淬硬钢模具铣刀效率寿命功能值求解与铣刀消耗量评估，获得的新工艺与原工艺方案加工效果对比如表2所示。其 中，工艺I为原工艺，工艺2为中间工艺，工艺3为形成的新工艺。表2车门凸模工艺设计结果及新旧工艺对比
权利要求
1.一种控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，其特征是首先采用变悬伸与变转速切削方法进行涂层硬质合金球头铣刀高速铣削淬硬钢振动磨损实验，获得了高速球头铣刀切削淬硬钢初期磨损特征；然后通过高速铣刀切削淬硬钢实验，得到了铣削方式、加工倾角0° 15°、铣刀直径30-20mm、转速3000-8000rpm、行距0. 2-0. 45mm和切削路径对高速铣刀切削效率与使用寿命 的影响；之后在高速铣刀效率寿命功能价值与铣刀消耗量评估分析基础上，得到了高速铣削大型淬硬钢复杂曲面过程中控制刀具消耗量的工艺设计方法，用于在汽车覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工中进行工艺验证。
2.根据权利要求I所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，其特征是所述的高速铣刀切削淬硬钢振动磨损实验是采用直径为20mm，悬伸量为92mm或10Omm 或 105mm 或 110mm 统刀，分别以转速 5000rpm 或 6000rpm 或 7000rpm 或 8000rpm 进行切削淬硬钢初期磨损实验。
3.根据权利要求I或2所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，其特征是所述的铣削方式是在主轴转速SOOOrpm条件下，分别采用顺铣和逆铣方式进行高速球头铣刀切削淬硬钢磨损实验，工件材料为Crl2MoV，硬度HRC55-60，实验获得了高速球头铣刀磨损曲线对高速铣刀使用寿命影响。
4.根据权利要求I或2所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，其特征是所述的加工倾角是在主轴转速SOOOrpm条件下，分别采用沿行距方向固定加工倾角15°和变加工倾角0° 15°进行涂层硬质合金高速球头铣刀切削淬硬钢磨损实验，获得铣刀磨损状态及磨损曲线。
5.根据权利要求I或2所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，其特征是所述的固定加工倾角切削铣刀切削刃切触长度范围为2mm，定倾角切削铣刀的磨损位置相对集中；在铣刀磨钝标准均为0. 2mm条件下，定倾角切削铣刀切削长度约为270m ;所述的变倾角切削铣刀切削刃切触长度范围为3. 6mm，在铣刀磨钝标准均为0. 2mm条件下，变倾角切削铣刀切削长度为448m。
6.根据权利要求I或2所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，其特征是在铣刀直径30-20mm时进行涂层硬质合金高速球头铣刀切削淬硬钢实验；其中，铣刀悬伸量为92-110 mm,齿数为2，每齿进给量为0. 2-0. 4mm,轴向切深为0. 2-0. 3mm,铣削行距为0. 2mm 0. 45mm。
7.根据权利要求I或2所述的控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法，其特征是所述的铣刀消耗量公式为A = TxSt =T,其中A为高速铣刀效率寿命功能值(m2/个)，T为铣刀使用寿命 di m(min), St为单位时间切削淬硬钢型面面积(m2/min), S为淬硬钢型面切削面积(m2), m为统刀消耗数量(个)。
全文摘要
控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具消耗量的工艺方法。球头铣刀是一种高速切削复杂曲面的典型刀具，在汽车大型淬硬钢模具型面精加工中应用广泛。本方法首先采用变悬伸与变转速切削方法进行涂层硬质合金球头铣刀高速铣削淬硬钢振动磨损实验；然后通过高速铣刀切削淬硬钢实验，得到了铣削方式、加工倾角0o~15o、铣刀直径30-20mm、转速3000-8000rpm、行距0.2-0.45mm和切削路径对高速铣刀切削效率与使用寿命的影响；得到了高速铣削大型淬硬钢复杂曲面过程中控制刀具消耗量的工艺设计方法，用于在汽车覆盖件淬硬钢模具高速铣削加工中进行工艺验证。本发明用于控制高速铣削大型淬硬钢曲面刀具的消耗量。
文档编号B23C3/20GK102632284SQ201110417799
公开日2012年8月15日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者姜彬, 宋继光, 郑敏利 申请人:哈尔滨理工大学