鉆銑切削加工負荷分析
時間:2011-04-20 08:16:50 來源:未知
一. 銑削加工
銑削操作為使用具有一個或一個以上之切刃并繞著某一固定軸旋轉的刀具來進行切削的操作，切削時刀具固定而工件進給以完成加工。由切削所產生的切屑形狀可以更進一步區別出此切削操作與其他金屬切削操作不同的地方，銑削所產生的切屑一般都是短而不連續的碎片，在此強調的是，銑削時會產生不連續切屑是由于刀具的幾何形狀所造成的；而不是如車削加工一樣不連續切屑是由于切屑的破裂所產生的。對于大多數的銑削操作而言，未變形的切屑厚度由切屑的一端到另外一端都一直在改變，最大切屑厚度可能發生在切屑的任一端或者是在靠近切屑中央的位置，但這完全視切削過程而定。銑削時由于切屑成規則性的不連續變化，使得切削力與切削溫度也呈周期性的變化，而并非穩定狀態。當刀具切入工件時，刀尖會受到強烈的沖擊陡震，接著是切削負載一直在改變。當刀具切入工件時，刀具表面是冷的，但是在切屑形成過程中逐漸受到加熱，當切屑形成以后又開始受到冷卻，直到下一個切入動作產生。刀具切入時的陡震現象對刀具本身的壽命很不利，而冷卻周期則是有幫助的，除非所使用的材料對于熱陡震很敏感。
切削過程中，由于切削負載是呈周期性的變化，此提供了引起工具機任一部份之振動的自然模態所需的能量，此種振動會使得表面粗度很差，而且將使刀具壽命降低。
銑削加工操作的最大優點之一就是小而輕的刀具很容易在高速率下旋轉，以便在尺寸及形狀變化很大的工件上製造出平坦或彎曲的表面。
圖 作用于銑刀和工件或銑床工作臺的切削分力圖
如圖所示為進行銑削加工時，作用于銑刀和工件或銑床工作臺的切削分力。
以動力計測出銑削負載：
- 作用于銑刀的切削分力
- 主切削力或圓周(切向)分力Fz：其作用于銑刀轉動的切線方向，為消耗功率的主要切削力。
- 徑向分力Fz：其作用于銑刀之徑向，與切向力Fz兩者之合力，此將造成銑刀心軸彎曲和扭轉。
- 軸向分力Fy：其作用于銑刀軸線方向，大小對于螺旋齒之圓柱銑刀來說與螺旋角β的大小有關。
- 作用于工件或銑床工作臺的切削分力
- 使用螺旋齒圓柱銑刀銑削時，Fvh(F'xz)與銑削抗力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臺的切削力又可分解為以下三個分力：
- 水平分力Fh：其與銑床縱向進給轉動方向平行，作用在銑床縱向進給機構上。
- 垂直分力Fv：其垂直于銑床工作臺。對螺旋齒圓柱銑刀銑削，Fv是Fvh(F'xz)的分力，依銑削方式的不同，會使工件自工作臺抬起或壓向工作臺；對于端銑刀銑削，Fv與Fy大小相等，但方向相反。
- 橫向分力Fv：其平行于銑床橫向進給轉動方向，作用于銑床橫向進給機構。對于螺旋齒圓柱銑刀銑削而言，Fv與Fy大小相等，方向相反；對于端銑刀銑削而言，Fv是Fho(F'xz)的分力。
二. 鉆削加工
鉆頭是一種能夠在金屬零件上快速且容易產生孔的工具，其可以用于高精密鉆孔上，例如PCB鉆孔。而其由于壽命長、高穿透率而廣受青睞。
一般標準麻花鉆頭有兩個主切削刃、兩個負切削刃和一個橫刃。在切削過程中，每個切削刃所受的切削負載在理想的情況下是相互抵消的，而經整理化簡后可將各切削負載的合成視為一個扭距Me和進給負載Ff。
根據實驗結果資料顯示，標準麻花鉆頭鉆削負載在各切削刃上之分配比例如下表一所示。由表中可得知，鉆削一般材料時，軸向負載主要來自橫刃，約佔總軸向力的57﹪；而扭矩主要主切削刃產生，約佔總扭矩的80﹪。
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表1 鉆削負荷分配比例關系
鉆削負載
主切削刃
橫刃
刃帶
進給負載Ff
40﹪
57﹪
3﹪
扭矩Me
78﹪
10﹪
12﹪標準麻花鉆頭鉆削時的進給負載
Ff(N)、鉆削扭矩和切削功率可利用以下實驗公式計算得知：
扭矩Me
Me=9.81Crd0XTfYTKT
軸向負載Ff
F=9.8CFd0XFKF
上式中，CT、CF為切削補正系數， XT、yT、XF、yF為切削指數由下表皆可得知。KT、KF為修正系數乘積，若使用新鉆頭進行鉆削，則軸向負載修正系數KF為0.9，扭矩修正系數Me為0.87；又d0表鉆頭直徑。
表2 鉆削系數與指數參考關系表
加工材料
刀具材料
系數和指數
軸向力力矩
CF
XF
YF
CT
XT
YT
鋼σb＝0.637GPa
高速鋼
61.2
1.0
0.7
0.031
2.0
0.8
耐熱鋼1Cr18Ni9Ti
高速鋼
143
1.0
0.7
0.041
2.0
0.7
灰鑄鐵190HB
高速鋼
42.7
1.0
0.8
0.021
2.0
0.8
超硬合金
42
1.2
0.75
0.012
2.2
0.8
可鍛鑄鐵150HB
高速鋼
43.3
1.0
0.8
0.021
2.0
0.8
超硬合金
32.5
1.2
0.75
0.01
2.2
0.8
非均質銅合金100～140HB
高速鋼
31.5
1.0
0.8
0.012
2.0
0.8
而鉆削功率可由下式得知。
Pm=2pTn10-10/60
式中，T為力矩，單位為N‧m；n表鉆頭或工件之轉速，單位為r / min；Pm表所求之鉆削功率，單位為kW。#p#分頁標題#e#