高硬度材料或表面容易脆裂材料的銑削加工，由于銑刀入口沖擊時(shí)機(jī)械交替負(fù)荷高，很可能會(huì)導(dǎo)致刀具的磨損增加，從而導(dǎo)致使用壽命縮短。同樣，在對(duì)輪廓進(jìn)行不連續(xù)或?qū)Σ粓A材料車加工時(shí)，也會(huì)發(fā)生這種情況。卡爾斯魯厄大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所(WBK)正在研究，如何能夠在其他切削參數(shù)不變的情況下，通過(guò)在貼近作用點(diǎn)的位置上改變刀片墊板材料的方法來(lái)對(duì)刀具使用壽命產(chǎn)生積極的影響。
在下文中我們將證明，在被動(dòng)減振的銑刀上柔韌性是如何變化的，它對(duì)刀具的使用壽命產(chǎn)生了何種影響。此外，先前在車削過(guò)程中也對(duì)車刀的柔韌性做了變化試驗(yàn)，現(xiàn)在把這種試驗(yàn)結(jié)果與銑削過(guò)程的試驗(yàn)結(jié)果加以比較，并介紹下一步實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)論。
通過(guò)使用鋼制墊板，使平均使用壽命與原裝硬金屬轉(zhuǎn)動(dòng)沖切板相比提高了176%
在銑加工時(shí)，刀具承受著因工藝方法而造成的交變負(fù)荷。這種負(fù)荷有機(jī)械性質(zhì)的，也有熱性質(zhì)的。在機(jī)械負(fù)荷方面，特別值得一提的是刀片的入口沖擊。在刀刃進(jìn)入材料的瞬間，切削力會(huì)發(fā)生明顯的提升。
例如，在進(jìn)給同向進(jìn)行銑削時(shí)，刀具的刃部在每次進(jìn)入到材料時(shí)，都會(huì)經(jīng)歷一次刀具的入口沖擊。圖1中給出了理想的切削力變化曲線。這種效應(yīng)由于脆硬的氧化層而得到了明顯的加強(qiáng)，在鑄造工件或類似工件上常會(huì)發(fā)生這種情況。
潤(rùn)滑劑加強(qiáng)交變負(fù)荷
一方面，刀具傳導(dǎo)的過(guò)程熱會(huì)增加刀具的熱負(fù)荷;另一方面，刀刃切割空氣引起的溫度變化也會(huì)增加刀具的熱負(fù)荷。由于使用了潤(rùn)滑劑，熱交變負(fù)荷還會(huì)進(jìn)一步加劇。
生產(chǎn)技術(shù)研究所承辦了由德國(guó)研究協(xié)會(huì)資助的“通過(guò)刀具入口沖擊時(shí)的柔韌性變化，提高切削加工時(shí)刀具的使用壽命”的項(xiàng)目。該項(xiàng)目探討了機(jī)械過(guò)載負(fù)荷，并通過(guò)試驗(yàn)證明通過(guò)在貼近作用點(diǎn)的位置上改變?nèi)犴g性能夠盡可能的減少這種機(jī)械過(guò)載負(fù)荷。啟動(dòng)這個(gè)研究項(xiàng)目的原因是基于以前多項(xiàng)工作中取得的結(jié)果。這些結(jié)果能夠證明：機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置的剛性對(duì)刀具的使用壽命是有一定的影響。
例如，使用高剛性電機(jī)主軸的機(jī)床比使用剛性不太強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)床刀具磨損得更快。但由于目前大量使用的電機(jī)主軸本身具有很多優(yōu)點(diǎn)，因而有一種選擇的可能性，這種選擇成本低廉而且對(duì)柔韌性，以及使用壽命的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，而且不必改變驅(qū)動(dòng)方案。傳統(tǒng)的車刀在轉(zhuǎn)動(dòng)沖切刀片下面墊有經(jīng)過(guò)研磨的硬質(zhì)金屬墊板，以保證刀片位置牢固。在墊板其他參數(shù)不變的情況下，我們對(duì)這種墊板的材料做了修改。
類似在這個(gè)項(xiàng)目的前期階段在車床上所做的試驗(yàn)。首先，研制了一種銑頭刀架，它允許把柔韌性不同的材料放到刀具上。為了使試驗(yàn)結(jié)果與先前的車削試驗(yàn)取得的結(jié)果具有盡可能高的可比性，將銑頭刀架設(shè)計(jì)成了可以安放與前期試驗(yàn)中相同的轉(zhuǎn)動(dòng)沖切刀片。圖2中顯示了裝有墊板的銑頭刀架，墊板裝在轉(zhuǎn)動(dòng)沖切刀片和刀體之間。
在選擇所用墊板的材料時(shí)，參考了前期的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不高和彈性模數(shù)不大的材料并不適合。試驗(yàn)用的材料樹脂浸潤(rùn)紙(彈性模數(shù)7GPa)、�；Ａ�(4GPa)、鎂(40GPa)和鋁(70GPa)表明：強(qiáng)度不足，彈性模數(shù)太小，會(huì)導(dǎo)致彈性變形過(guò)大，部分塑性變形過(guò)大，它們抵消了切削刀片的預(yù)應(yīng)力，因而不能夠繼續(xù)使用。
由于這種原因，墊板材料只能選用強(qiáng)度和彈性模數(shù)較高的材料。具體來(lái)講，就是鑄鐵材料EN-GJS-250(彈性模數(shù)110GPa)、EN-GJS-600(170GPa)，以及鋼材S 235 JR(210GPa)。采用墊板的彈性模數(shù)作為標(biāo)志性的標(biāo)準(zhǔn)是因?yàn)樵诔叽绮蛔兊那闆r下，彈性模數(shù)是墊板柔韌性的惟一變量。
可轉(zhuǎn)位刀片斷裂成為使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)工件材料提出了兩個(gè)要求，一是它們?cè)诮?jīng)濟(jì)快速的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)使刀具磨損，二是要在日常的切削工作中能夠得到應(yīng)用。最后選用的是一種鋁合金(AlSi10Mg)，它是一種帶有多層石墨的鑄鐵(EN-GJS 260 Gr)，以及一種結(jié)構(gòu)鋼(S 235 JR)。使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)是：在測(cè)量到切削力升高時(shí)檢測(cè)到的可轉(zhuǎn)位刀片的斷裂。使用壽命的定義是可轉(zhuǎn)位刀片斷裂前能夠承受的刀刃入口的沖擊。
部分超過(guò)建議最大值
選擇的切削試驗(yàn)過(guò)程參數(shù)按照相應(yīng)的切削材料和所使用的可轉(zhuǎn)位刀片進(jìn)行了調(diào)整，使刀刃在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段內(nèi)發(fā)生斷裂。這意味著在具體情況下，參數(shù)的調(diào)整必須高于制造廠家建議的最大值。
S 235 JR、EN-GJS 260 Gr和AlSi10Mg三種材料當(dāng)中的每一種都同三種不同的墊板進(jìn)行了組合。在9種可能的組合中，每個(gè)系列做十次試驗(yàn)，一直運(yùn)行到刀片斷裂。此外，在對(duì)結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行加工時(shí)，用刀具制造廠家Tübinger Walter AG公司的原裝墊板同樣進(jìn)行了試驗(yàn)。
用鋁合金所做的切削試驗(yàn)沒(méi)有取得可以利用的結(jié)果。即使在500m/min和3675m/min之間的切削速度進(jìn)行變化，也沒(méi)有導(dǎo)致在適當(dāng)?shù)目梢灶A(yù)見(jiàn)的時(shí)間段之內(nèi)刀刃的斷裂。所以僅列出了加工鋼和鑄鐵材料的結(jié)果。
加工S 235 JR材料在刀刃斷裂前所達(dá)到的荷載循環(huán)見(jiàn)列于對(duì)相應(yīng)材料彈性模數(shù)的各種墊板上。從中可以清楚地看出，墊板的變化可以對(duì)刀具的使用壽命產(chǎn)生影響。與硬金屬原裝墊板相比，使用鋼墊板可以將平均使用壽命提高176%。
相反，使用灰口球墨鑄鐵制成的墊板的平均使用壽命減少了約30%，而使用多層石墨鑄鐵制成的墊板則使使用壽命提高了42%。
以EN-GJS 260 Gr為材料所做的試驗(yàn)則是另一種情況。與鋼制墊板相比，無(wú)論是球墨鑄鐵制成的墊板(提高330%)，還是多層石墨鑄鐵制成的墊板(提高37%)，都在使用壽命方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
加工鑄鐵材料在刀具使用壽命上出現(xiàn)的個(gè)別的極端差別，其部分原因歸咎于結(jié)果數(shù)值的波動(dòng)，因而需要繼續(xù)加以核準(zhǔn)。這些結(jié)果和前期所做的車削試驗(yàn)取得的結(jié)果很難形成對(duì)比，因?yàn)橛幸徊糠殖霈F(xiàn)相互矛盾的現(xiàn)象。
所有加工都需要墊板
不過(guò)似乎這還回答不了對(duì)普遍適用的最佳的柔韌性的問(wèn)題。倒是應(yīng)當(dāng)提出這樣的問(wèn)題，哪種柔韌性對(duì)于什么樣的條件才是最佳的。例如，有各種的加工過(guò)程(銑、車)，以及各種的工件材料很難做相互比較，需要根據(jù)結(jié)果做出判斷，不同的柔韌性或墊板是根據(jù)相應(yīng)的加工情況進(jìn)行調(diào)整的。
使用壽命試驗(yàn)的結(jié)果波動(dòng)幅度很大，而且也沒(méi)有普遍適用的最佳柔韌性，這種趨勢(shì)要求在減少干擾因素的同時(shí)繼續(xù)對(duì)柔韌性的影響進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，還提出了這樣的一個(gè)問(wèn)題，在墊板基礎(chǔ)上對(duì)柔韌性做簡(jiǎn)單的變化，所取得的結(jié)果是否會(huì)消失在波動(dòng)范圍內(nèi)。
WBK研究所后來(lái)的跟蹤研究也表明，取得較為可靠的結(jié)果的一種可能性在于，設(shè)計(jì)一種主動(dòng)銑頭，這種銑頭的柔韌性可以無(wú)級(jí)調(diào)整，而且能夠繼續(xù)加強(qiáng)我們所希望的效果。例如，可以設(shè)想一種液壓機(jī)械式的刀具系統(tǒng)，該系統(tǒng)在可轉(zhuǎn)位刀片后面裝有一個(gè)壓力可變的油箱，油箱可以改變?nèi)犴g性和減振。
