銑削加工與車削存在本質(zhì)差異。車削加工過程中，切削厚度基本保持恒定，而銑削由于刀具同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，切削厚度呈動(dòng)態(tài)變化。以二刃銑刀為例，刀具每旋轉(zhuǎn)一圈，兩個(gè)刀刃分別完成一次切削，且由于刀具對(duì)工件沿著進(jìn)給方向有一個(gè)進(jìn)刀再出刀的過程，切削厚度隨刀具進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)不斷變化。此外，根據(jù)刀具自身旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給方向的不同，將銑削分為順銑側(cè)和逆銑側(cè)。

1、毛刺的形成過程

銑削加工中，每齒進(jìn)給量fn決定了刀齒的切削負(fù)荷，刀齒的運(yùn)動(dòng)軌跡呈不規(guī)則的月牙形，稱為次擺線運(yùn)動(dòng)[1]。隨著切削刃的進(jìn)刀和出刀，被切削材料的厚度不斷變化。由于銑削加工過程的特殊性，根據(jù)刀具旋轉(zhuǎn)速度vc和進(jìn)給速度vf方向的不同，可以將銑削分為順銑和逆銑。順銑時(shí)，切削厚度在剛?cè)氲稌r(shí)最大，切削層厚度隨著刀具旋轉(zhuǎn)不斷減少直至切出工件；逆銑則與之相反，切削層厚度從零開始逐漸增大至最大值。

銑削過程中，銑削加工方式的特殊性導(dǎo)致不同位置毛刺的生成機(jī)理不同。為深入探究其形成規(guī)律，本文基于ABAQUS仿真軟件建立鈦合金Ti6Al4V銑削過程的有限元模型，觀察不同位置毛刺的形成過程，并分析工藝參數(shù)對(duì)毛刺生成的影響。

2、銑削不同位置的毛刺形成過程仿真分析

本文利用ABAQUS軟件建立了銑削加工毛刺形成的有限元模型。仿真結(jié)果顯示（見圖1），在刀具軌跡上形成了位于頂部、切入側(cè)、切出側(cè)等不同區(qū)域的毛刺。

銑削過程中，刀具走過的工件表面形成明顯的頂部毛刺。在刀具兩個(gè)切削刃不斷進(jìn)刀和出刀的過程中，工件材料不斷被擠壓，入刀時(shí)沿著刀具向上變形流出，一部分形成切屑飛出，另一部分留在工件頂部，形成頂部位置的毛刺[2]。因銑削加工過程的特殊性，頂部毛刺又可以分為順銑側(cè)頂部毛刺和逆銑側(cè)頂部毛刺，見圖1(a)。

在刀具剛開始進(jìn)刀的位置，切削材料被刀具第一個(gè)切削刃擠壓，隨著刀具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，入刀處殘存的切屑逐漸形成切入端毛刺。圖1(a)展示了隨著刀具不斷向內(nèi)進(jìn)給，切入端形成的側(cè)面毛刺和底部毛刺。

當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)給至即將切出工件端時(shí)，形成切出端毛刺，見圖1(b)。由于工件外側(cè)缺乏支撐材料，刀具在出口側(cè)將工件材料向外側(cè)擠壓變形，導(dǎo)致材料向外側(cè)翻卷。其中，大塊材料從母體分離形成切屑飛出，剩下的殘屑形成出口側(cè)的側(cè)面毛刺和切出端底部毛刺。

順銑側(cè)在切入時(shí)切削厚度最大，隨后逐漸減小。當(dāng)切削厚度低于最小值時(shí)，材料無法被有效切除，部分切屑未能完全與工件分離，逐漸堆積形成翻卷毛刺。逆銑側(cè)則相反，因刀具擠壓作用，材料在頂部殘留形成泊松毛刺。兩者形成機(jī)理的差異，導(dǎo)致順銑側(cè)與逆銑側(cè)的毛刺高度存在明顯不同。

3、毛刺影響因素的單因素仿真分析

基于有限元仿真模型，在分析不同部位的毛刺形成過程后，研究刀具旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給速度、切削深度等切削因素對(duì)毛刺形成的影響。表征毛刺尺寸特征的參數(shù)為毛刺高度[3-4]。

3.1刀具旋轉(zhuǎn)速度對(duì)毛刺形成的影響

為探究刀具轉(zhuǎn)速對(duì)毛刺形成的影響，采用控制變量法，固定進(jìn)給速度為20mm·s?1、切削深度為0.3mm，選取不同刀具轉(zhuǎn)速，基于ABAQUS仿真模型觀察各位置毛刺形貌，并計(jì)算其平均高度，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，切出方向側(cè)邊毛刺高度較高，且在轉(zhuǎn)速為8000r·min?1時(shí)達(dá)到最高（高度為0.829mm）；切入方向側(cè)邊毛刺高度相對(duì)較低（0.204~0.269mm），且隨著轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)；順銑和逆銑方向頂部毛刺高度整體上隨轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且較為平緩；底部毛刺高度整體數(shù)值最低，在0.055~0.258mm。

在固定其他參數(shù)的條件下，增大轉(zhuǎn)速意味著切削線速度增大，導(dǎo)致材料去除率提高、切屑量增多，同時(shí)工件變形加劇。切出方向側(cè)缺乏材料支撐，形成較大且未脫離工件的切屑，因此會(huì)產(chǎn)生尺寸顯著的切出方向側(cè)毛刺。這與前述切出側(cè)毛刺的形成機(jī)理一致。此外，轉(zhuǎn)速提高帶來的離心力作用增強(qiáng)，促使切屑沿頂部向外翻卷，從而形成尺寸較大的翻卷毛刺。因此，隨著轉(zhuǎn)速增加，已加工表面整體趨于不平整，各位置（切入方向側(cè)、切出方向側(cè)、頂部及底部）毛刺高度整體上均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

3.2進(jìn)給速度對(duì)毛刺形成的影響

同理，采用控制變量法，保持刀具轉(zhuǎn)速為5000r·min?1、切削深度為0.3mm，改變刀具進(jìn)給速度，進(jìn)行銑削仿真分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著進(jìn)給速度的增大，切出方向側(cè)邊毛刺高度整體在0.567~0.882mm，在所有位置中毛刺高度最大。進(jìn)給速度在10~20mm·s?1時(shí)，切出方向側(cè)邊毛刺高度快速升高；進(jìn)給速度在20~30mm·s?1時(shí)，毛刺高度趨于平穩(wěn)并達(dá)到峰值。切入方向側(cè)毛刺高度整體波動(dòng)較小，受進(jìn)給速度的影響相對(duì)較小。順銑和逆銑方向頂部毛刺高度變化趨勢(shì)相似，在進(jìn)給速度為35mm·s?1時(shí)接近0.25mm。底部毛刺高度整體較低，在25mm·s?1出現(xiàn)一個(gè)小峰值，其余波動(dòng)較小。

當(dāng)進(jìn)給速度較小時(shí)，切入端毛刺較小，頂部兩側(cè)毛刺不明顯，且分布較為分散；而在其他切削參數(shù)不變的情況下，隨著進(jìn)給速度的增大，每齒進(jìn)給量不斷增大，變形劇烈，擠壓作用增大，頂部和切出方向側(cè)毛刺高度整體上呈增大趨勢(shì)[6]。

3.3切削深度對(duì)毛刺形成的影響

為探究切削深度對(duì)毛刺尺寸的影響，在固定刀具轉(zhuǎn)速為5000r·min?1、進(jìn)給速度為20mm·s?1的條件下，設(shè)置不同切削深度進(jìn)行銑削仿真，分析不同位置毛刺高度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，切削深度為0.20mm時(shí)，切出方向側(cè)邊毛刺高度約為0.48mm；切削深度為0.45mm時(shí)，切出方向側(cè)邊毛刺高度約為0.92mm，在所有方向中毛刺高度最高，增長最顯著。總體來看，切入方向側(cè)邊毛刺高度在0.257~0.374mm，變化幅度較小，受切削深度的影響相對(duì)較小。順銑和逆銑方向頂部毛刺高度在0.147~0.257mm，變化幅度較小，受切削深度的影響不明顯。底部毛刺高度整體數(shù)值最低（0.006~0.193mm），當(dāng)切削深度為0.35mm時(shí)接近0.006mm，之后有小幅回升。

在其他切削參數(shù)保持不變的情況下，增大切削深度會(huì)增加材料切除量，導(dǎo)致更多切屑堆積且不易與工件完全分離，從而形成尺寸較大的毛刺。隨著切削深度的增大，切入方向側(cè)毛刺高度整體上呈增大趨勢(shì)，兩側(cè)頂部出現(xiàn)明顯的翻卷毛刺，并向外部翻卷變形。

4、結(jié)語

銑削加工屬于變厚度切削，且根據(jù)進(jìn)給方向的不同將其分為順銑與逆銑，因此在銑削過程中產(chǎn)生的頂部毛刺可區(qū)分為順銑側(cè)與逆銑側(cè)兩類。二者形成機(jī)理不同，導(dǎo)致順銑側(cè)頂部毛刺的平均高度普遍高于逆銑側(cè)。在切入與切出方向，工件受刀具擠壓作用，會(huì)分別形成側(cè)面毛刺和底部毛刺。此外，不同工藝參數(shù)對(duì)不同部位毛刺高度的影響不同：刀具旋轉(zhuǎn)速度的增大使不同方向的毛刺高度整體上呈增大趨勢(shì)，進(jìn)給速度的增大使頂部和切出方向側(cè)毛刺高度整體上呈增大趨勢(shì)，切削深度的增大使切入方向側(cè)毛刺高度整體上呈增大趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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（注，原文標(biāo)題：銑削鈦合金毛刺形成過程和影響因素的仿真分析_朱佳煒）

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