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機械交替負荷高，很可能會導致刀具的磨損增加，從而導致使用壽命縮短。同樣，在對輪廓進行不連續(xù)或?qū)Σ粓A材料車加工時，也會發(fā)生這種情況。卡爾斯魯厄大學生產(chǎn)技術研究所(WBK)正在研究，如何能夠在其他切削參數(shù)不變的情況下，通過在貼近作用點的位置上改變刀片墊板材料的方法來對刀具使用壽命產(chǎn)生積極的影響。

在下文中我們將證明，在被動減振的銑刀上柔韌性是如何變化的，它對刀具的使用壽命產(chǎn)生了何種影響。此外，先前在車削過程中也對車刀的柔韌性做了變化試驗，現(xiàn)在把這種試驗結(jié)果與銑削過程的試驗結(jié)果加以比較，并介紹下一步實驗所得出的結(jié)論。

通過使用鋼制墊板，使平均使用壽命與原裝硬金屬轉(zhuǎn)動沖切板相比提高了176%

在銑加工時，刀具承受著因工藝方法而造成的交變負荷。這種負荷有機械性質(zhì)的，也有熱性質(zhì)的。在機械負荷方面，特別值得一提的是刀片的入口沖擊。在刀刃進入材料的瞬間，切削力會發(fā)生明顯的提升。

例如，在進給同向進行銑削時，刀具的刃部在每次進入到材料時，都會經(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。這種效應由于脆硬的氧化層而得到了明顯的加強，在鑄造工件或類似工件上常會發(fā)生這種情況。

潤滑劑加強交變負荷

一方面，刀具傳導的過程熱會增加刀具的熱負荷;另一方面，刀刃切割空氣引起的溫度變化也會增加刀具的熱負荷。由于使用了潤滑劑，熱交變負荷還會進一步加劇。

生產(chǎn)技術研究所承辦了由德國研究協(xié)會資助的“通過刀具入口沖擊時的柔韌性變化，提高切削加工時刀具的使用壽命”的項目。該項目探討了機械過載負荷，并通過試驗證明通過在貼近作用點的位置上改變?nèi)犴g性能夠盡可能的減少這種機械過載負荷。啟動這個研究項目的原因是基于以前多項工作中取得的結(jié)果。這些結(jié)果能夠證明：機床驅(qū)動裝置的剛性對刀具的使用壽命是有一定的影響。

例如，使用高剛性電機主軸的機床比使用剛性不太強的驅(qū)動裝置的機床刀具磨損得更快。但由于目前大量使用的電機主軸本身具有很多優(yōu)點，因而有一種選擇的可能性，這種選擇成本低廉而且對柔韌性，以及使用壽命的參數(shù)進行了優(yōu)化，而且不必改變驅(qū)動方案。傳統(tǒng)的車刀在轉(zhuǎn)動沖切刀片下面墊有經(jīng)過研磨的硬質(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，我們對這種墊板的材料做了修改。

類似在這個項目的前期階段在車床上所做的試驗。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。為了使試驗結(jié)果與先前的車削試驗取得的結(jié)果具有盡可能高的可比性，將銑頭刀架設計成了可以安放與前期試驗中相同的轉(zhuǎn)動沖切刀片。圖2中顯示了裝有墊板的銑頭刀架，墊板裝在轉(zhuǎn)動沖切刀片和刀體之間。

在選擇所用墊板的材料時，參考了前期的試驗結(jié)果，當時發(fā)現(xiàn)強度不高和彈性模數(shù)不大的材料并不適合。試驗用的材料樹脂浸潤紙(彈性模數(shù)7GPa)、酰基玻璃(4GPa)、鎂(40GPa)和鋁(70GPa)表明：強度不足，彈性模數(shù)太小，會導致彈性變形過大，部分塑性變形過大，它們抵消了切削刀片的預應力，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度和彈性模數(shù)較高的材料。具體來講，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)作為標志性的標準是因為在尺寸不變的情況下，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準

對工件材料提出了兩個要求，一是它們在經(jīng)濟快速的運行過程中會使刀具磨損，二是要在日常的切削工作中能夠得到應用。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)構鋼(S 235 JR)。使用壽命的標準是：在測量到切削力升高時檢測到的可轉(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。

部分超過建議最大值

選擇的切削試驗過程參數(shù)按照相應的切削材料和所使用的可轉(zhuǎn)位刀片進行了調(diào)整，使刀刃在一個適當?shù)臅r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三種材料當中的每一種都同三種不同的墊板進行了組合。在9種可能的組合中，每個系列做十次試驗，一直運行到刀片斷裂。此外，在對結(jié)構鋼進行加工時，用刀具制造廠家Tübinger Walter AG公司的原裝墊板同樣進行了試驗。

用鋁合金所做的切削試驗沒有取得可以利用的結(jié)果。即使在500m/min和3675m/min之間的切削速度進行變化，也沒有導致在適當?shù)目梢灶A見的時間段之內(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到的荷載循環(huán)見列于對相應材料彈性模數(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為材料所做的試驗則是另一種情況。與鋼制墊板相比，無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。

加工鑄鐵材料在刀具使用壽命上出現(xiàn)的個別的極端差別，其部分原因歸咎于結(jié)果數(shù)值的波動，因而需要繼續(xù)加以核準。這些結(jié)果和前期所做的車削試驗取得的結(jié)果很難形成對比，因為有一部分出現(xiàn)相互矛盾的現(xiàn)象。

所有加工都需要墊板

不過似乎這還回答不了對普遍適用的最佳的柔韌性的問題。倒是應當提出這樣的問題，哪種柔韌性對于什么樣的條件才是最佳的。例如，有各種的加工過程(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)相應的加工情況進行調(diào)整的。

使用壽命試驗的結(jié)果波動幅度很大，而且也沒有普遍適用的最佳柔韌性，這種趨勢要求在減少干擾因素的同時繼續(xù)對柔韌性的影響進行試驗。同時，還提出了這樣的一個問題，在墊板基礎上對柔韌性做簡單的變化，所取得的結(jié)果是否會消失在波動范圍內(nèi)。

WBK研究所后來的跟蹤研究也表明，取得較為可靠的結(jié)果的一種可能性在于，設計一種主動銑頭，這種銑頭的柔韌性可以無級調(diào)整，而且能夠繼續(xù)加強我們所希望的效果。例如，可以設想一種液壓機械式的刀具系統(tǒng)，該系統(tǒng)在可轉(zhuǎn)位刀片后面裝有一個壓力可變的油箱，油箱可以改變?nèi)犴g性和減振。