在球頭銑刀銑削難加工材料Cr12MoV過程中，由于刀尖處切削速度為零，曲面形狀呈不規(guī)則變化，因此大部分切削均發(fā)生在切削側(cè)刃上，從而導(dǎo)致刀具與工件的摩擦和犁削。為了減小由于加工參數(shù)選取不準(zhǔn)確引起的振動和刀具磨損，進而提高刀具壽命和工件質(zhì)量，對不同路徑加工復(fù)雜曲面過程中刀具與工件接觸部分的未變形切屑厚度進行研究，并優(yōu)選銑削參數(shù)。

為了獲得加工參數(shù)和幾何參數(shù)對切削力的影響規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者在切削力模型的研究方面進行了許多工作。K.Nakayama等基于多銑削參數(shù)建立了立銑刀銑削刃微元銑削力模型，但該模型并未考慮切削速度的影響。馮志勇等利用幾何知識和收斂效率，建立了考慮切削過程中的刀具幾何參數(shù)關(guān)系的銑削力模型。X.Zhang等研究了復(fù)雜曲面銑削過程中的刀具切入角與切出角，建立了一種外圓銑削加工中銑削力的預(yù)測模型，相較于傳統(tǒng)銑削力預(yù)測模型，預(yù)測精度得到增強。J.W.Ma等基于加工表面的幾何特征建立了一種新型銑削力模型，可以預(yù)測不同主軸轉(zhuǎn)速下變切削速度的銑削力波動趨勢，為復(fù)雜曲面加工過程中的參數(shù)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。郝洪艷等通過計算刀具和工件的切入角和切出角，建立了一種凸凹曲面周銑銑削力預(yù)測模型，在此基礎(chǔ)上分析了曲率對銑削力的影響，結(jié)果表明，曲率對凹曲面銑削的影響較凸曲面更加顯著。

切削加工過程中的刀具磨損是檢驗刀具使用性能直接的方式，刀具的磨損值在不同程度上反映了工件的加工性能，合理控制球頭銑刀銑削過程中的刀具磨損量有助于優(yōu)化銑削加工工藝參數(shù)。B.Sun等進行了球頭銑削刀具磨損試驗，根據(jù)試驗結(jié)果建立銑削刃徑向磨損模型，然后建立以高效率和低成本為目標(biāo)的銑削工藝優(yōu)化模型。試驗結(jié)果表明，該模型具有較高的精度，可用于預(yù)測磨損量。馮闖研究了球頭銑刀銑削高溫合金過程中不同刀具的磨損機制，建立了加工復(fù)雜曲面的球頭銑刀刀具磨損預(yù)測模型，可以達到比較好的預(yù)測效果。岳彩旭等采用PCBN刀具進行銑削Cr12MoV模具鋼磨損試驗，分析了切削速度和進給量對刀具磨損的影響，為提高加工效率、提升刀具壽命的研究提供了理論支持。

目前研究主要集中在單一加工方式下的銑削參數(shù)優(yōu)化和表面幾何特征對銑削力和磨損的影響，對于不同切削路徑加工復(fù)雜曲面難加工材料的切削力、刀具磨損影響規(guī)律的研究較少。本研究的目的是通過計算不同切削路徑下的球頭銑刀與曲面零件之間的未變形切屑厚度的瞬時變化，分析相同切削面積條件下的銑削力變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，基于不同切削參數(shù)對刀具磨損的影響，使用線性回歸分析方法建立不同切削路徑的刀具磨損預(yù)測模型，并進行驗證。

1 試驗設(shè)計

采用大連機床廠生產(chǎn)的VDL-1000E型三軸立式加工中心數(shù)控銑床進行試驗；工件材料為Cr12MoV；測力儀器選用Kistler 9257B測力儀；采用基恩士KEYENCEVHX-1000型超景深顯微鏡進行磨損值檢測；刀具選用廈門金鷺的整體硬質(zhì)合金球頭銑刀，型號為SH260-B2-6-9-H，球頭銑刀的直徑Φ6mm，球頭銑削刀刃為2刃，試驗加工現(xiàn)場和加工用刀具見圖1，銑削過程中不使用銑削液。

(a)試驗加工現(xiàn)場(b)兩刃球頭銑刀

在刀具逐漸磨損的過程中，通過往復(fù)走刀、環(huán)形走刀的兩種不同走刀路徑進行銑削力和刀具磨損值的測量，采用的正交試驗參數(shù)見表1。

圖2為兩種走刀路徑的示意圖，圓圈代表起始走刀位置，箭頭方向代表進給方向，往復(fù)走刀每一回合分為順銑和逆銑兩種加工方式，環(huán)形走刀路徑只存在順銑的加工方式。

表1 正交試驗因素表

為了減少外界因素對試驗結(jié)果的影響，往復(fù)走刀和環(huán)形走刀均采用新刀進行加工，加工去除相同的材料量后，設(shè)計停機程序，通過超景深顯微鏡測量后刀面磨損值。往復(fù)走刀和環(huán)形走刀在每次加工過程中分別測得3組和5組銑削力信號，通過數(shù)據(jù)采集卡獲得放大后的切削力信息，并傳輸?shù)诫娔X上。為了提高加工效率，減少空走刀和空切削的情況，程序設(shè)計兩種走刀路徑下的刀具和工件始終保持相互接觸。