康文利，周學(xué)輝

（華北電力大學(xué)，保定 071003）

0 前言

21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，汽車、電子、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域的產(chǎn)品尺寸越來(lái)越小，出現(xiàn)了大量薄壁件。由于薄壁件壁薄，質(zhì)輕，加工精度高，強(qiáng)度,剛度各方面要求嚴(yán)格，加工工藝性差等特點(diǎn)，在切削和裝夾，發(fā)熱變形，應(yīng)力集中等因素影響下，易發(fā)生加工變形和切削振動(dòng)，因此難以保證其加工質(zhì)量。如果采用常規(guī)的低轉(zhuǎn)速，小進(jìn)給及多次空刀走刀等方法來(lái)防止加工變形，應(yīng)用手工檢驗(yàn)和打磨等手段來(lái)處理加工尺寸精度和表面質(zhì)量問(wèn)題，則會(huì)大大降低生產(chǎn)效率，且未必能保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此薄壁件的加工制造問(wèn)題一直是機(jī)械行業(yè)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

1 高速加工技術(shù)

高速加工(HSM或HSC)是采用比常規(guī)切削速度高得多的切削和進(jìn)給速度進(jìn)行高效加工。它是一種輕切削方式,每刀切削排屑量小,切削深度小但切削線速度大,進(jìn)給速度較傳統(tǒng)方式高5～10倍。隨著切削速度的提高，切削力下降；隨切屑帶走大量加工產(chǎn)生的熱量；能獲得更佳的表面質(zhì)量；在不受機(jī)床振動(dòng)制約的范圍內(nèi)加工。但是，隨著切削速度的提高，會(huì)影響刀具壽命如圖1所示。

本文以一個(gè)簡(jiǎn)單的鋁合金簿壁零件為例如圖2所示，采用高速加工技術(shù)，改變工件的裝夾方式，優(yōu)化編程策略，選擇合適的切削刀具，采用最佳的切削工藝，在CAXA軟件里面實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金薄壁零件的高速切削。

圖1 高速加ss工一般特性

圖2 鋁合金薄壁零件的三維實(shí)體圖

2 鋁合金薄壁件加工分析

該零件長(zhǎng)400mm，寬200mm，厚30mm，內(nèi)腔深20mm，中間薄壁的壁厚僅為2mm，圓角均為R10mm（圖2）?；诒”诩募庸ぬ攸c(diǎn)，在加工中主要解決抑制和減小變形的問(wèn)題。

為了避免刀具產(chǎn)生受力過(guò)大、磨損甚至崩刃等情況，應(yīng)該將第一刀和其后面的加工分開。第一刀選取直徑較大的刀具用區(qū)域式加工的方法做出。為了利于后面的擴(kuò)銑加工，使用常規(guī)加工和進(jìn)給速度來(lái)完成槽。然后使用直徑較小的刀具用等高線加工方法，從槽中開始往外擴(kuò)銑加工，使得每次加工能保證相同的切削速度，進(jìn)行高速銑削來(lái)完成工件加工。

這里面加工順序：先進(jìn)行等高線加工，再進(jìn)行區(qū)域式加工，加工后在特征樹的加工管理區(qū)域?qū)⒍邔?duì)調(diào)。因?yàn)槿绻苯舆M(jìn)行執(zhí)行區(qū)域式加工的話，其后的等高線加工將不會(huì)將切入點(diǎn)放在區(qū)域式加工所銑出的槽中進(jìn)行擴(kuò)銑加工，而是從內(nèi)腔的邊緣下刀，又成為第一刀的滿刀加工。

2.1 材料性能特點(diǎn)

鋁合金薄壁件由于硬度（110～120HB）和強(qiáng)度（96～294MPa）低，材料的膨脹系數(shù)較大，熱脹冷縮后易產(chǎn)生積屑瘤，同時(shí)材料抗塑性變形和劃痕的能力也差，工件易碰傷和夾壞。而且其彈性模量較小，在切削力和夾緊力作用下易產(chǎn)生較大的彈性變形，從而影響的加工精度。而且會(huì)引起刀具后面和已加工表面之間的劇烈摩擦，從而加快刀具的磨損并引起振動(dòng)。這在薄壁件的情況表現(xiàn)較為明顯。

2.2 切削參數(shù)特點(diǎn)

高速加工最重要的是研究最優(yōu)切削參數(shù)，如切削速度、切削深度、進(jìn)給速度等因素。

高速加工時(shí)，在確定最優(yōu)切削條件下，我們不僅要考慮刀具的磨損，而且必須考慮表面質(zhì)量、精度、切削力和切除量與工件材料(圖3、4)之間的關(guān)系。而鋁合金的最佳切削速度是1500～5500m/min，每齒進(jìn)給量為0.16～0.62mm。

鋁合金加工參數(shù)要求：

1） 對(duì)于薄壁零件的加工，要求采用高速/超高速切削技術(shù)，即在機(jī)床刀具的允許范圍內(nèi)，采用很大的切削速度。

2） 高速切削要求選用順銑方式。

圖3 不同鋁合金的特定切削量

圖4 不同鋁合金的刀具磨損量

3） 高速加工側(cè)壁時(shí)，應(yīng)使用低切深高進(jìn)給的方式，但在鋁合金的高速加工中選擇徑向切深。

4） 高速切削時(shí)盡肯能縮短刀具懸伸長(zhǎng)度和增加工件的剛性。

2.3 加工刀具的要求

適合高速加工鋁合金的刀具材料有硬質(zhì)合金，陶瓷和聚晶金剛石三種。陶瓷刀具不能使用在粗加工中，容易導(dǎo)致刀具迅速磨損。聚晶金剛石刀具則是目前最合適加工鋁合金的刀具，但是價(jià)格昂貴，較少使用，適當(dāng)使用該種刀具有更好的經(jīng)濟(jì)性。目前加工中部分使用硬質(zhì)合金刀具，不推薦使用高速鋼刀具。

3 鋁合金薄壁件高速加工

3.1 CAXA加工環(huán)境參數(shù)設(shè)定

3.1.1 加工刀具參數(shù)設(shè)定

在特征樹加工管理區(qū)的刀具庫(kù)管理中增加一個(gè)區(qū)域式加工的銑刀D10，r1和一個(gè)等高線加工的銑刀D6，r0.5如圖5所示。銑刀的參數(shù)如圖所示，其中的刀刃和刃桿長(zhǎng)度與仿真加工有關(guān)，與實(shí)際加工無(wú)關(guān)。

3.1.2 后置處理設(shè)置

圖5 設(shè)定加工刀具參數(shù)

根據(jù)加工需要選擇機(jī)床，定義合適的機(jī)床后置格式，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。系統(tǒng)一般默認(rèn)為FANUC系統(tǒng)的格式。

3.1.3 加工毛坯設(shè)定

加工定義毛坯中選擇參考模型。調(diào)整尺寸中，將其尺寸調(diào)整為長(zhǎng)404mm，寬204mm，高32mm最后生成毛坯圖如圖6所示：

圖6 加工毛坯

3.1.4 加工邊界設(shè)定

1）等高線加工邊界確定

等高線粗加工方式生成等高線加工軌跡。粗加工去余量的快慢影響加工中心加工的效率。整個(gè)型腔根據(jù)給定的參數(shù)自動(dòng)分層，每一層相當(dāng)于一個(gè)平面區(qū)域加工，適合用于平刀，球刀和帶R的平刀?？梢愿咝Э煽康娜コ颓粌?nèi)的余量，并可以根據(jù)精加工的要求留出余量，為精加工打下一個(gè)好基礎(chǔ)。該加工方式普通使用，適用范圍廣；可以指定加工區(qū)域，優(yōu)化空切軌跡。軌跡拐角可以設(shè)定圓弧或者S形過(guò)渡，生成光滑軌跡，支持高速加工設(shè)備。

考慮到加工余量，因此需要在零件的外表面設(shè)定加工邊界，否則使用等高線加工時(shí)，零件外表面除了四周圓弧以外將得不到加工。如果不設(shè)定加工邊界的話，系統(tǒng)將默認(rèn)毛坯尺寸為加工邊界?？紤]到刀具半徑的偏移量，加工邊界設(shè)定必須大于加工零件外表面所用刀具的半徑。

2）區(qū)域式加工的輪廓確定

區(qū)域式粗加工方式生成區(qū)域式粗加工軌跡。該加工方法屬于兩軸加工，優(yōu)點(diǎn)是不必有三維模型，只要給出零件外輪廓和島嶼，就可以生成加工軌跡，并能在軌跡尖角處自動(dòng)增加圓弧，保證軌跡光滑，具有較高的效率。無(wú)論是內(nèi)外輪廓銑，刀具都要從切向進(jìn)入輪廓進(jìn)行加工；當(dāng)輪廓加工完畢，要安排沿足夠切線方向的退刀距離，避免刀具在工件上的切入和退出點(diǎn)處留下接刀痕。進(jìn)退刀位置盡可能選在不太重要的位置。

區(qū)域式加工中使用直徑10mmm的銑刀，在每個(gè)內(nèi)框內(nèi)設(shè)定一定寬度為10mm的矩形框加工邊界。長(zhǎng)度根據(jù)等高線加工的切入點(diǎn)調(diào)整，使等高線加工的切入點(diǎn)落在該范圍內(nèi)。這里選擇183mmX10mm的矩形作為區(qū)域式加工的邊界如圖7所示。

圖7 區(qū)域式加工的輪廓

3.2 等高線加工刀具軌跡

選擇加工類型為等高線粗加工，然后設(shè)置切削用量。選順銑方式，直徑為6mm的端銑刀，Z向切入層高為6mm，XY切入向行距為0.6mm，加工余量為0。

根據(jù)（表1）硬質(zhì)和金剛端銑刀高速銑削鋁合金切削參數(shù)推薦表設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速25000，進(jìn)給速度為3000，執(zhí)行平坦部識(shí)別。

表1 硬質(zhì)和金剛端銑刀高速銑削鋁合金切削參數(shù)推薦表

按照零件高速加工的要求選擇切入切出和下刀方式方式，然后再增加參數(shù)為的D6，r0.5銑刀。手動(dòng)選擇需要加工的曲面和零件外表面作為加工邊界點(diǎn)擊確認(rèn)，系統(tǒng)自動(dòng)生成加工軌跡如圖8所示。

圖8 等高線粗加工刀具軌跡

在加工管理區(qū)拾取刀具軌跡將加工軌跡隱藏，便于觀察下面的加工軌跡（這里主要是針對(duì)一個(gè)零件中存在多種加工方式時(shí)避免各種刀具軌跡路線之間產(chǎn)生視覺(jué)上的相互影響）。

3.3 區(qū)域式加工刀具軌跡

選擇區(qū)域式粗加工方式，然后設(shè)置切削用量。在順銑方式下，選直徑是10mm的平頭槽銑刀，Z向切入層高為5mm（該項(xiàng)為Z軸向切深），XY向切入行距為10mm，加工余量為0。根據(jù)（表2）硬質(zhì)和金槽銑刀高速銑削鋁合金切削參數(shù)推薦表選擇主軸轉(zhuǎn)速為6000，進(jìn)給速度為900。

表2 硬質(zhì)和金槽銑刀高速銑削鋁合金切削參數(shù)推薦表

圖9 區(qū)域式加工仿真

增加參數(shù)為D10，r1銑刀，加工邊界參數(shù)Z軸設(shè)定為最大32mm最小10mm，以免區(qū)域式加工將一直加工到底。手動(dòng)選擇需要加工的輪廓后，在加工零件上拾取島嶼確認(rèn)系統(tǒng)加工得到區(qū)域式加工軌跡如圖9所示。

以上是鋁合金薄壁類零件在等高粗加工和區(qū)域式粗加工相結(jié)合的加工過(guò)程，接下來(lái)還可以還可以將兩種加工方式對(duì)掉后進(jìn)行軌跡仿真，生成G代碼，工藝清單，然后根據(jù)這些代碼清單進(jìn)行后置處理等操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋁合金薄壁零件加工的綜合應(yīng)用，分析薄壁類零件在高速加工過(guò)程加工性能不佳的問(wèn)題。由于數(shù)控加工技術(shù)朝著高速加工方向發(fā)展，此類零件采用數(shù)控加工技術(shù)，可以大大縮短此類零件的制造周期，提高其加工性能和質(zhì)量，為同類薄壁零件高速加工技術(shù)提供一些參考。

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