孫玉民 鄒宇寧 鄧連興

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

1 研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)

某機(jī)匣屬于高溫合金材料的薄壁對(duì)開(kāi)類(lèi)機(jī)匣，該零件的最大直徑尺寸為Ф679mm，高度尺寸為141mm，型面最小壁厚1.6mm，內(nèi)型面為圓錐面，外型面分布水平安裝邊（2處）、加強(qiáng)筋（4處）、放氣座凸臺(tái)（3處），三維模型如圖1所示。加工路線(xiàn)分為毛坯-粗車(chē)-粗銑-穩(wěn)定處理-線(xiàn)切割-鉆鏜結(jié)合面及孔-半精車(chē)-精車(chē)-精銑及鉆鏜徑向孔-精車(chē)止口-鉆鏜端面孔-最終檢驗(yàn)。

圖1 某機(jī)匣三維模型示意圖

某機(jī)匣為批產(chǎn)零件，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)和精益改善，產(chǎn)品的質(zhì)量和加工效率提升趨于瓶頸，隨著批產(chǎn)數(shù)量的大幅度增長(zhǎng)，加工效率無(wú)法滿(mǎn)足批產(chǎn)需求，其中精銑外型工序尤為明顯，精銑外型工序的加工時(shí)間為23h，主要使用工廠某五坐標(biāo)加工中心設(shè)備進(jìn)行加工，加工工時(shí)數(shù)為9200h，而該設(shè)備額定工時(shí)數(shù)最大為8760h，不能滿(mǎn)足批產(chǎn)需求。

精銑外型工序的加工過(guò)程分為銑凸臺(tái)平面-銑前后安裝邊上下沿-粗銑型面-精銑型面-清根-銑水平安裝邊兩側(cè)及清根-鉆鏜徑向孔及銑螺紋，其中粗銑型面工序加工時(shí)間較長(zhǎng)，加工時(shí)間5.5h，其次加工等待3.5h，還有銑水平安裝邊兩側(cè)，加工時(shí)間2h。

為此，該研究的目標(biāo)是將在優(yōu)化粗銑型面和銑水平安裝邊以及加工等待，從而提高精銑工序的加工效率。

2 優(yōu)化方案的制定

2.1 高速快進(jìn)給銑削技術(shù)

快進(jìn)給銑削是一種通過(guò)增加每齒進(jìn)給量的值而獲得較高的材料去除率的切削方式[1]，該方式主要通過(guò)減薄切削過(guò)程中的切屑來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而減少刀具主偏角是實(shí)現(xiàn)減薄切屑的主要途徑。每齒進(jìn)給量fz與切削厚度h之間的關(guān)系公式：h=fz×sink，其中h為切屑厚度，fz為每齒進(jìn)給量，k為刀具主偏角，刀具主偏角越小，切削產(chǎn)生的切屑厚度越薄。采用剪薄切屑的大進(jìn)給銑削能夠有效地減小徑向切削力、延長(zhǎng)刀具壽命。快進(jìn)給銑削采用較小的主偏角，使切削徑向力最小化，軸向力最大化，切削力沿刀具傳入機(jī)床主軸，從而降低了振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，使切削過(guò)程更加平穩(wěn)。在當(dāng)量切屑厚度相同的情況下，快進(jìn)給銑削的每齒進(jìn)給量能夠達(dá)到常規(guī)銑削的4～5倍。

快進(jìn)給銑削加工時(shí)切削速度和進(jìn)給速度都很快，傳統(tǒng)往復(fù)式的走刀路徑不再適應(yīng)快進(jìn)給銑削方式，抬刀次數(shù)過(guò)多和切削過(guò)程中急劇變向等過(guò)程都對(duì)零件表面質(zhì)量和刀具壽命有較大的影響。因此，高速銑刀軌路徑規(guī)劃可以滿(mǎn)足快進(jìn)給銑削的加工方式。

進(jìn)退刀方式：快進(jìn)給刀具加工零件過(guò)程中刀刃受到碰撞的沖擊載荷較大時(shí)，由于瞬間受到猛烈沖擊，刀具經(jīng)常出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象?？爝M(jìn)給銑削的加工碰撞現(xiàn)象主要存在于程序的進(jìn)退刀過(guò)程，如何減少加工中刀具與材料之間的碰撞，保證加工進(jìn)退刀的平穩(wěn)的切入和切出，加工程序中進(jìn)退刀方式的優(yōu)化是關(guān)鍵。斜線(xiàn)下刀和螺旋下刀可以滿(mǎn)足高溫合金大進(jìn)給銑削要求，然而螺旋下刀的加工過(guò)程明顯相對(duì)斜線(xiàn)下刀更加平穩(wěn)，是高溫合金大進(jìn)給銑削的可選的最優(yōu)方式[2]。

數(shù)控加工程序行間過(guò)渡：在加工同一高度時(shí)，需要多行加工軌跡才能形成，一般有圖2所示5種加工軌跡。其中，第一種所示單向行切將帶來(lái)至少50%的空運(yùn)行軌跡，效率明顯較低；第二種所示雙向行切和第4種所示雙向行切加周邊環(huán)切將至少有50%軌跡的加工過(guò)程為逆銑，刀具磨損速度很快，加工表面質(zhì)量差，這是在鈦合金加工中要盡量避免的；第五種所示螺旋軌跡切削比較平穩(wěn)，空運(yùn)行軌跡也比較少[3]，但這種軌跡控制復(fù)雜，程序編制時(shí)間較長(zhǎng)，也不是很實(shí)用；第三種所示的環(huán)切軌跡編制方法比較成熟，在加工過(guò)程中隨時(shí)保持順銑狀態(tài)，而且?guī)缀鯖](méi)有空運(yùn)行程序。這是快進(jìn)給銑削中的優(yōu)選方案，用以替換常規(guī)銑削中的單向行切方案。

圖2 加工程序行間過(guò)渡圖示

快進(jìn)給銑刀的應(yīng)用方法和注意事項(xiàng)：1）快進(jìn)給銑刀的切削速度設(shè)定。根據(jù)刀具商提供的數(shù)據(jù)，合理設(shè)置轉(zhuǎn)速，對(duì)該零件，切削速度推薦為30m/min，刀具直徑Ф20mm，根據(jù)計(jì)算公式，對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速為477r/min；2）快進(jìn)給銑刀的進(jìn)給速度設(shè)定。根據(jù)刀具商提供的每齒切削量數(shù)據(jù)，合理設(shè)置進(jìn)給速度，對(duì)該零件，刀具的推薦每齒切削量為0.7mm，刀具齒數(shù)為3齒，根據(jù)計(jì)算公式，對(duì)應(yīng)的進(jìn)給速度為715mm/min；3）快進(jìn)給銑刀的切削深度和寬度設(shè)定。根據(jù)刀具商提供的最大切深和切寬范圍數(shù)據(jù)以及零件的切削余量，合理分層設(shè)置切削深度和切削寬度，對(duì)該零件，刀具的切削深度推薦不大于0.8mm，切削寬度推薦為刀具直徑的60%～70%，綜合考慮，切削深度應(yīng)為0.5mm，切削寬度為刀具直徑的60%，即12mm；切削寬度的設(shè)置值應(yīng)盡量避免為刀具直徑的50%，否則切削振動(dòng)會(huì)增大，刀刃容易損壞。

2.2 刀具軌跡的優(yōu)化

某機(jī)匣精銑工序粗銑型面原方案是采用縱向單向順銑的刀具軌跡，加工中提刀和進(jìn)退刀過(guò)程較多，刀具反復(fù)接觸零件，刀具磨損較快，加工效率低。

粗銑型面的優(yōu)化方案選擇分層回字刀路，如圖3所示，拐角圓弧轉(zhuǎn)接，類(lèi)似高速銑的加工方法，減少切削過(guò)程中沖擊力，從而減少刀具磨損。

圖3 粗銑型面優(yōu)化后刀軌

某機(jī)匣精銑工序水平安裝邊原方案是采用單個(gè)側(cè)銑的刀具軌跡，側(cè)面和底面均有2mm余量，切削過(guò)程中切削力較大，刀具磨損較快，加工效率低。

精銑工序水平安裝邊原方案是采用側(cè)壁和底面分開(kāi)加工的刀具軌跡，側(cè)面單獨(dú)一刀和底面分層，如圖4所示，每層0.5mm，減少切削過(guò)程中的切削力，從而減少刀具磨損，分別設(shè)置不同的切削速度，提高加工效率。

圖4 水平安裝邊優(yōu)化后刀軌

高速銑刀路的生成方法：1）根據(jù)型面形狀創(chuàng)建高速銑驅(qū)動(dòng)軌跡。采用變軸邊界驅(qū)動(dòng)方法，跟隨周邊的切削模式，向外刀路方向，設(shè)置合理地切削步距，使轉(zhuǎn)接圓角位置的刀路排布平滑、保證均勻地去除材料，設(shè)置轉(zhuǎn)接半徑，取消進(jìn)退刀設(shè)置，在零件表面生成最終的刀軌；2）創(chuàng)建分層的高速銑刀路。采用變軸刀軌驅(qū)動(dòng)方法，選擇刀軸的投影矢量方法，刀軸選擇與驅(qū)動(dòng)軌跡相同，通過(guò)多刀路設(shè)置，在零件表面生成分層的高速銑刀路。常規(guī)設(shè)置分層方法對(duì)周邊切削深度越來(lái)越大，快進(jìn)給銑刀切深有限制的，一般給定值不大于0.8mm，導(dǎo)致快進(jìn)給切削量越來(lái)越大，刀片磨損嚴(yán)重，改進(jìn)后的高速銑分層設(shè)置方法，可以保證恒定切削深度，從而保證切削的平穩(wěn)性，提高加工質(zhì)量和效率。

2.3 刀具的優(yōu)化

粗銑外型原加工方案所用的刀具為Ф20R6.5mm合金銑刀，該刀具為返磨刀具，使用切削壽命不固定，切削前角與進(jìn)給方向垂直，軸向力較大，徑向力較小，切削過(guò)程中刀具磨損嚴(yán)重，切削效率不高。

粗銑外型優(yōu)化方案所用刀具為Ф20R1.8mm快進(jìn)給機(jī)夾銑刀?？爝M(jìn)給銑削是一種粗加工方式，一種可以減少加工時(shí)間的方法，是為了獲得極高的金屬去除率而開(kāi)發(fā)，該方式使用較小的主偏角、切削力，主要沿著軸向工作，具有較高的每齒進(jìn)給率。

2.4 切削參數(shù)的優(yōu)化

優(yōu)化方案1：合金銑刀采用小切深快進(jìn)給中轉(zhuǎn)速的加工方式，分層加工，每層切深0.5mm，主軸轉(zhuǎn)速800r/min，進(jìn)給715mm/min，切寬12mm，結(jié)合使用回型刀路進(jìn)行加工。

優(yōu)化方案2：快進(jìn)給銑刀采用小切深快進(jìn)給低轉(zhuǎn)速的加工方式，分層加工，每層切深0.5mm，主軸轉(zhuǎn)速477r/min，進(jìn)給715mm/min，切寬12mm；結(jié)合使用回型刀路進(jìn)行加工。

2.5 程序串聯(lián)

應(yīng)用程序串聯(lián)無(wú)人干預(yù)技術(shù)，將全部加工程序分為手動(dòng)干預(yù)加工部位、粗銑型面及清根、精銑加強(qiáng)筋表面、精銑型面、水平安裝邊上、水平安裝邊下、鉆鏜孔部位等7個(gè)部分。

3 試驗(yàn)方案

3.1 粗銑型面-快進(jìn)給銑刀+回型刀路+原加工路線(xiàn)的試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容：粗銑型面分為6個(gè)區(qū)域，采用快進(jìn)給銑刀，回型順銑刀路，四周先清根+再粗銑型面，試驗(yàn)刀具為Ф20R1.8mm銑刀。切削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速477r/min，每齒進(jìn)給量0.7mm，進(jìn)給速度715mm/min。

試驗(yàn)結(jié)果：6個(gè)區(qū)域粗銑型面的全部加工時(shí)間為90min，其中前3個(gè)程序加工后更換一次刀尖，每個(gè)程序加工最后2層的最后2圈振動(dòng)較大，更換刀片后發(fā)現(xiàn)刀片磨損嚴(yán)重，刀具消耗4.5片。

小結(jié)：經(jīng)分析，先型面清根，最外圈的切削余量?jī)蛇叡≈虚g厚，切削刃上的切削力不平衡，引起快進(jìn)給銑刀振動(dòng)，切削不平穩(wěn)，刀具磨損加劇，需要對(duì)加工順序進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 縱向安裝邊-合金銑刀+不等距分層分進(jìn)給的試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容：縱向安裝邊區(qū)域，分層加工，側(cè)面1刀+底面4刀，側(cè)面進(jìn)給100mm/min，底面800mm/min，試驗(yàn)刀具為Ф20R3mm銑刀。切削參數(shù)：切削速度50m/min，主軸轉(zhuǎn)速800r/min，進(jìn)給速度100/800mm/min，底面切深0.5mm，側(cè)壁切寬2mm。

試驗(yàn)結(jié)果：縱向安裝邊區(qū)域的全部加工時(shí)間為60min，刀具正常加工，正常磨損。

小結(jié)：在側(cè)面和底面都具有較大余量的部位，采用側(cè)壁和底面分開(kāi)加工，分別控制切削深度和切削進(jìn)給參數(shù)，可以提升綜合加工效率。

3.3 粗銑型面-快進(jìn)給銑刀+回型刀路+優(yōu)化路線(xiàn)的試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容：粗銑型面分為6個(gè)區(qū)域，采用快進(jìn)給銑刀，回型順銑刀路，先粗銑型面，再四周先清根，試驗(yàn)刀具為Ф20R1.8mm銑刀。切削參數(shù)：切削速度30m/min，主軸轉(zhuǎn)速477r/min，每齒進(jìn)給量0.7mm，進(jìn)給速度715mm/min，每層切深0.5mm，切寬12mm。

試驗(yàn)結(jié)果：6個(gè)區(qū)域粗銑型面的全部加工時(shí)間為70min，切削過(guò)程平穩(wěn)，后面2圈的振動(dòng)現(xiàn)象消失；加工完成3個(gè)程序后，檢查刀具，刀片正常磨損，試驗(yàn)為批產(chǎn)真件，目前人為設(shè)定前3個(gè)程序后換刀一次，刀具消耗3片。

小結(jié)：快進(jìn)給銑刀的切削條件滿(mǎn)足切寬要大于刀具直徑50%以上，同時(shí)回型刀路中轉(zhuǎn)接圓角增加圓滑轉(zhuǎn)接和降速，增加刀具使用壽命，提高加工效率。

3.4 粗銑型面-合金銑刀+回型刀路+優(yōu)化路線(xiàn)的試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容：粗銑型面分為6個(gè)區(qū)域，采用合金銑刀，回型順銑刀路，先粗銑型面，在四周先清根，試驗(yàn)刀具為Ф20R3mm銑刀。切削參數(shù)：切削速度50m/min，主軸轉(zhuǎn)速800r/min，每齒進(jìn)給量0.25mm，進(jìn)給速度715mm/min，每層切深0.5mm，切寬12mm。

試驗(yàn)結(jié)果：僅加工了前2個(gè)區(qū)域，加工時(shí)間為25min，加工到15min左右，振動(dòng)劇烈，進(jìn)給倍率降速至70%（即500mm/min），加工完成第2個(gè)程序，檢查刀具，切削刃上涂層磨沒(méi)，經(jīng)判斷，后續(xù)程序無(wú)法加工，繼續(xù)試驗(yàn)存在加工風(fēng)險(xiǎn)，停止試驗(yàn)。

小結(jié)：合金銑刀與快進(jìn)給銑刀的刀片結(jié)構(gòu)存在差異，不能用合金銑刀應(yīng)用回型刀路和快進(jìn)給銑刀參數(shù)加工。

3.5 串聯(lián)程序，無(wú)人干預(yù)的試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容：串聯(lián)程序，將全部加工程序分為手動(dòng)干預(yù)加工部位、粗銑型面及清根、精銑加強(qiáng)筋表面、精銑型面、水平安裝邊上、水平安裝邊下、鉆鏜孔部位等7個(gè)部分。

小結(jié)：合理地串聯(lián)加工程序，可以減少加工中的等待時(shí)間，提高自動(dòng)化加工水平。

4 目標(biāo)完成情況

經(jīng)過(guò)該研究，某機(jī)匣的批產(chǎn)加工時(shí)間由原來(lái)的每件23h，降低至每件12h～14.2h，超過(guò)預(yù)期目標(biāo)，達(dá)到了研究的目的，為該零件的批量生產(chǎn)提供了切實(shí)的幫助。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某機(jī)匣精銑型面工序切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的研究，快進(jìn)給銑刀在高溫合金材料的切削加工應(yīng)用為該研究的亮點(diǎn)，為后續(xù)高溫合金批產(chǎn)零件精加工提高加工效率和降低刀具成本打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具體總結(jié)如下：1）某機(jī)匣精銑外型工序通過(guò)切削參數(shù)優(yōu)化提高加工效率，完成該文目標(biāo)，大幅度縮短加工周期，降低刀具成本。2）快進(jìn)給銑刀在難加工材料的切削加工應(yīng)用，解決了批產(chǎn)機(jī)匣精加工提高加工效率和設(shè)備產(chǎn)能的瓶頸問(wèn)題。3）快進(jìn)給銑刀與高速銑切削方法的有機(jī)結(jié)合，能夠提升刀具的耐用程度，提高加工效率。