梁宇明

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息系，廣東 茂名 525000）

高速銑削加工，是指在實際生產(chǎn)中，用優(yōu)質(zhì)的高硬度刀具，在高速加工設(shè)備中，以高切削速度對加工材料進(jìn)行切削，得到形狀、尺寸及粗糙度均符合零件要求的產(chǎn)品。薄壁類零件本身壁厚較薄，導(dǎo)致其剛性較差，易變形。故在切削加工過程中，刀具和工件容易發(fā)生振刀現(xiàn)象，導(dǎo)致零件加工精度無法得到保證，且工件的表面變得粗糙。鋁合金類材料的特點是剛度較差，容易粘刀，且發(fā)熱量大，常見的牌號有50252/6061/6065/7071/7075等。因此，鋁合金薄壁類零件在進(jìn)行高速動態(tài)銑削加工時，需要克服鋁合金薄壁零件的強(qiáng)度較小、薄壁易變形、發(fā)熱量大、易粘刀、難排屑等難點，在提高銑削速度的同時，保證加工零件的加工精度和表面粗糙度。

1 鋁合金薄壁零件高速銑削加工方案分析

傳統(tǒng)銑削加工方式以分層銑削為主，是利用銑刀的底刃與零件表面接觸而產(chǎn)生層銑的切削方式。高速銑削加工則是利用高硬度的優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金銑刀的側(cè)刃與加工零件的側(cè)壁接觸而產(chǎn)生剝銑的切削方式。動態(tài)銑削采用剝銑的方法從而保證在整個加工過程中始終采用順銑的方式，刀具按照加工參數(shù)所設(shè)定的步進(jìn)量（行距）逐層剝銑，每層加工完畢可微量提刀，快速移動至下一層需要加工的位置，從而保證沿著刀具前進(jìn)的方向，刀具永遠(yuǎn)在工件的左側(cè)，即順銑方式[1]。這種動態(tài)銑削加工方式在高速銑削的同時，可以保持穩(wěn)定的切削力，加工過程較為穩(wěn)定，對保證加工精度和工件表面粗糙度極為有利。

2 加工案例零件結(jié)構(gòu)分析

選用較為常見的工廠生產(chǎn)零件進(jìn)行案例分析，如圖1所示。該加工零件的材料為YL12，切削性能較好。其外圓直徑尺寸較大，達(dá)到了Φ301.5 mm，周邊壁厚和內(nèi)部加強(qiáng)筋的厚度均為2 mm，底板的厚度也為2 mm，型腔的深度為20 mm，其中最小的過渡圓角為R4。

圖1 工件零件圖

由于零件的內(nèi)腔較深，為20 mm，側(cè)壁為垂直壁，較薄，僅2 mm，所以利用鋁用銑刀大切削深度高速動態(tài)銑削側(cè)壁時，產(chǎn)生的加工切削力會使剛度較差的鋁合金薄壁產(chǎn)生變形和振刀的問題，導(dǎo)致加工精度低、表面粗糙等現(xiàn)象[2]。同時，由于高速銑削時，刀具的側(cè)刃與側(cè)壁接觸面積大，鋁合金切削時會產(chǎn)生大量的加工熱量，集中在刀具上，刀具溫度較高，必須進(jìn)行充分的冷卻。

因此，必須從加工工藝、加工夾具工裝、加工參數(shù)、加工刀具、冷卻方式等方面進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計確定合理的加工方案，克服材料和高速動態(tài)銑削帶來的加工難點，保證在提高加工效率的同時獲得合格的鋁合金薄壁零件。

3 零件加工工藝分析

為了提高零件的加工效率，在對零件的粗加工工步中，采用高速動態(tài)銑削的加工策略。筆者采用NX三維軟件加工模塊中的自適應(yīng)銑削命令進(jìn)行粗加工的動態(tài)銑削加工編程[3]。NX中的自適應(yīng)銑削的刀路軌跡，主要是充分利用銑刀的側(cè)刃進(jìn)行銑削，切削深度可達(dá)銑刀直徑的2～3倍，加工時主要以側(cè)刃進(jìn)行銑削加工，不需要在Z方向進(jìn)行深度分層加工，實現(xiàn)高速切削。該刀具路徑的主要優(yōu)點：1）進(jìn)行高速動態(tài)銑削加工，可將材料的去除率最大化。2）吃刀量較為穩(wěn)定，刀具載荷變化小，加工過程不容易斷刀。3）排屑順暢，散熱快，工件和刀具在加工時溫升小。

鋁合金材料具有剛度較差、易變形的特點，且加工零件的外形尺寸較大，故采用直徑為16 mm的鋁合金專用平底銑刀進(jìn)行開粗加工。用16 mm的平底刀開粗，主要是為了提高生產(chǎn)效率，在盡可能短的時間內(nèi)去除大部分的余量，故采用大吃刀量、大切削深度、高進(jìn)給的方式來進(jìn)行粗加工，如圖2（a）所示。但是因為鋁合金材料較軟，零件側(cè)壁厚度僅為2 mm，粗加工帶來的大切削力導(dǎo)致側(cè)壁的加工變形過大，所以雖然提升了加工效率，卻無法保證加工精度[4]。零件型腔的過渡圓角為R4，16 mm的平底刀直徑太大，后期需進(jìn)行清角加工，將過渡圓角R4的余量加工均勻。

因此不能利用16 mm的平底刀直接開粗至0.2的精加工余量，而應(yīng)在加工編程時，設(shè)置粗加工后留出3 mm的余量。加工零件的側(cè)壁在粗加工后就變?yōu)? mm，便有了足夠的強(qiáng)度和剛度抵御粗加工時的切削力，不易產(chǎn)生變形，保證加工精度。再利用8 mm的鋁合金專用平底刀對加工零件進(jìn)行二次開粗至加工0.2的余量，如圖2（b）所示。因為二次開粗時的刀具、吃刀量、進(jìn)給量都比第一次開粗時的小，切削力也因此減小，能防止薄壁變形，且過渡圓角R4可以直接加工至均勻余量，減少了清角加工的工序[5]。

4 夾具工裝的設(shè)計

鋁合金大型薄壁件材料較軟、壁厚小、加工易變形，因此加工中為了抵御高速動態(tài)銑削帶來的切削力，必須針對鋁合金薄壁件形狀和結(jié)構(gòu)的特點設(shè)計合適的專業(yè)夾具，增強(qiáng)側(cè)壁加工時的強(qiáng)度和剛度。

加工零件的外圍存在6個直徑為6 mm和1個直徑為12 mm的定位通孔。通過專用壓板上的直徑為6 mm的定位銷與加工零件上的直徑為6 mm的通孔進(jìn)行配合定位[6]。壓板的上蓋板壓緊加工零件的上表面，壓板的下蓋板和加工中心的工作臺通過M6的螺栓和螺母上緊，如圖3所示。通過壓板一壓一頂，增強(qiáng)了鋁合金薄壁件側(cè)壁的強(qiáng)度，能抵御高速動態(tài)銑削粗加工帶來的大切削力，有效地保證了加工精度。根據(jù)加工零件的結(jié)構(gòu)特點和定位孔的分布情況，一共用了7套夾具進(jìn)行固定，分布均勻，定位精度高，加工效果良好。

圖3 夾具夾緊示意圖

5 切削參數(shù)的設(shè)置

高速動態(tài)銑削切削參數(shù)的設(shè)置尤為重要，因為動態(tài)銑削方式是在側(cè)刃大吃刀量、大切削深度的情況下進(jìn)行的。綜合考慮鋁合金材料剛性較差、零件側(cè)壁較薄、發(fā)熱量大、易粘刀等因素，采用高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給、大吃刀量、大切削深度的參數(shù)設(shè)置方式[7]。一般來說，動態(tài)銑削加工建議參數(shù)為：切削深度為刀具直徑的10%～150%，步距為刀具直徑的5%～30%，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min～6 000 r/min，進(jìn)給速度為2 000 mm/min～4 000 mm/min。根據(jù)加工的實際情況，確定了如表1所示的動態(tài)銑削參數(shù)。

表1 動態(tài)銑削參數(shù)表

鋁合金薄壁工件的高速動態(tài)銑削加工區(qū)域為內(nèi)型腔，而不是常見的零件外形加工[8]。因此，內(nèi)型腔動態(tài)銑削需要先銑削一個圓孔，用作加工刀具動態(tài)銑削時的回轉(zhuǎn)空間。封閉區(qū)間銑削圓孔，采用螺旋進(jìn)刀方式加工，其切削方式是利用平底刀的底刃與工件接觸產(chǎn)生層切，并不是動態(tài)銑削的側(cè)刃銑削，故不能用高進(jìn)給進(jìn)刀[9]。為了降低刀具底刃的磨損程度，需減小銑削圓孔螺旋下刀時圓路徑的直徑、每層的銑削深度以及進(jìn)刀的進(jìn)給速度。

6 加工刀具的選擇

刀具是切削加工中最為重要的工具，在很大程度上影響著加工技術(shù)的發(fā)展。刀具材料的性能指標(biāo)會對其加工性能、加工能力和加工質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。從目前來看，高速切削加工中使用的刀具材料類型眾多，包括高速鋼、陶瓷、硬質(zhì)合金等材料，需要依照工件的加工強(qiáng)度和性能要求，確定對刀具材料的要求。

從目前的高速切削刀具市場來看，常用的刀具材料有聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼、陶瓷、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等[10]。每一種刀具材料適用的工件材料和切削速度范圍都不相同。工件材料為鋁合金時，材料的機(jī)械強(qiáng)度很高，對于這種材質(zhì)的工件，可以選用聚晶金剛刀具、涂層刀具等，用很高的切削速度和進(jìn)給速度進(jìn)行加工，要避免選用陶瓷刀具。例如，可以選用55°碳化鎢鋼的涂層刀具（3刃）來對鋁合金薄壁零件進(jìn)行加工。它適應(yīng)于對55°以下鋁銅及合金等材料進(jìn)行高速粗加工到精加工，3刃的刀刃鋒利，容易排屑，能提高工件表面的光潔度，同時減少切削力的產(chǎn)生。

7 結(jié)語

現(xiàn)代加工制造業(yè)的加工技術(shù)不斷更新?lián)Q代，高速動態(tài)銑削加工技術(shù)正在成為主流，其具有加工精度高、效率高、質(zhì)量可靠等優(yōu)勢。動態(tài)加工技術(shù)的應(yīng)用，減輕了機(jī)床及刀具的負(fù)載，既能保護(hù)機(jī)床的導(dǎo)軌、絲杠，又能延長刀具的使用壽命，達(dá)到提高加工效率、降低生產(chǎn)成本的目的。筆者嘗試從加工工藝、夾具工裝、加工參數(shù)、加工刀具等方面入手，分析和解決高速動態(tài)銑削與鋁合金薄壁零件之間的技術(shù)難點，提高生產(chǎn)效率的同時，保證加工精度和表面粗糙度。加工效率和成本直接關(guān)系到企業(yè)的生存與發(fā)展，這些因素成為高速動態(tài)加工技術(shù)能被廣泛應(yīng)用到數(shù)控銑削當(dāng)中的根本原因。相關(guān)專業(yè)人員應(yīng)繼續(xù)深入研究動態(tài)銑削的加工工藝和加工參數(shù)，不斷提升我國制造業(yè)的水平和競爭力。