型腔及薄壁類零件的高速銑削加工試驗(yàn)

■ 武漢華中數(shù)控股份有限公司 （湖北 430223） 胡 濤 文 聞 熊 翔 孫 楠

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1.高速切削加工的特點(diǎn)

（1）高速切削的加工效率高。高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍，加工時(shí)間可大大減少?？捎糜诩庸ば枰罅壳谐饘俚牧慵?，特別是對(duì)于航空工業(yè)具有十分重要的意義。

（2）高速切削的切削力小。和常規(guī)切削相比，高速切削加工時(shí)切削力至少可降低30%， 這對(duì)于加工剛性較差的零件來說，可減少加工變形，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能。

（3）高速切削的切削熱對(duì)工件的影響小。高速切削加工過程極為迅速，95%以上的切削熱量極少，零件不會(huì)由于溫升導(dǎo)致翹曲或膨脹變形。高速切削特別適用于加工容易熱變形的零件。對(duì)于加工熔點(diǎn)較低、易氧化的金屬（如鎂），高速切削具有一定的意義。

（4）高速切削的加工精度高。因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)時(shí)，刀具切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削力太小，切削熱影響小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，另外也使得刀具工件間的摩擦變小，切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實(shí)現(xiàn)了高精度、低表面粗糙度值加工。

2.鋁合金高速銑削加工試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

鋁合金高速切削加工是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)，在常規(guī)切削加工中備受困擾的零件易變形與表面質(zhì)量不好的問題，通過高速切削加工可得到解決。針對(duì)鋁合金高速加工“小切削、快進(jìn)給”的特點(diǎn)，通過型腔及薄壁類零件的高速銑削加工試驗(yàn)，來論述高速加工工藝和操作方法，展現(xiàn)如何選擇高速切削刀路的優(yōu)化技巧，以及切削參數(shù)的選擇，從而提高加工效率及保證加工質(zhì)量。

3.試驗(yàn)準(zhǔn)備

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義金屬材料壁厚在1mm以下為薄壁件，本次高速銑削加工試驗(yàn)采用圖1所示樣件，該樣件符合“型腔、薄壁”兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)，因樣件尺寸的特殊性，如：壁厚0.8mm、圓柱直徑1.5mm、多處圓弧相接，零件型腔內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。零件品質(zhì)在加工過程中難以保證，常規(guī)的加工方法既無法保證零件不變形，也難提高加工效率，故將圖1樣件作為高速加工試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。同時(shí)該樣件被多家數(shù)控企業(yè)作為高速加工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件。

本次高速銑削加工試驗(yàn)選取一個(gè)樣件，樣件需符合兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)“型腔、薄壁”。因這類零件品質(zhì)難以保證，所以選用的機(jī)床為T-500高速鉆攻加工中心，該機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)40 000r/min，進(jìn)給速度30 000mm/min。刀柄結(jié)構(gòu)：HSK高速刀柄或BT30刀柄（刀柄形式根據(jù)機(jī)床確定，BT30刀柄需動(dòng)平衡處理）；刀具：整體硬質(zhì)合金三刃立銑刀D8；檢測(cè)儀器包括手持紅外測(cè)溫儀：測(cè)量工件表面溫度（如AR300）和粗糙度儀：檢測(cè)工件表面粗糙度（如TR200）。并應(yīng)用手機(jī)上的噪聲測(cè)量APP。機(jī)床負(fù)載顯示：監(jiān)控主軸及運(yùn)行軸的負(fù)載狀況（一般機(jī)床自帶該功能）。測(cè)量采用0～125mm游標(biāo)卡尺及三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。

圖1 型腔及薄壁類零件尺寸

4.試驗(yàn)過程

薄壁類零件在加工中經(jīng)常會(huì)遇到變形問題，常規(guī)加工方法的“大切削量、慢走刀”切削方式造成零件表面大量的切削熱無法被及時(shí)帶走，殘留在零件表面，使得零件易變形。而型腔類零件在加工時(shí)受刀具、零件尺寸的影響，每次下刀的層切深度不宜太深，故常規(guī)加工工藝不適合型腔及薄壁類零件加工。如圖1所示的型腔及薄壁類零件由型腔、島嶼和小圓柱構(gòu)成，其中型腔壁厚0.8mm、高20mm，小圓柱直徑1.5mm、高20mm，兩處側(cè)向剛性很差，極易產(chǎn)生振顫，導(dǎo)致側(cè)壁破損或圓柱折斷，故常規(guī)加工工藝不適合該零件加工。由于該類型零件的加工工藝限制了層切深度，為了提高加工效率并保證零件質(zhì)量，采用高速加工是非常適合的選擇。

此外，薄殼類零件的整體剛性也較差，也很適合選擇偏小直徑刀具（刀具直徑小于零件拐角圓角尺寸，且小直徑刀具可減小工件底面的振顫），高轉(zhuǎn)速、小吃刀量、大進(jìn)給量的高速加工工藝。高速加工工藝切削時(shí)產(chǎn)生的熱量95%會(huì)由切屑和切削液帶走，這樣零件表面處于室溫。而且高速加工產(chǎn)生的切削力及切削功率都很小，這樣刀具對(duì)零件表面不會(huì)造成擠壓，從而減小了零件變形，故選擇高速加工工藝對(duì)該零件進(jìn)行加工。

對(duì)于圖1所示型腔及薄壁類零件的加工，應(yīng)盡量減少最后精加工時(shí)零件的側(cè)面受力。故采取側(cè)壁兩側(cè)同時(shí)層切加工（層優(yōu)先原則）工藝，在各層完成粗、精加工，并達(dá)到壁厚尺寸要求。為了減小最后精加工一側(cè)的側(cè)面受力，每層深度不宜過大。同時(shí)采用擺線銑削刀路進(jìn)行高速加工，還可減小第一刀加工和中間加工時(shí)的刀具受力差別。

5.刀具及刀具軌跡分析

圖1所示零件型腔中的拐角圓弧最小為R5mm，為了減小刀具在拐角處的振動(dòng)，應(yīng)回避φ10mm刀具，而采用φ8mm立銑刀。模型加工時(shí)，總體工序如表1所示。

（1）整體粗加工工藝分析：整體粗加工時(shí)，采用1.5mm的層切深度，并保證零件底部加工至尺寸要求，各島嶼徑向保留0.1mm精加工余量，型腔薄壁內(nèi)外均保留1mm單邊徑向余量（以保證薄壁精加工時(shí)的工件剛性），小圓柱保留1mm單邊徑向余量（以保證小圓柱精加工時(shí)的工件剛性）。刀具路徑如圖2所示。

表1 工序清單

（2）槽區(qū)域粗加工工藝分析：槽區(qū)域粗加工采用擺線銑削，層切加工，每層深度1.5mm，槽底部加工至尺寸要求，槽寬保留0.1mm精加工余量。刀具路徑如圖3所示。

（3）島嶼外形精加工工藝分析：島嶼外形精加工采用輪廓銑削，一次將島嶼周邊（含槽寬）余量加工至尺寸要求。刀具路徑如圖4所示。

（4）薄壁外形精加工工藝分析：0.8mm薄壁外形采用層切銑削，每層包含內(nèi)、外兩側(cè)加工，每層切深0.3mm。薄壁內(nèi)側(cè)或外側(cè)加工均分粗、精兩刀加工（層優(yōu)先），第一刀粗加工后保留0.1mm精加工余量，第二刀精加工達(dá)到尺寸要求。刀具路徑如圖5所示。

圖2 整體粗加工刀路

圖3 槽區(qū)域粗加工刀路

圖4 島嶼外形精加工刀具路徑

（5）小圓柱外形加工工藝分析：采用“層切加工”，每層切深0.2mm，每層分粗、精兩刀加工（層優(yōu)先），第一刀粗加工后保留0.1mm精加工余量，第二刀精加工達(dá)到尺寸要求。刀具路徑如圖6所示。

6.切削參數(shù)選擇

整體硬質(zhì)合金立銑刀加工有色金屬的切削速度一般可達(dá)1 000m/min，因此當(dāng)前使用的D8立銑刀，其切削參數(shù)的選擇主要受限于機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度，為擴(kuò)大實(shí)訓(xùn)的適用度，參照一般較低水平的高速加工機(jī)床，本試驗(yàn)確定主軸轉(zhuǎn)速18 000r/min（該速度下一般鋒鋼刀具也適用），粗加工進(jìn)給速度設(shè)定為6 000mm/min，精加工進(jìn)給速度考慮薄壁工件的剛性及零件表面質(zhì)量的要求，可選為2 000～3 000mm/min。若機(jī)床性能高，可適當(dāng)提高切削速度和進(jìn)給速度。該零件加工時(shí)，切削參數(shù)主要體現(xiàn)在程序中，表2所示為該零件加工時(shí)的切削參數(shù)和程序名稱。

圖5 薄壁外形精加工刀具路徑

圖6 圓柱外形精加工刀具路徑

7.試驗(yàn)報(bào)告

薄壁零件加工完成后，可參照表3，檢測(cè)表中各項(xiàng)內(nèi)容。

檢測(cè)完成后，將檢測(cè)數(shù)據(jù)填入檢測(cè)記錄表4。

8.結(jié)語

本項(xiàng)目?jī)?nèi)容為“2016年智能制造新模式應(yīng)用項(xiàng)目：便攜式電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模組精密加工智能制造新模式”的一部分。通過對(duì)上述零件的加工試驗(yàn)摸索，在高速加工方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)復(fù)雜類零件越來越多，對(duì)零件的加工要求逐漸提高。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，生產(chǎn)周期也逐漸縮短，特別對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，常規(guī)加工已無法滿足要求，采用高速加工是一條有效途徑，不僅在很大程度上提高了加工效率，而且能夠有效減小零件的變形，提高零件品質(zhì)。

高速加工是相對(duì)常規(guī)加工而言的，常規(guī)加工中，有很多行之有效的經(jīng)驗(yàn)，如“粗加工時(shí)選擇切削用量的順序是：首選切削深度，其次是進(jìn)給速度，最后是切削速度”、“切削深度每增加50%，刀片磨損增加20%；走刀量每增加20%，刀片磨損增加20%；切削速度每增加20%，刀片磨損增加50%”等。這些經(jīng)驗(yàn)是廣大從業(yè)者常年智慧的結(jié)晶，為機(jī)加工行業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，而且還會(huì)繼續(xù)發(fā)揮作用，這些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了過去常態(tài)下加工效率、刀具壽命和成本的相互關(guān)系。

隨著機(jī)床及刀具等行業(yè)的發(fā)展，刀具更耐熱、壽命更長(zhǎng)、更耐沖擊，機(jī)床精度更高，刀具軌跡可以更復(fù)雜等因素，使大家對(duì)效率、成本的關(guān)系有了新的認(rèn)識(shí)。推廣使用高速加工工藝，有利于效率提升、成本下降和工件質(zhì)量提高。與此同時(shí)，高速加工技術(shù)正越來越多地被應(yīng)用于模具制造業(yè)、航空制造業(yè)、汽車制造業(yè)、難加工材料及超精密微細(xì)切削加工等領(lǐng)域。

表2 薄壁型腔零件切削參數(shù)

表3 薄壁零件試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目

表4 薄壁零件加工檢測(cè)結(jié)果