高速銑削薄壁件加工變形控制及工藝

李永成，鄭海東，畢振東，王鵬勇

[摘? ? 要]隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械制造工程技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。尤其是高速銑削技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，更是讓機(jī)械加工制造技術(shù)及其質(zhì)量上升到了一個全新層次。而在此項技術(shù)的具體應(yīng)用中，變形控制及其工藝是最為重要的一項內(nèi)容。基于此，對高速銑削薄壁加工過程中的變形控制及其工藝進(jìn)行分析，以使此項技術(shù)得到良好應(yīng)用與發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械加工;高速銑削;薄壁件加工;變形控制

[中圖分類號]TG54 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–03

Deformation Control and Technology of High Speed Milling Thin-walled Parts

Li Yong-cheng，Zheng Hai-dong，Bi Zhen-dong，Wang Peng-yong

[Abstract]With the continuous development of science and technology， the development of mechanical manufacturing engineering technology is also very rapid. In particular， the application and development of high-speed milling technology has raised the machining manufacturing technology and its quality to a new level. In the specific application of this technology， deformation control and its process are the most important content. Based on this， this paper analyzes the deformation control and technology in the process of high-speed milling thin-wall machining， so as to provide a scientific reference for the good application and development of this technology.

[Keywords]machining; high speed milling; processing of thin-walled parts; deformation control

在對薄壁件進(jìn)行高速銑削加工的過程中，為實現(xiàn)其變形的良好控制，相關(guān)企業(yè)與技術(shù)人員一定要做好加工試驗，這樣便可實現(xiàn)其變形影響因素的科學(xué)確定，然后以此為依據(jù)來做好變形控制。通過這樣的方式，才可以有效避免薄壁件在高速銑削加工中出現(xiàn)變形問題，進(jìn)而實現(xiàn)其加工質(zhì)量與精度的良好保障。

1 高速銑削薄壁件加工條件與操作技巧分析

本次研究的是某鈦合金TC4材質(zhì)薄壁件的高速銑削加工。以下是本次薄壁件高速銑削加工中的主要條件及其操作技巧。

1.1 機(jī)床選擇

在加工中，應(yīng)用的是某公司立式加工中心的VDL-1000E機(jī)床，該機(jī)床的額定功率是11 kW，主軸轉(zhuǎn)速在45～8 000 r/min，X、Y和Z方向上的快速進(jìn)給速度分別是36 m/min、36 m/min和30 m/min;行程分別是1 020 mm、550 mm和150 mm。

1.2 測試儀器選擇

本次加工中，為實現(xiàn)加工精度的良好保障，主要通過Kistler9257B型測力儀來測量銑削力。具體應(yīng)用中，通過Kister5070A型多通道電荷放大器和DHDAS-5920型動態(tài)信號采集和分析系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以此來實現(xiàn)測試中相應(yīng)信息的動態(tài)采集與分析處理。表1是Kistler9257B型測力儀的性能參數(shù)情況。

1.3 銑削刀具選擇

本次加工中，將山特維克球頭2刃硬質(zhì)合金R216.52-06040RAL12G 1630型銑刀用作銑削刀具，其半徑是3 mm。

圖1是該操作系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。

1.4 操作技巧

在通過高速銑削技術(shù)進(jìn)行薄壁件加工時，需通過小深切、中進(jìn)給、分層銑削的方式進(jìn)行加工。對于腹板，其走刀路徑應(yīng)選擇環(huán)切，如果腹板面積較大，可通過分步環(huán)切的方式進(jìn)行加工。加工中，刀具路徑應(yīng)盡量平滑，刀軌拐角位置要增加過渡圓弧，并適當(dāng)將進(jìn)給速度降低。刀具在薄壁件中的切入切出都要保持平滑，且次數(shù)應(yīng)盡可能減少。為達(dá)到這一目標(biāo)，在具體的數(shù)控編程中，技術(shù)人員一定要對模型精度加以合理設(shè)置，并做好程序分辨率、編程公差等的科學(xué)控制，以此來確保薄壁件的高速銑削加工效率與精度。本次所研究的某鈦合金TC4薄壁件高速銑削加工操作流程圖見圖2。

2 高速銑削薄壁件加工變形影響因素試驗分析

在薄壁件的高速銑削中，其變形情況主要來源于各個銑削方向上的銑削力變化。因此，通過銑削力的變化影響因素試驗，便可對加工變形的影響因素加以科學(xué)確定。基于此，在本次加工之前，特通過以上機(jī)械與儀器設(shè)備對某鈦合金TC4材質(zhì)薄壁件的高速銑削進(jìn)行了試驗。

2.1 軸向切割深度影響試驗分析

試驗中，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 m/min（3 200 r/min）;將進(jìn)給速度設(shè)置為1 200 mm/min;將徑向切割深度設(shè)置為0.3 mm。然后分別對軸向切割深度是0.1 mm，0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm以及0.9 mm情況下的銑削力參數(shù)進(jìn)行測量。

通過試驗可知，軸向切割深度并未對Z方向上的銑削力產(chǎn)生過大影響，但是對其主銑削方向以及進(jìn)給方向卻產(chǎn)生了較大影響，隨著軸向切割深度的增加，其銑削層面也具有更大的面積。通過具體分析可知，當(dāng)軸向切割深度是0.1～0.5mm的情況下，X、Y、Z方向上的銑削力較小，且變化緩慢。由此可見，0.1～0.3 m是銑削試驗中比較理想的區(qū)域。

2.2 徑向切割深度影響試驗分析

試驗中，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 m/min（3 200 r/min）;將進(jìn)給速度設(shè)置為1 200 mm/min;將軸向切割深度設(shè)置為0.5 mm。然后分別對徑向切割深度是0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm以及.5 mm情況下的銑削力參數(shù)進(jìn)行測量。

通過試驗可知，當(dāng)徑向切割深度在0.1～0.2 mm的情況下，銑削力呈現(xiàn)出了顯著下降趨勢。之所以會出現(xiàn)這樣的情況，是由于鈦合金具有較大的化學(xué)活性，它和空氣中的很多種元素都很容易發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而形成硬化層與脆化層，根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金TC4的硬化層厚度為0.08～0.1 mm。如果徑向切割深度過小，部分切割甚至是全部切割都會在硬化層內(nèi)進(jìn)行，這樣就會產(chǎn)生更大的銑削力。在徑向切割深度為0.2～0.5的情況下，3個方向上的銑削力基本都隨著徑向切割深度的增加而變大，但是變化范圍卻比較小，說明徑向切割深度并未對銑削力產(chǎn)生較大影響。在進(jìn)給量確定之后，徑向切割深度的變化對于銑削層厚度變化所產(chǎn)生的影響比較小，且銑削層厚度始終和銑削力之間具有直接關(guān)系。由此可見，徑向切割深度并不會對加工變形產(chǎn)生較大影響。

2.3 銑削速度影響試驗分析

試驗中，將進(jìn)給速度設(shè)置為1 200 mm/min;將軸向切割深度設(shè)置為0.5 mm;將徑向切割深度設(shè)置為0.3 mm。然后對銑削速度是40 m/min、60 m/min、80 m/min以及100 m/min情況下的銑削力參數(shù)進(jìn)行測量。

通過試驗可知，隨著銑削速度的增加，X以及Y方向上的銑削力呈現(xiàn)出了比較明顯的增加趨勢，Z方向上的銑削力也隨之增加，但是增加情況并不明顯。由此可見，銑削速度會對X和Y方向上的加工變形情況產(chǎn)生較大影響，也會對Z方向上的加工變形產(chǎn)生影響，但影響程度不大。

2.4 進(jìn)給速度影響試驗分析

試驗中，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 m/min（3200 r/min）;將軸向切割深度設(shè)置為0.5 mm;將徑向切割深度設(shè)置為0.3 mm。然后對進(jìn)給速度是300 mm/min、800 mm/min、1 200 mm/min以及1 500 mm/min情況下的銑削力參數(shù)進(jìn)行測量。

通過試驗可知，在進(jìn)給速度逐漸增加的過程中，X、Y、Z方向上的銑削力也逐漸變大，且具有比較顯著的變化趨勢，其中最為顯著的是Y方向上的銑削力，尤其是當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到1 200 mm/min以上之后，其銑削力更是呈現(xiàn)出了大幅提升的趨勢。由此可見，進(jìn)給速度將會對加工變形起到較大的影響作用。

3 高速銑削薄壁構(gòu)件加工變形控制分析

3.1 軸向切割參數(shù)的合理控制

本次試驗發(fā)現(xiàn)，在對薄壁件側(cè)壁進(jìn)行高速銑削加工的過程中，伴隨著軸向切割深度的增加，其銑削力也會隨之加大，且這種影響一直比較顯著?；诖?，為實現(xiàn)薄壁件側(cè)壁加工變形的有效控制，就需要將軸向切割深度盡可能減小。如果一定要通過大切割深度來進(jìn)行薄壁件側(cè)壁的加工，則其切割深度一定要選在銑削力穩(wěn)定區(qū)域中，以此來提升加工效率，讓加工變形情況得到最大限度的控制。

3.2 徑向切割深度的合理控制

根據(jù)上述分析，結(jié)合以往的理論研究可知，在銑削力和加工效率滿足實際要求的情況下，薄壁件高速銑削加工中的徑向切割深度取值可以大一些，甚至可超出刀具半徑。經(jīng)進(jìn)一步研究與分析發(fā)現(xiàn)，如果徑向切割深度超過了刀具半徑，銑削厚度最大值和銑削面積并不會隨其深度增加而變大，而最大銑削力也會保持穩(wěn)定。銑削過程中，初始的刀具切入方向會有所變化，銑削形式則會不斷在逆銑與銑之間變化，進(jìn)而讓銑削加工效率得以進(jìn)一步提升。

3.3 銑削速度的合理控制

通過相關(guān)研究可知，在對薄壁件進(jìn)行高速銑削加工過程中，銑削速度并不會對薄壁件自身的幾何結(jié)構(gòu)尺寸產(chǎn)生影響。雖然在上述研究中發(fā)現(xiàn)薄壁件的加工變形會隨著銑削速度的增加而愈加明顯，但是經(jīng)進(jìn)一步的試驗分析發(fā)現(xiàn)，如果銑削速度增加到了一定的范圍，銑削溫度便會隨之上升，金屬會受熱軟化，在這樣的情況下，銑削力便不再隨銑削速度的增加而變大，反而會呈現(xiàn)出相應(yīng)的下降趨勢。因此，在主軸轉(zhuǎn)速滿足實際加工要求的情況下，可將銑削速度盡量加大。但是如果過度提高銑削速度，將很容易導(dǎo)致刀具磨損，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)?dǎo)致破壞刀具，加工效率與成本也會受到一定程度的不良影響?；诖?，在薄壁件的銑削加工中，對于鈦合金材質(zhì)，其銑削速度一般可控制在40 mm/min左右，條件允許的情況下可適當(dāng)提高。

3.4 每齒進(jìn)給量的合理控制

在通過高速銑削技術(shù)進(jìn)行薄壁件的加工過程中，如果可以選擇一個每齒進(jìn)給量的適中值，其數(shù)值變化將不會影響到薄壁件自身的結(jié)構(gòu)尺寸。結(jié)合上述試驗結(jié)果分析可知，每齒進(jìn)給量變化對于銑削力所產(chǎn)生的影響與其在薄壁件加工變形中所產(chǎn)生的影響具有相同規(guī)律。因為材料自身所具有的特征，在對此類材質(zhì)的薄壁件進(jìn)行高速銑削加工時，由于受到熱銑削作用所影響，薄壁件很容易產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而在加工表面上形成一層硬化層，在這樣的情況下，如果每齒進(jìn)給量太小，不僅不能夠?qū)Ρ”诩_(dá)到良好的加工變形控制效果，且會讓銑削動作始終處在這個硬化層內(nèi)，進(jìn)而加大銑削力，造成更大的加工變形?；诖耍诰唧w的高速銑削加工過程中，可將進(jìn)給量控制在適中范圍內(nèi)，一般在300 mm/min以上即可。

4 結(jié)束語

在通過高速銑削加工技術(shù)進(jìn)行薄壁件的銑削加工中，加工變形問題是一項需要重點關(guān)注的內(nèi)容。而通過具體的試驗研究發(fā)現(xiàn)，銑削力是導(dǎo)致其加工變形的一個主要原因，因此，在具體加工中，相關(guān)企業(yè)和技術(shù)人員一定要控制好軸向切割深度、徑向切割深度、每齒進(jìn)給量以及銑削速度，以此來實現(xiàn)銑削力的良好控制，盡最大限度避免這些因素對銑削力的影響，進(jìn)而達(dá)到良好的變形控制效果。除此之外，走刀路徑也可以對其加工變形產(chǎn)生相應(yīng)的影響，因此，在具體的數(shù)控編程中，一定要根據(jù)實際情況、結(jié)合實際需求來進(jìn)行走刀路徑的合理選擇。這樣才可以讓薄壁件的高速銑削精度得以良好控制，盡最大限度確保其生產(chǎn)效率和質(zhì)量，充分滿足實際應(yīng)用需求。

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