基于CAXA的鋁合金薄壁件高速加工應用

康文利，周學輝

（華北電力大學，保定 071003）

0 前言

21世紀科學技術飛速發展，汽車、電子、計算機、航空航天等領域的產品尺寸越來越小，出現了大量薄壁件。由于薄壁件壁薄，質輕，加工精度高，強度,剛度各方面要求嚴格，加工工藝性差等特點，在切削和裝夾，發熱變形，應力集中等因素影響下，易發生加工變形和切削振動，因此難以保證其加工質量。如果采用常規的低轉速，小進給及多次空刀走刀等方法來防止加工變形，應用手工檢驗和打磨等手段來處理加工尺寸精度和表面質量問題，則會大大降低生產效率，且未必能保證加工質量的穩定性。因此薄壁件的加工制造問題一直是機械行業的難點和熱點。

1 高速加工技術

高速加工(HSM或HSC)是采用比常規切削速度高得多的切削和進給速度進行高效加工。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,進給速度較傳統方式高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生的熱量；能獲得更佳的表面質量；在不受機床振動制約的范圍內加工。但是，隨著切削速度的提高，會影響刀具壽命如圖1所示。

本文以一個簡單的鋁合金簿壁零件為例如圖2所示，采用高速加工技術，改變工件的裝夾方式，優化編程策略，選擇合適的切削刀具，采用最佳的切削工藝，在CAXA軟件里面實現對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體圖

2 鋁合金薄壁件加工分析

該零件長400mm，寬200mm，厚30mm，內腔深20mm，中間薄壁的壁厚僅為2mm，圓角均為R10mm（圖2）。基于薄壁件的加工特點，在加工中主要解決抑制和減小變形的問題。

為了避免刀具產生受力過大、磨損甚至崩刃等情況，應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域式加工的方法做出。為了利于后面的擴銑加工，使用常規加工和進給速度來完成槽。然后使用直徑較小的刀具用等高線加工方法，從槽中開始往外擴銑加工，使得每次加工能保證相同的切削速度，進行高速銑削來完成工件加工。

這里面加工順序：先進行等高線加工，再進行區域式加工，加工后在特征樹的加工管理區域將二者對調。因為如果直接進行執行區域式加工的話，其后的等高線加工將不會將切入點放在區域式加工所銑出的槽中進行擴銑加工，而是從內腔的邊緣下刀，又成為第一刀的滿刀加工。

2.1 材料性能特點

鋁合金薄壁件由于硬度（110～120HB）和強度（96～294MPa）低，材料的膨脹系數較大，熱脹冷縮后易產生積屑瘤，同時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生較大的彈性變形，從而影響的加工精度。而且會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。這在薄壁件的情況表現較為明顯。

2.2 切削參數特點

高速加工最重要的是研究最優切削參數，如切削速度、切削深度、進給速度等因素。

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

鋁合金加工參數要求：

1） 對于薄壁零件的加工，要求采用高速/超高速切削技術，即在機床刀具的允許范圍內，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） 高速加工側壁時，應使用低切深高進給的方式，但在鋁合金的高速加工中選擇徑向切深。

4） 高速切削時盡肯能縮短刀具懸伸長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，但是價格昂貴，較少使用，適當使用該種刀具有更好的經濟性。目前加工中部分使用硬質合金刀具，不推薦使用高速鋼刀具。

3 鋁合金薄壁件高速加工

3.1 CAXA加工環境參數設定

3.1.1 加工刀具參數設定

在特征樹加工管理區的刀具庫管理中增加一個區域式加工的銑刀D10，r1和一個等高線加工的銑刀D6，r0.5如圖5所示。銑刀的參數如圖所示，其中的刀刃和刃桿長度與仿真加工有關，與實際加工無關。

3.1.2 后置處理設置

圖5 設定加工刀具參數

根據加工需要選擇機床，定義合適的機床后置格式，設置各項參數。系統一般默認為FANUC系統的格式。

3.1.3 加工毛坯設定

加工定義毛坯中選擇參考模型。調整尺寸中，將其尺寸調整為長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。整個型腔根據給定的參數自動分層，每一層相當于一個平面區域加工，適合用于平刀，球刀和帶R的平刀。可以高效可靠的去除型腔內的余量，并可以根據精加工的要求留出余量，為精加工打下一個好基礎。該加工方式普通使用，適用范圍廣；可以指定加工區域，優化空切軌跡。軌跡拐角可以設定圓弧或者S形過渡，生成光滑軌跡，支持高速加工設備。

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

2）區域式加工的輪廓確定

區域式粗加工方式生成區域式粗加工軌跡。該加工方法屬于兩軸加工，優點是不必有三維模型，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增加圓弧，保證軌跡光滑，具有較高的效率。無論是內外輪廓銑，刀具都要從切向進入輪廓進行加工；當輪廓加工完畢，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處留下接刀痕。進退刀位置盡可能選在不太重要的位置。

區域式加工中使用直徑10mmm的銑刀，在每個內框內設定一定寬度為10mm的矩形框加工邊界。長度根據等高線加工的切入點調整，使等高線加工的切入點落在該范圍內。這里選擇183mmX10mm的矩形作為區域式加工的邊界如圖7所示。

圖7 區域式加工的輪廓

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（表1）硬質和金剛端銑刀高速銑削鋁合金切削參數推薦表設置主軸轉速25000，進給速度為3000，執行平坦部識別。

表1 硬質和金剛端銑刀高速銑削鋁合金切削參數推薦表

按照零件高速加工的要求選擇切入切出和下刀方式方式，然后再增加參數為的D6，r0.5銑刀。手動選擇需要加工的曲面和零件外表面作為加工邊界點擊確認，系統自動生成加工軌跡如圖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（這里主要是針對一個零件中存在多種加工方式時避免各種刀具軌跡路線之間產生視覺上的相互影響）。

3.3 區域式加工刀具軌跡

選擇區域式粗加工方式，然后設置切削用量。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（該項為Z軸向切深），XY向切入行距為10mm，加工余量為0。根據（表2）硬質和金槽銑刀高速銑削鋁合金切削參數推薦表選擇主軸轉速為6000，進給速度為900。

表2 硬質和金槽銑刀高速銑削鋁合金切削參數推薦表

圖9 區域式加工仿真

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

以上是鋁合金薄壁類零件在等高粗加工和區域式粗加工相結合的加工過程，接下來還可以還可以將兩種加工方式對掉后進行軌跡仿真，生成G代碼，工藝清單，然后根據這些代碼清單進行后置處理等操作。

4 結束語

通過對鋁合金薄壁零件加工的綜合應用，分析薄壁類零件在高速加工過程加工性能不佳的問題。由于數控加工技術朝著高速加工方向發展，此類零件采用數控加工技術，可以大大縮短此類零件的制造周期，提高其加工性能和質量，為同類薄壁零件高速加工技術提供一些參考。

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