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]隨著當今科學技術的不斷發展，機械制造工程技術的發展也十分迅速。尤其是高速銑削技術的應用與發展，更是讓機械加工制造技術及其質量上升到了一個全新層次。而在此項技術的具體應用中，變形控制及其工藝是最為重要的一項內容。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行分析，以使此項技術得到良好應用與發展。

[關鍵詞]機械加工;高速銑削;薄壁件加工;變形控制

[中圖分類號]TG54 [文獻標志碼]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

在對薄壁件進行高速銑削加工的過程中，為實現其變形的良好控制，相關企業與技術人員一定要做好加工試驗，這樣便可實現其變形影響因素的科學確定，然后以此為依據來做好變形控制。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變形問題，進而實現其加工質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 機床選擇

在加工中，應用的是某公司立式加工中心的VDL-1000E機床，該機床的額定功率是11 kW，主軸轉速在45～8 000 r/min，X、Y和Z方向上的快速進給速度分別是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。具體應用中，通過Kister5070A型多通道電荷放大器和DHDAS-5920型動態信號采集和分析系統來進行數據采集，以此來實現測試中相應信息的動態采集與分析處理。表1是Kistler9257B型測力儀的性能參數情況。

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是該操作系統總體結構示意圖。

1.4 操作技巧

在通過高速銑削技術進行薄壁件加工時，需通過小深切、中進給、分層銑削的方式進行加工。對于腹板，其走刀路徑應選擇環切，如果腹板面積較大，可通過分步環切的方式進行加工。加工中，刀具路徑應盡量平滑，刀軌拐角位置要增加過渡圓弧，并適當將進給速度降低。刀具在薄壁件中的切入切出都要保持平滑，且次數應盡可能減少。為達到這一目標，在具體的數控編程中，技術人員一定要對模型精度加以合理設置，并做好程序分辨率、編程公差等的科學控制，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確定。基于此，在本次加工之前，特通過以上機械與儀器設備對某鈦合金TC4材質薄壁件的高速銑削進行了試驗。

2.1 軸向切割深度影響試驗分析

試驗中，將轉速設置為60 m/min（3 200 r/min）;將進給速度設置為1 200 mm/min;將徑向切割深度設置為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進行測量。

通過試驗可知，軸向切割深度并未對Z方向上的銑削力產生過大影響，但是對其主銑削方向以及進給方向卻產生了較大影響，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域。

2.2 徑向切割深度影響試驗分析

試驗中，將轉速設置為60 m/min（3 200 r/min）;將進給速度設置為1 200 mm/min;將軸向切割深度設置為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進行測量。

通過試驗可知，當徑向切割深度在0.1～0.2 mm的情況下，銑削力呈現出了顯著下降趨勢。之所以會出現這樣的情況，是由于鈦合金具有較大的化學活性，它和空氣中的很多種元素都很容易發生反應，進而形成硬化層與脆化層，根據相關研究發現，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進行，這樣就會產生更大的銑削力。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生較大影響。在進給量確定之后，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系。由此可見，徑向切割深度并不會對加工變形產生較大影響。

2.3 銑削速度影響試驗分析

試驗中，將進給速度設置為1 200 mm/min;將軸向切割深度設置為0.5 mm;將徑向切割深度設置為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進行測量。

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生較大影響，也會對Z方向上的加工變形產生影響，但影響程度不大。

2.4 進給速度影響試驗分析

試驗中，將轉速設置為60 m/min（3200 r/min）;將軸向切割深度設置為0.5 mm;將徑向切割深度設置為0.3 mm。然后對進給速度是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進行測量。

通過試驗可知，在進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，尤其是當進給速度達到1 200 mm/min以上之后，其銑削力更是呈現出了大幅提升的趨勢。由此可見，進給速度將會對加工變形起到較大的影響作用。

3 高速銑削薄壁構件加工變形控制分析

3.1 軸向切割參數的合理控制

本次試驗發現，在對薄壁件側壁進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。基于此，為實現薄壁件側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行薄壁件側壁的加工，則其切割深度一定要選在銑削力穩定區域中，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

根據上述分析，結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。經進一步研究與分析發現，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，進而讓銑削加工效率得以進一步提升。

3.3 銑削速度的合理控制

通過相關研究可知，在對薄壁件進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構尺寸產生影響。雖然在上述研究中發現薄壁件的加工變形會隨著銑削速度的增加而愈加明顯，但是經進一步的試驗分析發現，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，反而會呈現出相應的下降趨勢。因此，在主軸轉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，將很容易導致刀具磨損，嚴重的情況下甚至會導致破壞刀具，加工效率與成本也會受到一定程度的不良影響。基于此，在薄壁件的銑削加工中，對于鈦合金材質，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提高。

3.4 每齒進給量的合理控制

在通過高速銑削技術進行薄壁件的加工過程中，如果可以選擇一個每齒進給量的適中值，其數值變化將不會影響到薄壁件自身的結構尺寸。結合上述試驗結果分析可知，每齒進給量變化對于銑削力所產生的影響與其在薄壁件加工變形中所產生的影響具有相同規律。因為材料自身所具有的特征，在對此類材質的薄壁件進行高速銑削加工時，由于受到熱銑削作用所影響，薄壁件很容易產生一系列的化學反應，進而在加工表面上形成一層硬化層，在這樣的情況下，如果每齒進給量太小，不僅不能夠對薄壁件達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，進而加大銑削力，造成更大的加工變形。基于此，在具體的高速銑削加工過程中，可將進給量控制在適中范圍內，一般在300 mm/min以上即可。

4 結束語

在通過高速銑削加工技術進行薄壁件的銑削加工中，加工變形問題是一項需要重點關注的內容。而通過具體的試驗研究發現，銑削力是導致其加工變形的一個主要原因，因此，在具體加工中，相關企業和技術人員一定要控制好軸向切割深度、徑向切割深度、每齒進給量以及銑削速度，以此來實現銑削力的良好控制，盡最大限度避免這些因素對銑削力的影響，進而達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生相應的影響，因此，在具體的數控編程中，一定要根據實際情況、結合實際需求來進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效率和質量，充分滿足實際應用需求。

參考文獻

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