鋁合金薄壁零件高速動(dòng)態(tài)銑削應(yīng)用及技術(shù)研究

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(shí)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(duì)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(guò)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(wú)法得到保證，且工件的表面變得粗糙。鋁合金類材料的特點(diǎn)是剛度較差，容易粘刀，且發(fā)熱量大，常見(jiàn)的牌號(hào)有50252/6061/6065/7071/7075等。因此，鋁合金薄壁類零件在進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)銑削加工時(shí)，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(diǎn)，在提高銑削速度的同時(shí)，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(dòng)態(tài)銑削采用剝銑的方法從而保證在整個(gè)加工過(guò)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(dòng)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(dòng)態(tài)銑削加工方式在高速銑削的同時(shí)，可以保持穩(wěn)定的切削力，加工過(guò)程較為穩(wěn)定，對(duì)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(jiàn)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(guò)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(dòng)態(tài)銑削側(cè)壁時(shí)，產(chǎn)生的加工切削力會(huì)使剛度較差的鋁合金薄壁產(chǎn)生變形和振刀的問(wèn)題，導(dǎo)致加工精度低、表面粗糙等現(xiàn)象[2]。同時(shí)，由于高速銑削時(shí)，刀具的側(cè)刃與側(cè)壁接觸面積大，鋁合金切削時(shí)會(huì)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(jì)，設(shè)計(jì)確定合理的加工方案，克服材料和高速動(dòng)態(tài)銑削帶來(lái)的加工難點(diǎn)，保證在提高加工效率的同時(shí)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(duì)零件的粗加工工步中，采用高速動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)高速切削。該刀具路徑的主要優(yōu)點(diǎn)：1）進(jìn)行高速動(dòng)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(guò)程不容易斷刀。3）排屑順暢，散熱快，工件和刀具在加工時(shí)溫升小。

鋁合金材料具有剛度較差、易變形的特點(diǎn)，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(kāi)粗加工。用16 mm的平底刀開(kāi)粗，主要是為了提高生產(chǎn)效率，在盡可能短的時(shí)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(lái)進(jìn)行粗加工，如圖2（a）所示。但是因?yàn)殇X合金材料較軟，零件側(cè)壁厚度僅為2 mm，粗加工帶來(lái)的大切削力導(dǎo)致側(cè)壁的加工變形過(guò)大，所以雖然提升了加工效率，卻無(wú)法保證加工精度[4]。零件型腔的過(guò)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(guò)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(kāi)粗至0.2的精加工余量，而應(yīng)在加工編程時(shí)，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(shí)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(duì)加工零件進(jìn)行二次開(kāi)粗至加工0.2的余量，如圖2（b）所示。因?yàn)槎伍_(kāi)粗時(shí)的刀具、吃刀量、進(jìn)給量都比第一次開(kāi)粗時(shí)的小，切削力也因此減小，能防止薄壁變形，且過(guò)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(jì)

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(dòng)態(tài)銑削帶來(lái)的切削力，必須針對(duì)鋁合金薄壁件形狀和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)合適的專業(yè)夾具，增強(qiáng)側(cè)壁加工時(shí)的強(qiáng)度和剛度。

加工零件的外圍存在6個(gè)直徑為6 mm和1個(gè)直徑為12 mm的定位通孔。通過(guò)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(tái)通過(guò)M6的螺栓和螺母上緊，如圖3所示。通過(guò)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(dòng)態(tài)銑削粗加工帶來(lái)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(diǎn)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(dòng)態(tài)銑削切削參數(shù)的設(shè)置尤為重要，因?yàn)閯?dòng)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(lái)說(shuō)，動(dòng)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(shí)際情況，確定了如表1所示的動(dòng)態(tài)銑削參數(shù)。

表1 動(dòng)態(tài)銑削參數(shù)表

鋁合金薄壁工件的高速動(dòng)態(tài)銑削加工區(qū)域?yàn)閮?nèi)型腔，而不是常見(jiàn)的零件外形加工[8]。因此，內(nèi)型腔動(dòng)態(tài)銑削需要先銑削一個(gè)圓孔，用作加工刀具動(dòng)態(tài)銑削時(shí)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(dòng)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(shí)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(huì)對(duì)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(lái)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(duì)刀具材料的要求。

從目前的高速切削刀具市場(chǎng)來(lái)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(shí)，材料的機(jī)械強(qiáng)度很高，對(duì)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(lái)對(duì)鋁合金薄壁零件進(jìn)行加工。它適應(yīng)于對(duì)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(shí)減少切削力的產(chǎn)生。

7 結(jié)語(yǔ)

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(dòng)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(shì)。動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)態(tài)銑削與鋁合金薄壁零件之間的技術(shù)難點(diǎn)，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，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(dòng)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(dòng)態(tài)銑削的加工工藝和加工參數(shù)，不斷提升我國(guó)制造業(yè)的水平和競(jìng)爭(zhēng)力。