在航空航天、汽車、電子電器等工業領域，要求提高零部件的強度與剛度、韌（rèn）性、抗（kàng）腐蝕抗斷裂能（néng）力，同時降低（dī）它們的重量。為此，廣泛使用輕合金材料製（zhì）成的薄壁整（zhěng）體結構件．它們還可以減少（shǎo）零件總數和裝配工作量。但是，薄壁整體結構件材料切除率高達90%以上，需要（yào）努力控製加工變形和提高效率，對機械加（jiā）工提出了（le）高新技術要（yào）求（qiú）。

      高速切（qiē）削是當今世界先進製造技（jì）術之一。它加工效率高，切削力小，試件表麵溫度低，能夠提（tí）高（gāo）加工精度，特別適合加工薄（báo）壁整體結構件，國外（wài）一（yī）個典型的應（yīng）用實例（lì），就是通過高速銑削波音和空中客車飛機機身整（zhěng）體結構件，使肋片厚度明顯減薄，高度增大，有效減輕了飛機（jī）的自（zì）重而降低耗（hào）油量，最終（zhōng）實現了遠東至西（xī）歐中間不著陸的洲際直飛。國內高速（sù）切削的應用開發尚處於起步（bù）階段（duàn）。本文針對鋁合金三連波導試件，探討薄壁整體結構件的（de）高速銑削（xuē）工藝（yì）優化問題。

      1 試驗任務、條件與工（gōng）藝方法（fǎ）

      1.1試（shì）驗任務

  
      圖1顯示三連波導成品，其最（zuì）小壁厚2mm，質量2.35kg，屬於典型的多筋薄壁整體結構件，毛坯材料為防鏽鋁LF21(GB1173-86)長方體（tǐ）板（bǎn）材，屬於一種塑性鋁合（hé）金，質量約12.25kg，通過銑削加工被（bèi）“掏（tāo）空”，材料切除率為80.8%，其材料（liào）硬度為45HB，抗（kàng）拉強度180MPa，伸（shēn）長率12%。

  
      金屬切除量大，成品（pǐn）壁薄（báo），剛度低，加工中需（xū）要解決的首要問（wèn）題是控製（zhì）和減小變形。采用普通速度數控銑（xǐ）削（xuē）工藝方（fāng）法，加工時間長達（dá）50h ，需要中間熱處（chù）理以消除加工應力、控製變形，因此，加工中還需要努力提高（gāo）加工效（xiào）率、縮短時間和降低成本。

  
      根據國外資料（liào）報道，對於抗拉強度顯著低於鋼鐵材料的鋁合金，可以（yǐ）采用高速切削來完成全部（bù）粗、精加工任務；從工序集中（zhōng）原則出發，就是僅僅使用一台高（gāo）速切削加工中心。
  
      1.2試（shì）驗條件（jiàn）

  
      試驗采用德（dé）國Hermle C1200U型五軸聯動高（gāo）速銑削加工中心，如圖2所示。它的主要工作參數是（shì）：主軸轉速n=20～24,000r/min，最大輸出功率為23kW，扭矩為79Nm；沿x，y，z軸的行程分別為1,200，800，500mm，最大直（zhí）線進給速度30m/min，最大加速度（dù）4m/ s-2，定位精度0.01mm; A軸擺動（dòng）範圍-97°～15°, C 軸為工作台，360°轉動；工作台麵直徑（jìng）800mm，承載能力1t。CNC(計（jì）算機數控)係統為（wéi）德國Heidenhain iTNC 530，計算處理一條數控指令的速度，從上一代係統的4ms降低到0.5 ms，機床備有30個刀位的刀庫，以及（jí）激光式刀具在線檢測（cè）係統，和接觸（chù）式工件在線（xiàn）檢測、數據（jù）紅外無線傳輸的裝置。

  
      試驗加工前，首（shǒu）先采用安裝（zhuāng）在高性（xìng）能微機工作站上的UG NX版CAD/CAM軟件係統完成試件三維造型（xíng），然（rán）後如下文介紹擬（nǐ）訂（dìng）高速銑削加工工藝，再使用UG NX生成刀軌文件、數控編程和後置處理．所得到的數控加工（gōng）程序通過網絡傳送到機（jī）床CNC數控係統後，經過試運行和必（bì）要的修改補充，才用於試驗加工。

  
      1.3高速銑削工藝

  
      a控製加工變形

  
      影（yǐng）響加工變形的因素很（hěn）多，包括毛（máo）坯（pī）的組織結構、纖維走（zǒu）向和內應力分布，加工中的各種作用力、熱以及所引起的試件物（wù）理與（yǔ）化（huà）學變化等（děng）。要控製和減小加工（gōng）變形，需要合理製備或選擇毛坯，合理（lǐ）選擇裝夾方式，對毛坯或半成品熱處理，並通過合理安排工序和走刀路線、合理選用刀具與切削（xuē）用量參數、合理冷卻（què）潤滑，來降低切削力和切（qiē）削溫度。本文試（shì）驗研（yán）究不涉及毛（máo）坯（pī）的製備或選（xuǎn）擇（zé），並且以省略中間熱處（chù）理工序為目（mù）標之一以下著重（chóng）討論其他工藝優化措施（shī）。

  
      (1)裝夾方（fāng）式

  
      三連波導外形尺寸為791mm×156.8mm×32mm，長寬麵積與厚度尺寸之比不算特（tè）別大。經過分（fèn）析比較和實驗，用壓板從毛坯兩側工藝通槽的4個作用（yòng）點把它壓緊在機床工作台上(如圖2所示)，可以有效防止試件變形，而且方便省時，不需要製造專用（yòng）夾具。高速銑削（xuē）鋁合金（jīn）材料切削力小，適當減小夾緊力有利於防（fáng）止裝（zhuāng）夾變形。如果試件長寬麵積與厚度尺寸之比很大、剛度很低，可能需要增設大量夾緊點和製造專用夾具（jù）．試件的裝夾辦法往往會成為工藝關鍵之一。

  
      (2)工（gōng）序（xù）安排和走刀路線

  
      三連波導正反兩（liǎng）麵都（dōu）有型腔和長槽（cáo），中部還出現兩（liǎng）組工字形通槽，如圖2所示。所以（yǐ），安排工（gōng）序時，需要遵守分麵加工和（hé）粗精加工分開的原則。其中，又以（yǐ）分麵加工優先，即加工完反麵（miàn）再加工正麵，僅僅重複裝夾一（yī）次；在一次裝夾中完成（chéng）試件一麵的（de）全（quán）部粗精加工工序。其目的在於減少（shǎo）重複裝夾即找正試（shì）件次數，提（tí）高精度和效率。

      為避免（miǎn）在薄壁試件一個局部連續深入一下子（zǐ）切除（chú）大量材料，而造成應力分布急劇變化乃至加工變形，粗精加工都遵循分（fèn）層切削的原則；銑刀切人試（shì）件達到某一深度後，在屬於同一類型而分（fèn）隔（gé）的各型腔或長槽內（nèi）依次走刀一遍．其中，安排走刀路線盡可能兼顧到保（bǎo）持總（zǒng）體幾何對稱和薄壁兩側對稱。在刀具的切入方（fāng）式及走刀路線（xiàn）、切削（xuē）用量參數（shù）方麵，粗精加工有不少變化．高速切削相對運動速度高，讓銑刀圓弧或傾（qīng）斜地徑向切入試件(如圖3所示)，或者軸向螺旋地進刀(如圖（tú）4所示)，有利於保（bǎo）持切削過（guò）程平穩，提高加工精度和表麵質量，延長刀具壽命．本次試驗粗（cū）加工型腔、首刀軸向切進毛坯實體時，采用了與上平（píng）麵夾角小於5°的（de）傾（qīng）斜進刀方式．精加工切（qiē）深小（xiǎo），螺旋或（huò）傾（qīng）斜進刀而不過切比較困難，所以讓銑刀直接沿軸向下降。精加工的刀（dāo）位（wèi）軌跡形成最終輪廓表麵，要避免緊貼在外形輪廓上進退刀。此外，精（jīng）加工需要（yào）切除粗加工殘留的區域(亦稱為剩餘材料（liào）銑切（qiē）)，刀具的直徑（jìng）D比較小。

      (3)刀具

      試驗加工主要采用國際著名刀具廠家適於（yú）切削鋼、鑄鐵（tiě）、塑性鋁合金等多種工件材（cái）料的整體硬質合金刀具，外有TiCN塗層。它們精度高（gāo），動平衡好，壽命長，對控製變形、提（tí）高加（jiā）工精度和表麵質量產生（shēng）了良好效果，由於試件（jiàn）的底和壁都薄，加工中使用平（píng）底（dǐ）立銑刀，以避免帶圓角立銑刀切削時產生向下的作用力，造成試件底部翹曲變形。

      (4)切削用量（liàng）

      與普通速度銑削加（jiā）工相同，高速銑削粗加工仍以提高材料切除率為主，一（yī）般其軸向切深（shēn）ap、徑向切（qiē）深ae和每齒進給（gěi）量fz比較大；而精加工以達（dá）到加工精度和表麵質量為主，切削速度vc更高。

      通過（guò）調研和切削力、切削溫度試驗測（cè）試，確認高速（sù）銑削塑性鋁合金材料時，應當選取銑削線速度vc＞1,583m/min，或者至（zhì）少選取vc＞804m/min，以便使切削力和切削溫度（dù）隨著vc提高顯著下降，同時減小加工變形、提（tí）高加工質量和效率。限於銑刀直徑、刀（dāo）具懸伸和環境溫度等（děng）製約條件，試驗中（zhōng）主軸轉速未達到最（zuì）高值，實際vc max≈1,13lm/min。

      試驗（yàn）測試進一步表（biǎo）明，減（jiǎn）小軸向切深、適當增大（dà）徑向切深尤其是進給量，有利於降低切削力和切削溫度以及控製加工變形。因此，試驗加工中各道（dào）工序的ap≤1mm，並且由粗加工至精加（jiā）工依次（cì）遞減．原則（zé）上，ae=0.75D，銑型腔和槽首刀切入實體時（shí），ae=D，而受槽寬限製（zhì），第二次走刀通常ae＜0.75D。

  
      銑型腔時，D較大強（qiáng）度（dù）較高，fz=0.107～0.200mm，成形銑腔體斜麵的fz=0.094mm，而（ér）銑槽時，D小強（qiáng）度低（dī）．經過試驗，選取（qǔ）fz=0.048～0.072mm．其中，當D=3mm時，fz=0.048～0.056mm，可（kě）以避免銑刀折斷（duàn）。

以上每齒進給量與（yǔ）普通速度銑削工況下相（xiàng）當。但本次試（shì）驗主軸轉速n高（gāo）達15,600r/min。根據進給速（sù）度計算式vf=fzZn/1,000=fzZvc/pD(Z是銑刀齒數)，可以算得vf=3～6m/min，大大高於普通（tōng）速度銑削。小軸向切深，大進（jìn）給速度，是高速切削加工的另一個基本特（tè）征，也是同時實現減小加工變（biàn）形、提高加工質量和效率（lǜ）的一個基本前提。

      (5)銑削方式與冷卻潤滑

      毛坯沒有（yǒu）粗糙堅硬的外皮。試驗（yàn）測試表（biǎo）明，順銑（xǐ）方式（shì）切削力明顯降低，並且理論分析和文獻指出，它有利於形（xíng）成切屑、保持切削過程平穩以及提高加工表麵質量。

      加工塑（sù）性鋁合金采用高效乳化切削液冷卻潤滑，有利於降低切削力和切（qiē）削溫度，並可防（fáng）止切屑粘結在整體硬質合金銑刀上不能分離而使刀具（jù）報廢。

      b提高加工效率

  
      如上所述，許多控製加工變形的（de）工藝措施，包括優先考慮分麵加工，粗精加（jiā）工分開（kāi），大進給速度（dù）等，能夠同（tóng）時提高效率（lǜ），縮短加工（gōng）時間。

      除此之外，安排工序要注意盡可能減少換刀次數（shù）。本次（cì）試驗把清角（jiǎo）合並為一道工（gōng）序，放到每一麵加工的最（zuì）後，節省時間而不影響加工質量。

      確定高速銑削加工走刀路線，首先需要注意避免突然改變走刀方向和進給速度（dù）；采用圖4所示的分層環繞走刀，可以避免傳（chuán）統往複（fù）式（shì）走刀換向時的（de）急停急動造成衝擊，也沒有閉環走刀後每次需要橫向移動一小段距離產生的接刀痕跡，因此，加工（gōng）效率和質量高，刀具壽命長。

      2 試驗結果

      通過采（cǎi）取以上工藝優化措（cuò）施，試驗加工三連波導省略了中間熱處理（lǐ）工（gōng）序，粗精加工總共耗時14.13h ，低於預（yù）定的優化目標時間16h。

      用三坐標測量儀和表麵粗糙度（dù）儀檢測（cè），成品型腔（qiāng）主要形狀和位置尺寸精度合格。以正麵作基準，測量（liàng）到的反麵不平麵度為（wéi）0.16mm，表麵粗糙度Ra≤1.6μm，都達到了圖紙要（yào）求。

      本（běn）試驗研究表明，應（yīng）用高速銑削技（jì）術加工薄壁整體結構件，可以有效地控製和減小加工變形，並（bìng）且大幅度（dù）提高效率，縮短時間。關鍵的工藝環節，在於（yú）毛坯，工件裝夾，工序安排，走刀路線（xiàn），刀具與切削用量參（cān）數，銑（xǐ）削方式與（yǔ）冷卻潤滑．其中所謂高速，首先當然是（shì）機床高的切削速度與主（zhǔ）軸轉速，但它還需要具備高（gāo）的軸向進給（gěi）運動（dòng）速（sù）度和加速（sù）度，以及CNC數控係統高的計算處理速度，CAD/CAM軟（ruǎn）硬件係統高的計算（suàn）機輔助（zhù）造型（xíng）和編程速度。