在航空航天、汽車、電子電器等工業領域，要求提高零（líng）部件的強度與剛度、韌性、抗腐蝕（shí）抗斷（duàn）裂能力（lì），同時（shí）降低它們的重量。為（wéi）此，廣泛使用輕合金材料製（zhì）成（chéng）的薄壁整體結構（gòu）件．它們還（hái）可以減少零件總數和（hé）裝配工作（zuò）量。但是，薄壁整體結（jié）構件材料切除（chú）率高（gāo）達90%以（yǐ）上，需要努（nǔ）力控製加工變形和提高效率，對機械加工提出了高新技術要求。

      高速切削是當今世界先進製造技術之一。它加工效率高，切削力小，試件表麵溫度低，能（néng）夠提（tí）高加工精度，特別適合加（jiā）工薄壁（bì）整體結構件，國外一個典型的應用實例，就是通過高速銑削波音和空中客車飛機機（jī）身整體結構（gòu）件，使肋片厚度明顯減薄，高（gāo）度增大，有效減（jiǎn）輕了飛機的自重而降低耗油量，最終實現了遠東至（zhì）西歐中間不著陸的洲際直飛。國內高速切（qiē）削的應用開發尚處於起步階段。本文針對鋁合金三連波（bō）導（dǎo）試（shì）件，探（tàn）討薄壁整體結構件（jiàn）的高速銑削工藝優化問題。

      1 試驗任務、條（tiáo）件與工藝方法

      1.1試驗任（rèn）務

  
      圖1顯示三連波導成（chéng）品，其最小壁厚2mm，質量（liàng）2.35kg，屬於典型的（de）多筋（jīn）薄壁整體結構件，毛坯材料為防鏽（xiù）鋁（lǚ）LF21(GB1173-86)長（zhǎng）方體板材，屬於一（yī）種塑性鋁（lǚ）合金，質（zhì）量約12.25kg，通（tōng）過銑削加工被“掏空”，材料切除率（lǜ）為80.8%，其材料硬度為45HB，抗拉強度180MPa，伸長率12%。

  
      金屬切除量大（dà），成品壁薄（báo），剛度低，加工中需要解決的首要問題是控製和減小變形。采用普通速度數控（kòng）銑削（xuē）工藝方法，加工時間長達50h ，需要中間熱處理以消（xiāo）除加工應力、控製（zhì）變形，因此，加工中還需要努力提高加工效率、縮短時間和降（jiàng）低成本。

  
      根據國外資（zī）料（liào）報道，對於抗拉強度顯著（zhe）低於鋼鐵材料的鋁合金，可以采用高速切削來完成全部粗、精加工（gōng）任務；從工序集中原則出發，就是僅僅使用一台高速（sù）切削加工中心。
  
      1.2試驗條件（jiàn）

  
      試驗采用德國Hermle C1200U型五軸聯動高速銑（xǐ）削加工中心，如圖2所示。它的主要工作參數（shù）是：主軸轉速n=20～24,000r/min，最（zuì）大輸出功率為23kW，扭（niǔ）矩為79Nm；沿x，y，z軸的行（háng）程分別為1,200，800，500mm，最（zuì）大直線進給速度30m/min，最大加速度4m/ s-2，定位精度0.01mm; A軸擺動範圍-97°～15°, C 軸為工作台，360°轉動；工作台麵直徑800mm，承載能力1t。CNC(計算機數控)係統為德國Heidenhain iTNC 530，計算處理一條數（shù）控指令的（de）速度，從上一代係（xì）統的4ms降低到0.5 ms，機床備有30個刀位的刀庫，以及激光式刀具在線檢測係統，和接觸式工（gōng）件在線檢測、數（shù）據紅外無線傳輸的裝置。

  
      試驗加工前，首先采用安裝在高性能（néng）微機（jī）工（gōng）作站上的（de）UG NX版CAD/CAM軟件係統完成試件三維造型（xíng），然後如下文（wén）介紹擬訂高速銑削加工（gōng）工藝，再使用UG NX生成刀軌文件、數控（kòng）編程和後（hòu）置處理（lǐ）．所得到的數控（kòng）加工程序通過網絡傳送到機床CNC數控係統後（hòu），經過試運行和必要的修改（gǎi）補充，才用於試驗加工。

  
      1.3高（gāo）速銑削工藝

  
      a控製加工變形

  
      影響加工（gōng）變形的因素很多，包括（kuò）毛坯的組織結構、纖（xiān）維走向和內（nèi）應力分布，加（jiā）工中（zhōng）的各種作（zuò）用力、熱以（yǐ）及所引起的試（shì）件物理與化學變化等。要控製和（hé）減小加工變形，需要（yào）合理（lǐ）製備或選擇毛坯，合理選擇裝夾方式，對毛坯或（huò）半成品熱處（chù）理，並通過合理安排工序和走（zǒu）刀路線、合理選用刀具與切削用量參數、合理冷卻（què）潤滑，來降低切削（xuē）力和切（qiē）削溫度（dù）。本文試驗研究不涉及毛坯的製備或選擇，並且以省略中間熱處理工序為目標之一以下（xià）著重討論其他工藝優化措施。

  
      (1)裝夾方式（shì）

  
      三（sān）連波（bō）導外形（xíng）尺寸（cùn）為791mm×156.8mm×32mm，長（zhǎng）寬麵積（jī）與厚度尺寸之比不算特別大。經過分析比較和實驗，用壓板從（cóng）毛坯（pī）兩側（cè）工藝（yì）通槽的4個作用（yòng）點把它壓緊在機（jī）床工作（zuò）台上(如圖2所示)，可以有效防止試件（jiàn）變形，而且方便省時，不需要製造專用夾（jiá）具。高速銑（xǐ）削鋁合（hé）金材料切削力（lì）小，適當減小夾（jiá）緊力（lì）有利於防止（zhǐ）裝夾變形。如果試件長寬麵積與厚度尺寸之（zhī）比很大、剛度很低，可能需要增設大（dà）量夾緊點和製造專用（yòng）夾具．試件的裝夾辦法往往會成為工藝關鍵之一。

  
      (2)工序安排和走刀路線

  
      三連波導正反兩麵都有型腔（qiāng）和長槽，中部（bù）還出現（xiàn）兩組工字形通槽，如圖2所示。所以，安排工序時，需要遵守分麵加工和粗精加工分開（kāi）的原（yuán）則。其中，又以分麵（miàn）加工優（yōu）先，即加工完反麵再加工正麵，僅僅重複裝夾一次；在一次裝夾中完成試件一麵的全（quán）部粗精加（jiā）工工序。其目的在於減少重複裝夾即找正試件次數，提高精度和效率（lǜ）。

      為避免在薄壁試件一（yī）個局部連（lián）續深入一下子切除大量材料（liào），而造成應力分布急（jí）劇變化乃至加工變形，粗精加（jiā）工（gōng）都遵循分層切削的原則；銑刀切人試件達到某一深度後，在屬於同一類型而分（fèn）隔的（de）各型（xíng）腔或長槽（cáo）內依次走刀一遍．其中，安排走刀路線盡可（kě）能兼顧到保持（chí）總體幾（jǐ）何對稱和薄壁兩側對稱。在刀具的切入方式及走刀（dāo）路線、切削用量（liàng）參數方麵，粗精加工有不少變化．高（gāo）速切削相對運動速度高（gāo），讓銑刀圓弧或傾斜地徑向（xiàng）切入試件(如圖3所示)，或者軸向螺旋地進刀(如圖4所示)，有利於保持切削過（guò）程平穩，提高加工精度和表麵（miàn）質量，延長刀具壽命．本次試驗粗加工型腔、首刀軸向（xiàng）切進毛坯實體時，采用了與上平麵夾角小於（yú）5°的傾斜進刀方式．精加工切深小，螺旋或傾斜進刀而不過切比（bǐ）較困難，所以（yǐ）讓銑刀直接沿軸向下降。精加工的刀位軌跡形成最終輪廓表麵，要避免緊（jǐn）貼在外（wài）形輪廓上進退刀。此外，精加工需要（yào）切除粗加工殘留的區域(亦稱為剩餘材料銑切)，刀具的直徑D比較（jiào）小（xiǎo）。

      (3)刀具

      試驗加工主要采用國際著名刀具廠家適於切削鋼、鑄（zhù）鐵（tiě）、塑性鋁合金等多種工件材料的整體硬質合金刀（dāo）具，外有TiCN塗層。它（tā）們精度高，動平衡好，壽命長，對控製變形（xíng）、提高加工精度和表麵質量（liàng）產生了良好效果，由於（yú）試件的底和壁都薄，加（jiā）工中使用平底立銑刀，以避免帶圓（yuán）角立（lì）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（xuē）用量

      與普通速度銑削加工（gōng）相同，高速銑削粗加工仍以提高材料切除率為主，一般其軸向切深ap、徑向切深ae和每（měi）齒進給量fz比較大；而精加工以達到加工精度和表麵（miàn）質量為主，切削速度vc更高。

      通過調研和切削力、切削溫度試驗測試，確認高速銑削塑性鋁合金材料時，應當選（xuǎn）取銑削線速度vc＞1,583m/min，或者至少（shǎo）選取vc＞804m/min，以（yǐ）便使切削力和切（qiē）削溫度（dù）隨著vc提高顯著下降，同時減小加工變形、提高加工質量和效率（lǜ）。限於（yú）銑刀直徑（jìng）、刀具懸伸和環境溫度等製（zhì）約條件，試驗中主軸轉速未達到（dào）最高值，實際vc max≈1,13lm/min。

      試驗測試進（jìn）一步表明（míng），減小軸向切深、適當增大徑向切深尤（yóu）其是進給量，有利於降低切削力和切削溫度（dù）以及控製加工變形。因此，試驗加工中各道工序的ap≤1mm，並且由粗加工至精加工依次遞（dì）減．原則上，ae=0.75D，銑型腔和槽首刀（dāo）切入實體時，ae=D，而受槽寬限製，第二（èr）次走刀通常（cháng）ae＜0.75D。

  
      銑型腔時，D較大強度較高，fz=0.107～0.200mm，成形銑腔體斜麵的fz=0.094mm，而銑槽時，D小（xiǎo）強度低．經過（guò）試驗，選取fz=0.048～0.072mm．其中，當D=3mm時，fz=0.048～0.056mm，可以避免銑刀折斷。

以上每齒進給量與普通速度銑削工況下相當。但本次試驗主軸轉速n高達15,600r/min。根據進（jìn）給速度（dù）計算式vf=fzZn/1,000=fzZvc/pD(Z是銑刀齒數)，可以算得vf=3～6m/min，大大高於普通速度銑削。小軸向切深，大進給速度，是高速切削加工的另一（yī）個基本特征，也是同（tóng）時（shí）實現減小加工變形、提高加（jiā）工質量和效率的一個（gè）基本前提。

      (5)銑削方式與（yǔ）冷卻潤滑

      毛坯沒有粗糙堅硬的外皮。試驗測試表明，順銑方式（shì）切削力明顯降低，並且理論分析和文獻指出，它有利於形成切屑、保持切削過程平穩以及提高加工表麵（miàn）質（zhì）量（liàng）。

      加工塑性鋁合金采用高效（xiào）乳化切削液冷（lěng）卻潤滑，有利於降低（dī）切削力（lì）和切削溫度，並可防止切（qiē）屑（xiè）粘結（jié）在整體硬質合金銑刀上不能分離而使刀具（jù）報（bào）廢。

      b提高加工效率

  
      如上所（suǒ）述，許（xǔ）多控製加工變形的工藝措（cuò）施（shī），包括優先考慮分麵加工，粗精加工分開，大進給速（sù）度等（děng），能夠同（tóng）時提高效率，縮短加（jiā）工時間。

      除此（cǐ）之外，安排工序要注意盡可能減少換刀次數。本次試（shì）驗把清角合並為一道（dào）工序，放到每一麵加工的最後，節省時間而不（bú）影響加工質量。

      確定高速銑削加工（gōng）走（zǒu）刀路線，首先需要注意避免突然改變走刀方向（xiàng）和進給速度；采用圖（tú）4所示的分層環繞走刀，可（kě）以避免（miǎn）傳統（tǒng）往複式（shì）走刀換向時的急停急動造成（chéng）衝擊，也沒有閉環走刀後（hòu）每次需要（yào）橫（héng）向移動一小段距離產生的接刀痕跡，因（yīn）此，加（jiā）工效（xiào）率和質量高，刀具（jù）壽命長。

      2 試驗結果

      通過采取以上工藝優化（huà）措施，試驗加工三（sān）連波導省略了中間（jiān）熱處理工序，粗精加工總共耗時（shí）14.13h ，低於（yú）預定（dìng）的優（yōu）化目標時間16h。

      用三坐標（biāo）測量（liàng）儀和表麵粗糙度儀檢測，成品型腔（qiāng）主要形狀和位置尺寸精（jīng）度合格。以（yǐ）正麵作（zuò）基準，測量（liàng）到的反麵不平（píng）麵（miàn）度為0.16mm，表麵粗糙度Ra≤1.6μm，都達到了圖紙要求。

      本試（shì）驗研究表明，應用高速銑削技術加工薄（báo）壁整體結構件，可（kě）以（yǐ）有效地控製和減小（xiǎo）加工變形，並且大幅度（dù）提高效率（lǜ），縮短時間。關鍵的工藝環節，在於毛坯，工件裝夾，工序（xù）安排，走刀路線（xiàn），刀具與（yǔ）切削用量參數，銑（xǐ）削方式與冷卻潤滑．其中所謂高速，首先當然是（shì）機床高（gāo）的切削速度與主軸轉速（sù），但它還需（xū）要（yào）具備（bèi）高的軸向進給運動速度和加速度，以及CNC數控（kòng）係（xì）統高的計算處理速度，CAD/CAM軟硬（yìng）件係統高的計算機輔助造型和編程速度。