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、抗腐蝕抗斷裂能力，同時降低它們的重量。為此，廣泛（fàn）使用輕合金材（cái）料製成（chéng）的薄壁整體結構件．它們還可以減（jiǎn）少零件總數（shù）和裝配工作量。但是（shì），薄壁整體結構件材料切除率（lǜ）高達（dá）90%以上，需（xū）要努力控製加工變形和提（tí）高效率，對機械加工提出了高（gāo）新（xīn）技術要求。

      高速切削是當今（jīn）世界先進製造技術之（zhī）一。它加工效率高，切削力小，試件（jiàn）表麵（miàn）溫度低，能夠提高加工精度，特別適合加工薄壁整體結構件，國外一個典型的應用實例，就是通過高（gāo）速銑削波音和（hé）空中客車飛機機身整體結（jié）構件（jiàn），使肋片厚度明顯（xiǎn）減薄，高度增大，有效減（jiǎn）輕了飛機的自重而降低（dī）耗油量，最終實現了遠東至（zhì）西歐中（zhōng）間不著陸的洲際直（zhí）飛。國內高速切削的應用開發尚處於起步階段。本文針對（duì）鋁合金三連波導試件，探（tàn）討薄壁整體（tǐ）結構件（jiàn）的高（gāo）速銑削工藝優化問題（tí）。

      1 試驗任務、條件與工藝方法

      1.1試驗任務

  
      圖（tú）1顯示三連波導成品，其最小壁厚2mm，質量2.35kg，屬於典型的多筋薄壁整體結構件，毛（máo）坯材（cái）料（liào）為防鏽鋁LF21(GB1173-86)長方體（tǐ）板材，屬於一種塑性鋁合金，質量約12.25kg，通過銑削加工被“掏空”，材料切除（chú）率為80.8%，其材料硬度為45HB，抗拉強度180MPa，伸長率12%。

  
      金屬切除量大，成品壁薄，剛度低，加工中需要解（jiě）決的首（shǒu）要問題是（shì）控製和減小變形。采用普通速度數控銑削工藝方法，加工時間長（zhǎng）達50h ，需要中（zhōng）間熱處理以消除加工應力（lì）、控製變形，因此，加工（gōng）中還（hái）需要努力提高加工效率、縮短時間（jiān）和降低成本。

  
      根據國外資料報道，對於抗（kàng）拉強度顯著低於鋼鐵材料的鋁合金，可以采用高速切削來完（wán）成全部粗、精加工任務；從工序集中原則（zé）出發，就是僅僅使用一台高速切削加工中心。
  
      1.2試驗（yàn）條件

  
      試驗采用德國Hermle C1200U型五軸聯動（dòng）高速銑削加工中（zhōng）心，如圖2所示。它的主要（yào）工作（zuò）參數是：主軸轉速n=20～24,000r/min，最大（dà）輸出功率為23kW，扭矩為79Nm；沿（yán）x，y，z軸的行程分別為1,200，800，500mm，最大直線進給速度30m/min，最大加速度4m/ s-2，定位精度0.01mm; A軸擺動範圍（wéi）-97°～15°, C 軸為工作台（tái），360°轉（zhuǎn）動；工作台麵直徑800mm，承載（zǎi）能力1t。CNC(計算機數控)係（xì）統為德國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（de）刀庫，以及激光（guāng）式刀具（jù）在線檢測係統，和（hé）接觸式工件（jiàn）在線檢測、數據（jù）紅外無線傳輸的裝置。

  
      試驗加工前，首先采用安裝在高性能微機工作站上的UG NX版CAD/CAM軟件係統完成試件三（sān）維造型，然後如下文介紹擬（nǐ）訂高速銑削加工工藝，再使用UG NX生成刀軌文件（jiàn）、數控（kòng）編程和後置處（chù）理．所得到的數控加工程序通過網（wǎng）絡傳送到機床CNC數控係統後（hòu），經（jīng）過試（shì）運（yùn）行和（hé）必（bì）要的修改補充（chōng），才用於試驗（yàn）加工。

  
      1.3高速（sù）銑削工藝

  
      a控製加工變形

  
      影響加工變形的因（yīn）素很多，包括毛坯的組織結構、纖維走向和內應力分布，加工（gōng）中的各種作用力、熱以及所引起的試件物理與化學變化等。要控製（zhì）和減小加工變形，需要合理製備（bèi）或選擇毛（máo）坯，合理選擇裝夾方式（shì），對（duì）毛坯或半成品（pǐn）熱處理，並通過合理（lǐ）安排工序和（hé）走刀路線（xiàn）、合（hé）理選用刀具與切削用量參（cān）數、合理冷卻潤滑，來降低切（qiē）削力和切削溫度。本文（wén）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著重討論其他工藝優化措施。

  
      (1)裝夾方式

  
      三連波導（dǎo）外（wài）形尺寸為791mm×156.8mm×32mm，長（zhǎng）寬麵（miàn）積與厚度尺寸之比不算特別大。經過分（fèn）析比較和實驗，用壓板從（cóng）毛坯兩側工藝通槽的4個作用點把它（tā）壓緊在機床（chuáng）工作台（tái）上(如圖（tú）2所示)，可以有效防止試件（jiàn）變形，而且方（fāng）便省時，不需（xū）要（yào）製造專用夾具。高速銑削鋁合（hé）金（jīn）材料切削力小，適當減小夾緊力有利於防（fáng）止（zhǐ）裝夾變形。如果（guǒ）試件長（zhǎng）寬麵積（jī）與厚度尺（chǐ）寸之比很大、剛（gāng）度很低，可能需要增設（shè）大量夾緊點和製造專用夾具．試件的裝夾辦法往往會成為工藝關鍵（jiàn）之一。

  
      (2)工序安排（pái）和走刀路線

  
      三連波導正反兩麵都有型腔和長槽，中部還出現兩組工字形通槽，如（rú）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的原則。其中，又以分麵加工優先，即加工完（wán）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（jiàn）一麵（miàn）的（de）全部粗精加工工（gōng）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。

      為避免在薄壁試件一個局部連續深（shēn）入（rù）一下子切除大量材料，而造成（chéng）應（yīng）力分布急劇變化乃至加（jiā）工變形（xíng），粗精加（jiā）工都遵循分層切（qiē）削的原則；銑刀切人試件（jiàn）達到某一深度後，在（zài）屬（shǔ）於同一類型而分隔的各型腔或長槽（cáo）內依次走刀一遍．其中，安排走刀（dāo）路線盡可能兼顧到保持（chí）總體幾何（hé）對稱和薄壁兩側對稱。在（zài）刀具的切入方（fāng）式及走刀路線、切削用量（liàng）參數方麵，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（huò）傾斜地徑（jìng）向切入（rù）試（shì）件(如圖3所示)，或者（zhě）軸向螺（luó）旋地進刀（dāo）(如圖4所示)，有利於保持切削過程平穩，提高加工精度和表麵質（zhì）量，延長刀具壽命．本次試（shì）驗（yàn）粗加工型腔、首刀軸向切進毛坯實體（tǐ）時，采用了與上平麵夾角小於5°的傾（qīng）斜（xié）進刀方式．精（jīng）加工切深小，螺旋或傾斜進刀（dāo）而不過（guò）切比較（jiào）困難，所（suǒ）以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（biǎo）麵，要避免緊貼在外形輪廓上進退刀。此外，精加工需要切除粗加（jiā）工殘留的區域(亦（yì）稱為剩（shèng）餘材料銑切)，刀具的直徑D比較小。

      (3)刀（dāo）具

      試驗（yàn）加工（gōng）主要采用國際著名刀具廠家適於切削鋼、鑄鐵、塑性鋁合金等多種工件材料的整體硬質合金刀具，外有TiCN塗層。它們（men）精度高，動平衡好，壽命長，對控製變形、提高加工精度和表麵（miàn）質量產生了良好效果，由於試件的底和壁都薄，加工中（zhōng）使用（yòng）平底立（lì）銑刀，以避免帶圓角立（lì）銑刀切削（xuē）時產生向下的作（zuò）用力（lì），造成試件底部（bù）翹曲變形。

      (4)切削用量

      與普通速度銑削加工相同，高速銑削粗加（jiā）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（hé）每齒進給量fz比較大；而精加工以達到加工精度和表麵質（zhì）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（què）認高（gāo）速銑削塑性鋁合金材料時（shí），應當選（xuǎn）取銑削線速度vc＞1,583m/min，或者至（zhì）少選取vc＞804m/min，以便（biàn）使切削力和（hé）切削溫度隨著vc提高顯著下降，同時減小加工變形、提高加工質量和（hé）效率。限於銑刀直徑、刀具懸伸和環境溫度等製約條（tiáo）件，試驗（yàn）中主軸（zhóu）轉速未達到最高值，實際vc max≈1,13lm/min。

      試驗測試進一步表明（míng），減小軸向（xiàng）切深、適當（dāng）增大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（zhì）加工變形。因此，試驗加工中各道工序的ap≤1mm，並且由粗加（jiā）工至精加工依次遞減．原則上，ae=0.75D，銑型腔和槽首刀切（qiē）入實體時，ae=D，而受槽寬限製，第二次走刀通常ae＜0.75D。

  
      銑型腔時，D較大強度較高，fz=0.107～0.200mm，成形（xíng）銑腔體斜（xié）麵的fz=0.094mm，而銑槽時，D小強度低．經過試驗，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（shé）斷。

以上每（měi）齒進給量與普通（tōng）速度銑削工況下相當。但本次試驗主軸（zhóu）轉速n高達15,600r/min。根據進給速度計算（suàn）式vf=fzZn/1,000=fzZvc/pD(Z是銑（xǐ）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（shì）高速切削加工的另一個（gè）基本特征，也是同（tóng）時實現減小加工變形、提高加工質量和效率的一個基本前提。

      (5)銑削方式與冷卻潤滑（huá）

      毛坯沒（méi）有粗糙堅（jiān）硬的外皮。試驗測試表明，順銑方式切削力明顯降低，並且理論分析和文獻（xiàn）指出，它有利（lì）於形成（chéng）切屑、保持切削過程平穩以及提高（gāo）加工（gōng）表麵質量。

      加工塑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削溫度，並可（kě）防止切屑粘結在整體硬質合金銑刀上不能分（fèn）離而使刀具報廢。

      b提高加工效率

  
      如上所述，許多控製加工變形的工藝措施，包括優（yōu）先考慮分麵加工，粗精加工分開，大進給速度等，能夠同（tóng）時（shí）提（tí）高效率，縮短加工時間。

      除此（cǐ）之外（wài），安排工序要注意盡可能減少換刀次數。本次試驗（yàn）把清角合並為一道工序，放（fàng）到每一麵加工的最後，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（xū）要注意避免突然改變走刀方向和進給速度；采用圖4所示的分層環繞走刀，可以避免傳（chuán）統往複式走刀換向（xiàng）時的急停急動造成衝擊，也沒有閉環走刀後每次需要橫向移動一小（xiǎo）段距離產生的接（jiē）刀痕（hén）跡，因此，加工效率和質量高，刀具壽命長。

      2 試驗結果

      通過采取以上工藝優化措施，試驗加工三連波導省略了中間熱處（chù）理工序，粗精加工（gōng）總（zǒng）共耗時（shí）14.13h ，低於預定的優化目標時間16h。

      用三坐標測量儀和表麵粗糙度儀檢測（cè），成品型腔主要形狀和位置尺寸精度合（hé）格。以正麵作（zuò）基準，測量到的反（fǎn）麵不平麵度為0.16mm，表麵粗糙度Ra≤1.6μm，都達到了圖紙（zhǐ）要求。

      本（běn）試驗研究（jiū）表明，應用高速銑削技術（shù）加工薄壁整體結構件，可以有效地控製和（hé）減小加工變形，並且大幅度提（tí）高效率，縮短時間。關鍵的工藝環節，在於毛坯，工件裝夾，工序安排，走刀路線，刀具與切削用量參數，銑削方式（shì）與冷卻潤滑．其中所謂高速，首（shǒu）先當（dāng）然是機床高的（de）切削速度與主軸（zhóu）轉速，但它還需要具備高的軸向進給運動速度和加（jiā）速度，以及CNC數控係統高的計算處理（lǐ）速度，CAD/CAM軟硬件係統高的計算機輔助造型和編程（chéng）速度。