哈爾濱中天數(shù)控工具有限責任公司
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超薄鋁合金零件的高速銑削試驗與應用西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司史靠軍王小紅馬志清[摘要]以7075 T3000系列鋁合金預拉伸板材為加工對象，對高速銑削加工技術(shù)在超薄結(jié)構(gòu)件加工中的工藝方法確定、切削參數(shù)選擇以及刀具平衡等問題進行了試驗研究，成果已獲得應用。
衡高速切削概念源于Salomon在1929年提出的假設(shè)：在高速區(qū)，當切削速度超過切削溫度*高的死谷區(qū)域，繼續(xù)提高切削速度會使切削溫度明顯下降，單位切削力也隨之下降〔1， 2〕。在實際應用中加工鋁合金板材時，通常把線速度大于1 000 m/min、進給速度大于10 m/min稱為高速銑削。高速銑削是目前數(shù)控技術(shù)熱門研究領(lǐng)域之一，國外有的高速機床轉(zhuǎn)速已達45 000r/ min ，廣泛應用于超薄零件、模具加工等領(lǐng)域。
采用高速銑削不但能使整體加工效率提高幾倍乃至幾十倍，還能獲得較高的加工精度和較好的表面完整性，節(jié)省制造資源，有效抑制切削振動的影響，改善表面粗糙度本文結(jié)合實際，采用國內(nèi)刀具，總結(jié)歸納出了適合于7075 T3000系列鋁合金預拉伸板材的高速銑削參數(shù)，對超薄零件的高速銑削方法進行了初步探索，批量加工出了腹板厚度為0 .635 mm的超薄零件。試驗中，線速度基本達到1 000 m/min ，但由于受國內(nèi)刀具本身質(zhì)量不過關(guān)等因素的影響，進給速度只達到5 m/min.
1切削過程分析切削過程中，切屑是由于材料的變形而形成的。
當切削刃進入被切削材料時，就會在材料的斷面和切削刃的前部產(chǎn)生高溫和應力，溫度和應力達到一定值時便產(chǎn)生塑性變形。金屬材料在**剪切區(qū)（Primary shear zone）容易變形。當材料達到強度點時，切屑就會從基體材料斷開而沿著**剪切平面產(chǎn)生滑移，從刀刃的前面排出。第二剪切區(qū)產(chǎn)生在刀片的表面，當切屑沿著刀片的表面移動時，摩擦會使這個區(qū)域產(chǎn)生高溫。當?shù)度醒刂牧锨邢鲿r，由于材料的反彈，在它的底部產(chǎn)生第三剪切區(qū)。高速切削速度越高，能量越大，則生成的熱量越多。高溫有利于在**剪切區(qū)的塑性變形，有利于切屑的生成。由于塑性流動增大，高速切削時的切削力必然會減小。
研究表明，在高速銑削時，熱量的生成分布為：80 的熱量來源于生成切屑時的力學變形，18 的熱量來源于第二剪切區(qū)切屑和刀具的接觸面，2 的熱量來源于刀尖。熱量擴散的方式是：75 的熱量隨切屑帶走， 5 的熱量被工件吸收，20 的熱量傳遞到刀具上。
在高速切削中，對刀具定位、夾緊、平衡性、精度以及加工冷卻方式都有特殊要求。
2高速切削工藝方法的確定2 .1刀具平衡高速切削時刀具應具有高的剛性和平衡性，可按下列公式計算刀具、刀套的平衡性。速度愈高，對平衡精度要求也愈高。平衡精度一般用等級表示，平衡精度G為式中：n為刀具轉(zhuǎn)速， r/min m為刀具非平衡質(zhì)量（即偏心量），g r為刀具半徑，mm M為刀具質(zhì)量，g.
由上式可見，高速旋轉(zhuǎn)時，為提高G的等級，應盡量降低非平衡質(zhì)量m.對使用廠家來講，采購時提出對非平衡質(zhì)量的要求是非常重要的。
2 .2加工路線的確定加工路線的確定原則是：首先要盡量保證刀具軌跡的切矢連續(xù)，避免加工方向的突然改變，因為進給方向的突然變化不僅會使切削速率降低，而且會產(chǎn)生爬數(shù)控工藝技術(shù)航空制造技術(shù)行現(xiàn)象，降低加工表面的質(zhì)量，情況嚴重時還會出現(xiàn)過切、刀具斷裂，甚至損壞主軸其次，在復雜型面或拐角部分采用單獨的行切法，比之字形加工法、直線法或其他的一些加工方法更有利第三，刀具要緩慢切入工件，避免刀具切出后又切入工件，要從一個切削層緩慢地、長距離地進入另一個切削層第四，一定要保證切削參數(shù)的穩(wěn)定性、匹配性，當遇到不可避免的環(huán)境時，應綜合考慮參數(shù)變化，如降低轉(zhuǎn)速時，要相應地降低進給量。
2 .3粗銑、精銑的安排2 .3.1型腔粗銑型腔粗銑采用分層銑削、快速進給的方法，以減少應力和變形，提高刀具的耐用度。通過對比試驗得知：若選用切削深度A連續(xù)加工2 h ，刀具已變鈍，零件表面粗糙度Ra 6 .3μm 若選用A刀具仍然完好，零件表面粗糙度Ra 3 .2μm.
經(jīng)試驗，確定粗銑型腔時應選用：銑刀直徑30 2 .3.2型腔精銑精銑型腔留余量0 .5～1 mm ，一次完成銑削。這樣除可以提高表面質(zhì)量外，還可以提高加工精度，因為在超薄腹板進入精加工工序時，零件整體剛性變?nèi)酰嗉庸ひ淮尉涂赡芏嘁淮萎a(chǎn)生因變形或鼓動而形成的偏差（鼓動是指無立筋支撐的較大面積腹板加工變薄到一定程度后，在腹板心部出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象）。選擇精加工進給速度時的主要目標是要獲得較小的表面粗糙度Ra值，加工效率則是第二位的。
3切削參數(shù)3 .1計算公式隨著高速數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，通常使用的原蘇聯(lián)高速切削用量計算公式已不能完全適用，我們根據(jù)多年的加工經(jīng)驗，并經(jīng)研究分析，對被加工材料和具體切削諸因素的影響系數(shù)和指數(shù)值進行了加、減權(quán)修正，從大量試驗和計算的結(jié)果中選擇優(yōu)化數(shù)據(jù)作為主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和切削速度的計算公式：切削速度：主軸轉(zhuǎn)速：進給速度：式中：v為切削速度， f為進給速度， n為主軸轉(zhuǎn)速， A為切削深度，D為銑刀直徑， Z為齒數(shù)， A為每齒進給為切削寬度， T為刀具壽命， C為加權(quán)系數(shù)， a、q為指數(shù)。
3 .2切削參數(shù)選擇切削參數(shù)的選擇原則是：小切削，快進給，自動化，保證刀具始終在輕狀態(tài)下切削，延長刀具壽命。用快進給補償和提高單位時間的切削率，提高加工效率。
實現(xiàn)自動化的目的是減少人為干預和減少停機時間，保證機床的切削率達到*大化。
?。?）根據(jù)國產(chǎn)刀具的質(zhì)量情況，暫定刀具壽命為T 4切削試驗切削試驗采用的數(shù)控設(shè)備為五坐標臥式加工中心，帶兩個可翻轉(zhuǎn)式工作平臺，主軸轉(zhuǎn)速為150～15 000 r/min ，主軸功率為30 kW.試驗刀具采用圓柱試驗采用3件模擬件，毛料為預拉伸板材，*終加工到輪廓尺寸800 mm×300 mm×40 mm，加強筋厚度試驗采用的切削參數(shù)為：（1）粗加工。
每齒進給量A切削寬度A（2）精加工。
每齒進給量A =3 mm，切削寬度A 4 .1試驗情況件。
件為兩面對稱銑切凹槽，加工后達到：表面粗糙度Ra 3 .2μm（符合圖紙要求、無需鉗工再修磨）腹壁尺寸分別為0 .6mm、0 .7mm和0 .8mm ，誤差不大于0 .05 mm（合格）腹壁完整性良好，其扭曲平面度在200 mm范圍內(nèi)不超過0 .05 mm、全長范圍內(nèi)不超過0 .50件。
數(shù)控工藝技術(shù)2001年增刊件結(jié)構(gòu)尺寸與兩面對稱銑切凹槽大體相同，兩面不對稱單面銑切凹槽，下腹壁呈一平面。銑切后達到：腹壁尺寸誤差不超過0 .15 mm（合格），兩側(cè)緣板和橫向筋條厚度1 .016 1 mm（合格），其余均同1件。
件結(jié)構(gòu)尺寸除兩側(cè)為變斜角（0～5°）外形外，其余同2件，外形采取三坐標行切。銑切后達到：外形曲面行切后由鉗工修磨達Ra 3 .2μm，其余與2件相同。
4 .2試驗結(jié)果分析經(jīng)3個試件模擬試驗和后續(xù)推廣應用，通過高速切削中的加工變形控制，證明高速切削在加工變形方面的控制效果大大超過常規(guī)狀態(tài)下數(shù)控加工時的控制效果。理論分析與試驗得到的結(jié)果一致：（1）切削型槽和腹壁時，刀具軌跡禁走Z字形，且應使刀具軌跡切矢連續(xù)，使刀具不碰傷暫時變形的切削面，這是控制大型薄壁結(jié)構(gòu)件薄壁尺寸的一個重要工藝措施（2）粗加工采取分層銑削，使應力均勻釋放，有利于加工變形的消除（3）為減少垂直切削分力對薄壁腹板（底平面）的壓力，采用斜往復式下刀，實踐證明這是改善底刃切削壓力、控制變形的好辦法（4）做好刀具壽命的判斷工作，確保刀具始終處于完好狀態(tài)，刀具的質(zhì)量是提高切削速度的重要前提。
經(jīng)多次試驗，總結(jié)出鋁合金飛機結(jié)構(gòu)件工藝路線應遵循的原則。？粗加工：先內(nèi)形后外形，先筋高后型腔？精加工：先外形后內(nèi)形，先腹壁后轉(zhuǎn)角。
5結(jié)束語（1）用上述方法進行高速切削試驗，在10 000 r/min下取得成功對于直徑為20 mm的刀具，主軸轉(zhuǎn)速達到了12 000 r/min.這項技術(shù)已應用于某薄壁結(jié)構(gòu)件，生產(chǎn)了3 000多件產(chǎn)品，盡管還沒有完全實現(xiàn)嚴格意義上的高速銑削，但已創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。
（2）在高速加工刀具平衡、測量等方面獲得了直接經(jīng)驗。
?。?）將高速加工鋁合金超薄結(jié)構(gòu)件的成功經(jīng)驗進行技術(shù)移植，應用于國內(nèi)飛機整體結(jié)構(gòu)（如壁板、蒙皮以及工裝元件等）的數(shù)控加工之中，零件生產(chǎn)效率明顯提高，變形小，表面質(zhì)量高。
?。?）通過應用，初步掌握了刀具、刀套的平衡級別及對應的轉(zhuǎn)速范圍的判斷，為轉(zhuǎn)速的進一步提高積累了經(jīng)驗。
3薛儒。高速銑削的特點及其應用。工具技術(shù)， 1993（7）：4王西彬，解麗靜。超高速切削技術(shù)及其新進展。中國機（責編文洵）國防科技發(fā)展數(shù)控技術(shù)研討會召開為研究、探討國防科技工業(yè)數(shù)控技術(shù)發(fā)展及其應用的有關(guān)問題，針對國防科技工業(yè)數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)和升級，制定側(cè)重于數(shù)控技術(shù)研究內(nèi)容、發(fā)展方向、發(fā)展體系的十五國防科技工業(yè)數(shù)控技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，國防科工委科技與質(zhì)量司于2001年9月14日組織召開了國防科技工業(yè)發(fā)展數(shù)控技術(shù)研討會，研討會在北京理工大學國際教育交流中心舉行，國防科工委綜合計劃司、航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司、中國航空工業(yè)制造工程研究所、中國航空精密機械研究所、兵器裝備集團58所、兵器工業(yè)集團計算所等11個單位的20余名有關(guān)領(lǐng)導和專家參加了會議。
與會領(lǐng)導和專家就下述幾個方面內(nèi)容進行了論述和交流：（1）十五期間各單位、部門在行業(yè)機床數(shù)控化改造（包括老數(shù)控機床翻新改造和普通機床數(shù)控化改造）方面的需求和潛力。
?。?）針對上述需求和潛力，分析各單位所在行業(yè)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應用水平及存在問題，并論述各單位在數(shù)控技術(shù)方面的技術(shù)水平和特點。
?。?）制定十五期間國防科技工業(yè)數(shù)控技術(shù)發(fā)展方向和研究內(nèi)容，并提出下一步工作重點。
?。?）對國防科技工業(yè)發(fā)展數(shù)控技術(shù)及提高應用水平的建議（包括技術(shù)、管理、政策、資金等方面）。
（陳燁）數(shù)控工藝技術(shù)航空制造技術(shù)
來源：中國刀具網(wǎng)
