在航空航天、汽車（chē）、電子電器等工業領域，要求提高零部件的強度與剛度、韌性、抗腐蝕抗斷裂能力，同時降（jiàng）低（dī）它們的重量。為此，廣泛使用輕合金材料製成的薄壁整體結構件．它們還可以減（jiǎn）少零（líng）件（jiàn）總數和裝配工作量。但是，薄壁整（zhěng）體結（jié）構件材料切除率高達90%以上，需要努力控製加工變形和（hé）提高（gāo）效率，對機（jī）械加（jiā）工提出（chū）了高新技術要求。

      高速（sù）切削是當今（jīn）世界先進（jìn）製造技術之一。它加工效率高，切削力小（xiǎo），試件表麵溫（wēn）度低，能夠提高加（jiā）工精度，特別適合加工薄壁整體結（jié）構（gòu）件，國外一個典型的應用實例，就是通（tōng）過（guò）高速銑削波音和空中客車飛機機身（shēn）整體結構件，使肋片厚度明顯（xiǎn）減薄，高度增大（dà），有效減輕了飛機的自重而降低耗油量，最終實現了遠東至西歐中間不著陸的洲際直飛。國內高速切削的應用開發尚處（chù）於起步（bù）階段。本文針對鋁合金（jīn）三（sān）連（lián）波導（dǎo）試件（jiàn），探討薄壁整體結構件的高速銑（xǐ）削工藝優（yōu）化問題。

      1 試驗任（rèn）務、條件與工藝方法

      1.1試驗任務

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

  
      金屬切除量（liàng）大，成品壁薄，剛度（dù）低，加工中需要解決的首要問題是控製和減（jiǎn）小變形。采用普通速度數控（kòng）銑削工藝方法，加工時間長達50h ，需要中（zhōng）間熱處理以消除加工應力、控製變（biàn）形，因此，加工中還需要努力提高加工效率、縮短時間和降低成本。

  
      根據國外資料報道，對於抗拉強度（dù）顯著低（dī）於鋼鐵材（cái）料的鋁合金，可以采用高速切削來完（wán）成全部（bù）粗、精加工任務；從工序集中原則出發，就是僅（jǐn）僅使用一台高速切削（xuē）加工中心。
  
      1.2試驗條件

  
      試驗采用德（dé）國Hermle C1200U型五軸聯動高速銑削加（jiā）工中心（xīn），如圖2所示。它的主要工作參數是：主軸轉速n=20～24,000r/min，最大輸出功率為（wéi）23kW，扭矩（jǔ）為79Nm；沿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-97°～15°, C 軸為工作台，360°轉動；工作（zuò）台麵直徑800mm，承載能力1t。CNC(計算機數（shù）控)係統為德國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（dī）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（xì）統，和接（jiē）觸（chù）式工件在線檢測、數據紅外（wài）無線傳輸的裝置。

  
      試驗加工前，首（shǒu）先采用安裝在高性能微機工作站上的UG NX版（bǎn）CAD/CAM軟件係統完成試（shì）件三維（wéi）造型，然後如下（xià）文介紹擬訂高速銑削加（jiā）工工藝，再使用UG NX生成（chéng）刀軌文件、數控編程和後置處理．所（suǒ）得到的數控加工程序通過網絡傳送到機床CNC數控係統後（hòu），經（jīng）過試運行和必要的修改補充，才（cái）用於試（shì）驗加工。

  
      1.3高速銑削工藝

  
      a控製加工變形（xíng）

  
      影響加工變形的因素很多，包括毛坯的組織結構、纖維走向和內應力分布，加工中的各（gè）種作用（yòng）力、熱以及所引起的試件物理與化學（xué）變化等（děng）。要控（kòng）製和減小加工變形，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（guò）合理安排工序（xù）和走刀路（lù）線、合理選用刀具與切削用量參（cān）數、合理冷卻潤滑，來降（jiàng）低切削力和切削溫度。本文試驗研究不涉及毛坯的製備或選（xuǎn）擇，並且以（yǐ）省略（luè）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

  
      三連波導外（wài）形尺寸為791mm×156.8mm×32mm，長寬麵積與厚度尺寸之比不算特別大（dà）。經過分析比較和實驗，用（yòng）壓板從毛坯兩側工藝通槽的4個作用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（shěng）時，不需要（yào）製造專用夾具。高（gāo）速銑削鋁合金材料切（qiē）削力小，適當減小（xiǎo）夾緊力有利於（yú）防止裝夾變形。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（jǐn）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)工序安排和走刀路線

  
      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（xíng）通槽（cáo），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（gōng）分（fèn）開的（de）原則。其中（zhōng），又以分麵加工優先，即加工（gōng）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（chéng）試件（jiàn）一麵的全部粗精加工工序（xù）。其目的在於減少重（chóng）複裝夾即找正試件次數，提高精度（dù）和效率。

      為避免在薄壁試件一個局部連續深入一下子切除大量材料，而造成應力分布急劇變化乃至加工變形，粗（cū）精加工都遵循分層切削的原則；銑刀切人試件達到某一深（shēn）度（dù）後，在屬於同一類型而分隔的各型腔或長槽內（nèi）依次走刀一遍．其中，安排走刀路線盡可能兼顧到保持總體幾何對稱和（hé）薄壁（bì）兩側對稱。在（zài）刀（dāo）具（jù）的切入方式及走刀（dāo）路線、切削用量（liàng）參數方麵，粗精加（jiā）工有不少（shǎo）變化．高速切削（xuē）相對運動速度高，讓銑刀圓弧或傾斜地徑向（xiàng）切入試件(如圖（tú）3所示)，或者軸向（xiàng）螺旋地進刀(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量，延長刀具壽命．本次試（shì）驗粗加工型腔、首刀軸向切進（jìn）毛坯實體時，采用（yòng）了與上平麵夾角小於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較困難，所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麵，要避免緊貼在外形輪廓上進退刀（dāo）。此外，精加工需要切除粗加工殘留的區域(亦（yì）稱為剩餘材料銑切（qiē）)，刀具（jù）的直徑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切削鋼、鑄鐵、塑性（xìng）鋁（lǚ）合金等多種工件材料的整體硬質（zhì）合金（jīn）刀具，外有（yǒu）TiCN塗層。它們精度高，動平衡好，壽命長，對控製（zhì）變形、提高加工精度（dù）和表麵（miàn）質量產生了（le）良好效果，由於試（shì）件的底（dǐ）和壁都薄，加工中使用平底立銑刀，以避免（miǎn）帶圓角立銑刀切削時產生向下的作用力，造成試（shì）件底部翹曲變形。

      (4)切削（xuē）用量

      與普通速度銑削加工（gōng）相（xiàng）同（tóng），高速銑削粗（cū）加工仍以提高材料切除率（lǜ）為主，一（yī）般其軸向切深ap、徑向切深ae和每齒（chǐ）進給量fz比較大；而精加工以達到加工精度和表麵質量為主，切削速度vc更（gèng）高。

      通過（guò）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（jīn）材料時，應當選（xuǎn）取銑削線速度vc＞1,583m/min，或者至少選取vc＞804m/min，以便使切削力和切削溫度隨（suí）著vc提高顯著下降，同時減小加工變形、提高（gāo）加工質量和效率。限於銑刀直（zhí）徑、刀具懸伸和環境（jìng）溫度等製約條件（jiàn），試驗中主軸轉速未達到最（zuì）高值，實（shí）際vc max≈1,13lm/min。

      試驗（yàn）測試進一步表明，減小軸向切深、適當增大（dà）徑向切深尤其是（shì）進給量，有利於降低（dī）切削力和切削溫（wēn）度以及控製加工變形（xíng）。因此，試驗加工中各道工（gōng）序的ap≤1mm，並且由粗加工至精加工依次遞減．原則上，ae=0.75D，銑型腔和槽首刀切入實體時，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，成形銑腔體斜麵的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，可以避免銑刀折斷（duàn）。

以上每齒進給量與普通速度銑削工況下相當（dāng）。但本次試（shì）驗（yàn）主（zhǔ）軸轉速n高（gāo）達（dá）15,600r/min。根據進給速度計算式vf=fzZn/1,000=fzZvc/pD(Z是銑刀齒數)，可以算得vf=3～6m/min，大大高於（yú）普通速度銑削。小軸向切深，大進給速度，是高（gāo）速切削加工的另一個基本（běn）特征，也是同時實現減小加工變形、提高加工質量（liàng）和效率的一（yī）個基（jī）本前提。

      (5)銑削（xuē）方式與冷（lěng）卻潤滑

      毛坯沒有粗糙堅硬的外皮。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（wén）獻指出，它有利（lì）於形成切屑、保持切削過程平穩以（yǐ）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削溫度，並可防（fáng）止（zhǐ）切屑粘結在整體硬質合金銑刀上不能（néng）分離而使刀具報廢。

      b提高加工效率

  
      如上所述，許多控製加工變形的工藝（yì）措施，包括優先考慮分麵加（jiā）工（gōng），粗精加工分開，大進給速（sù）度等，能夠同時提高（gāo）效率，縮短加工時間。

      除此之外，安排工序要注意盡可能減少換刀次數。本次試驗把（bǎ）清角合並為一道工序，放到每一（yī）麵加工的最後，節省時間而不影響加工質量。

      確定高速銑削（xuē）加工（gōng）走刀（dāo）路線，首先需（xū）要注意避免突（tū）然改變走刀方向和進給（gěi）速度；采用圖4所示的分層環繞走（zǒu）刀，可（kě）以避免傳統往複式走刀（dāo）換向時的（de）急停急動造成衝擊，也（yě）沒有閉環走刀（dāo）後每次需要橫向移動一小段距離（lí）產生的接刀痕跡，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（yōu）化措施，試驗加工三連波導省略了中間熱處理工序，粗精加工（gōng）總（zǒng）共耗時14.13h ，低於預（yù）定的優化目標（biāo）時間16h。

      用三坐標測（cè）量儀和表麵粗糙（cāo）度儀檢測，成品型腔主要形狀和（hé）位置尺寸精度合格。以正麵作基準，測量到（dào）的反麵不平麵度為0.16mm，表麵粗糙度Ra≤1.6μm，都（dōu）達到了圖紙要（yào）求。

      本試（shì）驗研（yán）究表明，應用高速銑削技術（shù）加工薄壁整體結構件，可以有效地控製和減小加工變形，並且大幅度提高效率，縮短時間。關（guān）鍵的工藝（yì）環節，在於毛坯，工件（jiàn）裝夾，工序（xù）安排，走刀路線（xiàn），刀具與切削用量參數，銑削方式與（yǔ）冷卻潤（rùn）滑．其中所謂高速，首先當然是機床高的切削速（sù）度與主軸轉速，但它還需要具備高的軸向進給運動速（sù）度和加速度，以及CNC數控（kòng）係統高（gāo）的計算處理速度，CAD/CAM軟硬件係（xì）統高的計算機輔助造型和編程速度。