在航空航天、汽車、電子電器等工業(yè)領(lǐng)域，要求提高零部件的強(qiáng)度與剛度、韌性、抗腐蝕抗斷裂能力，同時(shí)降低它們的重量。為此，廣泛使用輕合金材料制成的薄壁整體結(jié)構(gòu)件．它們還可以減少零件總數(shù)和裝配工作量。但是，薄壁整體結(jié)構(gòu)件材料切除率高達(dá)90%以上，需要努力控制加工變形和提高效率，對機(jī)械加工提出了高新技術(shù)要求。
高速切削是當(dāng)今世界先進(jìn)制造技術(shù)之一。它加工效率高，切削力小，試件表面溫度低，能夠提高加工精度，特別適合加工薄壁整體結(jié)構(gòu)件，國外一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例，就是通過高速銑削波音和空中客車飛機(jī)機(jī)身整體結(jié)構(gòu)件，使肋片厚度明顯減薄，高度增大，有效減輕了飛機(jī)的自重而降低耗油量，最終實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)東至西歐中間不著陸的洲際直飛。國內(nèi)高速切削的應(yīng)用開發(fā)尚處于起步階段。本文針對鋁合金三連波導(dǎo)試件，探討薄壁整體結(jié)構(gòu)件的高速銑削工藝優(yōu)化問題。
1 試驗(yàn)任務(wù)、條件與工藝方法
1.1試驗(yàn)任務(wù)
圖1顯示三連波導(dǎo)成品，其最小壁厚2mm，質(zhì)量2.35kg，屬于典型的多筋薄壁整體結(jié)構(gòu)件，毛坯材料為防銹鋁LF21(GB1173-86)長方體板材，屬于一種塑性鋁合金，質(zhì)量約12.25kg，通過銑削加工被“掏空”，材料切除率為80.8%，其材料硬度為45HB，抗拉強(qiáng)度180MPa，伸長率12%。
金屬切除量大，成品壁薄，剛度低，加工中需要解決的首要問題是控制和減小變形。采用普通速度數(shù)控銑削工藝方法，加工時(shí)間長達(dá)50h ，需要中間熱處理以消除加工應(yīng)力、控制變形，因此，加工中還需要努力提高加工效率、縮短時(shí)間和降低成本。
根據(jù)國外資料報(bào)道，對于抗拉強(qiáng)度顯著低于鋼鐵材料的鋁合金，可以采用高速切削來完成全部粗、精加工任務(wù)；從工序集中原則出發(fā)，就是僅僅使用一臺高速切削加工中心。
1.2試驗(yàn)條件
試驗(yàn)采用德國Hermle C1200U型五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削加工中心，如圖2所示。它的主要工作參數(shù)是：主軸轉(zhuǎn)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，最大直線進(jìn)給速度30m/min，最大加速度4m/ s-2，定位精度0.01mm; A軸擺動(dòng)范圍-97°～15°, C 軸為工作臺，360°轉(zhuǎn)動(dòng)；工作臺面直徑800mm，承載能力1t。CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)控)系統(tǒng)為德國Heidenhain iTNC 530，計(jì)算處理一條數(shù)控指令的速度，從上一代系統(tǒng)的4ms降低到0.5 ms，機(jī)床備有30個(gè)刀位的刀庫，以及激光式刀具在線檢測系統(tǒng)，和接觸式工件在線檢測、數(shù)據(jù)紅外無線傳輸?shù)难b置。
試驗(yàn)加工前，首先采用安裝在高性能微機(jī)工作站上的UG NX版CAD/CAM軟件系統(tǒng)完成試件三維造型，然后如下文介紹擬訂高速銑削加工工藝，再使用UG NX生成刀軌文件、數(shù)控編程和后置處理．所得到的數(shù)控加工程序通過網(wǎng)絡(luò)傳送到機(jī)床CNC數(shù)控系統(tǒng)后，經(jīng)過試運(yùn)行和必要的修改補(bǔ)充，才用于試驗(yàn)加工。
1.3高速銑削工藝
a控制加工變形
影響加工變形的因素很多，包括毛坯的組織結(jié)構(gòu)、纖維走向和內(nèi)應(yīng)力分布，加工中的各種作用力、熱以及所引起的試件物理與化學(xué)變化等。要控制和減小加工變形，需要合理制備或選擇毛坯，合理選擇裝夾方式，對毛坯或半成品熱處理，并通過合理安排工序和走刀路線、合理選用刀具與切削用量參數(shù)、合理冷卻潤滑，來降低切削力和切削溫度。本文試驗(yàn)研究不涉及毛坯的制備或選擇，并且以省略中間熱處理工序?yàn)槟繕?biāo)之一以下著重討論其他工藝優(yōu)化措施。
(1)裝夾方式
三連波導(dǎo)外形尺寸為791mm×156.8mm×32mm，長寬面積與厚度尺寸之比不算特別大。經(jīng)過分析比較和實(shí)驗(yàn)，用壓板從毛坯兩側(cè)工藝通槽的4個(gè)作用點(diǎn)把它壓緊在機(jī)床工作臺上(如圖2所示)，可以有效防止試件變形，而且方便省時(shí)，不需要制造專用夾具。高速銑削鋁合金材料切削力小，適當(dāng)減小夾緊力有利于防止裝夾變形。如果試件長寬面積與厚度尺寸之比很大、剛度很低，可能需要增設(shè)大量夾緊點(diǎn)和制造專用夾具．試件的裝夾辦法往往會(huì)成為工藝關(guān)鍵之一。
(2)工序安排和走刀路線
三連波導(dǎo)正反兩面都有型腔和長槽，中部還出現(xiàn)兩組工字形通槽，如圖2所示。所以，安排工序時(shí)，需要遵守分面加工和粗精加工分開的原則。其中，又以分面加工優(yōu)先，即加工完反面再加工正面，僅僅重復(fù)裝夾一次；在一次裝夾中完成試件一面的全部粗精加工工序。其目的在于減少重復(fù)裝夾即找正試件次數(shù)，提高精度和效率。
為避免在薄壁試件一個(gè)局部連續(xù)深入一下子切除大量材料，而造成應(yīng)力分布急劇變化乃至加工變形，粗精加工都遵循分層切削的原則；銑刀切人試件達(dá)到某一深度后，在屬于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薄壁兩側(cè)對稱。在刀具的切入方式及走刀路線、切削用量參數(shù)方面，粗精加工有不少變化．高速切削相對運(yùn)動(dòng)速度高，讓銑刀圓弧或傾斜地徑向切入試件(如圖3所示)，或者軸向螺旋地進(jìn)刀(如圖4所示)，有利于保持切削過程平穩(wěn)，提高加工精度和表面質(zhì)量，延長刀具壽命．本次試驗(yàn)粗加工型腔、首刀軸向切進(jìn)毛坯實(shí)體時(shí)，采用了與上平面夾角小于5°的傾斜進(jìn)刀方式．精加工切深小，螺旋或傾斜進(jìn)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面，要避免緊貼在外形輪廓上進(jìn)退刀。此外，精加工需要切除粗加工殘留的區(qū)域(亦稱為剩余材料銑切)，刀具的直徑D比較小。
(3)刀具
試驗(yàn)加工主要采用國際著名刀具廠家適于切削鋼、鑄鐵、塑性鋁合金等多種工件材料的整體硬質(zhì)合金刀具，外有TiCN涂層。它們精度高，動(dòng)平衡好，壽命長，對控制變形、提高加工精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生了良好效果，由于試件的底和壁都薄，加工中使用平底立銑刀，以避免帶圓角立銑刀切削時(shí)產(chǎn)生向下的作用力，造成試件底部翹曲變形。
(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和每齒進(jìn)給量fz比較大；而精加工以達(dá)到加工精度和表面質(zhì)量為主，切削速度vc更高。
通過調(diào)研和切削力、切削溫度試驗(yàn)測試，確認(rèn)高速銑削塑性鋁合金材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取銑削線速度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著vc提高顯著下降，同時(shí)減小加工變形、提高加工質(zhì)量和效率。限于銑刀直徑、刀具懸伸和環(huán)境溫度等制約條件，試驗(yàn)中主軸轉(zhuǎn)速未達(dá)到最高值，實(shí)際vc max≈1,13lm/min。
試驗(yàn)測試進(jìn)一步表明，減小軸向切深、適當(dāng)增大徑向切深尤其是進(jìn)給量，有利于降低切削力和切削溫度以及控制加工變形。因此，試驗(yàn)加工中各道工序的ap≤1mm，并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(shí)體時(shí)，ae=D，而受槽寬限制，第二次走刀通常ae＜0.75D。
銑型腔時(shí)，D較大強(qiáng)度較高，fz=0.107～0.200mm，成形銑腔體斜面的fz=0.094mm，而銑槽時(shí)，D小強(qiáng)度低．經(jīng)過試驗(yàn)，選取fz=0.048～0.072mm．其中，當(dāng)D=3mm時(shí)，fz=0.048～0.056mm，可以避免銑刀折斷。
以上每齒進(jìn)給量與普通速度銑削工況下相當(dāng)。但本次試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速n高達(dá)15,600r/min。根據(jù)進(jìn)給速度計(jì)算式vf=fzZn/1,000=fzZvc/pD(Z是銑刀齒數(shù))，可以算得vf=3～6m/min，大大高于普通速度銑削。小軸向切深，大進(jìn)給速度，是高速切削加工的另一個(gè)基本特征，也是同時(shí)實(shí)現(xiàn)減小加工變形、提高加工質(zhì)量和效率的一個(gè)基本前提。
(5)銑削方式與冷卻潤滑
毛坯沒有粗糙堅(jiān)硬的外皮。試驗(yàn)測試表明，順銑方式切削力明顯降低，并且理論分析和文獻(xiàn)指出，它有利于形成切屑、保持切削過程平穩(wěn)以及提高加工表面質(zhì)量。
加工塑性鋁合金采用高效乳化切削液冷卻潤滑，有利于降低切削力和切削溫度，并可防止切屑粘結(jié)在整體硬質(zhì)合金銑刀上不能分離而使刀具報(bào)廢。
b提高加工效率
如上所述，許多控制加工變形的工藝措施，包括優(yōu)先考慮分面加工，粗精加工分開，大進(jìn)給速度等，能夠同時(shí)提高效率，縮短加工時(shí)間。
除此之外，安排工序要注意盡可能減少換刀次數(shù)。本次試驗(yàn)把清角合并為一道工序，放到每一面加工的最后，節(jié)省時(shí)間而不影響加工質(zhì)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(jìn)給速度；采用圖4所示的分層環(huán)繞走刀，可以避免傳統(tǒng)往復(fù)式走刀換向時(shí)的急停急動(dòng)造成沖擊，也沒有閉環(huán)走刀后每次需要橫向移動(dòng)一小段距離產(chǎn)生的接刀痕跡，因此，加工效率和質(zhì)量高，刀具壽命長。
2 試驗(yàn)結(jié)果
通過采取以上工藝優(yōu)化措施，試驗(yàn)加工三連波導(dǎo)省略了中間熱處理工序，粗精加工總共耗時(shí)14.13h ，低于預(yù)定的優(yōu)化目標(biāo)時(shí)間16h。
用三坐標(biāo)測量儀和表面粗糙度儀檢測，成品型腔主要形狀和位置尺寸精度合格。以正面作基準(zhǔn)，測量到的反面不平面度為0.16mm，表面粗糙度Ra≤1.6μm，都達(dá)到了圖紙要求。
本試驗(yàn)研究表明，應(yīng)用高速銑削技術(shù)加工薄壁整體結(jié)構(gòu)件，可以有效地控制和減小加工變形，并且大幅度提高效率，縮短時(shí)間。關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)，在于毛坯，工件裝夾，工序安排，走刀路線，刀具與切削用量參數(shù)，銑削方式與冷卻潤滑．其中所謂高速，首先當(dāng)然是機(jī)床高的切削速度與主軸轉(zhuǎn)速，但它還需要具備高的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度和加速度，以及CNC數(shù)控系統(tǒng)高的計(jì)算處理速度，CAD/CAM軟硬件系統(tǒng)高的計(jì)算機(jī)輔助造型和編程速度。
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