數控銑削高效切斷技巧探究

金 鑫 金潤一

(①航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003；②重慶郵電大學自動化學院，重慶 400065)

國內機械加工行業的數控銑削設備，經濟型機床占比達70%以上，其中又分：高速切削機床，大扭矩高剛度機床，普通通用機床。

通常現代全通輪廓切料方案有：電加工線切割、激光切割、高壓水刀切割和等離子切割等等，這里以數控銑削加工貫通輪廓粗加工去料方案為典型情況進行分析。

1 現狀

數控銑削加工的過程都是以去料方式完成的，有粗加工、半精加工、精加工、超精加工。實際工作中，任何一種加工方式均需要考慮工藝精度、切削時間等，最后都落實到加工成本上。

粗加工階段在整個切削時間中通常占比有40%～70%，在整個切削余量中通常占比90%以上，除了占用設備、人力、資料外，還有刀具、方法等非常直觀的因素需要關注。

案例：某型殼體工件以多層回轉體結構為主，如圖1所示，工藝過程中兩端分別由φ135 mm×22 mm、φ105×17 mm加工至□73±0.1 mm和□71±0.1 mm。然而，與方體相接的幾何體是不同位置形狀的耳片，形成非貫通的臺階，無法采用電加工線切割方式，必須數控銑削加工完成。

問題就此出現：如圖1所示，在加工φ135 mm×22 mm至□73±0.1 mm的過程中，采取沿著工件輪廓深度方向分層切削方式割斷余料，發生了余料強烈振動，引起工件共震，繼而旋轉過切，刀具也隨之偏擺折斷；后續反復調試降低切削參數，以及全覆蓋去料等方法，均不能避免切割過程中余料、工件、刀具在輪廓區域內的共振，且加工周期較長。

2 技術調查

調查咨詢技術經驗得知，通常數控銑削加工的全通輪廓粗加工去料方案有：全切去料方式，緊固切斷方式，全輪廓切斷方式。下面具體舉例說明幾種切斷去料方式。

2.1 全切去料方式

即把工件不同部位的多余料全部以切削方式形成切屑去除。這種方式無論對于內腔、外形，還是臺階，均可以進行，以外形為例見圖2。圖中左圖為粗加工的毛坯狀態，右圖是精加工的一批工件，如此大量的余料全部數銑加工去除。

2.2 緊固切斷方式

即把工件的多余料以切削方式切割分開去除。主要用于貫通工件的余料去除，以外形為例見圖3。圖中周邊余料均壓板壓持緊固，依據板料余量分布，分兩段銑削切割分離。

2.3 全輪廓切斷方式

是在工件整體定位可靠、緊固穩定的情況下，對于貫通實體的余料進行全輪廓銑削切割一次完成，以外形為例見圖4。圖中以左圖方框所示刀柄夾簧方法，夾持定位右圖工件的桿狀體部，一次去除傘狀輪廓，工件得到T字形手柄。

3 優劣分析

上述3種全通輪廓粗加工去料方案有其適合的場合、優點，不同的情況下優點也變成不利條件，見表1。

表1 輪廓粗加工去料方案對照表

切斷方式適合條件優點缺點不利條件全切去料方式非貫通余料,內腔、臺階外形等切深分層ap覆蓋,非切斷層切削穩定走刀接近切斷層、切斷區域時產生共振,加工周期長一倍以上,表面粗糙度Ra>6.3 μm切削走刀時間較長,刀具磨損快;切斷層走刀時,刀具和余層料塊共振,易彈別刀崩刀緊固切斷方式平整板類零件,余料貫通,面積大,臺階高度穩定全過程分層ap覆蓋,切削穩定,表面質量好增加緊固機構,操作繁瑣,影響加工效率余料大,緊固夾具須靠近走刀路線,以避免切削振動;若有臺階遮擋時不方便夾具緊固全輪廓切斷方式整體輪廓小,懸伸不大非切斷層切削穩定,加工效率高走刀切斷層、切斷區域產生共振,表面質量一般余料雖小,切削中共振同樣發生,切斷層走刀振動使刀具磨損快,易被余料夾擊折斷

4 方案分析

由表1可以得出，已有的輪廓粗加工去料方案都有一些較為接近的不利現象和條件：①加工周期長。②走刀接近切斷層、切斷區域產生共振。③緊固機構，操作繁瑣，影響加工效率。④若有臺階遮擋時，余料不方便夾具緊固。⑤余料即便較小，切削中共振同樣發生，振動使刀具磨損快。

既然上述輪廓粗加工去料方案在目前情況下基本滿足生產加工需要，那么技術細節必然有其可取之處。經過認真仔細地分析對比，總體獲得以下優點：

(1)在輪廓線走刀時全面采用G41順銑方法切削，充分利用切削力使屑料遠離刀具的作用。

(2)全切去料是每層由遠離輪廓向輪廓分步距覆蓋靠近，深度由上而下層層剝離，料體切削過程穩定。

(3)無論緊固切斷還是全輪廓切斷，都具有一個共同現象，即余料均被切為兩三段；或有緊固換壓，或余料局部寬度小于刀具直徑，或料塊較小，便于拆卸或散落飛離加工區。

(4)余料被夾具緊固，切削中穩定。

目前，類似型面的工件種類較多，完善工件質量，提高生產效率，降低刀具、夾具成本，都是必須要考慮的問題。高效切斷是很有必要解決的一個課題。減小切斷層的切削振動，避免或杜絕刀具崩裂折斷，是解決問題的重點突破口。

5 探索創新

吸取已有的技術經驗，不斷改進發展，還是文中現狀案例中某型殼體作為典型實驗對象，余料不緊固的情況下進行了一些試驗探索，在選刀、走刀路線、切削用量三要素、余料分段方法等方面取得了較好的效果?！白杂煞侄畏滦吻袛喾绞健庇纱苏Q生了。

5.1 選刀

選用刀具以粗加工與精加工分清銑刀的類別為第一原則，粗切刀以HSS-Co或WC-Co類合金材質為首選，確保足夠的韌性和鋒利，螺旋角β在25°～30°。低螺旋角比較適合銑削溝漕，螺旋角適中，切削扭距不大，軸向拉力亦不大。如果使用螺旋角較大之立銑刀，刀刃比較容易崩裂，軸向拉力很大，余料受切削復合力較大而振動幅度加大，因此刀具壽命短，如圖5所示。

5.2 走刀路線

在深度上分層發揮順銑方法的優勢，切削力推移被切余料遠離加工區，而這里采用沿著工件輪廓線偏移刀補，預留0.15～0.3 mm精切余量，且每層先走一刀，開出刀路，避免深度各層次的刀路寬度等寬，后續切削走刀中排屑不暢，因受切削力料塊振動夾刀。如圖6所示。

5.3 切削用量三要素

三要素的選擇就比較需要“實用科學”了。前文中提到的切斷層即是料塊從工件上分離的最后一層，這一層的存在不是無關緊要的，對于高效切斷余料而言起到了必不可少的作用。在非切斷層的各以上分層可以根據工藝加工系統實際情況以質量、效率平衡為原則自由選擇切削用量三要素，而切斷層必須以可靠支撐余料為基礎，同時兼顧單層次切削的合適用量：

(1)有色金屬如鋁合金、銅合金，以φ12 mm銑刀為例，刀具轉速1 000～1 500 r/min,切削深度ap≥2 mm，走刀速度Vf=200～380 mm/min。

(2)黑色金屬如高碳鋼、合金鋼、不銹鋼，以φ12 mm銑刀為例，刀具轉速700～1 200 r/min,切削深度ap≥1.5 mm，走刀速度Vf=100～180 mm/min。

5.4 余料分段

徹底改變圖7b所示的原有方式，對準備去除的料塊進行合理的分段，可以減少振動的可能性，減小振動體的質量能量，還可以引導振動源盡量遠離工件輪廓，從而確保加工精度。對于案例中某型殼體工件，如圖7a所示，利用輪廓外形特點，可以把余料分為四段，以圓周360°為標準，每90°一段分段切斷，并引導切斷點離開工件，切下來的料塊散落飛離加工區。

6 結語

這種方法實用性非常強，可以用于相似類型的零件型面加工中。采用此方式后，該型殼體加工時間由原來的47 min/件降低為15 min/件，每年數百件的批生產周期大幅縮短近三分之一。在后續新型產品的開發加工中，又有肩帶殼體、“9”型機構殼體、尾桿上段等零件運用這種方法，同樣取得良好的效果。沒有最好只有更好，此類加工方式本身是開放的，筆者也抱著開放的態度，希望大家有不同的經歷、更好的技術經驗，可以交流探討，能夠融合出更加完善的切削方式，取得質量、效率、成本更好的平衡。