型腔及薄壁類零件的高速銑削加工試驗

■ 武漢華中數控股份有限公司 （湖北 430223） 胡 濤 文 聞 熊 翔 孫 楠

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1.高速切削加工的特點

（1）高速切削的加工效率高。高速切削加工允許使用較大的進給率，比常規切削加工提高5～10倍，單位時間材料切除率可提高3～6倍，加工時間可大大減少。可用于加工需要大量切除金屬的零件，特別是對于航空工業具有十分重要的意義。

（2）高速切削的切削力小。和常規切削相比，高速切削加工時切削力至少可降低30%， 這對于加工剛性較差的零件來說，可減少加工變形，使一些薄壁類精細工件的切削加工成為可能。

（3）高速切削的切削熱對工件的影響小。高速切削加工過程極為迅速，95%以上的切削熱量極少，零件不會由于溫升導致翹曲或膨脹變形。高速切削特別適用于加工容易熱變形的零件。對于加工熔點較低、易氧化的金屬（如鎂），高速切削具有一定的意義。

（4）高速切削的加工精度高。因為高速旋轉時，刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統的受迫振動，保證了較好的加工狀態。由于切削力太小，切削熱影響小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，另外也使得刀具工件間的摩擦變小，切削破壞層變薄，殘余應力小，實現了高精度、低表面粗糙度值加工。

2.鋁合金高速銑削加工試驗目的

鋁合金高速切削加工是集高效、優質、低耗于一身的先進制造技術，在常規切削加工中備受困擾的零件易變形與表面質量不好的問題，通過高速切削加工可得到解決。針對鋁合金高速加工“小切削、快進給”的特點，通過型腔及薄壁類零件的高速銑削加工試驗，來論述高速加工工藝和操作方法，展現如何選擇高速切削刀路的優化技巧，以及切削參數的選擇，從而提高加工效率及保證加工質量。

3.試驗準備

國際標準定義金屬材料壁厚在1mm以下為薄壁件，本次高速銑削加工試驗采用圖1所示樣件，該樣件符合“型腔、薄壁”兩個標準特點，因樣件尺寸的特殊性，如：壁厚0.8mm、圓柱直徑1.5mm、多處圓弧相接，零件型腔內結構復雜。零件品質在加工過程中難以保證，常規的加工方法既無法保證零件不變形，也難提高加工效率，故將圖1樣件作為高速加工試驗模型。同時該樣件被多家數控企業作為高速加工試驗標準件。

本次高速銑削加工試驗選取一個樣件，樣件需符合兩個標準“型腔、薄壁”。因這類零件品質難以保證，所以選用的機床為T-500高速鉆攻加工中心，該機床主軸最高轉速可達40 000r/min，進給速度30 000mm/min。刀柄結構：HSK高速刀柄或BT30刀柄（刀柄形式根據機床確定，BT30刀柄需動平衡處理）；刀具：整體硬質合金三刃立銑刀D8；檢測儀器包括手持紅外測溫儀：測量工件表面溫度（如AR300）和粗糙度儀：檢測工件表面粗糙度（如TR200）。并應用手機上的噪聲測量APP。機床負載顯示：監控主軸及運行軸的負載狀況（一般機床自帶該功能）。測量采用0～125mm游標卡尺及三坐標測量儀。

圖1 型腔及薄壁類零件尺寸

4.試驗過程

薄壁類零件在加工中經常會遇到變形問題，常規加工方法的“大切削量、慢走刀”切削方式造成零件表面大量的切削熱無法被及時帶走，殘留在零件表面，使得零件易變形。而型腔類零件在加工時受刀具、零件尺寸的影響，每次下刀的層切深度不宜太深，故常規加工工藝不適合型腔及薄壁類零件加工。如圖1所示的型腔及薄壁類零件由型腔、島嶼和小圓柱構成，其中型腔壁厚0.8mm、高20mm，小圓柱直徑1.5mm、高20mm，兩處側向剛性很差，極易產生振顫，導致側壁破損或圓柱折斷，故常規加工工藝不適合該零件加工。由于該類型零件的加工工藝限制了層切深度，為了提高加工效率并保證零件質量，采用高速加工是非常適合的選擇。

此外，薄殼類零件的整體剛性也較差，也很適合選擇偏小直徑刀具（刀具直徑小于零件拐角圓角尺寸，且小直徑刀具可減小工件底面的振顫），高轉速、小吃刀量、大進給量的高速加工工藝。高速加工工藝切削時產生的熱量95%會由切屑和切削液帶走，這樣零件表面處于室溫。而且高速加工產生的切削力及切削功率都很小，這樣刀具對零件表面不會造成擠壓，從而減小了零件變形，故選擇高速加工工藝對該零件進行加工。

對于圖1所示型腔及薄壁類零件的加工，應盡量減少最后精加工時零件的側面受力。故采取側壁兩側同時層切加工（層優先原則）工藝，在各層完成粗、精加工，并達到壁厚尺寸要求。為了減小最后精加工一側的側面受力，每層深度不宜過大。同時采用擺線銑削刀路進行高速加工，還可減小第一刀加工和中間加工時的刀具受力差別。

5.刀具及刀具軌跡分析

圖1所示零件型腔中的拐角圓弧最小為R5mm，為了減小刀具在拐角處的振動，應回避φ10mm刀具，而采用φ8mm立銑刀。模型加工時，總體工序如表1所示。

（1）整體粗加工工藝分析：整體粗加工時，采用1.5mm的層切深度，并保證零件底部加工至尺寸要求，各島嶼徑向保留0.1mm精加工余量，型腔薄壁內外均保留1mm單邊徑向余量（以保證薄壁精加工時的工件剛性），小圓柱保留1mm單邊徑向余量（以保證小圓柱精加工時的工件剛性）。刀具路徑如圖2所示。

表1 工序清單

（2）槽區域粗加工工藝分析：槽區域粗加工采用擺線銑削，層切加工，每層深度1.5mm，槽底部加工至尺寸要求，槽寬保留0.1mm精加工余量。刀具路徑如圖3所示。

（3）島嶼外形精加工工藝分析：島嶼外形精加工采用輪廓銑削，一次將島嶼周邊（含槽寬）余量加工至尺寸要求。刀具路徑如圖4所示。

（4）薄壁外形精加工工藝分析：0.8mm薄壁外形采用層切銑削，每層包含內、外兩側加工，每層切深0.3mm。薄壁內側或外側加工均分粗、精兩刀加工（層優先），第一刀粗加工后保留0.1mm精加工余量，第二刀精加工達到尺寸要求。刀具路徑如圖5所示。

圖2 整體粗加工刀路

圖3 槽區域粗加工刀路

圖4 島嶼外形精加工刀具路徑

（5）小圓柱外形加工工藝分析：采用“層切加工”，每層切深0.2mm，每層分粗、精兩刀加工（層優先），第一刀粗加工后保留0.1mm精加工余量，第二刀精加工達到尺寸要求。刀具路徑如圖6所示。

6.切削參數選擇

整體硬質合金立銑刀加工有色金屬的切削速度一般可達1 000m/min，因此當前使用的D8立銑刀，其切削參數的選擇主要受限于機床主軸轉速及進給速度，為擴大實訓的適用度，參照一般較低水平的高速加工機床，本試驗確定主軸轉速18 000r/min（該速度下一般鋒鋼刀具也適用），粗加工進給速度設定為6 000mm/min，精加工進給速度考慮薄壁工件的剛性及零件表面質量的要求，可選為2 000～3 000mm/min。若機床性能高，可適當提高切削速度和進給速度。該零件加工時，切削參數主要體現在程序中，表2所示為該零件加工時的切削參數和程序名稱。

圖5 薄壁外形精加工刀具路徑

圖6 圓柱外形精加工刀具路徑

7.試驗報告

薄壁零件加工完成后，可參照表3，檢測表中各項內容。

檢測完成后，將檢測數據填入檢測記錄表4。

8.結語

本項目內容為“2016年智能制造新模式應用項目：便攜式電子產品結構模組精密加工智能制造新模式”的一部分。通過對上述零件的加工試驗摸索，在高速加工方面積累了一些經驗。隨著機械工業的發展，結構復雜類零件越來越多，對零件的加工要求逐漸提高。為了適應市場的需求，生產周期也逐漸縮短，特別對于一些結構復雜的零件，常規加工已無法滿足要求，采用高速加工是一條有效途徑，不僅在很大程度上提高了加工效率，而且能夠有效減小零件的變形，提高零件品質。

高速加工是相對常規加工而言的，常規加工中，有很多行之有效的經驗，如“粗加工時選擇切削用量的順序是：首選切削深度，其次是進給速度，最后是切削速度”、“切削深度每增加50%，刀片磨損增加20%；走刀量每增加20%，刀片磨損增加20%；切削速度每增加20%，刀片磨損增加50%”等。這些經驗是廣大從業者常年智慧的結晶，為機加工行業的發展做出了巨大貢獻，而且還會繼續發揮作用，這些經驗總結了過去常態下加工效率、刀具壽命和成本的相互關系。

隨著機床及刀具等行業的發展，刀具更耐熱、壽命更長、更耐沖擊，機床精度更高，刀具軌跡可以更復雜等因素，使大家對效率、成本的關系有了新的認識。推廣使用高速加工工藝，有利于效率提升、成本下降和工件質量提高。與此同時，高速加工技術正越來越多地被應用于模具制造業、航空制造業、汽車制造業、難加工材料及超精密微細切削加工等領域。

表2 薄壁型腔零件切削參數

表3 薄壁零件試驗檢測項目

表4 薄壁零件加工檢測結果