超薄鋁合金零件的高速銑削試驗與應用西安飛機工業（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在超薄結構件加工中的工藝方法確定、切削參數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：在高速區，當切削速度超過切削溫度*高的死谷區域，繼續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。高速銑削是目前數控技術熱門研究領域之一，國外有的高速機床轉速已達45 000r/ min ，廣泛應用于超薄零件、模具加工等領域。
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合實際，采用國內刀具，總結歸納出了適合于7075 T3000系列鋁合金預拉伸板材的高速銑削參數，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 ，但由于受國內刀具本身質量不過關等因素的影響，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生高溫和應力，溫度和應力達到一定值時便產生塑性變形。金屬材料在**剪切區（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**剪切平面產生滑移，從刀刃的前面排出。第二剪切區產生在刀片的表面，當切屑沿著刀片的表面移動時，摩擦會使這個區域產生高溫。當刀刃沿著材料切削時，由于材料的反彈，在它的底部產生第三剪切區。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為刀具轉速， r/min m為刀具非平衡質量（即偏心量），g r為刀具半徑，mm M為刀具質量，g.
由上式可見，高速旋轉時，為提高G的等級，應盡量降低非平衡質量m.對使用廠家來講，采購時提出對非平衡質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，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，而且會產生爬數控工藝技術航空制造技術行現象，降低加工表面的質量，情況嚴重時還會出現過切、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的穩定性、匹配性，當遇到不可避免的環境時，應綜合考慮參數變化，如降低轉速時，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，零件整體剛性變弱，多加工一次就可能多一次產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，在腹板心部出現的失穩現象）。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3 .1計算公式隨著高速數控加工技術的不斷發展，通常使用的原蘇聯高速切削用量計算公式已不能完全適用，我們根據多年的加工經驗，并經研究分析，對被加工材料和具體切削諸因素的影響系數和指數值進行了加、減權修正，從大量試驗和計算的結果中選擇優化數據作為主軸轉速、進給速度和切削速度的計算公式：切削速度：主軸轉速：進給速度：式中：v為切削速度， f為進給速度， n為主軸轉速， A為切削深度，D為銑刀直徑， Z為齒數， A為每齒進給為切削寬度， T為刀具壽命， C為加權系數， a、q為指數。
3 .2切削參數選擇切削參數的選擇原則是：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。
（1）根據國產刀具的質量情況，暫定刀具壽命為T 4切削試驗切削試驗采用的數控設備為五坐標臥式加工中心，帶兩個可翻轉式工作平臺，主軸轉速為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范圍內不超過0 .05 mm、全長范圍內不超過0 .50件。
數控工藝技術2001年增刊件結構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），兩側緣板和橫向筋條厚度1 .016 1 mm（合格），其余均同1件。
件結構尺寸除兩側為變斜角（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試驗結果分析經3個試件模擬試驗和后續推廣應用，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狀態下數控加工時的控制效果。理論分析與試驗得到的結果一致：（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，使刀具不碰傷暫時變形的切削面，這是控制大型薄壁結構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，刀具的質量是提高切削速度的重要前提。
經多次試驗，總結出鋁合金飛機結構件工藝路線應遵循的原則。？粗加工：先內形后外形，先筋高后型腔？精加工：先外形后內形，先腹壁后轉角。
5結束語（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，主軸轉速達到了12 000 r/min.這項技術已應用于某薄壁結構件，生產了3 000多件產品，盡管還沒有完全實現嚴格意義上的高速銑削，但已創造了可觀的經濟效益。
（2）在高速加工刀具平衡、測量等方面獲得了直接經驗。
（3）將高速加工鋁合金超薄結構件的成功經驗進行技術移植，應用于國內飛機整體結構（如壁板、蒙皮以及工裝元件等）的數控加工之中，零件生產效率明顯提高，變形小，表面質量高。
（4）通過應用，初步掌握了刀具、刀套的平衡級別及對應的轉速范圍的判斷，為轉速的進一步提高積累了經驗。
3薛儒。高速銑削的特點及其應用。工具技術， 1993（7）：4王西彬，解麗靜。超高速切削技術及其新進展。中國機（責編文洵）國防科技發展數控技術研討會召開為研究、探討國防科技工業數控技術發展及其應用的有關問題，針對國防科技工業數控產品的技術開發和升級，制定側重于數控技術研究內容、發展方向、發展體系的十五國防科技工業數控技術發展規劃，國防科工委科技與質量司于2001年9月14日組織召開了國防科技工業發展數控技術研討會，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、航天機床數控系統集團公司、中國航空工業制造工程研究所、中國航空精密機械研究所、兵器裝備集團58所、兵器工業集團計算所等11個單位的20余名有關領導和專家參加了會議。
與會領導和專家就下述幾個方面內容進行了論述和交流：（1）十五期間各單位、部門在行業機床數控化改造（包括老數控機床翻新改造和普通機床數控化改造）方面的需求和潛力。
（2）針對上述需求和潛力，分析各單位所在行業數控技術的發展現狀和應用水平及存在問題，并論述各單位在數控技術方面的技術水平和特點。
（3）制定十五期間國防科技工業數控技術發展方向和研究內容，并提出下一步工作重點。
（4）對國防科技工業發展數控技術及提高應用水平的建議（包括技術、管理、政策、資金等方面）。
（陳燁）數控工藝技術航空制造技術
來源：中國刀具網
