超薄铝合金零件的高速铣削试验与应用

超薄铝合金零件的高速铣削试验与应用西安飞机工业（集团）有限责任公司史靠军王小红马志清[摘要]以7075 T3000系列铝合金预拉伸板材为加工对象，对高速铣削加工技术在超薄结构件加工中的工艺方法确定、切削参数选择以及刀具平衡等问题进行了试验研究，成果已获得应用。

　　衡高速切削概念源于Salomon在1929年提出的假设：在高速区，当切削速度超过切削温度最高的死谷区域，继续提高切削速度会使切削温度明显下降，单位切削力也随之下降〔1， 2〕。在实际应用中加工铝合金板材时，通常把线速度大于1 000 m/min、进给速度大于10 m/min称为高速铣削。高速铣削是目前数控技术热门研究领域之一，国外有的高速机床转速已达45 000r/ min ，广泛应用于超薄零件、模具加工等领域。

　　采用高速铣削不但能使整体加工效率提高几倍乃至几十倍，还能获得较高的加工精度和较好的表面完整性，节省制造资源，有效抑制切削振动的影响，改善表面粗糙度本文结合实际，采用国内刀具，总结归纳出了适合于7075 T3000系列铝合金预拉伸板材的高速铣削参数，对超薄零件的高速铣削方法进行了初步探索，批量加工出了腹板厚度为0 .635 mm的超薄零件。试验中，线速度基本达到1 000 m/min ，但由于受国内刀具本身质量不过关等因素的影响，进给速度只达到5 m/min.

　　1切削过程分析切削过程中，切屑是由于材料的变形而形成的。

　　当切削刃进入被切削材料时，就会在材料的断面和切削刃的前部产生高温和应力，温度和应力达到一定值时便产生塑性变形。金属材料在第一剪切区（Primary shear zone）容易变形。当材料达到强度点时，切屑就会从基体材料断开而沿着第一剪切平面产生滑移，从刀刃的前面排出。第二剪切区产生在刀片的表面，当切屑沿着刀片的表面移动时，摩擦会使这个区域产生高温。当刀刃沿着材料切削时，由于材料的反弹，在它的底部产生第三剪切区。高速切削速度越高，能量越大，则生成的热量越多。高温有利于在第一剪切区的塑性变形，有利于切屑的生成。由于塑性流动增大，高速切削时的切削力必然会减小。

　　研究表明，在高速铣削时，热量的生成分布为：80 的热量来源于生成切屑时的力学变形，18 的热量来源于第二剪切区切屑和刀具的接触面，2 的热量来源于刀尖。热量扩散的方式是：75 的热量随切屑带走， 5 的热量被工件吸收，20 的热量传递到刀具上。

　　在高速切削中，对刀具定位、夹紧、平衡性、精度以及加工冷却方式都有特殊要求。

　　2高速切削工艺方法的确定2 .1刀具平衡高速切削时刀具应具有高的刚性和平衡性，可按下列公式计算刀具、刀套的平衡性。速度愈高，对平衡精度要求也愈高。平衡精度一般用等级表示，平衡精度G为式中：n为刀具转速， r/min m为刀具非平衡质量（即偏心量），g r为刀具半径，mm M为刀具质量，g.

　　由上式可见，高速旋转时，为提高G的等级，应尽量降低非平衡质量m.对使用厂家来讲，采购时提出对非平衡质量的要求是非常重要的。

　　2 .2加工路线的确定加工路线的确定原则是：首先要尽量保证刀具轨迹的切矢连续，避免加工方向的突然改变，因为进给方向的突然变化不仅会使切削速率降低，而且会产生爬数控工艺技术航空制造技术行现象，降低加工表面的质量，情况严重时还会出现过切、刀具断裂，甚至损坏主轴其次，在复杂型面或拐角部分采用单独的行切法，比之字形加工法、直线法或其他的一些加工方法更有利第三，刀具要缓慢切入工件，避免刀具切出后又切入工件，要从一个切削层缓慢地、长距离地进入另一个切削层第四，一定要保证切削参数的稳定性、匹配性，当遇到不可避免的环境时，应综合考虑参数变化，如降低转速时，要相应地降低进给量。

　　2 .3粗铣、精铣的安排2 .3.1型腔粗铣型腔粗铣采用分层铣削、快速进给的方法，以减少应力和变形，提高刀具的耐用度。通过对比试验得知：若选用切削深度A连续加工2 h ，刀具已变钝，零件表面粗糙度Ra 6 .3μm 若选用A刀具仍然完好，零件表面粗糙度Ra 3 .2μm.

　　经试验，确定粗铣型腔时应选用：铣刀直径30 2 .3.2型腔精铣精铣型腔留余量0 .5～1 mm ，一次完成铣削。这样除可以提高表面质量外，还可以提高加工精度，因为在超薄腹板进入精加工工序时，零件整体刚性变弱，多加工一次就可能多一次产生因变形或鼓动而形成的偏差（鼓动是指无立筋支撑的较大面积腹板加工变薄到一定程度后，在腹板心部出现的失稳现象）。选择精加工进给速度时的主要目标是要获得较小的表面粗糙度Ra值，加工效率则是第二位的。

　　3切削参数3 .1计算公式随着高速数控加工技术的不断发展，通常使用的原苏联高速切削用量计算公式已不能完全适用，我们根据多年的加工经验，并经研究分析，对被加工材料和具体切削诸因素的影响系数和指数值进行了加、减权修正，从大量试验和计算的结果中选择优化数据作为主轴转速、进给速度和切削速度的计算公式：切削速度：主轴转速：进给速度：式中：v为切削速度， f为进给速度， n为主轴转速， A为切削深度，D为铣刀直径， Z为齿数， A为每齿进给为切削宽度， T为刀具寿命， C为加权系数， a、q为指数。

　　3 .2切削参数选择切削参数的选择原则是：小切削，快进给，自动化，保证刀具始终在轻状态下切削，延长刀具寿命。用快进给补偿和提高单位时间的切削率，提高加工效率。

　　实现自动化的目的是减少人为干预和减少停机时间，保证机床的切削率达到最大化。

　　（1）根据国产刀具的质量情况，暂定刀具寿命为T 4切削试验切削试验采用的数控设备为五坐标卧式加工中心，带两个可翻转式工作平台，主轴转速为150～15 000 r/min ，主轴功率为30 kW.试验刀具采用圆柱试验采用3件模拟件，毛料为预拉伸板材，最终加工到轮廓尺寸800 mm×300 mm×40 mm，加强筋厚度试验采用的切削参数为：（1）粗加工。

　　每齿进给量A切削宽度A（2）精加工。

　　每齿进给量A =3 mm，切削宽度A 4 .1试验情况件。

　　件为两面对称铣切凹槽，加工后达到：表面粗糙度Ra 3 .2μm（符合图纸要求、无需钳工再修磨）腹壁尺寸分别为0 .6mm、0 .7mm和0 .8mm ，误差不大于0 .05 mm（合格）腹壁完整性良好，其扭曲平面度在200 mm范围内不超过0 .05 mm、全长范围内不超过0 .50件。

　　数控工艺技术2001年增刊件结构尺寸与两面对称铣切凹槽大体相同，两面不对称单面铣切凹槽，下腹壁呈一平面。铣切后达到：腹壁尺寸误差不超过0 .15 mm（合格），两侧缘板和横向筋条厚度1 .016 1 mm（合格），其余均同1件。

　　件结构尺寸除两侧为变斜角（0～5°）外形外，其余同2件，外形采取三坐标行切。铣切后达到：外形曲面行切后由钳工修磨达Ra 3 .2μm，其余与2件相同。

　　4 .2试验结果分析经3个试件模拟试验和后续推广应用，通过高速切削中的加工变形控制，证明高速切削在加工变形方面的控制效果大大超过常规状态下数控加工时的控制效果。理论分析与试验得到的结果一致：（1）切削型槽和腹壁时，刀具轨迹禁走Z字形，且应使刀具轨迹切矢连续，使刀具不碰伤暂时变形的切削面，这是控制大型薄壁结构件薄壁尺寸的一个重要工艺措施（2）粗加工采取分层铣削，使应力均匀释放，有利于加工变形的消除（3）为减少垂直切削分力对薄壁腹板（底平面）的压力，采用斜往复式下刀，实践证明这是改善底刃切削压力、控制变形的好办法（4）做好刀具寿命的判断工作，确保刀具始终处于完好状态，刀具的质量是提高切削速度的重要前提。

　　经多次试验，总结出铝合金飞机结构件工艺路线应遵循的原则。？粗加工：先内形后外形，先筋高后型腔？精加工：先外形后内形，先腹壁后转角。

　　5结束语（1）用上述方法进行高速切削试验，在10 000 r/min下取得成功对于直径为20 mm的刀具，主轴转速达到了12 000 r/min.这项技术已应用于某薄壁结构件，生产了3 000多件产品，尽管还没有完全实现严格意义上的高速铣削，但已创造了可观的经济效益。

　　（2）在高速加工刀具平衡、测量等方面获得了直接经验。

　　（3）将高速加工铝合金超薄结构件的成功经验进行技术移植，应用于国内飞机整体结构（如壁板、蒙皮以及工装元件等）的数控加工之中，零件生产效率明显提高，变形小，表面质量高。

　　（4）通过应用，初步掌握了刀具、刀套的平衡级别及对应的转速范围的判断，为转速的进一步提高积累了经验。

　　3薛儒。高速铣削的特点及其应用。工具技术， 1993（7）：4王西彬，解丽静。超高速切削技术及其新进展。中国机（责编文洵）国防科技发展数控技术研讨会召开为研究、探讨国防科技工业数控技术发展及其应用的有关问题，针对国防科技工业数控产品的技术开发和升级，制定侧重于数控技术研究内容、发展方向、发展体系的十五国防科技工业数控技术发展规划，国防科工委科技与质量司于2001年9月14日组织召开了国防科技工业发展数控技术研讨会，研讨会在北京理工大学国际教育交流中心举行，国防科工委综合计划司、航天机床数控系统集团公司、中国航空工业制造工程研究所、中国航空精密机械研究所、兵器装备集团58所、兵器工业集团计算所等11个单位的20余名有关领导和专家参加了会议。

　　与会领导和专家就下述几个方面内容进行了论述和交流：（1）十五期间各单位、部门在行业机床数控化改造（包括老数控机床翻新改造和普通机床数控化改造）方面的需求和潜力。

　　（2）针对上述需求和潜力，分析各单位所在行业数控技术的发展现状和应用水平及存在问题，并论述各单位在数控技术方面的技术水平和特点。

　　（3）制定十五期间国防科技工业数控技术发展方向和研究内容，并提出下一步工作重点。

　　（4）对国防科技工业发展数控技术及提高应用水平的建议（包括技术、管理、政策、资金等方面）。