1 引言 
             高速銑削加工可獲得較高的金屬切除率、很高的加工精度和良好的加工表面質量，因此在現代制造業(yè)中受到普遍重視，發(fā)展很快。高速銑削技術首先應用于航空制造業(yè)。由于對高硬度材料進行高速銑削加工可在一定程度上替代效率較低的電火花加工從而縮短模具制造周期，因此目前高速銑削技術在模具制造業(yè)也得到廣泛應用。
             在航空制造業(yè)中，高速銑削的主要加工對象為鋁合金構件。為提高飛機性能，在飛機結構設計中大量采用鋁合金整體框架和薄壁結構，而鋁合金高速銑削技術使對此類構件的高效加工成為可能，從而在一定程度上推動了飛機結構的改進。高速銑削時，由于主軸轉速提高，在每齒進給量不變的情況下，進給速度會大幅增加，目前采用直線電機驅動的高速銑床的進給速度已達100m/min。因此，在規(guī)劃高速銑削的刀具軌跡時，必須考慮進給方向改變時機床進給系統的響應速度，以防止發(fā)生過切等現象。 針對典型鋁合金框架結構的高速銑削工藝，本文通過切削試驗研究了當金屬去除率恒定時銑削工藝參數對銑削力和加工表面質量的影響以及銑削圓角時的銑削力和表面粗糙度特征。
2 試驗目的與方法
1) 試驗目的 
                 通過切削試驗，主要研究徑向切深ap、軸向切深ae對銑削力和加工表面粗糙度Ra的影響。銑削力取連續(xù)測量50點峰值的平均值，加工表面粗糙度Ra取三次測量的平均值。
2) 試驗方法 
                 試驗條件：試件材料為7075預拉伸鋁合金，試件結構見圖1；加工機床為MICRON UCP710五坐標加工中心，主軸最大轉速18,00m/min，功率15kW，最大進給速度20m/min；刀具選用f10mm超細晶粒硬質合金整體立銑刀，2齒，30°螺旋角，刀尖圓弧半徑R=1.5mm；所有銑削試驗均采用油霧冷卻。 

                          圖1 7075鋁合金C型框銑削試件

            測量儀器：采用Kistler9265B, 三向動態(tài)壓電測力儀、5019A電荷放大器和計算機數據采集系統測量、記錄切削力；采用Mahr M1表面粗糙度測量儀測量加工表面粗糙度。
             銑削參數：主軸轉速18000r/min，對應銑削速度565m/min；為對比加工表面粗糙度，每齒進給量fz分別取0.05mm和0.1mm；徑向切深ap和軸向切深ae的乘積恒定為2mm2。
3 試驗結果與分析  
                加工圖1所示試件時，由于銑削進給方向要發(fā)生改變，因此采用Fxy(Fx與Fy的合力)和Fz作為切削力評價參數。根據測量結果，切削過程中Fxy峰值切削力如圖2所示。Fz的峰值切削力變化趨勢與圖2類似，但Fz的大小僅為Fxy的1/3。 
(ap=2mm，ae=1mm，fz=0.1mm) 

                                 圖2 Fxy峰值切削力

1) ap對銑削力的影響 
               由圖2可見，當刀具剛切入試件拐角處時，切削力迅速增大到加工試件直邊時的約1.7倍，這主要是由于高速銑削中進給方向發(fā)生變化時，為防止過切，機床進給速度自動降低，造成每齒進給量(即切削厚度)下降；同時，在切削拐角處時，銑刀的切入角Yi增大(圖4所示的切入角Yi為負值)，每齒切削長度增加，使尺寸效應在拐角處加劇。以上兩種因素綜合作用的結果使銑刀在銑削試件拐角處時切屑平均厚度減小，由尺寸效應引起銑削力急劇增大。 

                            表1 銑削試驗切削力測量結果 
 
              根據表所列試驗結果，得到銑削力Fxy、Fz與進給量ap的關系(見圖3)以及加工試件直邊與拐角處時Fz的對比情況(見圖4)。由圖可見，當切深大于銑刀的刀尖圓弧半徑R時(f16mm銑刀R=1.5mm)，Fxy變化不大，而Fz隨ap的增大而增大，圖中的Fz負值則表示刀具受拉力作用(切削試驗中，當ap=16mm時，加工至拐角處時f16mm立銑刀曾被折斷)。當主軸轉速較高時，刀具的夾緊力因受離心力影響而下降，當切深較大時，在較大拉力作用下可能造成刀具夾緊力不足而發(fā)生拉刀現象。當每齒進給量從0.05mm增大到0.10mm時，Fxy僅增大約15%；而在相同切削面積和進給量條件下(即金屬去除率恒定)，當ap小于刀尖圓弧半徑時(ap<1.5mm)，切削力則迅速減小。該結果對于減小高速銑削時的加工變形具有一定指導意義。 

                         圖3 銑削力Fxy、Fz與進給量ap的關系  

                        圖4 加工試件直邊與拐角處時Fz的對比

2) ap對加工表面粗糙度的影響 
              切削試驗中分別采用了順銑和逆銑兩種銑削方式。由于逆銑時切屑厚度是由薄變厚，當刀刃剛接觸試件時，后刀面與試件之間摩擦較大，容易引起振動；切削試件拐角處時，因切入角Yi和銑削長度的增加(見圖5)，逆銑的摩擦效應也會引起切削振動，并在拐角處產生振紋。而順銑時則正好相反，雖然順銑時切削力稍大于逆銑，但順銑時切屑厚度是由厚變薄，刀具后刀面與試件之間摩擦效應較小，在拐角處不易引起切削振動。但由于順銑對工件和刀具的沖擊力均較大，因此加工時應盡可能減小刀具懸伸長度和增加工件剛性。  

                         圖5 銑削時的切入角Yi和切出角Yo

             試件加工表面粗糙度與ap的關系如圖6所示。測量結果表明，試件拐角處的表面粗糙度Ra值略高于試件直邊處的Ra值，逆銑時在試件拐角處出現了斜向振紋；但當Ra=0.5mm時，試件拐角處的Ra值反而小于直邊處的Ra值，這是由于切削厚度變化引起的銑削力波動會對加工表面粗糙度產生一定影響，當軸向切深較小時，隨著銑削力的減小，銑削力波動對加工表面粗糙度的影響也隨之減小，因此，隨著軸向切深的減小，表面粗糙度Ra值呈下降趨勢。 

          (a)每齒進給量Ra=0.05mm                (b)每齒進給量Ra=0.10mm 

                       圖6 試件加工表面粗糙度Ra與ap的關系

            當采用較大進給量ap進行銑削加工時，工件直邊處出現垂直于進給方向的振紋，但對表面粗糙度Ra影響不大(見圖7)。由于振紋處表面粗糙度曲線的峰間距基本上等于銑削時的每轉進給量，因此可判定該振紋主要是由于刀具高速旋轉時的動平衡偏心量造成兩個刀齒的徑向尺寸產生偏差而引起的。 
(ap=6mm，ae=0.33mm，fz=0.1mm/z，順銑) 

                          圖7 振紋處的表面粗糙度測量曲線

           根據試驗數據和分析結果可知：使用圓柱銑刀對鋁合金材料進行高速銑削時，應選用較大的徑向切深量(約為刀具直徑的40%～80%)和較小的軸向切深量(小于刀具直徑的30%)。由于徑向加工余量較大，可在一定程度上增加工件剛性，加上徑向銑削力和加工表面粗糙度值均較小，因此加大徑向切深既能滿足加工工藝要求，又可通過調整工藝參數最大限度地減小加工變形。
4 結論  
            高速銑削鋁合金材料時，在金屬去除率恒定的情況下，選用較小的軸向切深和較大的徑向切深比選用較大軸向切深和較小徑向切深更為有利。高速銑削鋁合金材料時，選用較小的軸向切深不僅可大幅度降低切削力，而且可獲得更好的表面加工質量。 從減小切削變形的角度選擇切削用量時，選用較大的徑向切深不僅可降低切削力，而且可增加工件剛性。由切削試驗數據可知，在滿足加工要求和機床、刀具條件允許的前提下，還可進一步增大進給量和切削面積，以達到提高加工效率的目的。