1 試驗任務(wù)、條件與工藝方法

圖1 三連波導(dǎo)反面

圖2 C1200U 高速銑削三連波導(dǎo)正面




1. 試驗任務(wù)


2. 試驗條件


3. 高速銑削工藝


圖1顯示三連波導(dǎo)成品，其最小壁厚2mm，質(zhì)量2.35kg，屬于典型的多筋薄壁整體結(jié)構(gòu)件，毛坯材料為防銹鋁LF21(GB1173-86)長方體板材，屬于一種塑性鋁合金，質(zhì)量約12.25kg，通過銑削加工被“掏空”，材料切除率為80.8%，其材料硬度為45HB，抗拉強度180MPa，伸長率12%。
金屬切除量大，成品壁薄，剛度低，加工中需要解決的首要問題是控制和減小變形。采用普通速度數(shù)控銑削工藝方法，加工時間長達(dá)50h ，需要中間熱處理以消除加工應(yīng)力、控制變形，因此，加工中還需要努力提高加工效率、縮短時間和降低成本。
根據(jù)國外資料報道，對于抗拉強度顯著低于鋼鐵材料的鋁合金，可以采用高速切削來完成全部粗、精加工任務(wù)；從工序集中原則出發(fā)，就是僅僅使用一臺高速切削加工中心。
試驗采用德國Hermle C1200U型五軸聯(lián)動高速銑削加工中心，如圖2所示。它的主要工作參數(shù)是：主軸轉(zhuǎn)速n=20～24,000r/min，最大輸出功率為23kW，扭矩為79Nm；沿x，y，z軸的行程分別為1,200，800，500mm，最大直線進給速度30m/min，最大加速度4m/ s^-2，定位精度0.01mm; A軸擺動范圍-97°～15°, C 軸為工作臺，360°轉(zhuǎn)動；工作臺面直徑800mm，承載能力1t。CNC(計算機數(shù)控)系統(tǒng)為德國Heidenhain iTNC 530，計算處理一條數(shù)控指令的速度，從上一代系統(tǒng)的4ms降低到0.5 ms，機床備有30個刀位的刀庫，以及激光式刀具在線檢測系統(tǒng)，和接觸式工件在線檢測、數(shù)據(jù)紅外無線傳輸?shù)难b置。
試驗加工前，首先采用安裝在高性能微機工作站上的UG NX版CAD/CAM軟件系統(tǒng)完成試件三維造型，然后如下文介紹擬訂高速銑削加工工藝，再使用UG NX生成刀軌文件、數(shù)控編程和后置處理．所得到的數(shù)控加工程序通過網(wǎng)絡(luò)傳送到機床CNC數(shù)控系統(tǒng)后，經(jīng)過試運行和必要的修改補充，才用于試驗加工。



1. 控制加工變形
   影響加工變形的因素很多，包括毛坯的組織結(jié)構(gòu)、纖維走向和內(nèi)應(yīng)力分布，加工中的各種作用力、熱以及所引起的試件物理與化學(xué)變化等。要控制和減小加工變形，需要合理制備或選擇毛坯，合理選擇裝夾方式，對毛坯或半成品熱處理，并通過合理安排工序和走刀路線、合理選用刀具與切削用量參數(shù)、合理冷卻潤滑，來降低切削力和切削溫度。本文試驗研究不涉及毛坯的制備或選擇，并且以省略中間熱處理工序為目標(biāo)之一以下著重討論其他工藝優(yōu)化措施。
   

   
   
   1. 裝夾方式
      三連波導(dǎo)外形尺寸為791mm×156.8mm×32mm，長寬面積與厚度尺寸之比不算特別大。經(jīng)過分析比較和實驗，用壓板從毛坯兩側(cè)工藝通槽的4個作用點把它壓緊在機床工作臺上(如圖2所示)，可以有效防止試件變形，而且方便省時，不需要制造專用夾具。高速銑削鋁合金材料切削力小，適當(dāng)減小夾緊力有利于防止裝夾變形。如果試件長寬面積與厚度尺寸之比很大、剛度很低，可能需要增設(shè)大量夾緊點和制造專用夾具．試件的裝夾辦法往往會成為工藝關(guān)鍵之一。
   
   
   2. 工序安排和走刀路線
      三連波導(dǎo)正反兩面都有型腔和長槽，中部還出現(xiàn)兩組工字形通槽，如圖2所示。所以，安排工序時，需要遵守分面加工和粗精加工分開的原則。其中，又以分面加工優(yōu)先，即加工完反面再加工正面，僅僅重復(fù)裝夾一次；在一次裝夾中完成試件一面的全部粗精加工工序。其目的在于減少重復(fù)裝夾即找正試件次數(shù)，提高精度和效率。
      
      
      
      
      
      
      

      圖3 圓弧或傾斜地徑向切入、切出試件

      
      
      為避免在薄壁試件一個局部連續(xù)深入一下子切除大量材料，而造成應(yīng)力分布急劇變化乃至加工變形，粗精加工都遵循分層切削的原則；銑刀切人試件達(dá)到某一深度后，在屬于同一類型而分隔的各型腔或長槽內(nèi)依次走刀一遍．其中，安排走刀路線盡可能兼顧到保持總體幾何對稱和薄壁兩側(cè)對稱。在刀具的切入方式及走刀路線、切削用量參數(shù)方面，粗精加工有不少變化．高速切削相對運動速度高，讓銑刀圓弧或傾斜地徑向切入試件(如圖3所示)，或者軸向螺旋地進刀(如圖4所示)，有利于保持切削過程平穩(wěn)，提高加工精度和表面質(zhì)量，延長刀具壽命．本次試驗粗加工型腔、首刀軸向切進毛坯實體時，采用了與上平面夾角小于5°的傾斜進刀方式．精加工切深小，螺旋或傾斜進刀而不過切比較困難，所以讓銑刀直接沿軸向下降。精加工的刀位軌跡形成最終輪廓表面，要避免緊貼在外形輪廓上進退刀。此外，精加工需要切除粗加工殘留的區(qū)域(亦稱為剩余材料銑切)，刀具的直徑D比較小。
   
   
   3. 刀具
      試驗加工主要采用國際著名刀具廠家適于切削鋼、鑄鐵、塑性鋁合金等多種工件材料的整體硬質(zhì)合金刀具，外有TiCN涂層。它們精度高，動平衡好，壽命長，對控制變形、提高加工精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生了良好效果，由于試件的底和壁都薄，加工中使用平底立銑刀，以避免帶圓角立銑刀切削時產(chǎn)生向下的作用力，造成試件底部翹曲變形。
   
   
   4. 切削用量
      與普通速度銑削加工相同，高速銑削粗加工仍以提高材料切除率為主，一般其軸向切深a_p、徑向切深a_e和每齒進給量f_z比較大；而精加工以達(dá)到加工精度和表面質(zhì)量為主，切削速度v_c更高。
      
      
      
      
      
      
      

      圖4 軸向螺旋進刀與分層環(huán)繞走刀

      
      
      通過調(diào)研和切削力、切削溫度試驗測試，確認(rèn)高速銑削塑性鋁合金材料時，應(yīng)當(dāng)選取銑削線速度v_c＞1,583m/min，或者至少選取v_c＞804m/min，以便使切削力和切削溫度隨著v_c提高顯著下降，同時減小加工變形、提高加工質(zhì)量和效率。限于銑刀直徑、刀具懸伸和環(huán)境溫度等制約條件，試驗中主軸轉(zhuǎn)速未達(dá)到最高值，實際v_{c max}≈1,13lm/min。
      試驗測試進一步表明，減小軸向切深、適當(dāng)增大徑向切深尤其是進給量，有利于降低切削力和切削溫度以及控制加工變形。因此，試驗加工中各道工序的a_p≤1mm，并且由粗加工至精加工依次遞減．原則上，a_e=0.75D，銑型腔和槽首刀切入實體時，a_e=D，而受槽寬限制，第二次走刀通常a_e＜0.75D。
      銑型腔時，D較大強度較高，f_z=0.107～0.200mm，成形銑腔體斜面的f_z=0.094mm，而銑槽時，D小強度低．經(jīng)過試驗，選取f_z=0.048～0.072mm．其中，當(dāng)D=3mm時，f_z=0.048～0.056mm，可以避免銑刀折斷。
      以上每齒進給量與普通速度銑削工況下相當(dāng)。但本次試驗主軸轉(zhuǎn)速n高達(dá)15,600r/min。根據(jù)進給速度計算式v_f=f_zZ_n/1,000=f_zZv_c/pD(Z是銑刀齒數(shù))，可以算得v_f=3～6m/min，大大高于普通速度銑削。小軸向切深，大進給速度，是高速切削加工的另一個基本特征，也是同時實現(xiàn)減小加工變形、提高加工質(zhì)量和效率的一個基本前提。
   
   
   5. 銑削方式與冷卻潤滑
      毛坯沒有粗糙堅硬的外皮。試驗測試表明，順銑方式切削力明顯降低，并且理論分析和文獻(xiàn)指出，它有利于形成切屑、保持切削過程平穩(wěn)以及提高加工表面質(zhì)量。
      加工塑性鋁合金采用高效乳化切削液冷卻潤滑，有利于降低切削力和切削溫度，并可防止切屑粘結(jié)在整體硬質(zhì)合金銑刀上不能分離而使刀具報廢。
   
   

   
   


2. 提高加工效率
   如上所述，許多控制加工變形的工藝措施，包括優(yōu)先考慮分面加工，粗精加工分開，大進給速度等，能夠同時提高效率，縮短加工時間。
   除此之外，安排工序要注意盡可能減少換刀次數(shù)。本次試驗把清角合并為一道工序，放到每一面加工的最后，節(jié)省時間而不影響加工質(zhì)量。
   確定高速銑削加工走刀路線，首先需要注意避免突然改變走刀方向和進給速度；采用圖4所示的分層環(huán)繞走刀，可以避免傳統(tǒng)往復(fù)式走刀換向時的急停急動造成沖擊，也沒有閉環(huán)走刀后每次需要橫向移動一小段距離產(chǎn)生的接刀痕跡，因此，加工效率和質(zhì)量高，刀具壽命長。