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(zhì)量，因此在現(xiàn)代制造業(yè)中受到普遍重視，發(fā)展很快。高速銑削技術(shù)首先應(yīng)用于航空制造業(yè)。由于對高硬度材料進(jìn)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(shù)在模具制造業(yè)也得到廣泛應(yīng)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(gòu)件。為提高飛機(jī)性能，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中大量采用鋁合金整體框架和薄壁結(jié)構(gòu)，而鋁合金高速銑削技術(shù)使對此類構(gòu)件的高效加工成為可能，從而在一定程度上推動了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。高速銑削時，由于主軸轉(zhuǎn)速提高，在每齒進(jìn)給量不變的情況下，進(jìn)給速度會大幅增加，目前采用直線電機(jī)驅(qū)動的高速銑床的進(jìn)給速度已達(dá)100m/min。因此，在規(guī)劃高速銑削的刀具軌跡時，必須考慮進(jìn)給方向改變時機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的響應(yīng)速度，以防止發(fā)生過切等現(xiàn)象。 針對典型鋁合金框架結(jié)構(gòu)的高速銑削工藝，本文通過切削試驗研究了當(dāng)金屬去除率恒定時銑削工藝參數(shù)對銑削力和加工表面質(zhì)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?zāi)康呐c方法
1) 試驗?zāi)康?nbsp;
                 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(yù)拉伸鋁合金，試件結(jié)構(gòu)見圖1；加工機(jī)床為MICRON UCP710五坐標(biāo)加工中心，主軸最大轉(zhuǎn)速18,00m/min，功率15kW，最大進(jìn)給速度20m/min；刀具選用f10mm超細(xì)晶粒硬質(zhì)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(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)：主軸轉(zhuǎn)速18000r/min，對應(yīng)銑削速度565m/min；為對比加工表面粗糙度，每齒進(jìn)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(jié)果與分析  
                加工圖1所示試件時，由于銑削進(jìn)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(shù)。根據(jù)測量結(jié)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(dāng)?shù)毒邉偳腥朐嚰�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(jìn)給方向發(fā)生變化時，為防止過切，機(jī)床進(jìn)給速度自動降低，造成每齒進(jìn)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(fù)值)，每齒切削長度增加，使尺寸效應(yīng)在拐角處加劇。以上兩種因素綜合作用的結(jié)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(yīng)引起銑削力急劇增大。 

                            表1 銑削試驗切削力測量結(jié)果 
 
              根據(jù)表所列試驗結(jié)果，得到銑削力Fxy、Fz與進(jìn)給量ap的關(guān)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(dāng)切深大于銑刀的刀尖圓弧半徑R時(f16mm銑刀R=1.5mm)，F(xiàn)xy變化不大，而Fz隨ap的增大而增大，圖中的Fz負(fù)值則表示刀具受拉力作用(切削試驗中，當(dāng)ap=16mm時，加工至拐角處時f16mm立銑刀曾被折斷)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較高時，刀具的夾緊力因受離心力影響而下降，當(dāng)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(xiàn)象。當(dāng)每齒進(jìn)給量從0.05mm增大到0.10mm時，F(xiàn)xy僅增大約15%；而在相同切削面積和進(jìn)給量條件下(即金屬去除率恒定)，當(dāng)ap小于刀尖圓弧半徑時(ap<1.5mm)，切削力則迅速減小。該結(jié)果對于減小高速銑削時的加工變形具有一定指導(dǎo)意義。 

                         圖3 銑削力Fxy、Fz與進(jìn)給量ap的關(guān)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(dāng)?shù)度袆偨佑|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(yīng)也會引起切削振動，并在拐角處產(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(guān)系如圖6所示。測量結(jié)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(xiàn)了斜向振紋；但當(dāng)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(chǎn)生一定影響，當(dāng)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(jìn)給量Ra=0.05mm                (b)每齒進(jìn)給量Ra=0.10mm 

                       圖6 試件加工表面粗糙度Ra與ap的關(guān)系

            當(dāng)采用較大進(jìn)給量ap進(jìn)行銑削加工時，工件直邊處出現(xiàn)垂直于進(jìn)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(zhuǎn)進(jìn)給量，因此可判定該振紋主要是由于刀具高速旋轉(zhuǎn)時的動平衡偏心量造成兩個刀齒的徑向尺寸產(chǎn)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(jù)試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可知：使用圓柱銑刀對鋁合金材料進(jìn)行高速銑削時，應(yīng)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(diào)整工藝參數(shù)最大限度地減小加工變形。
4 結(jié)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(zhì)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(shù)據(jù)可知，在滿足加工要求和機(jī)床、刀具條件允許的前提下，還可進(jìn)一步增大進(jìn)給量和切削面積，以達(dá)到提高加工效率的目的。