基于某薄壁螺旋片的高速切削技术研究

刘文进 孙国平 陈娟

（江苏北方湖光光电有限公司，江苏 无锡，214035）

基于某薄壁螺旋片的高速切削技术研究

刘文进 孙国平 陈娟

（江苏北方湖光光电有限公司，江苏 无锡，214035）

高速切削具有切削力小、残余应力少、加工效率高等优点，非常适合薄壁零件的加工。本文设计了典型零件薄壁螺旋片，并运用高速铣削成功加工出了合格零件，对高速切削技术进行了较为系统的研究。关键词：薄壁螺旋片；高速切削； CAM编程

高速加工(HSC)是20世纪90年代迅速走向实际应用的先进加工技术，通常指高主轴转速和高进给速度下的铣加工［1］。高速加工能提高零件的加工质量及加工效率，还可以用于解决薄壁零件的铣加工难题。本文通过薄壁螺旋片的高速加工案例，对高速切削机床、刀具及切削用量的选用、编程注意事项及仿真验证等进行了研究。

1 典型薄壁零件的设计

薄壁零件的加工，由于刚性不足，在切削力的作用下零件会产生震颤，在工件上留下振纹，既降低了工件表面质量，又严重影响加工效率。近年来，本公司薄壁零件的加工逐渐增多，加工困难与工艺瓶颈时有出现，借助高速加工新技术与新工艺是解决该问题的一种途径。为研究高速加工的切削与编程技术，本文设计了一种薄壁螺旋零件（见图1），螺距10mm、高15mm、厚度0.2mm，材料硬铝2A12。

2 工艺分析与确定加工方案

该零件壁厚与高度比达到1：30，用常规加工工艺很难实现，很难避免加工中的让刀与振刀，还会产生严重的加工变形、壁厚顶端小底部大等质量问题。我们在对高速加工技术前期调研的基础上，决定采用高速铣削的新工艺方案。

2.1 机床的选择

本公司的铣加工中心的最高转速大都在10000～12000r/min，巨浪五轴机床则达到20000 r/ min，均可以用于高速加工。最终确定在马扎克铣加工中心VCN510C上加工，该机床最高转速12000r/ min。

2.2 刀具的选择

高速铣削刀具材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼（CBN）和金刚石刀具（PCD）。其中，金刚石刀具尤其适合铝合金材料的高速切削，但价格昂贵，综合考虑了性价比等因素，我们选择了进口的涂层硬质合金铣刀（俗称钨钢刀）。值得注意的一点，要尽可能选用圆鼻铣刀，无刀尖圆弧的尖角铣刀在高速切削条件下粗加工时非常容易磨损。

图1 薄壁螺旋片模型

图2 弹簧夹头

图3 开粗刀路与设置

图4 开粗切削用量与设置

2.3 刀柄的选择

HSK刀柄的夹持精度、动平衡性能均优于BT刀柄，夹持方式以热缩式夹头最适合高速加工。本次加工试验，根据用于切削试验的机床，选择了配置高精度ER筒夹的BT40弹簧夹头刀柄（见图2）。

表1 粗加工铝合金、镁合金高速铣削参数

图5 精铣刀路与设置

表2 精加工铝合金、镁合金高速铣削参数

2.4 工艺的编制

毛坯为板料40mm×160mm×130mm，预先铣成六方36mm×150mm×120mm，采用平口钳装夹。高速切削的工艺内容包括：1）调用CAM程序粗、精铣薄壁螺旋槽；2）铣标识“ HSM01 ”。

3 UG CAM高速加工编程

由于高速加工的特殊性,在高速切削条件下，传统的NC 程序已不能适应要求。目前UG、Hypermill、Mastercam等大型CAD/CAM软件已经融入了高速加工技术，有的还开发了专门的高速加工模块。本例中我们基于NX8.5编制了粗、精加工CAM程序。

图6 精铣切削用量与设置

3.1 开粗刀路的编程

3.1.1 粗加工刀具路径的规划

使用φ6钨钢铣刀（齿数Z=4）开粗，编制了型腔铣(见图3)刀路，侧壁留精铣余量0.5mm，切削模式为跟随工件，采用螺旋线或圆弧进刀，因为是薄壁件，应采用层优先策略，为避免突然改变刀具的运行方向，保证刀具轨迹无尖角，对所有刀路增加了拐角R，并设置了加减速。对开放刀路采用“变换切削方向”，内外公差均设置为0.05mm。

3.1.2 切削参数的选择

参考有关文献资料，综合考虑了铣加工中心VCN510C的功率、转速等因素，为粗加工选择了切削参数（见图4）：恒定步距值（ae）=刀具直径50%，切削层深度（ap）=1mm，切削速度（V）=188(m/min)，每齿进给量(fz)=0.2mm。换算后得到：转速(n)=10000rpm，进给率(f)=6000(mm/min)。

3.2 精铣刀路的编程

3.2.1 精加工刀具路径的规划

图7 机床仿真效果图

图8 加工完成的零件

精铣采用与粗加工同一把刀。为保证刀轨的连续与光顺，精加工采用了曲面驱动方式，投影矢量选朝向驱动体，驱动路径设置为螺旋，步数=30，即0.5mm的螺距，内外公差设置为0.01mm。见图5。

3.2.2 切削参数的选择

精加工切削参数的选择与开粗相类似（见图6）。由于该机床最高转速的限制，粗、精加工所选用的切削用量较表中参数值要低。

3.3 程序校验与加工仿真

为保证高速加工CAM程序的安全性，上机试切前进行了加工仿真。我们用VERICUT软件进行了虚

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刘文进（1972—）男，高级工程师，从事机加工艺与数控编程工作。