铝合金薄壁零件高速动态铣削应用及技术研究

梁宇明

（茂名职业技术学院机电信息系，广东 茂名 525000）

高速铣削加工，是指在实际生产中，用优质的高硬度刀具，在高速加工设备中，以高切削速度对加工材料进行切削，得到形状、尺寸及粗糙度均符合零件要求的产品。薄壁类零件本身壁厚较薄，导致其刚性较差，易变形。故在切削加工过程中，刀具和工件容易发生振刀现象，导致零件加工精度无法得到保证，且工件的表面变得粗糙。铝合金类材料的特点是刚度较差，容易粘刀，且发热量大，常见的牌号有50252/6061/6065/7071/7075等。因此，铝合金薄壁类零件在进行高速动态铣削加工时，需要克服铝合金薄壁零件的强度较小、薄壁易变形、发热量大、易粘刀、难排屑等难点，在提高铣削速度的同时，保证加工零件的加工精度和表面粗糙度。

1 铝合金薄壁零件高速铣削加工方案分析

传统铣削加工方式以分层铣削为主，是利用铣刀的底刃与零件表面接触而产生层铣的切削方式。高速铣削加工则是利用高硬度的优质硬质合金铣刀的侧刃与加工零件的侧壁接触而产生剥铣的切削方式。动态铣削采用剥铣的方法从而保证在整个加工过程中始终采用顺铣的方式，刀具按照加工参数所设定的步进量（行距）逐层剥铣，每层加工完毕可微量提刀，快速移动至下一层需要加工的位置，从而保证沿着刀具前进的方向，刀具永远在工件的左侧，即顺铣方式[1]。这种动态铣削加工方式在高速铣削的同时，可以保持稳定的切削力，加工过程较为稳定，对保证加工精度和工件表面粗糙度极为有利。

2 加工案例零件结构分析

选用较为常见的工厂生产零件进行案例分析，如图1所示。该加工零件的材料为YL12，切削性能较好。其外圆直径尺寸较大，达到了Φ301.5 mm，周边壁厚和内部加强筋的厚度均为2 mm，底板的厚度也为2 mm，型腔的深度为20 mm，其中最小的过渡圆角为R4。

图1 工件零件图

由于零件的内腔较深，为20 mm，侧壁为垂直壁，较薄，仅2 mm，所以利用铝用铣刀大切削深度高速动态铣削侧壁时，产生的加工切削力会使刚度较差的铝合金薄壁产生变形和振刀的问题，导致加工精度低、表面粗糙等现象[2]。同时，由于高速铣削时，刀具的侧刃与侧壁接触面积大，铝合金切削时会产生大量的加工热量，集中在刀具上，刀具温度较高，必须进行充分的冷却。

因此，必须从加工工艺、加工夹具工装、加工参数、加工刀具、冷却方式等方面进行设计，设计确定合理的加工方案，克服材料和高速动态铣削带来的加工难点，保证在提高加工效率的同时获得合格的铝合金薄壁零件。

3 零件加工工艺分析

为了提高零件的加工效率，在对零件的粗加工工步中，采用高速动态铣削的加工策略。笔者采用NX三维软件加工模块中的自适应铣削命令进行粗加工的动态铣削加工编程[3]。NX中的自适应铣削的刀路轨迹，主要是充分利用铣刀的侧刃进行铣削，切削深度可达铣刀直径的2～3倍，加工时主要以侧刃进行铣削加工，不需要在Z方向进行深度分层加工，实现高速切削。该刀具路径的主要优点：1）进行高速动态铣削加工，可将材料的去除率最大化。2）吃刀量较为稳定，刀具载荷变化小，加工过程不容易断刀。3）排屑顺畅，散热快，工件和刀具在加工时温升小。

铝合金材料具有刚度较差、易变形的特点，且加工零件的外形尺寸较大，故采用直径为16 mm的铝合金专用平底铣刀进行开粗加工。用16 mm的平底刀开粗，主要是为了提高生产效率，在尽可能短的时间内去除大部分的余量，故采用大吃刀量、大切削深度、高进给的方式来进行粗加工，如图2（a）所示。但是因为铝合金材料较软，零件侧壁厚度仅为2 mm，粗加工带来的大切削力导致侧壁的加工变形过大，所以虽然提升了加工效率，却无法保证加工精度[4]。零件型腔的过渡圆角为R4，16 mm的平底刀直径太大，后期需进行清角加工，将过渡圆角R4的余量加工均匀。

因此不能利用16 mm的平底刀直接开粗至0.2的精加工余量，而应在加工编程时，设置粗加工后留出3 mm的余量。加工零件的侧壁在粗加工后就变为5 mm，便有了足够的强度和刚度抵御粗加工时的切削力，不易产生变形，保证加工精度。再利用8 mm的铝合金专用平底刀对加工零件进行二次开粗至加工0.2的余量，如图2（b）所示。因为二次开粗时的刀具、吃刀量、进给量都比第一次开粗时的小，切削力也因此减小，能防止薄壁变形，且过渡圆角R4可以直接加工至均匀余量，减少了清角加工的工序[5]。

4 夹具工装的设计

铝合金大型薄壁件材料较软、壁厚小、加工易变形，因此加工中为了抵御高速动态铣削带来的切削力，必须针对铝合金薄壁件形状和结构的特点设计合适的专业夹具，增强侧壁加工时的强度和刚度。

加工零件的外围存在6个直径为6 mm和1个直径为12 mm的定位通孔。通过专用压板上的直径为6 mm的定位销与加工零件上的直径为6 mm的通孔进行配合定位[6]。压板的上盖板压紧加工零件的上表面，压板的下盖板和加工中心的工作台通过M6的螺栓和螺母上紧，如图3所示。通过压板一压一顶，增强了铝合金薄壁件侧壁的强度，能抵御高速动态铣削粗加工带来的大切削力，有效地保证了加工精度。根据加工零件的结构特点和定位孔的分布情况，一共用了7套夹具进行固定，分布均匀，定位精度高，加工效果良好。

图3 夹具夹紧示意图

5 切削参数的设置

高速动态铣削切削参数的设置尤为重要，因为动态铣削方式是在侧刃大吃刀量、大切削深度的情况下进行的。综合考虑铝合金材料刚性较差、零件侧壁较薄、发热量大、易粘刀等因素，采用高转速、高进给、大吃刀量、大切削深度的参数设置方式[7]。一般来说，动态铣削加工建议参数为：切削深度为刀具直径的10%～150%，步距为刀具直径的5%～30%，转速为3 000 r/min～6 000 r/min，进给速度为2 000 mm/min～4 000 mm/min。根据加工的实际情况，确定了如表1所示的动态铣削参数。

表1 动态铣削参数表

铝合金薄壁工件的高速动态铣削加工区域为内型腔，而不是常见的零件外形加工[8]。因此，内型腔动态铣削需要先铣削一个圆孔，用作加工刀具动态铣削时的回转空间。封闭区间铣削圆孔，采用螺旋进刀方式加工，其切削方式是利用平底刀的底刃与工件接触产生层切，并不是动态铣削的侧刃铣削，故不能用高进给进刀[9]。为了降低刀具底刃的磨损程度，需减小铣削圆孔螺旋下刀时圆路径的直径、每层的铣削深度以及进刀的进给速度。

6 加工刀具的选择

刀具是切削加工中最为重要的工具，在很大程度上影响着加工技术的发展。刀具材料的性能指标会对其加工性能、加工能力和加工质量产生直接影响。从目前来看，高速切削加工中使用的刀具材料类型众多，包括高速钢、陶瓷、硬质合金等材料，需要依照工件的加工强度和性能要求，确定对刀具材料的要求。

从目前的高速切削刀具市场来看，常用的刀具材料有聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、陶瓷、超细晶粒硬质合金等[10]。每一种刀具材料适用的工件材料和切削速度范围都不相同。工件材料为铝合金时，材料的机械强度很高，对于这种材质的工件，可以选用聚晶金刚刀具、涂层刀具等，用很高的切削速度和进给速度进行加工，要避免选用陶瓷刀具。例如，可以选用55°碳化钨钢的涂层刀具（3刃）来对铝合金薄壁零件进行加工。它适应于对55°以下铝铜及合金等材料进行高速粗加工到精加工，3刃的刀刃锋利，容易排屑，能提高工件表面的光洁度，同时减少切削力的产生。

7 结语

现代加工制造业的加工技术不断更新换代，高速动态铣削加工技术正在成为主流，其具有加工精度高、效率高、质量可靠等优势。动态加工技术的应用，减轻了机床及刀具的负载，既能保护机床的导轨、丝杠，又能延长刀具的使用寿命，达到提高加工效率、降低生产成本的目的。笔者尝试从加工工艺、夹具工装、加工参数、加工刀具等方面入手，分析和解决高速动态铣削与铝合金薄壁零件之间的技术难点，提高生产效率的同时，保证加工精度和表面粗糙度。加工效率和成本直接关系到企业的生存与发展，这些因素成为高速动态加工技术能被广泛应用到数控铣削当中的根本原因。相关专业人员应继续深入研究动态铣削的加工工艺和加工参数，不断提升我国制造业的水平和竞争力。