薄壁零件高速铣削加工技术研究

10 薄壁零件高速铣削加工技术研究 工具技术 高翔，王勇 天津商业大学 摘要：薄壁零件高速铣削加工具有传统铣削加工无可比拟的优势，是薄壁零件切削加工的发展方向。本文分 析和讨论了薄甓零件高速铣削加工过程中涉及到的加工工艺、切削刀具、数控编程以及装夹方式等关键技术问题， 介绍了提高薄肇零件加工精度、表面质量和加工效率的技术方法和工艺措施。 关键词：薄肇零件；高速铣削；加工变形；工艺技术 中图分类号：TG54 文献标志码：A Research蚰HigIl—speedMillingTechnologyin，IlliIl-walledWorkpieces GaoXiang，WangYong Abstract：Hig}l—speedmillingofthin-walledworkpieceshavingmoreadvantagesthanotmlmonNCmilling，itisaimportant developingdirectionofcuttingthin-wanedworkpieces．Basedonthemainfactorsaffectingmachiningqualityandefficiencyofthin- walledworkpieces，thesekeytechnologiessuch鹪processingtechnology，cuttingtool，NCpID!{平啊IIlingandfixturelayoutareana- lyzedandsllmmarizedinthispaper．Thetechniquesandtechnicalwaysofimprovingmillingprecision，surfacequalityandmilling efficiencyofthethin-wailedworkpiecesarep．,po∞d． Keywords：thin-walledworkpieces；high-speedmilling；machiningdeformation；processingtechnology 1引言 航空航天工业产品的许多重要零件为薄壁零 件，结构形状复杂，精度要求高，刚度较低，加工余 量大，工艺性差，极易发生加工变形和切削振动。随 着超硬刀具 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 、先进数控系统和高速强力加工中 心的快速发展，高速切削以其卓越的生产效率和加 工质量，已成功应用于航空航天、兵器、汽车和模具 等制造领域。特别是高速切削加工以其加工效率 高、切削力小、切削温度低、工艺系统变形小、薄壁零 件加工变形小、加工精度和表面质量高等优点，在薄 壁结构件的加工中，正得到广泛的应用【1．2I。 目前用于高速铣削的数控加工设备一般都是高 性能的高速加工中心，它主轴转速高，主轴功率和扭 矩大，迸给速度和迸给加速度更快，还具有较高的机 床刚度和精确的运动控制。然而，由于薄壁结构零 件刚度差，在铣削加工过程中由于切削力、切削热、 残余应力及装夹力等因素的作用，极易发生加工变 形和切削振动，导致加工误差b]，从而难以保证零件 的加工精度和表面质量，同时也限制了高速加工中 心加工精度和加工效能的发挥。 通过理论研究和生产实践，本文 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和讨论了 薄壁零件高速铣削加工中，影响其如工质量和加工 摹全项旦：天津市应用基础研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(07JCYBJC18300) 收稿日期：2009年2月 效率的一些重要因素，包括工艺策略、刀具选择、切 削参数确定、编程技术以及装夹方式等技术问题，介 绍了提高薄壁零件加工精度和表面质量的技术方法 和工艺措施。 2薄壁零件高速铣削工艺结构和策略 零件的高速铣削一般分为粗加工和精加工，粗 加工的主要任务是高效率地去除材料，并且要尽量 保证精加工余量均匀，同时要考虑加工成本。而精 加工的任务是完成加工表面，保证其加工精度和表 面质量要求，同时要兼顾具备高的加工效率和刀具 寿命。 与传统加工相比，由于高速加工的切削力小、切 削温度低、工件变形小，因此，在高速加工中，一般不 需要半精加工。若工件在粗加工过程中使用了大直 径的刀具，使工件局部区域留有较大的余量，则应在 粗加工的最后，采用余量铣削法，即在工件余量较大 的拐角、凹槽及其他区域，采用较小直径的刀具专门 加工这些区域，以满足精加工时的铣削余量均匀，使 精加工时切削平稳以获得高的加工精度和表面质 量。 对于薄壁零件的高速铣削加工，在粗加工时，材 料去除量大，加工时在切削力、夹紧力、残余应力和 切削热的作用下，使零件产生一定程度的变形，并且 粗加工时夹具对工件施加的夹紧力也相对较大。随 万方数据 2009年第43卷N08 着材料的去除，工件的刚度逐步降低，工件变形会进 一步加剧。因此，根据薄壁零件的结构特点和加工 精度要求，对于精度要求较高(1T6或以上)并且材 料去除量较大的薄壁零件，在工件粗加工后、精加工 之前，应安排适当的热处理工序(如深冷处理、时效 处理等)有效地消除工件的残余应力，以提高薄壁零 件的尺寸稳定性。薄壁结构件在精加工时，在确定 机床、刀具、切削参数、工件的定位夹紧形式以及编 程策略时都要以减小加工变形、保证加工质量为前 提，同时要兼顾加工效率。 3刀具的选择 刀具材料、涂层、刀具结构是影响切削性能的关 键因素，刀具的选择对加工效率、加工质量以及成本 和刀具的寿命等有着重要的影响。 (1)刀具材料的选择 高速铣削加工的刀具材料除了满足高的硬度、 耐磨性、强度、韧性、抗氧化性及抗粘结性、工艺性和 经济性的要求外，还应具备高的耐热性、抗热冲击 性、良好的高温力学性能和高可靠性Hj。每种刀具 材料都有其特定的加工范围，只能适应一定的工件 材料和一定的切削速度范围，同种刀具材料加工不 同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大的差别。 薄壁零件高速铣削，刀具材料的选择应根据被加工 材料特性及工件结构尺寸特点、机床的性能、加工质 量要求以及生产成本等因素综合考虑。 目前在高速铣削加工中硬质合金已成为刀具材 料的主流，而高速钢刀具以其特有的高强度和刃口 锋利性，主要用于复杂形状的精密刀具。超细晶粒 硬质合金具有高韧性、高强度、高硬度的特性，在铝 合金、钛合金的高速加工中发挥重要的作用。硬质 合金涂层刀具由于其优良的切削性能和耐磨性(寿 命是未涂层刀具的10倍左右)，在高速切削领域将 会占主导地位。立方氮化硼(CBN)刀具具有极高的 硬度(仅次于PCD)和热硬性，是精加工高速铣削淬 硬钢、高硬铸铁、耐热合金和高温合金等的理想刀具 材料。聚晶金刚石(PCD)刀具材料具有最高的硬 度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数等特点，适合 于有色金属及其合金、钛合金及耐磨非金属材料(如 石墨、玻璃和合成材料)的高速高精度加工[5|。 (2)刀具结构及几何参数的选择 考虑到薄壁零件的结构和工艺特点，刀具几何 结构参数的选择至关重要。不同的刀具材料加工不 同的工件材料以及不同的加工质量要求，刀具的最 佳几何参数也随之变化。由于薄壁零件的刚性差， 选择刀具的结构及几何参数时应从减小切削力和切 削热、有利于提高切削的稳定性和加工效率、保证加 工精度和表面质量来综合考虑。粗加工时为提高加 工效率，一般选用直径偏大的铣刀，对于大尺寸工件 的粗铣使用镶片刀具加工成本较低。一般薄壁腹板 的加工应选用螺旋角小(选300)、刀具刃数少(2刃 或3刃)、刀尖圆弧半径大、主偏角大以及刀具直径 小的刀具；薄筋侧壁的加工应选用螺旋角大(选45。 一55。)、刀具刃数少(2刃或3刃)、刀尖圆弧半径大 以及刀具直径小的刀具。高硬度材料的曲面精加 工，宜使用整体式的小直径刀具(612mm以下)。此 外，在满足加工要求的前提下，应尽量减少刀具的伸 出长度，以减小刀具的偏斜、变形和振动。刀具的尺 寸精度往往会决定加工后工件的精度。 4冷却与润滑 切削液在切削加工中的作用是降低切削区温 度，润滑和冷却刀具及工件，减少摩擦和磨损，提高 刀具寿命和工件表面光洁度以及快速冲洗、带走切 削区域的切屑，保持工作区温度稳定并避免刀具对 切屑的二次切削等。 高速铣削时，应根据工件材料、刀具因素和机床 条件合理选择冷却方式。当材料去除量大、加工材 料粘性较高(如铝合金、紫铜、钛合金等)时，应采用 液体冷却。在冷却刀具和工件的同时，有利于排屑。 加工硬度较高的材料时，在切削刀刃上会产生很高 的温度，使刀具急剧磨损，如果采用冷却液进行冷却 润滑时，会使刀具产生急剧的温度交变，致使硬质合 金刀体组织产生微细裂纹，因而应采用压缩空气冷 却或微量油雾冷却。对于加工钛合金、高温合金以 及高硬度钢材等难加工材料时，应用低温MQL技 术，既将低温的压缩空气与少量润滑液混合后，形成 微米级的液滴，喷射到加工区，对刀具和工件的加工 部位进行冷却和润滑，可使刀具的寿命和加工质量 显著提高№J。此外，高速铣削在主轴转速高的条件 下，由于离心力的影响使冷却液不能很好地到达刀 尖处，应使用具有较高压力的冷却液，如有可能，尽 量采用贯穿主轴中心的冷却方式，主轴转速越高，要 求的压力越大，以保证刀尖处的冷却。 万方数据 12 减少切削热量的另外一个方法是控制每次走刀 的步距(径向切深)。步距的大小决定在每一转里刀 具参与切削的时间长短。走刀间距大，刀刃在每一 转里切削时间多，冷却时间少，刀具温度高。 5编程策略 薄壁零件高速铣削加工顺序及加工路径的选择 应使被加工材料尽可能对称切除，大去除量的薄壁 整体结构件加工采用分层切削、小切深、中进给。同 时要充分保证，随着材料的去除，最大限度地减缓工 件自身刚度及工艺刚度的降低，使切削过程处在相 对刚性最佳的状态，以减小加工变形。 腹板的加工走刀路径采用环切方式，对于较大 面积的腹板加工可采用分步环切法【7|。此外，高速 铣削一般采用顺铣加工方式，以降低产生的热量并 减小径向力。高速加工要避免切削方向和切削载荷 的急剧变化，刀具的路径应尽量平滑，减少急速转 向，在刀轨拐角处需增加过渡圆弧，并相应地减小进 给速度；刀具平滑切人、切出工件，尽可能保持切削 平稳，防止因切削力的突然变大而造成刀具的偏斜 甚至造成刀具的折断或崩刃。此外，应尽量减少刀 具的切人切出次数，以获得相对稳定的切削过程并 提高切削效率。 此外，高速铣削编程应利用数控系统的高速加 工控制指令，充分利用控制系统自带的前瞻功能，同 时合理设置编程时模型的精度、编程公差以及程序 的分辨率，实现控制系统对刀具轨迹的高速度和高 精度控制。 6切削参数的选择 ． 在高速铣削过程中，切削力及切削热的大小与 切削参数的选取直接相关，而夹紧力的大小又与切 削力的大小直接相关。切削参数的具体确定取决于 刀具材料、工件材料、机床和CNC系统的能力，以及 工件的加工精度和表面质量要求。铣削参数的选择 对加工效率、刀具耐用度、加工成本及加工质量将产 生很大的影响。 高速铣削时主要铣削参数有切削速度y、主轴 转速n、进给速度m铣削深度口。和铣削宽度O,e(径 向步距p)。高速铣削时各切削参数满足如下关系： n=320WD (1) 式中，V为切削速度(m／r,an)；D为刀具直径(mm)。 工具技术 Vr=，或 (2) 式中，所为进给速度(mm／min)；tt为主轴转速 (r／rain)；z为所选铣刀的刃数；五为铣刀每刃进给量 (turn／刃)。 叩=口p口。H (3) 式中，叩为材料去除率(舢3／min)；口，为铣削深度 (mrn)；a。为铣削宽度(mm)。 确定各铣削参数时，通常先根据刀具和工件材 料、机床的性能以及加工质量要求，确定刀具的切削 速度y，然后根据式(1)确定出主轴转速，再根据主 轴转速、所选刀具的刃数和每刃进给量，由式(2)确 定出具体的进给速度。 表1不同刀具材料切削硬度为40HRC钢料的切削速度y 刀具材料 切削速度也 HSS(高速钢) 20一dOra／rain 硬质合金(超硬) 50一100re／rain 硬质合金(表面涂层) J00一300m／rain CBN(立方氮化硼) 700—1000m／rain 根据表1可知不同的刀具材料的切削速度和切 削范围不同，刀具材料的硬度越高则切削速度可越 高，而工件材料的硬度越高则切削速度越低，即使使 用相同的刀具材料和工件材料，切削速度在粗、半精 和精加工的不同工序中也不同，精加工时的切削速 度高于粗加工。 与普通铣削相比，高速铣削时切削参数的选择 具有高的切削速度、适中的进给速度、中等的每刃进 给量．厂z、较小的轴向切深o。和适当大的径向切深 口。(0．3—0。8倍刀具直径)，即“少切快跑”的特 点[8。93。 在粗加工时，可选较大的每刃进给量(一般可以 选择在0．15mm／z一0．3ram／z)，以提高加工效率。在 机床、刀具许可的条件下可选用大的铣削用量，从而 提高切削效率，如上式(1)、(2)、(3)。精加工时，应 选取较适中的每刃进给量(一般可以选择0．05mm／z 一0．15mm／z)，采用较高转速、小切深、中进给、小直 径刀具的工艺参数，以保持机床运转平稳，使工件 承受小的切削力、切削热以及小的夹紧力作用。 高速铣削粗加工时，加工铝合金、紫铜等有色金 属材料的轴向切深口。一般取10％一20％刀具直径 (工件材料硬度大时取小值)；加工硬度30HRC左右 的钢料时凸。一般取7％一8％刀具直径；加工硬度 40—60HRC的硬材料时口。一般取2％一5％刀具直 径(工件材料硬度大时取小值)。而径向切深(走刀 万方数据 2009年第43卷N08 间距)的选择与刀具和加工材料有关，对于铝合金之 类的轻合金可以采用铣刀直径的50％一80％；对于 钢料及其他加工性稍差的材料径向切深宜选择铣刀 直径的25％一40％，以减缓刀具磨损；而对于精加 工，径向切深可根据给定的刀痕高度进行计算。 薄壁零件立铣精加工时(最后一刀)，侧壁和腹 板的加工余量可较常规工艺偏大，以避免薄壁零件 的刚度太低。侧壁加工时为减小侧壁变形，切削用 量采用小的轴向切深口。和大径向切宽a。，以减小 径向切削力；腹板加工时为减小腹板变形，切削用量 采用相对大的轴向切深a。和小的径向切宽Ⅱ。一J， 以减小轴向切削力。 采用球刀加工时，当每刃迸给量疋=径向步距 P时，可保持适当均匀的切屑厚度，使刀具偏移量恒 定，从而使工件获得较高的表面加工质量。 切削速度是影响刀具耐用度的主要因素之一， 过高的切削速度会使刀具耐用度急剧下降。进给速 度应与切削速度相匹配，进给速度过快，会降低加工 表面质量；进给速度过慢，除降低加工效率外，还会 加速刀具后刀面的磨损、产生积屑瘤，进而引起表面 质量降低。 7优化装夹 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 薄壁零件的数控铣削中，由夹紧力引起的装夹 变形是不可忽视的一个重要因素，装夹方案的优劣 直接影响工件的加工精度和表面质量。薄壁零件装 夹方案的制定，首先应根据零件的结构特点和技术 要求，进行切削过程中的受力和变形分析，特别要注 重定位和夹紧形式、装夹布局和夹紧力的选择，使工 件所受的综合作用力尽可能小，作用力矩尽可能小， 减轻零件的装夹变形和加工变形。薄壁零件装夹方 案的制定要注意以下几个方面： 尽可能选择大的平面(或曲面)作为定位面，工 装与工件的定位接触面积尽可能大，同时要提高工 件定位面的加工精度，使工件与工装间有效接触面 积增大，确保工件定位面与夹具基准面自然、致密贴 合，提高接触刚度。 对刚性较差的薄壁零件常采用超定位方式定 位，特别是在刚性簿弱处要加支撑，以提高工件的工 艺刚度。 在保证可靠夹紧的前提下，采用尽可能小的、均 布的夹紧力，适当增加夹紧点的数目和增大夹紧力 13 的作用面积。在零件刚性好的方向施加夹紧力，并 且作用于刚性好的表面上。 对大型复杂的薄壁零件的装夹，应考虑满足翻 面加工时能提供较好的定位和支撑，外轮廓加工时 能连续进行切削等要求[10]。 8结语 高速切削对于薄壁零件的高效精密加工具有传 统铣削加工无可比拟的优势。在加工时，合理进行 工艺规划和编制加 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 序，选择合适的切削方法、冷 却方式、切削参数、刀具材料及几何参数，采用适当 的装夹方式，即可以保证加工效率，有效地减少和控 制薄鼙零件的加工变形，显著提高薄壁零件的加工 精度和表面质量。 参考文献 [1]艾兴，邓建新，刘战强，等．高速切削加工技术[M]．北 京：国防工业出版社，2003：2—5． [2]MiriamARNDT，ThorstenKACSICH．PerformanceofnewAI． TiNcoatingsin曲andhighspeedcuring[J]．Surfaceand CoatingsTechnology，2003(163一164)：674—680． [3]RJI帆HEvS，“uS，HuangW，eta1．Millingerrorprediction andcompensationinmachiningoflow-rigidityParts[J]．Intema— tionalJournalofMachineToolsandManufacture，2004，44 (15)：1629—1641， [4]艾兴，刘战强，赵军，等．高速切削刀具材料的进展和未 来[J]．制造技术与机床，2001(8)：21—25． [5]邓建新，赵军．数控刀具材料选用手册[M]．北京：机械 工业出版社，2005． [6]何宁，李亮，赵威，等．难加工材料高性能加工的冷却润 滑技术[J]．航窄制造技术，2007(7)：46一钙． [7]武凯，何宁，廖文和，等．薄壁腹板加工变形规律及其变形 控制方案的研究[J]．中国机械工程，2004，15(8)：670—674． [8]武凯，何宁，廖文和，等．基于变形控制的薄壁结构件高速 铣削参数选择[J]．机械科学与技术，2005，24(7)：788— 791． [9]万敏，张卫红．铣削过程中误差预测与补偿技术研究进 展[J]．航空学报，2008，29(5)：1340—1349． [10]路冬．航空整体结构件加工变形预测及装夹布局优化 [D]．山东大学博士学位论文，2007． 第一作者：高翔，副教授，天津商业大学机械工程学院， 300134天津市 FirstAuthor：GaoXiang，AssociateProfessor，SchoolofMe． chanicalEngine丽ng，TianjinUniversityofComnlerce，Ti矾jin 300134，China 万方数据