论文部分内容阅读
为了解决敞口深腔铝件加工过程中的断刀、小倒角加工及粘刀等问题，笔者对敞口深腔铝件的特点及加工方法进行了深入分析，对敞口深腔铝件的加工工艺过程进行了重点描述。
一、敞口深腔铝件的结构特点及分析
如图1所示，该零件材质为铝合金，属于典型的敞口型腔类零件，其结构特点是型腔比较深，且型腔内壁的圆弧轮廓比较小，最小处为R2 mm。起初，笔者的加工方案是通过加工中心来铣削敞口型腔，但在实际加工时发现加工敞口型腔存在问题。
1.问题的出现
问题1：开口型腔深度太深，常用铣刀加工容易折断。
问题2：开口型腔结构复杂，倒角处尺寸较小，对刀具转速要求很高。
问题3：加工铝件，铣刀容易粘料。
2.原因分析
由于型腔较深，在开粗阶段，大直径刀具足够长，且刚性也好，可用它去除大部分的材料；但半精加工时刀具伸长受到限制，若刀具延伸过短，则在铣削型腔底部时刀夹会发生碰撞，而刀具延伸过长，则在切削过程中刚性明显不足，特别是在小圆弧和四周沟槽部分。使用小径刀具作开粗加工时，刀具所受的切削力明显较大，特别是残余金属切削量起伏大的部位，则容易出现“弹刀”现象（即：刀具切削时圆周轴心线与夹头轴线发生弯曲和偏移，而出现了刀具在进给铣削时的抖动，不稳定现象）。另外，由于铝件材料较软，加工时若温度升高，未及时冷却，则容易出现粘刀现象。
3.解决方法
本文采用高速加工机床配上加长刀柄来实现深腔小圆弧部位的加工。该方法加工效率高，减小切削力，提高加工精度和表面质量，这种方法降低生产成本并且可加工高硬材料，加工具有整体性，可以一次高速铣削成形，但高速数控机床本身昂贵，加工成本相对较高，而且对操作人员要求较高，故需要综合考虑来决定。
二、高速铣削加工工艺
型腔加工可采用数控软件来编制加工程序，再传输到高速加工机床进行自动加工。
1.型腔加工工艺分析
（1）机床的选择。设备名称：EMCO FAMUP LINEARMILL600 HD高速加工中心，配备系统：SINUMERIK 840D,主要技术参数：X轴行程600mm，Y轴行程500mm，Z轴行程500mm，X-Y-Z技术：直线电机，X-Y-Z快速移动：60m/min，转速范围：20000rpm，分辨率：0.001mm。该机床转速范围高，有利于进行高速加工，如图2所示。
（2）工序划分。型腔加工的工艺流程确定为：分析加工内容→确定工件原点位置→造型→毛坯制备→刀具路径规划与切削用量选择→仿真加工与碰撞干涉检查→程序后处理→型腔加工与检验。采用加强型、刚性好的刀柄，超硬材料加长的刀具，及相关切削参数可以满足型腔加工要求，如图3所示。
（3）刀具及刀柄的选择。①刀具的选择：硬质合金是高速切削铝合金材料最主要的刀具材料，它主要由WC TiC等碳化物和金属粘结剂用粉末冶金方法制成。对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的寿命比未涂层的刀具要高2～5倍。在考虑加工性和经济性后，决定半精加工和精加工刀具选择为硬质合金的涂层刀具，刀具尺寸分别为φ4X50mm和φ2X50mm。②刀柄的选择。此次高速加工采用了HSK－63A刀柄，由瑞士制造，该刀柄系统最佳转速范围为0～30000r/min，如图4所示。另外，为了保持精度，企业里常每隔半个月或一周对刀柄进行一次动平衡调试。
（4）切削用量的确定。在高速加工时，不能一味地追求为高速而高速，特别是对于型腔加工，形状复杂而刀具直径又较小时，由于刀具的运动轨迹不是简单的直线运动而是曲线，甚至有直角拐弯的时候，工艺参数的合理性就尤为重要了。
经过加工试验，得出以下切削用量参数，参数见表1。
2.型腔造型及加工
型腔造型相对简单，用实体进行挤出即可，下面着重来谈谈型腔的加工。
（1）加工策略分析。对于形状比较复杂的零件，型腔小圆角部分的加工余量较其他部位大，造成铣削负荷的不均匀影响零件的表面质量，造成应力分布的不均匀，引起变形，因此提出一次性粗加工法、阶梯加工法。这两种方法都是使用平头立铣刀侧刃，沿等高线轨迹、加工余量均匀的走刀路线进行型腔的粗加工，前者用于粗加工时大部分金属的切除，生成平面、垂直面，如图5（a）所示，后者用于粗加工中阶梯斜面、曲面的生成，如图5（b）所示，为半精加工或精加工做准备。
高速切削加工是以小切深、大进给（轻刀快走）来缩短加工时间的。此次加工关键部位是各角落的处理。
对型腔底面应采用如图5（b）所示的走刀轨迹，分层切削直到深度到位；每次深度铣到以后再移动一个径向切深，重复上一步的过程，直至切削完成。相当于将零件的等高线逐层切法转动90°。这样才能在切削时较好地保持零件刚性，避免振动。
（2）加工过程。开口型腔加工分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。
粗加工：毛坯为铝件，粗加工最好先选用挖槽加工(层切)，即区域清除，将毛坯的大部分余量去除掉，然后再进行局部精加工。
半精加工（二次开粗）：半精加工一般是指局部小圆弧加工。半加工采用走外形方式，沿Z向往下层层加工，并留有一定的精加工余量。在加工方式中，也可采用清角加工方式，效果同样很好，如图6所示。
精加工：在精加工过程中，加工方法还是采用外形铣削局部轮廓，Z向分层多次铣削，最后在光一刀，把半精加工留下的余量去除，并把半精加工未加工的部位完成。另外要注意精加工时：R刀＜R圆弧。
三、结论
本文讲述了采用高速加工解决敞口深腔铝件加工的问题。本次研究，对于如何使得高速加工的工艺参数优化并未探讨，在今后的工作中应着力进行这方面的研究。
（作者单位：广东省机械高级技工学校）
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
一、敞口深腔铝件的结构特点及分析
如图1所示，该零件材质为铝合金，属于典型的敞口型腔类零件，其结构特点是型腔比较深，且型腔内壁的圆弧轮廓比较小，最小处为R2 mm。起初，笔者的加工方案是通过加工中心来铣削敞口型腔，但在实际加工时发现加工敞口型腔存在问题。
1.问题的出现
问题1：开口型腔深度太深，常用铣刀加工容易折断。
问题2：开口型腔结构复杂，倒角处尺寸较小，对刀具转速要求很高。
问题3：加工铝件，铣刀容易粘料。
2.原因分析
由于型腔较深，在开粗阶段，大直径刀具足够长，且刚性也好，可用它去除大部分的材料；但半精加工时刀具伸长受到限制，若刀具延伸过短，则在铣削型腔底部时刀夹会发生碰撞，而刀具延伸过长，则在切削过程中刚性明显不足，特别是在小圆弧和四周沟槽部分。使用小径刀具作开粗加工时，刀具所受的切削力明显较大，特别是残余金属切削量起伏大的部位，则容易出现“弹刀”现象（即：刀具切削时圆周轴心线与夹头轴线发生弯曲和偏移，而出现了刀具在进给铣削时的抖动，不稳定现象）。另外，由于铝件材料较软，加工时若温度升高，未及时冷却，则容易出现粘刀现象。
3.解决方法
本文采用高速加工机床配上加长刀柄来实现深腔小圆弧部位的加工。该方法加工效率高，减小切削力，提高加工精度和表面质量，这种方法降低生产成本并且可加工高硬材料，加工具有整体性，可以一次高速铣削成形，但高速数控机床本身昂贵，加工成本相对较高，而且对操作人员要求较高，故需要综合考虑来决定。
二、高速铣削加工工艺
型腔加工可采用数控软件来编制加工程序，再传输到高速加工机床进行自动加工。
1.型腔加工工艺分析
（1）机床的选择。设备名称：EMCO FAMUP LINEARMILL600 HD高速加工中心，配备系统：SINUMERIK 840D,主要技术参数：X轴行程600mm，Y轴行程500mm，Z轴行程500mm，X-Y-Z技术：直线电机，X-Y-Z快速移动：60m/min，转速范围：20000rpm，分辨率：0.001mm。该机床转速范围高，有利于进行高速加工，如图2所示。
（2）工序划分。型腔加工的工艺流程确定为：分析加工内容→确定工件原点位置→造型→毛坯制备→刀具路径规划与切削用量选择→仿真加工与碰撞干涉检查→程序后处理→型腔加工与检验。采用加强型、刚性好的刀柄，超硬材料加长的刀具，及相关切削参数可以满足型腔加工要求，如图3所示。
（3）刀具及刀柄的选择。①刀具的选择：硬质合金是高速切削铝合金材料最主要的刀具材料，它主要由WC TiC等碳化物和金属粘结剂用粉末冶金方法制成。对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的寿命比未涂层的刀具要高2～5倍。在考虑加工性和经济性后，决定半精加工和精加工刀具选择为硬质合金的涂层刀具，刀具尺寸分别为φ4X50mm和φ2X50mm。②刀柄的选择。此次高速加工采用了HSK－63A刀柄，由瑞士制造，该刀柄系统最佳转速范围为0～30000r/min，如图4所示。另外，为了保持精度，企业里常每隔半个月或一周对刀柄进行一次动平衡调试。
（4）切削用量的确定。在高速加工时，不能一味地追求为高速而高速，特别是对于型腔加工，形状复杂而刀具直径又较小时，由于刀具的运动轨迹不是简单的直线运动而是曲线，甚至有直角拐弯的时候，工艺参数的合理性就尤为重要了。
经过加工试验，得出以下切削用量参数，参数见表1。
2.型腔造型及加工
型腔造型相对简单，用实体进行挤出即可，下面着重来谈谈型腔的加工。
（1）加工策略分析。对于形状比较复杂的零件，型腔小圆角部分的加工余量较其他部位大，造成铣削负荷的不均匀影响零件的表面质量，造成应力分布的不均匀，引起变形，因此提出一次性粗加工法、阶梯加工法。这两种方法都是使用平头立铣刀侧刃，沿等高线轨迹、加工余量均匀的走刀路线进行型腔的粗加工，前者用于粗加工时大部分金属的切除，生成平面、垂直面，如图5（a）所示，后者用于粗加工中阶梯斜面、曲面的生成，如图5（b）所示，为半精加工或精加工做准备。
高速切削加工是以小切深、大进给（轻刀快走）来缩短加工时间的。此次加工关键部位是各角落的处理。
对型腔底面应采用如图5（b）所示的走刀轨迹，分层切削直到深度到位；每次深度铣到以后再移动一个径向切深，重复上一步的过程，直至切削完成。相当于将零件的等高线逐层切法转动90°。这样才能在切削时较好地保持零件刚性，避免振动。
（2）加工过程。开口型腔加工分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。
粗加工：毛坯为铝件，粗加工最好先选用挖槽加工(层切)，即区域清除，将毛坯的大部分余量去除掉，然后再进行局部精加工。
半精加工（二次开粗）：半精加工一般是指局部小圆弧加工。半加工采用走外形方式，沿Z向往下层层加工，并留有一定的精加工余量。在加工方式中，也可采用清角加工方式，效果同样很好，如图6所示。
精加工：在精加工过程中，加工方法还是采用外形铣削局部轮廓，Z向分层多次铣削，最后在光一刀，把半精加工留下的余量去除，并把半精加工未加工的部位完成。另外要注意精加工时：R刀＜R圆弧。
三、结论
本文讲述了采用高速加工解决敞口深腔铝件加工的问题。本次研究，对于如何使得高速加工的工艺参数优化并未探讨，在今后的工作中应着力进行这方面的研究。
（作者单位：广东省机械高级技工学校）
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”