（机械制造及其自动化专业论文）框架零件五轴高速铣削cam工艺研究.pdf

摘要 摘要 框架零件在医疗器械行业、航天业中，得到了广泛的应用，其外形也越来 越复杂。特别在医疗器械行业中，作为直接对病人进行诊断、治疗的大型医疗 器械，它们的功能形态不仅能够对病人进行准确诊断和有效治疗，还需要满足 病人的舒适度要求。基于这种人性化设计理论，提高框架零件的制造水平，具 有非常重要的意义。 本文主要以高速切削理论、c a m 技术、有限元分析理论及现代优化设计理论 为指导，对框架零件的五轴高速铣削c a m 工艺进行研究。高速切削产生的热量 小、切削力小及零件变形小，特别适合于轻金属( 如铝合金) 的制造；五轴加 工解决了复杂外形零件，特别是曲面的加工瓶颈问题，极大地提高加工表面质 量和加工效率；c a m 技术能够缩短产品的制造周期，提高产品的质量。因此通过 研究框架零件的五轴高速铣削工艺，能够大幅度地提高框架零件的制造水平。 本文针对框架零件铝合金材料的性能和高速切削的特点，总结出适合框架 零件铝合金材料高速铣削所需要的刀具类型和切削用量的范围，并分析了加工 过程中，引起铝合金材料框架零件变形的原因。文中选用典型框架零件立体定 向系统固定框架为例，分析零件变形的原因和特点，制定初步的数控加工工艺 方案。通过计算机仿真，包括几何仿真和物理仿真，即刀路轨迹仿真和有限元 分析，研究数控加工工艺对零件变形的影响，包括走刀轨迹、进给路线、切削 方法、装夹方式、切削力及切削参数的选用，采取预防和减小零件变形的相关 措施，并对切削参数进行优化，以保证零件的加工质量，实现最小加工成本和最 短加工时间。最后，针对h e r m l ec 1 2 0 0 1 j 五轴数控铣削中心创建专用后置处理 程序，得到完备的数控力n - r _ 仿真文件、n c 程序和最优车间文件。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：五轴高速铣削，框架零件，c a m ，数控加工工艺，切削参数优化，专用 后置处理 a b s t r a c t a b s t r a c t f r a m ep a r t sa r ew i d e l yu s e di nm e d i c a la p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t si n d u s t r ya n d a e r o s p a c ei n d u s t r y , a n dg e t sm o r ea n dm o r ec o m p l e x e s p e c i a l l yi nm e d i c a la p p a r a t u s a n di n s t r u m e n t si n d u s t r y , m e d i c a li n s t r u m e n t sa r eb e i n gu s e dd i r e c t l yi np a t i e n t s ， w h i c ha r e d e s i g n e dt od i a g n o s e a n dc u r e p a t i e n t sa c c u r a t e l y b a s e do nt h e h u m a n i z a t i o nt h e o r y , i ti sm o s ti m p o r t a n tt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fm a n u f a c t u r i n g b a s i n go nt h et h e o r yo fh s c ，c a m ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n dm o d e m o p t i m u md e s i g n ，t h et e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gf r a m e - p a r tw i t h5 - a x i sh s mi s s t u d i e di nt h i st h e s i s h s ci sa p p r o p r i a t ef o rt h em a n u f a c t u r i n go fl i g h tm e t a l ，s u c ha s a l u m i n u ma l l o y i tm a yr e d u c et h ec u t t i n gh e a t ，c u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gd e f o r m a t i o n 5 - a x i sh s cc a l ls o l v et h eb o t t l e n e c ko fc o m p l e xp a r t s ，e s p e c i a l l yt h es c u l p t u r e d s u r f a c e ，g r e a t l yi m p r o v e st h es u r f a c eq u a l i t ya n dc u t t i n ge f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h e m a c h i n i n gq u a l i t yo ff r a m ep a r tc a nb ed e e p l ya d v a n c e dt h r o u g ht h es t u d yo nt h e t e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gf r a m e p a r tw i t h5 a x i sh s m c o n s i d e r i n gt h ep e r f o r m a n c eo ff r a m e p a r ta l u m i n u ma l l o ya n dt h ef e a t u r eo f h s c ，t h es u i t a b l ec u t t i n gt o o l sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r sa r es e l e c t e di nt h i sp a p e r d u r i n gt h ew h o l em a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r et h ec a u s eo fd e f o r m a t i o ni sa n a l y s i s e d t h ep r e l i m i n a r yn cp r o c e s so ff i x e df r a m e ，w h i c hi sat y p i c a lm e d i c a lf r a m ep a r t ，i s d e s i g n e d b ym e a n s o ft h ec u t t i n gt o o lp a t hs i m u l m i o na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h e r e a s o n so fc u t t i n gd e f o r m a t i o na r es t u d i e d ，w h i c hi n c l u d ec u t t i n gt o o lp a t h ，f e e dp a t h ， c u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gp a r a m e t e r s t h e nt h e s em e t h o d st op r e v e n ta n dc o n t r o l d e f o r m a t i o na r ea p p l i e di nt h em a c h i n i n go ff r a m e - p a r t o p t i m i z a t i o n a lc u t t i n g p a r a m e t e r sa l eo b t a i n e ds ot h a tt h eb e t t e rm a c h i n i n gq u a l i t y , t h el o w e rc u t t i n gc o s t a n dt h es h o r t e rc u t t i n gt i m ea r eg o t t e n i nt h ee n d ，s p e c i a lp o s tp r o c e s s o rp r o g r a mi s f o u n di nh e r m l ec 1 2 0 0 ui no r d e rt og e tc o r r e c tn cc o d e s i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：5 一a x i sh s m ，劬眦p a n ，c a m ，n cp r o c e s s ，o p t i m i z a t i o n a lc u t t i n gp a r a m e t e r s ， s p e c i a lp o s tp r o c e s s o r 2 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：召p 夕肉 知辟今月上d 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：习乡纳 二d o 多年弓月如e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在o 年解密后适用 指导教师签名：搦，酝学位论文作者签名：印铂 7 们名年弓月伽e l 。 知么年乡月二口e l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新 越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加；同时，随着航空工业、汽 车工业和轻工消费品生产高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越 来越高；此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工 设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量 加工要求n 】。因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问 题的数控( n c ) 加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使制造技术发生了根本性 的变化。2 1 世纪机械制造业的发展总趋势为“四化 ：柔性化一使工艺装备与 工艺路线能适用于生产各种产品的需要，能适用于迅速更换工艺、更换产品的 需要。灵捷化使生产推向市场准备时间缩为最短，使机械制造厂机制能灵活 转向。智能化一柔性自动化的重要组成部分，它是柔性自动化的新发展和延伸。 人类不仅要摆脱繁重的体力劳动，而且要从繁锁的计算、分析等脑力劳动中解 放出来，以便有更多的精力从事高层次的创造性劳动，智能化促进柔性化，它 使生产系统具有更完善的判断与适应能力。信息化一机械制造业将不再是由物 质和能量借助于信息的力量生产出价值，而是由信息借助于物质和能量的力量 生产出价值。因此，信息产业和智力产业将为社会的主导产业。机械制造也将 是由信息主导的，并采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进 组织管理方式的全新的机械制造业。因此，2 1 世纪初机械制造业的重要特征表 现在它的全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环保协调的绿色制造等。 1 2 高速切削在现代制造中的发展概况 高速铣削是近年来发展起来的一种先进的金属切削技术，是当今切削技术 的重要发展方向之一。高速铣削的显著特点是加工时间短，生产效率高。高速 铣削的材料去除率通常是常规的3 - 5 倍。刀具切削状况好，切削力小，主轴轴 承、刀具和工件受力均很小。由于切削速度高，吃刀量很小，所以剪切变形区 窄，变形系数毛减小，切削力也降低大概3 0 - - 9 0 。同时，由于切削力小，让 1 第1 章绪论 刀量也小，因此提高了加工质量。刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大 部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，也有效地提高了加工 精度，工件表面质量也得到了提高。高速铣削还可以改进工艺过程和加工性能， 实现常规铣削难于完成的加工，如高硬度材料加工高速铣削切削热量大部分被 高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不采用冷却液，减少了对环境的 污染，能实现绿色加工。 高速铣削的关键技术有三点，第一是保持切削载荷平稳：第二是最小的进 给率；第三是最大的程序处理速度。在这三点当中，控制切削载荷最为重要， 它是实现后两点的基础。高速铣削要求切削载荷均匀，没有剧烈的变化。制定 出合理的粗加工和半精加工方案，可以使工件留有较为均匀的余量，才能达到 控制切削载荷的目的。 高速铣削的主要工艺原则。高速铣削的主要目标是安全、高效和高质量。 高速加工的效率分为两种情况：以实现单位时间最大材料去除量为目的的高速 加工和以实现单位时间最大加工表面积为目的的高速加工。前者主要用于粗加 工，后者主要用于精加工。任何高速加工都是这两类技术的综合运用。但是， 人们常常轻视从粗加工到精加工的过渡，即对半精加工重视不够。只有综合考 虑高速铣削的全过程，充分重视半精加工，才能达到安全和高效的目标。 高速铣削技术是切削加工的发展方向，也是时代发展的产物。高速铣削技 术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着c n c 技术、微电子技术、新材 料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。然而，高速铣削技术自身也 存在着一些急待解决的问题，如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程 中的破损、建立高速切削数据库、开发适用于高速切削加工状态的监控技术和 绿色制造技术等。而且高速铣削所用的c n c 机床、刀具和c a d c a m 软件等，技 术含量高，价格昂贵，使得高速铣削投资很大，这在一定程度上制约了高速铣 削技术的推广应用。 1 3 机械制造在医疗器械行业中的发展概况 1 1 3 1 我国医疗器械制造业发展现状 医疗器械制造业，包括手术器械制造业、医疗仪器、设备制造业、诊断用 品制造业、医用材料及医疗用品制造业、假肢、绞刑器制造业。我国医疗器械 2 第1 章绪论 产业近年一直保持1 5 左右的高速增长，随着我国宏观经济将进入另一个稳定增 长周期，今后几年中国市场对医疗器械的需求将一直保持强劲势头。近十年来， 我国医疗器械工业发生了结构性变化，在治疗设备方面：有准分子激光人眼像 差矫正系统、立体定位超声聚焦治疗系统、体部旋转伽玛刀、中能直线加速器、 模拟定位机。在医用诊断仪方面：有中档黑白或彩色超声诊断仪、低场强开放 式永磁m r i 和高场强超导m r i 、睡眠监护系统、数字式x 射线系统、螺旋扫描 c t 装置。其它在手术及急救仪器设备方面有多种规格呼吸机和麻醉系统；在专 用零部件方面有高频高压发生器等等。 长期以来，产品质量差距是困扰中国医疗器械产业发展的重要难题之一。 改革开放以来，大量的国外医疗器械产品进入中国市场，用户不仅仅认识了这 些国外医疗器械新产品、新技术，同时也从比较使用中，对中国医疗器械产品 质量提出了新要求。特别是2 0 世纪9 0 年代末期，国家主管部门继推行q c 、t q c 之后，决定有限期分批分类强制性推行g b t 1 9 0 0 0 ( i s 0 9 0 0 0 ) 质量体系认证和产 品认证，进一步加强了企业质量第一意识。一批企业相继通过国内外质量认证 机构的质量体系认证或产品认证，迄今已有数百家企业获得中国质量体系认证 证书或国外i s 0 9 0 0 0 或c e 认证证书。有一些产品，如迈瑞的病人监护仪、汕头 b 超、安科的m r i 、万东的中型x 射线诊断机、苏州医疗的裂隙灯显微镜、长峰 呼吸麻醉机等成为受用户欢迎的产品。 作为直接对病人进行诊断、治疗的大型医疗器械，它们的功能形态完全是 围绕对病人进行准确诊断和有效治疗展开。基于人性化设计理论，出现了大量 的框架类和曲面类医疗器械，他们直接模仿人体外形，考虑患者的舒适度和诊 疗的精确性。 1 3 2 立体定向系统发展现状 立体定向放射外科( s t e r e ot a c t i cr a d i os u r g e r y ，s r s ) 属新兴的边缘 学科，最早由瑞典l e k s e l l 教授于1 9 5 1 年提出。这种方法既不同于普通外科手 术，没有切口、出血，也没有感染等手术常见的并发症。而是通过高能射线定 向照射，达到外科手术损毁或去除病灶组织的目的。放射外科也不同于普通放 射治疗，前者是通过聚焦的方式，一次性、大剂量照射靶区组织；后者则是依 靠病变组织与正常组织对射线的不同敏感度，通过多次小剂量较大范围的照射 来达到治疗目的。立体定位系统广泛的应用于立体定向放射外科手术中，立体 定向放射外科是以立体定向框架、准直仪及放射源为基础，在c t 、m r i 、d s a 等 3 第1 章绪论 影像辅佐下，将高能的放射线汇聚于某一局限性的靶灶组织，从而达到外科手 术切除或毁损的效果。立体定位系统包括固定架、定位架、导向仪和手术操作 器械四个部分，将人脑颅骨固定于立体定向固定架，并在固定架上安装”n ”形定 位标志，即定位架，进行c t m r i 扫描，在其断层影像中可清楚看到脑内的结构 和颅外的定位标志点，测量脑内结构与颅外标志点之间的位置关系，得出脑内 结构的三维坐标值，再通过立体导向仪，将手术操作器导入靶区进行手术操作。 立体定位系统需采用高强度材料精密加工而成，以实现断层影像c r m r t 定位时 的精确对接。目前，市场上陆续推出改良型的立体定向系统，外型特征越来越 复杂，体现了人性化的设计，让病患在治疗过程中感觉舒适和顺畅，因此对机 械加工提出了更高的要求。 1 4c a m 技术的发展历程及现状 c a m 中的核心技术是数控技术，编制零件加工程序是数控技术应用的重要环 节，靠手工编程无法满足复杂零件数控加工的需求，5 0 年代初期，美国开始了 数控自动编程技术a p t 语言的研究，形成了早期的c a m 系统，如2 0 世纪6 0 年代开发的编程机及部分编程软件f a n u c 、s i e m e n s 编程机。目前，c a m 技术已 经成为c a x ( c a d 、c a e 、c a m 等) 体系的重要组成部分，可以直接在c a d 系统上 建立起来的参数化、全相关的三维几何模型( 实体+ 曲面) 上进行加工编程， 生成正确的加工轨迹。典型的c a m 系统有u g 、p r o e 、c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 等。其特点是面向局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂 程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。c a m 系统仅以c a d 模型的局部几何特征为目标对象的基本处理形式，已经成为智能 化、自动化水平进一步发展的制约因素。只有采用面向模型、面向工艺特征的 c a m 系统，才能够突破c a m 自动化、智能化的现有水平。 1 5 课题来源和课题主要研究工作及内容 1 5 1 课题来源 本课题来源于上海医科达放疗器械有限公司，针对立体定向系统中的固定 框架进行加工工艺研究及其优化。 4 第1 章绪论 固定框架是立体定位系统中的个重要零件。固定框架为一弧形框架零件， 固定框架与其他零件的接口处有位置度及尺寸公差要求的孔，侧面孔的位置度 要求为中00 2 哪，定位孔的位置度要求为中0 0 3 m i 。其余还有线与平面、线与 线的平行度要求为0 0 5 响。零件的一个底面外轮廓为直纹扭曲面，需要采用圆 柱铣刀周边切削，至少需要采用四轴铣床加工。框架工件的径向刚度很差加 工时在切削力、夹紧力和材料内应力的共同作用下极易产生变形，从材料力学 的变形理论得知，材料受外力作用产生变形，当受力形成的应力超过材料的屈 服强度时，则形成塑性变形。 同济大学现代制造技术研究所具备一台五轴联动高速铣削加工中心， h e 蹦l ec 1 2 0 0 u ，如图1 1 所示。主轴最高转速2 40 0 0r p m ，最高功率2 3 肼， 拥有x 、y 、z 、a 、c5 个运动轴，且具备u gn x 软件，具有完备的网络和配套 设施。可以针对固定框架外型的复杂性，尽量在一次装夹中完成所有待加工表 面的加工，并保证零件的位置公差和尺寸公差要求，充分发挥五轴数控铣削中 心的优势。 图11h e r m l ec 1 2 0 0 u5 轴联动铣削加工中心 虽然高速切削加工技术在世界范围内得到了广泛的应用。但是目前国内还 没有一套规范的切削参数标准多数企业基本沿用传统的方法来进行数控零件 的加工。固定框架的加工瑞典也在进行，但是都达不到工件的形位公差要求。 1 52 课题主要研究工作及内容 本课题的研究选择典型易变形的铝合金框架零件，对其加工过程进行具体 分析，总结影响加工精度、引起零件变形的因素，主要有内应力、切削力、夹 第1 章绪论 紧力、刀具、加工工艺不当、切削参数选择不当等。根据对框架零件加工的数 字建模仿真分析结果，同时总结同济大学现代制造研究所长期的n c 加工经验， 对可能会引起零件数控加工变形的工艺参数、工艺路线、工艺方法、刀具参数、 装夹方式进行归纳和总结，找出一定的规律，研究控制加工变形的技术措施， 改进传统加工中依赖于经验、定性分析和保守的工艺方案，采用优化工艺方案， 降低材料的消耗，有效减少实际加工试验次数，减少工艺质量成本，充分发挥 数控设备的先进性。 本课题以高速切削理论、c a d c a m 理论、有限元分析理论及优化设计理论为 指导，针对框架零件的特殊性，对其制造工艺进行研究。主要工作内容如图1 1 所示。 高速铣削铝合金材料框架零件 工艺性分析 固定框架高速铣削工艺设计 高速铣削框架零件工艺优化 基于h e r m l ec 1 2 0 0 u 五轴数控 铣削中心的后置处理 厂回 ；圉 f卜 目恒囝 图1 1 框架零件五轴高速铣削c a m 工艺研究工作内容 本论文的工作内容为，针对立体定向系统固定框架零件的材料特点，选择 合适的刀具材料和刀具几何形状。通过分析高速铣削的特点，分析切削参数对 切削力的影响，初步选择铣削工艺参数。根据工件外型和加工特点，制定初步 的工艺方案，设计合理的装夹方案。通过数控加工仿真，包括几何仿真和物理 仿真，对工件加工过程中的变形进行预测，并分析工件变形的影响因素和减小 途径，采取相应措施来修改工艺文件，采用现代优化设计方法对切削参数进行 优化。最后针对特定类型的机床进行后置处理的设计，并对数控文件进行修正。 6 第2 章高速铣削铝合金框架零件的发展现状 第2 章高速切削铝合金框架零件的发展现状 2 1 高速切削铝合金材料 框架零件在加工过程中，普遍存在易变形的问题，因此，框架零件材料一 般具备高强度、高韧性、高的热稳定性、塑性较好的特点。如广泛应用于航天 事业的铝合金，经常使用的材料有：a 1 z n m g c u l 5 - f 5 1 ( 凡5 4 0 n m m 2 ) 。除此之 外，还有一些相对稳定性较差的材料，如：h l m 9 3 一f 1 8 ( 凡2 1 5 n m m 2 ) ， a i m 9 4 5 m n - f 2 7 纰3 0 5 n m m 2 ) ，a i c u m g l f 4 0 ( r 5 0 5 n m m 2 ) 。 除了这些与铝元 素自动结合的铝合金外还有a i c u m g p b - f 3 7 ( r 4 7 0 n m m 2 ) 均被尝试使用过。对于 铸造铝合金来说，它具有良好的抗蚀性及铸造工艺性，但塑性较差。 立体定向系统固定框架采用的材料是f o r t a lh r 铝合金。f o r t a lh r 铝合金 是铝合金7 0 7 5 的优化产品，是将特殊合金的添加剂与铝金属结合在一起生成的 铝合金，经淬火与回火热处理后，能够获得更佳的机械性能。f o r t a l 铝合金质 量极轻，但强度却比1 0 2 0 钢还要高，弹性模量仅为钢的1 3 ，具有很强的抗腐 蚀性，能够有效抵御加工时的压力和拉力，极少产生变形，能够满足加工时需 要的高强度机械性能、优异的机械加工性能和极佳的尺寸稳定性，在各种工程 领域应用广泛 如机械手、特种机床等 。f o r t a lh r 铝合金与其它铝合金的尺寸 及性能对比如表2 1 所示。由表中可以看出，f o r t a l 铝合金在各项性能指标上 都优于一般的铝合金。 表2 1 铝合金性能对照表 参数 f o m l h rf o m l 唧 a l l o ya l l o ya l l o y s t c d 7 0 7 57 6 5 17 0 7 57 6 5 l6 0 6 17 6 5 11 0 2 0 h r 抗拉强度m e a5 4 05 1 04 7 6枷 2 9 04 4 1 屈服强度m e a 4 8 04 4 03 6 62 8 32 4 23 4 6 抗剪强度l - j e a 3 3 13 3 13 3 1 3 3 1 1 8 63 3 1 布氏硬度 1 5 01 5 01 4 01 2 09 5 1 4 2 弹性模量p a 1 0 4 4 1 0 61 0 3 1 0 6l o 4 x1 0 6 1 0 0 1 0 6 1 0 o 1 0 63 0 o l o s 导热率 1 3 0 1 6 01 3 51 3 5 1 6 74 0 但是由于该材料的性能优异，因此价格也较昂贵，为节约成本，在试加工 时采用其它铝合金材料进行加工。目前铝合金的材料有很多种，性能也有很大 7 第2 章高速铣削铝合金框架零件的发展现状 不同，主要有以下几种： 铝镁合金。铝镁合金是典型的固溶体型合金，具有较高的塑性( 6 = 1 5 2 0 ) 和耐腐蚀性，抗拉强度和屈服强度都不太高，应力集中敏感性低，易于抛光，抗 氧化能力好，同时因为有锰的含量，因此具有一定的强度和刚度。铝镁合金广 泛应用于要求耐腐蚀性高的结构中，主要有4 a 1 1 、4 h 1 3 、4 0 0 4 、4 0 3 2 等。 铝锰合金。铝锰合金的强度比纯铝高，具有良好的塑性，耐腐蚀性高，焊 接性好，导电性和导热性比纯铝低的多，该材料强度与刚度略优于铝镁合金。 但抗氧化能力略低于铝镁合金。如两面都进行防护处理，基本上可以解决其抗 氧化能力不如铝镁合金的缺点，主要有2 a 0 4 、2 a i o 、2 2 1 9 等型号。 铝基复合材料。由于铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、比弹 性模量大、导电导热性好、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、抗蠕变、耐疲劳等一系 列优点而引起人们的普遍关注。各国竞相投人大量的人力、物力和财力进行研 制和开发，并已取得了突破性进展。 粉末冶金铝合金。铝合金粉末冶金( p m 铝合金) 的研究始于5 0 年代，1 9 7 5 年已作为一种功能材料( 如吸音板、轴承零件等) 使用，到8 0 年代作为一种高性 能结构材料的开发而引起人们的关注。目前正以提高常温强度、高温强度、比 强度、比刚度和耐磨性为目标而开发各种p m 合金。 铝锌合金。铝锌合金是一种新型高强度耐磨合金，具有机械性能好，减摩 耐磨性能好，熔铸和机加工工艺性能优良，以及无磁性、减震和受撞击无火花 等特性，国外称为自青铜。由于性能优良，价格低廉，自7 0 年代以来锌铝合 金在国外受到重视，逐步在工业中得到推广应用。 综上所述，根据与实际真正加工材料对比的相似性要求，经过查阅铝合金 手册，选定6 0 6 3 铝合金作为试加工材料。6 0 6 3 铝合金是a l m g s i 系中具有 中等强度的可热处理强化合金，强度高，质量轻，尺寸稳定性好，抗拉抗压强 度都很高，通过适当调整合金中不同成分含量，可以达到试切削的要求。 在国家标准g b t 3 1 9 0 规定的铝合金成分范围内，对其化学成分的取值不同， 会得到不同的材质特性，当化学成分的范围很大时，性能会在很大范围内波动， 导致所选材料的综合性能无法控制。因此，优选6 0 6 3 铝合金的化学成分相当重 要。 根据经验，在6 0 6 3 铝合金m g 。s i 中的含量控制在0 7 5 0 8 0 范围内， 完全能够满足力学性能要求，在正常挤压系数( 大于或等于3 0 ) 的情况下，材 料的抗拉强度都处在2 0 0 - - - 2 4 0 m p a 范围内。这样控制合金，合金的表面处理性 能好。另外，还要对合金中杂质f e 的成分严格控制。若f e 含量过高，会使挤 8 第2 章高速铣削铝合金框架零件的发展现状 压力增大，表面质量变差，阳极氧化色差增大，颜色灰暗而无光泽，降低合金 的塑性和耐腐蚀性。实践证明，将f e 的含量控制在0 1 5 - 0 2 5 范围内是比 较理想的。 6 0 6 3 铝合金成分与抗拉强度的关系如图2 1 所示。 s i 一 图2 1 铝合金成分与抗拉强度的关系 2 2 高速切削铝合金材料刀具 高速切削的变形过程是很不均匀的。由于切削速度很快，切屑排出的速度 很高，刀具前刀面受周期载荷的作用，使高速切削的切削变形小，切削力有大 幅度下降，切削表面损伤减轻，但切削力有高频周期性波动。另一方面，前刀 面上的摩擦热大大增加，切削温度远高于普通切削，而且最高温度距离刀具刃 口很近，使刃口附近容易产生磨损。尤其高速铣削时，刀尖及刀刃因受到冲击 载荷的作用，容易发生脆性破裂。基于以上的这些特点，在选用高速切削刀具 时要注意选择，刀具要有良好的机械性能和热稳定性，具有良好的抗冲击、抗 疲劳磨损能力，刀具的刀刃角度、刀尖形状的选择也要合理，与所加工材料的 化学亲和力也要小。 2 2 1 刀具材料 目前高速铣削采用的刀具材料主要有硬质合金、陶瓷材料、金刚石、立方 氮化硼等。 硬质合金刀具的主要成分是碳化钨( w c ) 和钻( c o ) ，碳化钨的熔点很高， 所以硬质合金不仅硬度高，而且能耐高温，切削速度可以比高速钢高4 1 0 倍多， 是目前金属切削刀具中所使用的主要材料。硬质合金是用具有高耐磨性和高耐 热性的w c 、t i c 等金属粉末，以c o 、n i 作为粘结剂，用粉末冶金法治得的合金。 其硬度为8 9 9 3 h r a ( 相当于7 4 - - - 8 2 h r c ) ，能耐8 5 0 - 1 0 0 0 。c 的高温，具有很 9 第2 章高速铣削铝合金框架零件的发展现状 好的耐磨性，允许使用的切削速度可达( 2 4 0 , - 一4 6 0 ) m m i n ，可加工包括淬硬钢在 内的多种材料，因此得到了广泛的应用。但是硬质合金的抗弯强度低，冲击韧 性差，所以很少用于制作整体刀具。一般用来制作各种形状的刀片，焊接或直 接夹固在刀体上使用。常用的硬质合金有钨钴类( y g 类) 、钨钛钴类( y t 类) 、 通用硬质合金( y w 类) 和n i c ( n ) 基硬质合金( y n 类) 等。硬质合金是高速铣削 铝合金材料的主要刀具材料，是铣削加工铝材料最受欢迎的刀具材料之一。但 硬质合金材料性脆、怕冲击、强度和韧性低，对冲击和振动敏感，在加工冲击 和振动大的零件时无法使用，只能用切削速度不高的高速钢等。如果能提高硬 质合金的强度、韧性及冲击性，在机械加工中能大大提高生产率、降低成本。 陶瓷材料是以氧化铝或氮化硅等作为主要成分，经压制成型后烧结而成的 刀具材料。陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所以被广泛用于高速切削 加工中。但是由于其强度低，韧性差，长期以来主要用于铝合金的精加工。 金刚石刀具有极其优异的力学、电学、热学、声学和光学等性质，具有极 高的硬度和耐磨性，刀刃强度高，可以承受很高的冲击载荷，磨耗小，可以多 次修磨，反复使用，其优异的力学性能突出地表现在其硬度在已发现的材料中 是最高的，可达到1 0 0 0 k g m m 2 ，而且其磨擦系数非常小( 约0 0 5 ) ，因而可用作 切削刀具、钻头、轴承、压模、拉丝模、精密量具的涂层等，不仅可以提高使 用寿命，还可以提高加工精度，保证零件的尺寸稳定性，并可大大提高切削速 度、加工效率和加工质量，但其价格也较昂贵。 立方氮化硼( c b n ) 是7 0 年代才发展起来的一种人工合成的新型刀具材料。 它是由立方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成的。其硬度很高( 可达 8 0 0 - - 9 0 0 0 i n ) ，仅次于金刚石，并具有很好的热稳定性，可承受1 0 0 0 度以上的 切削温度。它的最大优点是高温( 1 2 0 0 - - 1 3 0 0 。c ) 时也不会与铁族金属起反应， 还具有良好的耐磨性，寿命长，适合高速切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金、 钛合金及各种热喷涂材料。价格也较高。常用高速刀具对不同工件材料切削加 工的适应性能力如表2 2 所示。 表2 2 常用高速刀具材料切削适应性 、停村辩 刀磊柑资、 矗麓镧联燕禽垒佳奢象黼旮垒 锋赣 拖懈镊舍盒置禽挂韩 ，m p c b n 阿瓷刀其 蜍腻艟旗意垒 t i c n 爱菔台盒，：=x，x k 倪嶷般熬 1 0 第2 章高速铣自4 铝台金框架零件的发展现状 由表2 z 可知，最适用于铝合金加工的刀具是金刚石刀具，但是因为其价 格昂贵，考虑到加工成本的问题，采用在高速加工中应用最为广泛的涂层硬质 合金刀具，既可以保证加工质量，又降低了成本。 r c i 由* 9i 一 j m 恂n 翮 圈2 2 不向刀具材料的磨损情况 如图2 2 ”所示，表示了不同刀具材料铣削铝合金材料a 1 c u m g p b 时韵蘑损 情况。很明显高速钢根本无法适应铝合金加工，磨损明显严重。而金刚石、立 方氮化硼刀具在加工铝合金时得不到好的效果，只有硬质合金刀具合适。 2 2 2 刀具几何参数 刀具的几何角度对于切削力、切削效率都有影响，对于固定框架零件来说 尽可能减小切削力对于控制径向变形有非常重要的意义，因此合理选择优化刀 具几何角度十分重要。 i 曹角 当前角较小时，切屑流出阻力较大，切削力也较大；当前角过大时r 因刀 具的散热体积较小刀具易磨损。 岫嘲m岫瞄噼瞄删啪 第2 章高速铣削铝合金框架零件的发展现状 印m _ “i l l i “畔_ 轴h h 图2 4 前角对单位切自0 力的影响 如图2 3 “图2 4 “所示，在不同切削速度下为了得到最好的单位材料切除 率最有效的切自0 角度为y = 1 2 。在这个最佳切削角度正负偏差范围内切削力随 着切削角度每偏差14 就增长或减少1 2 9 i 。当刀具材料强度较高时，可适当增 大前角。 土后南 据一些世界主要公司的高速切削刀具的规格和有关资料介绍，为了减少刀 具与工件之间的摩擦，后角一定要选的大一些。但由于前角对切削过程的影响 更大，一般需要选取较大的前角。为此，综合考虑可以将后角选为n 1 2 。 高速切削时由于进给速度很高，刀具后刀面和已加工表面之间的第三变形 区成为不可忽视的一个旋热源。后角由于较高的进给速度应尽可能的o 1 0 。 第2 章高速铣削铝合金框架零件的发展现状 后角越小，刀具主后面与工件接触区域随着切削速度的提高就升温越快。因此 切屑在这个区域被挤出后很容易在主后刀面积蓄，将导致附加的磨损，工件继 续升温会导致表面质量下降，这种现象在较小三维铣削空间尤为严重。所以铣 削铝合金材料时，主后角应选为q = 1 3 。左右。 3 刃倾角 刃倾角对于切削力、切削平均力尤其是切削功率几乎没有影响。一般为了 更好的排屑，在高速铣削时通常使用的刃倾角度数为入。= 2 0 - - 2 5 。在刃倾角 较小时容易形成切削堵塞，影响了工件表面质量。 总之，与普通切削刀具前角、后角相比，一般高速切削比普通切削的前角 约小l o 。，后角约大5 - - 8 。用硬质合金刀具铣削轧制铝合金时，推荐后角为 = 1 2 1 8 。，前角为y = 1 0 , - 一1 8 。，刃倾角为入。= 2 0 2 5 9 ；用硬质合金刀 具铣削铸铝合金时，推荐后角为1 2 。，前角为1 5 。，刃倾角为0 。切削刃圆 弧半径在0 0 1 - - 0 0 2 。阍 2 3 高速切削铝合金材料切削用量 高速铣削参数，需要根据高速切削加工的特点，不同的工件材料，结合粗 精加工工序的任务，合理地确定。另外，要特别注意减少刀具磨损。 国内外高速切削加工的理论和实践以及本报告上两部分试验测试分析的结 果都表明，对高速铣削切削用量的基本要求，是切削速度提高5 - - - 1 0 倍，每齿 进给量同普通速度铣削相当，轴向切深小，在换算成主轴转速及进给速度以后， 它们的数值均大幅度提高。 针对粗加工主要提高加工效率，一般来说轴向切深、径向切深及每齿进给 量比精加工时明显或适当增大，而针对精加工主要保证达到加工精度和表面质 量，通常切削速度更高。 切削参数主要影响加工效率、切削温度、切削力、加工表面质量、刀具磨 损等，是加工工艺中非常重要的参数。 2 3 1 铣削速度v 。 铣削速度的提高无疑会加剧刀具的磨损，降低刀具的耐用度。图2 5 清楚 地给出了用硬质合金刀具切削轧制铝合金( h l c u m g p b ) 时，不同铣削速度对刀具 1 3 第2 章高速铣削铝合金框架零件的发展现状 后刀面磨损的影响情况。用硬质合金刀具切削铸铝合金时，铣削速度对刀具后 刀面磨损的影响相似，只不过刀具的磨损更严重，耐用度更差。但铣削速度的 提高可带来很多好处：首先可有效地提高单位时间单位功率的金属切除率，其 次可降低切削力，同时在一定的高速切削速度范围内可提高工件表面加工质量 ( 图26 “1 显示了表面粗糙度与铣削速度和进给速度的关系) ，在定条件下可 降低切削区域的平均温度。 6 i “2 j f n ” 酗25 不同铣削速度f 刀且的磨损情况 切削条什：1 ：件材料艘锚，刀具材料k 2 0 进给速度v 产9 m m i n ， a c = 2 m m ，d5 0 m m ，z = 2 ，a = 1 3 。，y = 1 26 ， 。= 2 5 。 a v = 3 0 1 6 i 咖m ，b - v = 3 7 6 8 m m i n dv = 4 2 4 1 m m i n ，d 一4 7 1 2 m r a i n f ? 是4 图26 表面祖糙度与铣削速度剌进给速度的芙系 由圈26 可知，当v 。= 4 8 0 0 6 0 0 0 m m i n v ，- - 3 6 m m i n 时，硬质合金刀 具切削硬钏材料可以得到避高的表面质量。 232 每齿进给量f 第2 章高速铣自4 铝合盒眶架零件的发展现状 ；引p ；嗲 i * o 脚却_ ”p w mm 岫q - l k “ 图28 进给速度对单位材料切除率的影响 从图2 8 中可以看出进给速度在6 8 m m i n 范围内材料切除率处于波峰位 置，因此在固定框架铣削工艺参数确定时为了提高加工效率进给速度应尽可能 在这一范围内选择，特别是在粗加工时。因为进给速度过高会加剧刀具磨损， 在精加工时刀具的磨损对表面质量特别是尺寸精度影响较大，因此在精加工时 第2 章高速铣削铝合金框架零件的发展现状 宁可放慢速度，也要保证加工质量。 对于高速铣削来说由于切削速度的提高，通常可以获得较高的表面质量。 高速铣削轧制铝合金材料时得到的表面质量与磨光性能差不多。普通切 0 情况 下如果没有磨光处理是达不到r f l1 1m 的表面质量的，但是在高速铣削中通过使 用冷却液特别是在进给速度3 6 m m i n 范围内表面质量可以大幅度提高， 与r 。最大可以达到2 0 的降低。如图29 “，图2 1 0 “所示。 图29 高速铣削铝台金材料 a 1 c u i g p br z 情况 23 3 切削深度 图2 加高速铣自懵合金材料 a 1 c u y g p br a 情况 切深有轴向切深和径向切深之分。高速切削总体上不提倡大的切深，但是 也不能因为这个原则而束缚丁手脚。高速切削主要的优点是，切削效率高，切 削力小，加工精度好，加工质量高。径向切深的增加，其本质是增加了铣削弧 长，当超过刀具直径的5 0 时改变刀具的顺逆铣状况，对切自力和切削温度影 响不大。因此，在提高铣削效率方面可以考虑大的径向切深，一般a - = ( 仉6 0 9 ) d 月 。 轴向切深对铣削力、铣削温度的影响比较大。从现有的文献以及切削力试 验中表明，铣削力与轴向切深成正比。因此，在铣翔 j o i m 件时，工件受铣削 力的影响较大时，要注意轴向切深的影响。在加工精度和加工质量允许的范围 内，尽量采用大的轴向切深。对于某些重要的工步，可以针对性地做切削力、 切削温度等试验，以便于获得可靠的铣削参数。 高速铣削铸造铝合金时，在顺铣时同样可以达到磨削质量，但是在切屑厚 度小于3 0 pm 时会因为切削的粘合而破坏了表面。如图21 1 “3 所示： 剿 第2 章高速铣削铝合金框架零件的发展现状 图2 1 2 高速切削轻金属使用范围 2 4 铝合金框架零件高