（机械制造及其自动化专业论文）铝合金天线高速铣削工艺优化.pdf

摘要 摘要 本文结合同济大学现代制造技术研究所与企业合作项目改进设计铝合 金天线高速铣削与焊接工艺优化，对薄壁件的装夹、铝合金薄壁件高速铣削加 工工艺和计算机辅助制造编程进行试验研究。 首先，介绍了应用高速铣削加工铝合金薄壁件的现状，包括用于高速铣削的 铝合金材料，高速铣削铝合金使用的刀具，高速铣削铝合金推荐的切削参数， 影响薄壁件高速铣削加工变形的因素和控制方法，及其它重要的试验数据。 其次，针对铝合金天线中主要零件辐射层和导波层的夹具进行研究，比较通 用压板、磁铁吸附、真空吸盘三种装夹方案及各自的特点。研究适合不同加工 场合的装夹方案，优选用于试验切削的装夹方案，实际制造m a t r i xp l a t e 真空吸 盘装夹系统。 再次，完成铝合金天线辐射层、导波层和底板设计造型和工艺规划。根据已 有切削温度和切削力的试验数据和保证工件变形在允许范围内，选择合适的加 工工艺方案及工艺参数，包括切削速度v 。，每齿进给量，轴向切深a p ，径向 切深a c ，分析各个参数对切削加工的影响，给高速铣削铝合金提供一些指导性意 见。根据指导意见，分析优化铝合金天线高速铣削工艺，制定工艺路线，估算 加工时间、切削力和切削功率，分析试验结果。 最后，在完成上述切削参数规划的基础上，使用u g 软件完成辐射层、导波 层和底板三件工件的数控编程，并在u g 环境中进行c a mv i s u a l i z e 仿真，验证 刀轨的可行性，检查实际切削中可能出现的过切和干涉等问题。 关键词：高速铣削；铝合金；真空吸盘夹具；薄壁整体结构件 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o j e c t i m p r o v e dd e s i g na l u m i n u ma l l o ya n t e n n a sh i g hs p e e dm i l l i n g a n dw e l d i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o n ，w h i c ha d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yi n s t i t u t e o ft o n 西iu n i v e r s i t yc o o p e r a t e sw i t hac o m p a n y , t h i sp a p e rc a r r y so u ts o m e e x p e r i m e n t a t i o ns t u d i e s ，i n c l u d i n gt h ef i x t u r eo ft h et h i n w a l lp a r t s ，t h eh i g hs p e e d m i l l i n gp r o c e s so ft h ea l u m i n u ma l l o yt h i n w a l lp a r t sa n dt h ec o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n gp r o g r a m m i n g f i r s t l y , t h es t a t u sq u oo fh i g hs p e e dm i l l i n gt h ea l u m i n u ma l l o yt h i nw a l lp a r t si nt h e f i e l do fa e r o s p a c ei si n t r o d u c e d ，w h i c hc o n t a i n st h eh i g hs p e e dm i l l i n ga l u m i n u m a l l o ym a t e r i a l ，t h ec u t t i n gt o o l so fh i g hs p e e dm i l l i n ga l u m i n u ma l l o y , t h eo p t i m i z e d c u t t i n gp a r a m e t e r so fh i g hs p e e dm i l l i n ga l u m i n u ma l l o y , t h ei m p a c to ft h et h i n - w a l l p a r t sd e f o r m a t i o na n d c o n t r o lm e t h o d s ，a n do t h e ri m p o r t a n te x p e r i m e n t a ld a t a s e c o n d l y ，t h ef i x t u r eo f2a n t e n n ap a r t s ，t h er a d i a t i o nl e v e la n dt h eg u i d ew a v el e v e l ， i sr e s e a r c h e d t h e r ea r e3p l a n s ，w h i c ha r et h ep r e s sb l o c k ，t h em a g n e t i ca d s o r p t i o n f i x t u r ea n dt h ev a c u u mc l a m p i n gf i x t u r e ，a n dt h e i rr e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa r e c o m p a r e d t h ep l a n st h a ta r es u i t a b l et ot h es p e c i a lo c c a s i o n sa r ed e s i g n e d t h ep l a n ， w h i c hi ss u i t a b l et ot h et r i a lm a c h i n i n g i sc h o o s e d a n dt h es c h m a l zm a t r i xp l a t e v a c u u mc l a m p i n gs y s t e mi sm a n u f a c t u r e d t h i r d l y , t h e3p a r t s 3 dm o d e l sa r ed e s i g n e da n dt h em i l l i n gp r o c e s s e so ft h e ma r e m a d eo u t a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t ao ft h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h e c u t t i n gf o r c e ，t h ea p p r o p r i a t ec u t t i n gp a r a m e t e r sa r cc h o o s e d ，i n c l u d i n gt h ec u t t i n g v e l o c i t yv c ，t h ep e rt o o t hf e d e r a t e ，t h ea x i a lc u t t i n gd e p t ha pa n dt h er a d i c a lc u t t i n g d e p t ha e t h e s ea p p r o p r i a t ec u t t i n gp a r a m e t e r sw i l lg u a r a n t e et h ed e f o r m a t i o no ft h e p a r t si nt h ea l l o w e dl i m i t s t h ei m p a c t so ft h e s ep a r a m e t e ra r ea n a l y s e da n ds o m e u s e f u lg u i d i a n c e sa r eg i v e no u tt od i r e c tt h em a c h i n i n g b a s e do nt h eu s e f u l l i a b s t r a c t g u i d i a n c e s ，t h ea l u m i n u ma l l o y a n t e n n a s m i l l i n gp r o c e s s e sa r ea n a l y s e da n d e s t a b l i s h e d ，a n dt i m e ，c u t t i n gf o r c e sa n dc u t t i n gp o w e r a l ec a l c u l a t e da n dt h er e s u l t s o ft h ee x p e r i m e n t sa r ea n a l y s e d f i n a l l y , b a s e do nt h ec o m p l e t i o no ft h ea b o v ec u t t i n gp a r a m e t e r s sl a y o u t ，u gi su s e d t om a k et h en cp r o g r a mo ft h er a d i a t i o nl e v e l ，t h eg u i d ew a v el e v e la n dt h eb o t t o m p l a t e t h et o o l p a t h sa l es i m u l a t e di nb o t hc a m v i s u a l i z et ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n d c h e c kt h eg o u g ea n di n t e r f e r e n c e k e yw o r d s ：h i g hs p e e dm i l l i n g ；a l u m i n u ma l l o y ；v a c u u mc l a m p i n gf i x t u r e ；i n t e g r a l p a r t s 、析t l lt h i nw a l l i i i 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。 斌徊 幺月 z 红年 o o 矿 ： d 名 r 签者作文沦位学 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，均已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。 学位论文作者签名： 沙日年弓月 日 扒 哆 齑 第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于同济大学现代制造技术研究所与企业合作项目改进设计 铝合金天线高速铣削与焊接工艺优化。 铝合金天线主要部件辐射层和导波层均为薄壁整体结构件( 以下简称薄壁 件) ，需要解决薄壁件采用传统加工方法加工困难的问题。在航空制造业中，波 导是典型的薄壁件，其壁厚较小，长度、宽度同壁厚比值大。此次，企业委托 加工的两套铝合金天线，最薄处壁厚仅为l m m ，长厚比值达4 3 7 4 8 ( 长度：厚度 = 4 3 7 4 8 ：1 ) ，宽厚比值达3 4 3 4 7 ( 宽度：厚度= 4 3 6 2 1 ：1 2 7 ) 。薄壁件因壁厚薄， 在某些方向上抗弯强度低，加工时易受外界或自身干扰因素产生变形，影响工 件加工质量。 高速铣削铝合金薄壁件在世界范围内已广泛应用，但对切削机理研究不多， 应用也不很理想。各种牌号的铝合金切削性能差异很大，需要针对具体工件所 用铝合金材料选用合适的刀具、切削参数，研发设计合理的夹具。本论文针对 高速铣削薄壁件的装夹方法和工艺规划作了大量研究，目的是将装夹和a n t _ 造 成的变形控制在许可范围内，获得变形小、质量好的工件。 同济大学现代制造技术研究所有一台h e r m l ec 1 2 0 0 u 五轴联动高速铣削加 工中心，主轴最高转速2 4 0 0 0 r r a i n ，包含x 、y 、z 、a 、c5 个运动轴，并且购 买了u g 软件，有完备的网络和配套设施，具备完成该合作项目的能力。 1 2 本课题的工作及研究任务 企业针对铝合金天线加工提出了以下问题： 采用通用压板装夹时，薄壁件易产生夹紧变形和装夹硬伤痕。 研发适合于薄壁件的夹具，减小装夹变形。 虽然高速铣削加工铝合金给出了“小切深，大进给的原则， 具体铣削此类零件可靠的切削参数，究竟切深应该小到什么程度， 因此，需要 但并未给出 进给该大到 第1 章绪论 什么程度，并无明确范围。因此，需要规划合理的高速铣削加工工艺完成工件 的加工，给出铝合金薄壁件的总体工艺过程和符合实际生产的切削参数。 高速铣削加工中，机床的自动化程度高，相应对数控程序的可靠性提出更 高要求。实际切削前，如何对刀轨的可靠性进行仿真验证，检查过切、干涉等 问题，避免因数控程序造成工件失效、加工事故等问题。 本课题针对上述问题，研发完成了适合高速铣削薄壁件的夹具，规划出合 适的铝合金天线加工工艺方案，使用u g 完成数控编程和仿真、验证刀轨可靠性， 并加工铝合金天线。 2 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 2 1 高速铣削铝合金 高速铣削广泛应用于航空航天工业中轻合金的加工，飞机制造业是最早采 用高速铣削加工薄壁件的行业。飞机上大量铝合金材料零件采用“整体制造 法一加工，即在一块整体的铝合金毛坯料上采用“掏空”的办法加工形成含有 许多筋的薄壁构件，材料切除量相当大，正是高速切削能发挥其优势的领域【l 】。 不仅如此，高速切削在加工铝合金和其它轻合金材料时，9 5 的切削热由切屑 带走，工件温升小；切削力也远小于普通铣削加工。本章结合课题有针对性地 探讨和研究铝合金材料及铝合金薄壁件高速铣削技术发展现状。 2 1 1 铝合金材料 铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金是指那些通过铸造成型 可直接制成零件使用的合金，使用之前需经过机械加工。变形铝合金又称为可 加工铝合金，必须先铸造成锭，然后热轧成带坯或用双辊式连续铸轧机制成带 坯，再冷轧成板、带、箔，也可用铸造锭挤压成管、棒、型材或锻压成锻件， 用户用这些半成品材料制成各种各样的零部件。 航空航天领域中使用的铝合金材料大多具有高强度、高韧性、塑性好的特 点。飞机用高强高韧铝合金主要有硬铝2 0 2 4 ( 质量：0 5 0 s i 、o 5 0 f e 、 3 8 - - 4 9 c u 、0 3 4 ) 9 m n 、1 2 1 8 m g 、0 1 0 c r 、0 2 5 z n 、0 1 5 t i 、其他杂质总计0 1 5 、 其余为舢) ，超硬铝7 0 7 5 ( 质量：0 4 0 s i 、0 5 0 f e 、1 2 2 0 c u 、0 3 0 m n 、 2 1 2 9 m g 、0 1 8 加2 8 c r 、5 1 - - 6 1 z n 、0 2 t i 、其他杂质总计0 1 5 、其余为a 1 ) 。 在此基础上又开发出一系列高纯新合金，如a 1 c u m g 系列仅注册定型就有 2 0 2 4 a 、2 1 2 4 、2 2 2 4 、2 2 2 4 a 、2 3 2 4 、2 4 2 4 、2 5 2 4 ，这些都是硬铝2 0 2 4 衍生类 型：a 1 z n m g c u 系列在美国铝业公司注册的目前仍有6 0 多种包含全部7 x x x 类型合金，它们都是超硬铝7 0 7 5 的基础上繁衍派生出来的，超硬铝7 0 5 0 ，是 目前该系列中在航空领域应用最为广泛的【2 3 】。图2 1 【4 】是a r j 2 1 支线客机主要 铝材分布示意图。几乎全部的铝合金零部件均为上面提到的a 1 c a m g 系列和 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 a i - z n c u - m g 系列合金 图2ia r j 2 1 支线客机主要铝材分布示意圈 铝合金的切削加工性随加入合金元素及硬度不同而有很大差异。台金元素 既可以处于固溶状态，也可作为弥散的质点而处于不溶解状态。不溶解状态的 组分一般比铝合金基体更硬，这些硬的质点将造成刀具磨损。如果通过固溶处 理或快速淬火使这些硬的质点来不及析出，可以减轻对刀具的研磨效应。变形 铝合会的种类较多，其中防锈铝合金、铜含量低的锻铝( 如6 a 0 2 即l d 2 ) 强 度低，塑性高，切削时易粘刀，使已加工的表面“起毛”，表面粗糙度大，切 削加工性差：经冷变形后，切削加工性可得到改善。硬铝、超硬铝合金和铜含 量较高( 1 8 45 ) 的锻铝，由于生成脆性化合物( c u a l 2 ) 分布于固溶体晶粒 界面上使韧性和塑性降低，具有良好的切削加工性“】。 212 高速铣削铝合金刀具 高速切削技术发展的一个严重障碍就是刀具的耐高温和耐磨损问题。随着 切削速度的大幅提高，对刀具的材料、刀具几何参数和刀体结构提出了不同于 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 传统切削的要求。要分析高速切削刀具的特征必须先了解高速切削变形过程。 高速切削整个变形过程是不均匀的。由于切削速度高，第一变形区变成狭 窄的带状区域，在这一区域晶格流动方向改变不连续，剪切角西增大，变形系 数减小，切削速度很高时候甚至s 1 。第二变形区接触长度变短，排屑速度 极大提高，前刀面受到周期载荷作用，切削力大幅下降，切削表面磨损减小， 切削变形减小，但高速切削时切削力高频周期性波动。另一方面，前刀面上的 摩擦热大幅增加，第二变形区内距离刀尖很近的地方是温度最高区域，热磨损 成为刀具破坏的主要因素，前刀面靠近刀尖处易产生月牙洼。切削刃作用边界 处有很高的应力和温度梯度使边界磨损更加突出，刀尖、刀刃易受冲击载荷作 用而发生脆性破裂。 这些特点对高速切削刀具材料相应提出了高硬度，高强度和耐磨性；韧度 高，抗冲击能力强；高热硬性和化学稳定性，与工件材料的化学亲和力小，抗 热冲击能力强等新要求。对刀具几何参数提出的要求包括在进给速度一定时选 择合理的后角，以便能产生足够大的切削速度，带走热量，避免切削硬化；前 角是影响切削载荷的重要参数，要合理选择1 5 j 。 尽管已经出现许多新刀具材料，但同时满足上述要求的刀具材料很难找到。 因此，在具有较好的抗冲击韧度的刀具基材上覆盖高热硬性和耐磨性的涂层刀 具技术发展很快。将c b n 、金刚石等高硬度材料烧结在抗冲击韧度好的硬质合 金基材上，形成综合性能非常好的高速切削刀具。 1 刀具材料 高速切削使用的刀具有硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具( 含p v d 和c v d 两种涂层方法) 、陶瓷刀具、c b n ( 立方氮化硼) 刀具、聚晶金刚石刀具等。 c b n 刀具不常用于切削铝合金，主要适合高速切削淬硬钢、冷硬铸铁、镍基合 金、钛合金及各种热喷涂材料。 硬质合金是高速铣削铝合金主要用刀具材料，由w c 、t i c 、t a c 、n b c 等 碳化物和金属粘结剂钻( c o ) 用粉末冶金方法制成，强度主要依赖于钴的含量。 硬质合金涂层刀具是以硬质合金刀具作为基材，采用气象沉积法或其它方 法将涂层材料涂敷在刀具的刀尖、刀刃处，起代替切削刃切削作用。硬质合金 刀具本身具有韧性好、抗冲击、通用性好等优点，但耐热耐磨性差；而涂层材 料高温耐磨性好，两者结合所产生的硬质合金涂层刀具具有上述各自的优点， 适合于高速切削使用。刀具涂层分硬涂层和软涂层两类。硬涂层硬度高、高温 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 耐磨性好可代替原有切削刃进行切削，如氮化钛( t i n ) 、碳氮化钛( t i c n ) 、 氮化铝钛( t i a l n ) 等，其中t i a l n 在高速切削中性能优异。软涂层可减小加 工中摩擦作用，主要有m o s 2 、w s 2 等。目前，新兴的组合涂层技术将软、硬两 种涂层或软涂层涂在刀具的前刀面上，硬涂层涂在刀尖部位，达到既提到切削 刃耐磨性又减小了切屑在前刀面上摩擦的目的【5 ，6 j 。 陶瓷刀具分为氧化铝( a 1 2 0 3 ) 和非氧化铝( s i 3 n 4 、s i c ) 两类。与硬质合 金刀具相比，陶瓷刀具硬度和耐磨性更高，硬度达h r a 9 1 9 5 。切削钢材时， 陶瓷刀具耐用度和切除量是硬质合金刀具的2 0 多倍，是陶瓷涂层硬质合金刀具 的6 倍左右；具有很好的高温性能，在1 2 0 0 0 c 时仍能进行切削，此时陶瓷的硬 度与2 0 0 - - - 6 0 0 0 c 时硬质合金的硬度相当；具有良好的抗粘结能力，与多种金属 发生反应能力比很多碳化物，氮化物都低，不易与金属产生粘结；a 1 2 0 3 的化学 稳定性比t i c 、w c 和s i 3 n 4 好；加工时与工件的摩擦系数较小。陶瓷刀具最大 的缺点是脆性大、抗弯强度低( 目前一般为5 0 0 7 0 0 m p a ) 、冲击韧性( 5 1 d m 2 ) 比硬质合金低的多，因此一般多用于铸铁、铝合金的高速精加工。 聚晶金刚石刀具是目前刀具中强度和韧度最高的一类，其晶体没有方向性 排列，相互间有很强的结合能力，可承受切削时所产生的机械冲击，且冲击较 大时只产生小晶粒碎裂，而不像单晶金刚石那样产生大块崩缺，因而可以采用 较高的切削用量。金刚石刀具在加工高硬度材料时，耐用度是硬质合金刀具的 1 0 1 0 0 倍；加工有色金属材料时的摩擦系数仅为硬质合金刀具的一半；刀刃可 以刃磨的非常锋利，适合超薄切削和超精密加工；导热系数为硬质合金的1 5 9 倍，切削热容易扩散，切削温度低。目前，金刚石刀具已广泛应用在汽车、航 空航天、国防工业中关键零件的高速精密加工；在汽车、摩托车行业中主要用 于加工发动机铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱等。这些部件s i 含量 较高( 1 0 以上) ，硬度大，一般的硬质合金刀具难以胜任，金刚石刀具可以保 证零件尺寸的稳定性，并大大提高切削速度、加工效率和加工质量1 5 , 6 , 7 】。 加工铝合金材料时可选用w 18 c r 4 v 高速钢和y g 6 、y g 8 、y g 8 n 等硬质 合金刀具。y g 6 用于余量均匀条件下的连续粗加工和半精加工，y g 8 和y g 8 n 用于铸件或重载荷粗加工。精加工时，为了避免铝与陶瓷的化学亲和力而产生 粘结( 切屑氧化即生成a 1 2 0 3 ) ，一般不宜采用陶瓷刀到2 5 l 。 2 刀具几何参数 刀具前角丫主要保证在刃v i 和刀头具有一定的强度和散热体积的情况下， 6 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 使7 j n g - i 能锋利。铝合金材料较软，强度、硬度都比较低，可以选择较大的 前角，采用大前角可以减小切削抗力，实现在“强力中求省力，以省力换强力”。 表2 1 是切削各种材料时前角丫每增大1 。，切削力减小的百分率8 ，9 1 。 表2 1 前角 r 每增大( 或减小) 1 。，切肖力减小( 或增大) 的百分率 工件材料f z f y f x 4 5 钢 l ( 1 5 - 2 ) ( 4 - 5 ) 灰铸铁h t 2 0 4 0 l ( 1 2 ) ( 4 - 5 ) 硬铝l y - 1 2 2 ( 2 - 3 ) ( 4 5 ) 紫铜t 2 - 2 3 ( 3 - 5 ) ( 4 5 ) 脆黄铜h p b 5 9 1 - 4 ) 4 1 2 前角的大小对刀具的寿命影响显著，图2 2 是硬质合金刀具切削4 5 钢的所 得合理前角试验曲线。a 曲线是在粗加工条件下测得，合理前角约为+ 2 0 。；b 曲线是在精加工条件下测得的，当前角t 为+ 1 0 。时，刀具耐用度只有4 0 m i n ， 增大前角丫到+ 2 5 。时，刀具耐用度提高了3 倍，约为1 2 0 m i n ，但若继续增大前 角t ，则耐用度迅速下降到几分钟1 0 1 。 1 4 0 1 劭 1 0 0 暑8 0 剖 罨6 0 冬4 0 2 0 b 2 02 53 0 荫角丫 试验条件：硬质合金刀具，4 5 钢正火 图2 2 刀具前角对耐用度的影响 刀具后角q 主要是减少刃口及后刀面与工件已加工表面间摩擦，i 减小刃口 圆角半径r ，使得刀刃锋利。由于刃口半径的存在，切削过程中不仅有切割作用， 也伴随后刀面挤压作用，极薄的弹性恢复层从刃口圆角下划过，成为实际切削 分离面，它同刃e l 和后刀面发生较大的摩擦，使已加工表面继续变形硬化，对 工件表面质量、刀具后刀面的磨损都有直接影响。铝合金材料较软，为避免在 已加工表面产生鳞刺，应选用较大后角，减小工件与刀具后刀面的摩擦，提高 7 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 表面光洁度咿j 。 刀具刃倾角九主要影响切屑的流出方向和各个切削分力的大小。 加工铝合金材料时，刀具几何参数的选择主要取决于铝合金材料的抗拉强 度和硅( s i ) 的含量。铸造铝合金中硅含量很高( 在4 1 3 之间) ，硅形成粗大 的片状夹杂形态游离于铝合金组织中，切削过程中对刀具有磨料作用，刀具容 易磨损，切削加工性差。据世界主流刀具公司资料介绍，高速切削时进给速度 很高，后刀面和工件己加工表面间的第三变形区成为一个不可忽视的发热源。 因此，为减小摩擦，一般建议将后角选为1 2 0 以上。在超高速铣削变形铝合金 时，前角选择符合表2 1 的规律，前角每减小1 0 ，切削力增加1 ；在切削铸 铝时，前角每减少1 0 ，切削力增加1 4 。变形铝合金是塑性材料，切屑形态 是带状切屑，为改善排屑条件，一般选用较大刃倾角。表2 2 列出了使用硬质 合金刀具铣削铝合金材料时推荐的刀具参数【1 1 1 。 表2 2 硬质合金刀具切削铝合金材料推荐刀具参数 工件材料前角y 后角旺 刃倾角九刃口圆弧半径r 变形铝合金 1 0 1 8 01 2 1 8 02 0 2 5 00 0 1 0 0 2 m m 铸造铝合金 1 5 01 2 00 00 0 1 0 0 2 m m 3 刀具切削表面条件 刀具切削表面条件对于控制刀具磨损起重要作用。切削加工时，硬度较低 的铝合金，常会焊在刀具表面上，形成积屑瘤。积屑瘤将构成一个新的切削表 面，从而产生不稳定的切屑和较差的表面质量，引起刀具过热、过早失效。改 进措施是在切屑流动的方向上磨削或超精研磨刀具，使切屑在刀具表面上易于 滑移；还可加宽出屑槽，使切屑流动畅通。 2 1 3 高速铣削铝加工合金的切削参数 一般认为高速切削是普通切削速度的5 1 0 倍。图2 3 中黑色部分反映了七 种材料的高速时所采用的切削速度。 8 第2 章铝台金薄壁件高速切 0 研究现状 t t ” _ ，_ _ 图2 3 七种材料的高速切自速度 l 轴向切深 图2 4 为较小时铣削力分布示意图。假定刀齿从b 点切八，并沿a 方向 向上旋转最后在点g 处退出。在b c d 区域，随刀齿逐渐切入，切削面积运渐 增加，切削力也随着增大。在c d e f 区域，对某一特定刀齿切削面积不变，切 削力保持恒定。在e f g 区域，刀齿逐渐切出工件，切削面积逐渐变小切削力也 相应减小。 当a p 较小时( a p b d ) ，随a p 增加切削面积随之增大，最大切削力也随之增 大。当a p 较大时毋d c a p r 后，随a c 的进一步增加， 最大切削厚度与切削面积都不会增加，最大铣削力也不会增加而保持恒定。同 时，刀具初始切入方向发生变化，在铣削过程中，铣削方式从逆铣到顺铣交替 变化。可见，与选择a c 等于刀具半径相比选择a c 大于刀具半径更加合理，因为 在此情况下可以提高加工效率，但最大切削力却保持不变，切削方式始终保持 为顺铣或逆铣【1 2 , 1 3 , 1 4 】。 霞 暑 图2 6 当a e r 时力的分布图 1 0 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 3 铣削速度v 。 随着铣削速度的提高，刀具磨损无疑会加剧，耐用度降低。图2 7 是使用 硬质合金k 2 0 刀具切削变形铝合金a l c u m g p b 时，不同铣削速度对刀具后刀面 磨损的影响情况。按磨损量v b = 0 2 4 m m 取为刀具寿命，当铣削速度v 。= 3 0 1 6 m s 时，刀具寿命约5 5 m i n ；随着铣削速度的提高到v 。- - 4 7 1 2 m s 时，刀具寿命仅 只有3 0 m i n 。但铣削速度提高可以有效提高单位时间内材料切除率、降低切削 力，在合理的切削速度范围内可提高工件表面质量【1 5 】。 切削长度lj a t 血h 口p b f 二 盏 翟 訾 r z 、 广名 彦钐l 彦 多参么 二 y ，一 切削时问t f 一 图2 7 不同铣削速度下的刀具的磨损情况 k 2 0 ；6 m ，i 咖 山：2 m d = 卸帕：z = z a = 1 3 t ；1 2 = 万 4 进给速度v f 随着每齿进给量f z 增大，切削力会相应增大。切削力增大可能造成薄壁结 构撕裂。与高速铣削其它材料一样，加工铝合金时每齿进给量与刀具磨损之 间也呈驼峰线趋势。随着切削速度提高，为保证每齿进给量最佳，必须要增 大进给速度，进给速度的增大有利于使切屑带走更多的切削热，降低工件的温 升，如图2 8 。值得注意的是，随着进给速度的提高，第三变形区成为不可忽视 的发热区，但相比第一变形区的发热量还是小很多，铝合金的导热系数大，也 有利于热量的扩散，不会成为阻碍提高进给速度的影响因素【1 5 , 1 6 】。 腑 j薹粥狮陀嘎： o b c d 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 i 葛 囊 每齿进给量f z _ i 切属温le | 乙一 一 工 件温度 f 环境鼍度 ， 、 义 图2 8 进给速度与工件温度 2 1 4 高速铣削加工铝合金材料的表面质量 烈c i j h g 阳 k 2 0 山= 3 一 d ：卯栩：z , z t ：j 3 0 t 。1 2 。 t 巧 铝合金的切削加工性受材质软、刚性差、弹性模量低的影响显著，在加工 铝合金时，必须充分支撑、夹紧工件，并保持刀具锋利；否则，工件往往会有 离开切削刀具的倾向。工件表面出现不规则的槽痕和光亮的挤压斑，可能是由 于刀具对工件压力不正常引起，也可能是由于夹持不牢固，引起颤振所致。工 件颤振时，刀具在工件表面作间歇式磨蹭，发生挤压现象，产生粉状切屑；间 隙或弹性消失时，刀具就咬在工件表面，啃出槽痕【2 1 。 切削速度是影响表面粗糙度的另一个原因。铝合金热导率高，高速切削时， 绝大部分切削热由切屑带走。但第三变形区的发热成为不可忽视的因素，若冷 却不够充分，引起工件热膨胀而导致尺寸超差，增大表面粗糙度。 为获得光洁的工件表面，对于锻件和铸件的坯料都应该留出一定的加工余 量，以便采用粗、精切削相结合的加工方式。切削液也能大幅提高表面质量， 在中等进给速度( 3 - - - 6 m r a i n ) 范围内，使用切削液表面粗糙度r z 和r a 值最多 可降低2 0 ，如图2 9 ，图2 1 0 所示。 第2 章锅台金薄避件高速切削研究现状 圈2 9 高速铣削锅台金材料a i c u m g p br z 情况 图21 0 高速铣削铝台金材料a ) c u m g p b r a 情况 一般来说在高速铣削机床主轴功率使用范围内，随切削速度和进给速度的 增大，加工工件表面粗糙度增大如图21 1 所示旧。 图2 】l高速切自加工轻金属表面质量 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 2 1 5 高速铣削加工铝合金的切屑特性 切削加工铝合金最利于控制的切屑形态是紧密的单个卷圈和易于破碎的断 屑，它们能干净利落地从工件和刀具上脱离。切屑特性基本由铝合金的成分决 定，一定程度上受硬度影响。 1 变形铝合金的切屑特性 不可热处理强化铝合金在退火状态下的切削阻力较小，但却形成连续切屑， 需要使用特殊的润滑液或对刀具提供较大的顶面及侧面支撑以获得光洁的表 面。可热处理强化铝合金切削加工时也形成连续切屑，且易于加工成光洁的表 面。含铜的铝合金易形成断屑，切削加工性好；镁和锌含量高的变形铝合金， 切削加工时易形成连续切屑；含镁、硅的变形铝合金由于形成硬的质点m 9 2 s i ， 属于难加工铝合金，此类材料少用作切削材料。 2 铸造铝合金的切屑特性 在铸造铝合金中，铜是改善断屑特性最有利的元素，铝铜系和以铜为主要 合金元素的铝合金均具有很好的切削特性。镁和锌含量高的铝合金也有较好的 切削特性。硅不影响铸造铝合金的断屑性能，但对刀具寿命不利，当刀具钝化 后，使得切削特性变差、表面粗糙度值增大【2 , 1 7 】。 2 2 高速铣削加工铝合金薄壁件 2 2 1 高速铣削铝合金薄壁件的原则 1 区分铝合金材料 根据材料状态，铝合金可分为硬态、半硬态和软态三种，加工过程中存在 明显的变形差异，因此在备料、粗精加工工艺参数选择上要加以区分。如备料 时不宜采用等离子切割、激光切割等方法。这些加工方法会产生大量热，在瞬 间熔化和汽化使材料晶粒变的粗大，降低材料本身的强度和韧性。不同材料其 工艺性能有显著区别，如3 a 2 1 机械加切削工性能较差，一般在切削加工前进 行热处理改善切削加工性能；而2 a 5 0 具有良好的机械切削加工性能【2 1 。 2 粗加工铣削参数选用原则 粗加工主要目的是去除大量材料、形成光洁表面和定位基准。粗加工后由 1 4 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 于工件表面的摩擦和反复变化，工件表面晶粒会变形、错位，并发生回弹，造 成加工硬化；切削热会使工件表面金相组织发生变化，产生热形变。因此粗加 工时应采取低转速、小切深、适当进给量的加工方法。 3 成型精加工 复杂薄壁件的加工，一般选用数控加工中心进行一次成型精加工。首先， 根据内腔凹圆弧最小直径或菱形框允许最大圆角半径确定立铣刀直径，铣刀直 径在允许范围内尽量选大值，保证铣刀有足够刚度。其次，减少装夹次数，尽 可能实行一次定位加工成型，减少定位误差。高速铣削时，切屑高速流出带走 大量切削热，但仍然有相当量的切削热保留在第一、第二变形区，刀刃前区温 度还是很高，而铝合金熔点低，使刀刃前区常处于半熔化状态，本身强度受到 高温影响大幅下降，形成不光滑的凹凸表面，因此推荐采用半精加工和精加工 两步工序【博j 。 2 2 2 薄壁件加工变形的原因 加工铝合金薄壁件时产生的变形主要有两类，一类是热变形，另一类是应 力变形。 切削加工过程中共有三个发热区，即剪切区、切屑与前刀面接触区、后刀 面与己加工表面接触区。切削塑性材料时，变形和摩擦都很大，所以发热量很。 大。随着切削速度提高，切屑变形减小，材料塑性变形产生的热量所占百分比 降低，摩擦产生热量所占百分比增高，第三变形区摩擦热成为不可忽视的热源。 特别在切削脆硬性材料时，后刀面磨损产生的热量在切削热中占百分比较大【l 们。 高速切削时，剪切角增大，切削变形系数减小( 甚至1 ) 材料还来不及 变形就成为切屑流出。高速铣削时对刀具进行优化增大了前角和后角，使第二、 第三变形区摩擦减小，包含9 0 切削热的切屑被高速旋转的刀具带走，整体温 升较小，且半精和精加工时余量很小，因此高速铣削时热变形不是造成工件变 形的主要因素。 切削过程中刀具与工件挤压摩擦是产生应力变形的主要原因。因为仅讨论 加工表面变形问题，所以仅对第三变形区进行分析，说明加工表面回弹上拱的 原理。 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 图2 1 2 车刀切削示意图 如图2 1 2 所示，刀具刃口存在一定的圆弧半径，工件切削层内有一薄层金 属a 无法沿剪切面o m 方向滑移变成切屑，而在0 点与切削层分离，被刃口 挤压后仍留在已加工表面上。此外刀具在开始切削后一段时间，后刀面磨损后 就会形成一段后角为0 0 的磨损带，而已加工表面高度为h 弹性恢复层使后 刀面和工件之间在l 长度内发生接触，这就是后刀面和工件的接触区，即第三 变形区。在该区域内的工件已加工表面受到后刀面的挤压和摩擦拉伸，发生变 形。薄壁件加工表面的变形正是由于挤压及摩擦拉伸，使加工表面伸展产生应 力，而工件因材料薄无法抗衡变形，造成回弹上拱【1 8 】。 2 2 3 薄壁件加工变形的控制 实际切削加工中，刀具后刀面和工件肯定存在一个接触区域，因此肯定存 在回弹上拱，只能采取一些合理措施，控制变形量在允许范围内。 1 刀具的切削刃尽量锋利 刀尖圆弧半径尽可能小，使得a 尽量减小，减小后刀面对己加工表面的挤 压量；增大刀具前角，使切削力和第一变形区热变形减小；适当增大刀具后角， 减小后刀面和己加工表面摩擦。总之，在刀具强度、硬度和韧性得以保证的前 提下，使刀具切削刃尽可能锋利。 2 区分材料纹向 各向异性材料，一般顺纹向延伸率远大于垂直纹向延伸率。加工时，若铣 削刀路沿着顺纹向，则加工后由于加工表面受到刀具挤压和摩擦拉伸，表面伸 长更大，变形更严重。在规划加工走刀路线时应减少顺纹向铣削刀路，更多采 用垂直纹向铣削，使挤压摩擦的延伸量在顺纹向上最小，可以有效控制变形。 1 6 第2 章铝合金薄壁件高速切削研究现状 3 应变补偿 薄壁两侧面在铣削时采用同向铣削的方式，使工件薄壁产生同向的拉伸， 可以有效减小甚至完全消除单向延伸而造成的拱起变形。 4 优选切削用量 在切削用量诸要素中，切削深度对工件变形影响最大，而切削速度对工件 变形影响最小。遵循高速切削的基本原则，减小切削深度，增大切削速度和进 给速度，对控制工件的加工变形十分有利，也能极大提高生产效率。 5 合理使用冷却润滑液 加工中使用冷却润滑液，不仅可以延长刀具使用寿命，还可以降低工件表 面切削温度，减小工件热变形，对控制加工变形有利。 6 合适的走刀路线 高速切削加工过程中，走刀路线对刀具的寿命、切削效率和加工质量都有 很重要的影响。一般遵循下述原则：浅切深；大进给；切削负荷应尽量保持不 变( 恒力切削) ，尽量采用顺铣加工方式( 尤其在精加工中) ；尽量保持连续切 削。对于薄壁件，推荐采用图2 1 3 【l i 】所示的走刀路线，保证加工余量均匀，零 件变形小。 一次韧麓层 ，。、二次向捌层 、鼻四次切割层敢留一层， 1 7 第3 章薄壁件的装夹方法 第3 章薄壁件的装夹方法 3 1 薄壁件的装夹方法比较 在生产实践中，薄壁件可以采用通用压板，磁体吸附和真空吸盘等不同方 法装夹，下面分别展开讨论。 3 1 1 通用压板 通用压板可根据需要组装成多种不同用途的夹具，能大大缩短生产准备周 期，可减少专用夹具库存面积，改善夹具管理工作。使用通用压板搭建一套夹 具最多只需几个小时，是制造专用夹具所无法相比的。通用压板特别适合新产 品试制和多品种小批量生产，近年来发展迅速，应用较广【1 9 1 。在使用压板装夹 工件时应保证达到下列要求：定位合理准确、夹紧可靠方便，加工过程中夹具 要有足够的刚性；工件装卸方便、操作简单，清除切屑容易；夹具在机床上安 装可靠、装夹找正方便。 图3 1 中三连波导薄壁件外形尺寸为7 9 1x 1 5 7 x 3 2 m m ，长、宽与厚度尺寸 相差不算特别悬殊，最小壁厚为2 m m ，工件刚度不很小【2 0 1 。经过分析比较和试 验，在毛坯两侧面沿长度方向铣削高l o m m 、深3 m m 的工艺通槽后，从毛坯两 侧用4 块压板伸入工艺通槽压紧，结果证明装夹变形小，实用方便。此处的装 夹要点是压板的数量和在机床工作台面上围绕毛坯的作用点分布，还有夹紧力 的大小。一般地说，压板数量应当适中，作用点分布位置需要均匀错开，夹紧 力尽可能小些。 1 8 第3 章薄壁件的装夹方法 3 12 磁铁吸附 酗31 通用压板装夹三连波导 如果需要加工厚度为l m m 左右的有色金属薄板件，通用压板和电磁工作台 装夹都无法采用，不妨考虑磁铁吸附的装夹方法用永磁铁通过磁力吸附作用 将此类薄板件压紧在导磁的工作台面上。该方