文章链接：中国机床商务网 http://www.jc35.com/Tech_news/Detail/27625.html

　　随着加工制造业的飞速发展，铝合金高速切削成 为企业的首选。一直以来，高速切削往往局限于铝板类毛料，由于铝合金模锻件余量不均匀经常会导致高速加工切削不连续，继而形成断续切削，对刀具磨损十分严 重，同时会引起刀具折断从而打伤零件的现象。由于航空类铝合金零件生产中模锻件仍然是设计的首选毛料，为保证数控加工产能翻倍的目标，此类零件采用高速铣 切加工势在必行。本文将以某机零件加工方案为例分析论证模锻件高速铣加工的可行性。

零件介绍

该零件为某机翼内骨架的重要组成部分，在机翼内起龙骨的作用，是重要受力件。该零件材料牌号状态为7B04T74，外廓尺寸为 2430mm×236mm×42mm；零件上有2个φ12H9工艺孔用于加工及装配时定位；腹板厚度为3~5mm，腹板上有10个φ76~116大小不等 的通孔；缘条厚度尺寸为4.5mm；整个零件中间13根（厚度为3mm）加强筋。零件实样如图1所示。

零件工艺性分析

零件材料属于高强度超硬形变铝合金，为Al-Zn-Mg-Cu系合金,是一种可热处理强化的铝合金。它具有比强度高、断裂韧性好、工艺性能优良等特 点，其相应的化学成分（重量百分比）为:5.7%Zn，2.3%Mg，1.43%Cu，0.2%Cr。其加热模锻的工艺特点是塑性较差、流动性差、粘附性 大、模锻不易成形；并且对变形速度和变形程度十分敏感，随着变形速度的增加而急剧下降；锻造温度范围窄，始、终锻温度要求严格[1]。

锻件经过淬火及人工时效处理后σb＝450~540MPa；由于金属晶体间的各向异性，锻造过程中由于各部分冷热收缩不均匀以及金相组织转变的体积变 化，使毛坯内部产生了相当大的内应力。毛坯内应力暂时处于相对平衡状态，切削去除一些表面材料后就打破了这种平衡，内应力重新分布，此时加工后的零件就明 显地发生变形。

内应力指的是当外部的载荷去除后，仍残存在工件内部的应力。内应力因金属内部宏观的或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生，其外界因素就来自热加 工和冷加工。具有内应力的零件处于一种不稳定的状态，它内部组织有强烈的倾向要恢复到一个稳定的没有内应力的状态，即使常温下零件也不断地进行这种变化， 直到内应力消失为止。

残余应力是指受工艺过程的影响，在没有外力作用的情况下，在零件内部所残余的应力彼此保持平衡，零件切削加工后各部分残余应力分布不均匀，使零件发生变形，影响零件的形状和尺寸精度[2]。其产生的原因可分为3种情况：

这种残余应力是零件在加工过程中最常出现的。当施加外载时，若零件的一部分区域发生不均匀塑性变形，卸载后该部分就产生残余应力；同时，由于残余应力必须在整个零件内达到自相平衡，致使零件中不发生塑性变形的那一部分区域也产生残余应力。

零件在热加工过程中常出现这种残余应力，这种残余应力是由于零件在热加工中的不均匀塑性变形与不均匀的体积变化而产生的。这种残余应力是由于从零件表面向内部扩展的化学或物理的变化而产生的，金属材料的化学热处理、电镀、喷涂等加工均属此例。

此零件属于典型的单面加工肋板类，零件加工以一面两孔定位，零件外形为机翼理论外缘，零件头部外形有33°闭斜角。零件内形相对开敞，可以用φ30以上刀具粗加工，零件底角半径R为4mm，缘条与筋条间转角半径R为8mm，局部位置凸台与缘条间距离为8.5mm。

一、工艺方案设计

在普通数控铣加工中，由于采用低转速、低进给、大切深、低速加工的方式，零件变形比较大，零件粗加工后最大侧弯变形为6mm，最大翘曲变形为20mm，最大弯曲变形为5mm。

1加工工序设计

为了满足产品尺寸精度及加工质量，在此设计出比较繁琐的工序来抵消零件变形带来的影响：

（1）粗铣底平面，留工艺余量5mm；

（2）制2个φ12工艺孔至φ10H9；

（3）以一面两孔定位粗铣零件内外形（内外形各留工艺余量5mm，腹板及缘条高度方向各留工艺余量5mm）；

（4）零件加热校正腹板底面平面度，保证在2mm之内；

（5）加工零件底面，去除工艺余量3mm（仍然保留2mm工艺余量）；

（6）再次以一面两孔定位铣零件内外形（内外形各留工艺余量2mm，腹板及缘条高度方向各留工艺余量1mm）；

（7）零件加热校正腹板底面平面度，保证在1mm之内；

（8）加工零件底面，去除工艺余量，腹板底面到位；

（9）扩大零件2个工艺孔至φ12H9；

（10）以底面及两工艺孔定位精加工零件内外形。

为了满足加工要求，使用3套工艺装备。其中一套为钻模，用于两次加工零件工艺孔；一套为数控用真空铣夹，用于零件粗加工；一套为数控用真空铣夹，用于零件精加工。

2加工刀具及切削参数选择

加工中使用高速钢刀具共5把，加工中选用的切削参数如表1所示。

3加工质量分析

（1）腹板弯曲变形比较大，平面度达到2mm，需要多次加热校正。

（2）尺寸精度在±0.3mm之内，基本满足零件尺寸公差。

（3）表面粗糙度Ra大部分在3.2μm之内，局部为6.3μm，甚至更差，需要钳工整体抛光处理。

（4）受切削力及切削热影响，内应力比较大，表面处理后的零件平面度有变坏的现象，同时伴有侧弯现象。

4高速切削工艺方案特点

通常把切削速度比常规切削速度高5~10倍以上的切削称为高速切削。目前高速铣机床加工铝合金切削线速度为1000~7000m/min。

在高速切削状态，随着切削速度的提高，切削力下降，加工表面质量提高；切削热大部分由切屑带走，工件基本保持冷态。而刀具寿命随着切削速度的提高而下降[2]。

与常规切削相比，高速切削具有下列优点：

（1）加工效率高。随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5~10倍。金属去除率可达到常规切削的3~10倍。同时机床快速空行程速度的大幅度提高，也减少了非切削的空行程时间，极大地提高了机床的生产率。

（2）切削力降低。在切削速度达到一定值后，切削力可降低30％以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于薄壁细肋等刚性差零件的精密加工。

（3）工件热变形减小。高速切削刀具热硬性好，95％~98％以上的切削热被切屑飞速带走，工件可基本上保持冷态，可进行高速干切削，不用冷却液，减少对环境的污染，能实现绿色加工。

（4）已加工表面质量高。高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳振动小。

（5）有利于保证零件的尺寸、形位精度。

（6）能保证刀具和工件保持低温度，延长了刀具的寿命。在高速切削中切削量浅，切削刃吃刀时间短，进给比热传播的时间快。刀具和主轴上的径向力低。能减小主轴轴承、导轨和滚珠丝杠的磨损，对主轴轴承的冲击小。可以使用悬伸较长的刀具，振动风险小。

（7）加工成本大大降低。高速加工提高了加工效率和加工质量，减少了打磨修整工序。

5工艺方案设计

在高速切削加工中，由于采用高转速、小进给、小切深、高速加工的方式，零件变形小，粗加工后最大侧弯变形在1mm之内，最大翘曲变形为3mm，最大弯曲变形为1mm[3]。6加工工序设计以底面及两工艺孔定位精加工零件内外形，在此设计出比较简洁的工序：

（1）粗铣底平面，留工艺余量2mm；

（2）制零件2个φ12H9工艺孔；

（3）以一面两孔定位粗铣零件内外形（内外形各留工艺余量2mm）；

（4）校正底面，保证平面度1mm；

（5）加工零件底面，去除工艺余量2mm，零件底面到位；

（6）精铣零件内外形。

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　　随着加工制造业的飞速发展，铝合金高速切削成 为企业的首选。一直以来，高速切削往往局限于铝板类毛料，由于铝合金模锻件余量不均匀经常会导致高速加工切削不连续，继而形成断续切削，对刀具磨损十分严 重，同时会引起刀具折断从而打伤零件的现象。由于航空类铝合金零件生产中模锻件仍然是设计的首选毛料，为保证数控加工产能翻倍的目标，此类零件采用高速铣 切加工势在必行。本文将以某机零件加工方案为例分析论证模锻件高速铣加工的可行性。

零件介绍

该零件为某机翼内骨架的重要组成部分，在机翼内起龙骨的作用，是重要受力件。该零件材料牌号状态为7B04T74，外廓尺寸为 2430mm×236mm×42mm；零件上有2个φ12H9工艺孔用于加工及装配时定位；腹板厚度为3~5mm，腹板上有10个φ76~116大小不等 的通孔；缘条厚度尺寸为4.5mm；整个零件中间13根（厚度为3mm）加强筋。零件实样如图1所示。

零件工艺性分析

零件材料属于高强度超硬形变铝合金，为Al-Zn-Mg-Cu系合金,是一种可热处理强化的铝合金。它具有比强度高、断裂韧性好、工艺性能优良等特 点，其相应的化学成分（重量百分比）为:5.7%Zn，2.3%Mg，1.43%Cu，0.2%Cr。其加热模锻的工艺特点是塑性较差、流动性差、粘附性 大、模锻不易成形；并且对变形速度和变形程度十分敏感，随着变形速度的增加而急剧下降；锻造温度范围窄，始、终锻温度要求严格[1]。

锻件经过淬火及人工时效处理后σb＝450~540MPa；由于金属晶体间的各向异性，锻造过程中由于各部分冷热收缩不均匀以及金相组织转变的体积变 化，使毛坯内部产生了相当大的内应力。毛坯内应力暂时处于相对平衡状态，切削去除一些表面材料后就打破了这种平衡，内应力重新分布，此时加工后的零件就明 显地发生变形。

内应力指的是当外部的载荷去除后，仍残存在工件内部的应力。内应力因金属内部宏观的或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生，其外界因素就来自热加 工和冷加工。具有内应力的零件处于一种不稳定的状态，它内部组织有强烈的倾向要恢复到一个稳定的没有内应力的状态，即使常温下零件也不断地进行这种变化， 直到内应力消失为止。

残余应力是指受工艺过程的影响，在没有外力作用的情况下，在零件内部所残余的应力彼此保持平衡，零件切削加工后各部分残余应力分布不均匀，使零件发生变形，影响零件的形状和尺寸精度[2]。其产生的原因可分为3种情况：

这种残余应力是零件在加工过程中最常出现的。当施加外载时，若零件的一部分区域发生不均匀塑性变形，卸载后该部分就产生残余应力；同时，由于残余应力必须在整个零件内达到自相平衡，致使零件中不发生塑性变形的那一部分区域也产生残余应力。

零件在热加工过程中常出现这种残余应力，这种残余应力是由于零件在热加工中的不均匀塑性变形与不均匀的体积变化而产生的。这种残余应力是由于从零件表面向内部扩展的化学或物理的变化而产生的，金属材料的化学热处理、电镀、喷涂等加工均属此例。

此零件属于典型的单面加工肋板类，零件加工以一面两孔定位，零件外形为机翼理论外缘，零件头部外形有33°闭斜角。零件内形相对开敞，可以用φ30以上刀具粗加工，零件底角半径R为4mm，缘条与筋条间转角半径R为8mm，局部位置凸台与缘条间距离为8.5mm。

一、工艺方案设计

在普通数控铣加工中，由于采用低转速、低进给、大切深、低速加工的方式，零件变形比较大，零件粗加工后最大侧弯变形为6mm，最大翘曲变形为20mm，最大弯曲变形为5mm。

1加工工序设计

为了满足产品尺寸精度及加工质量，在此设计出比较繁琐的工序来抵消零件变形带来的影响：

（1）粗铣底平面，留工艺余量5mm；

（2）制2个φ12工艺孔至φ10H9；

（3）以一面两孔定位粗铣零件内外形（内外形各留工艺余量5mm，腹板及缘条高度方向各留工艺余量5mm）；

（4）零件加热校正腹板底面平面度，保证在2mm之内；

（5）加工零件底面，去除工艺余量3mm（仍然保留2mm工艺余量）；

（6）再次以一面两孔定位铣零件内外形（内外形各留工艺余量2mm，腹板及缘条高度方向各留工艺余量1mm）；

（7）零件加热校正腹板底面平面度，保证在1mm之内；

（8）加工零件底面，去除工艺余量，腹板底面到位；

（9）扩大零件2个工艺孔至φ12H9；

（10）以底面及两工艺孔定位精加工零件内外形。

为了满足加工要求，使用3套工艺装备。其中一套为钻模，用于两次加工零件工艺孔；一套为数控用真空铣夹，用于零件粗加工；一套为数控用真空铣夹，用于零件精加工。

2加工刀具及切削参数选择

加工中使用高速钢刀具共5把，加工中选用的切削参数如表1所示。

3加工质量分析

（1）腹板弯曲变形比较大，平面度达到2mm，需要多次加热校正。

（2）尺寸精度在±0.3mm之内，基本满足零件尺寸公差。

（3）表面粗糙度Ra大部分在3.2μm之内，局部为6.3μm，甚至更差，需要钳工整体抛光处理。

（4）受切削力及切削热影响，内应力比较大，表面处理后的零件平面度有变坏的现象，同时伴有侧弯现象。

4高速切削工艺方案特点

通常把切削速度比常规切削速度高5~10倍以上的切削称为高速切削。目前高速铣机床加工铝合金切削线速度为1000~7000m/min。

在高速切削状态，随着切削速度的提高，切削力下降，加工表面质量提高；切削热大部分由切屑带走，工件基本保持冷态。而刀具寿命随着切削速度的提高而下降[2]。

与常规切削相比，高速切削具有下列优点：

（1）加工效率高。随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5~10倍。金属去除率可达到常规切削的3~10倍。同时机床快速空行程速度的大幅度提高，也减少了非切削的空行程时间，极大地提高了机床的生产率。

（2）切削力降低。在切削速度达到一定值后，切削力可降低30％以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于薄壁细肋等刚性差零件的精密加工。

（3）工件热变形减小。高速切削刀具热硬性好，95％~98％以上的切削热被切屑飞速带走，工件可基本上保持冷态，可进行高速干切削，不用冷却液，减少对环境的污染，能实现绿色加工。

（4）已加工表面质量高。高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳振动小。

（5）有利于保证零件的尺寸、形位精度。

（6）能保证刀具和工件保持低温度，延长了刀具的寿命。在高速切削中切削量浅，切削刃吃刀时间短，进给比热传播的时间快。刀具和主轴上的径向力低。能减小主轴轴承、导轨和滚珠丝杠的磨损，对主轴轴承的冲击小。可以使用悬伸较长的刀具，振动风险小。

（7）加工成本大大降低。高速加工提高了加工效率和加工质量，减少了打磨修整工序。

5工艺方案设计

在高速切削加工中，由于采用高转速、小进给、小切深、高速加工的方式，零件变形小，粗加工后最大侧弯变形在1mm之内，最大翘曲变形为3mm，最大弯曲变形为1mm[3]。6加工工序设计以底面及两工艺孔定位精加工零件内外形，在此设计出比较简洁的工序：

（1）粗铣底平面，留工艺余量2mm；

（2）制零件2个φ12H9工艺孔；

（3）以一面两孔定位粗铣零件内外形（内外形各留工艺余量2mm）；

（4）校正底面，保证平面度1mm；

（5）加工零件底面，去除工艺余量2mm，零件底面到位；

（6）精铣零件内外形。

文章链接：中国机床商务网 http://www.jc35.com/Tech_news/Detail/27625.html