以某深窄腔體零件為例，研發(fā)一種高效率、低成本的銑削加工方法，針對零件材料及結(jié)構(gòu)特性進行工藝優(yōu)化，通過改進工藝流程，選擇銑削刀具和加工參數(shù)，深腔拐角預(yù)處理，以及合理冷卻等措施，解決了加工過程中的振動、排屑困難和崩刃等難題，有效提升了刀具壽命及加工效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
PART1序言
深窄腔體零件由于其深腔結(jié)構(gòu)特性，因此在加工時只能選用較大長徑比的刀具，加工過程中易產(chǎn)生振動、崩刃等現(xiàn)象，同時存在冷卻效果差、排屑困難、加工穩(wěn)定性差、切削效率低及刀具壽命短等問題，是目前加工制造中的難題之一。
PART 2零件結(jié)構(gòu)及加工中存在的問題
某深窄腔體零件結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。零件材料為35鋼，鍛件，外形尺寸為100mm×100mm×220mm，拐角為R8mm，需要加工49mm×80mm、深200mm的通槽及側(cè)壁兩方槽。
圖1 深窄腔體零件結(jié)構(gòu)及尺寸
加工過程中，需選擇多把長度為220mm以上的刀具分別進行粗、精加工，由于刀具懸臂較長，加工過程中振動大，刀具易崩刃，切削深度和進給速度受限。此外，隨著銑削深度增加，刀尖冷卻及排屑效果逐步遞減，切削溫度急劇升高，產(chǎn)生讓刀和表面加工硬化等現(xiàn)象，致使切削效率較低，刀具壽命短，表面加工質(zhì)量差，且此產(chǎn)品批量較大，因此如何有效保證加工質(zhì)量、提高加工效率及節(jié)約加工成本是急需解決的難題。
PART 3加工工藝優(yōu)化
零件側(cè)壁有30mm×75mm、30mm×55mm的方槽，φ46mm圓孔底部有40mm×80mm方槽與深腔貫通，調(diào)質(zhì)前預(yù)鉆φ40mm通孔。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)過分析認為，可優(yōu)先加工側(cè)壁兩方槽及預(yù)鉆φ46mm孔為φ45mm，保留精加工余量。這樣可保證刀具在切削至方槽圓孔部位的深度時，刀具為空行刀，減少了切削量，不僅可以提高刀具壽命，而且可以提高切削速度。此外，先加工側(cè)壁孔槽可方便加工時排屑，避免因切屑無法排出而導(dǎo)致崩刃、工件表面硬化等一系列問題。
PART 4銑削方式的選擇
零件內(nèi)腔深200mm，材料去除量大，材質(zhì)較硬，若需保證高效加工，則選對銑削方法尤為重要。經(jīng)過分析，由于工件為調(diào)質(zhì)件，硬度較高且腔深，不適宜用擺線銑和動態(tài)銑，因此可排除這兩種加工方案。
插銑法（見圖2）在深腔加工方面有一定的優(yōu)勢，是金屬加工中實現(xiàn)高切除率最有效的方法之一，其工作原理是改傳統(tǒng)的水平進給為軸向插削，使切削力由徑向受力轉(zhuǎn)換為軸向受力，即使刀具懸伸較大，仍能保證刀桿有較高的加工剛性，減小加工振動，增加切削穩(wěn)定性。在插銑試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當切削寬度較大時，材料去除效率高，但加工振動大，刀具易崩刃；若減小切削寬度，則加工效率偏低，且刀具磨損較快。若采用普通合金銑刀進行插銑加工，則刀片壽命低，加工效果差，因而需使用專用插銑刀片。由于此工件切削量大，因此當準備條件有限時，排除此切削方法。但是當零件剛性好，結(jié)構(gòu)、材質(zhì)合理，以及準備充足、有專用插銑刀具且刀具壽命較高的前提下，采用插銑法可實現(xiàn)深腔零件的高效加工[1-3]。
圖2 插銑法示意
在一般加工條件且不具備專用插銑刀具時，結(jié)合本零件腔體的結(jié)構(gòu)特點，較為適合采用常規(guī)的分層銑削方法進行加工。工件在調(diào)質(zhì)前應(yīng)預(yù)鉆出φ40mm孔，作為銑刀加工時的下刀點。依據(jù)切削加工經(jīng)驗，對于調(diào)質(zhì)鋼件，宜采用小切削深度、高轉(zhuǎn)速和大進給速度的方案加工此深腔，具有較高的加工穩(wěn)定性及加工效率。
PART 5拐角預(yù)處理
由于深窄腔體在加工至內(nèi)拐角處時，刀具與工件接觸面積瞬間增大，致使切削力驟升，極易使刀具折斷或崩刃，因此應(yīng)對腔體拐角處進行預(yù)處理。可使用略大于拐角半徑的加長鉆頭進行預(yù)鉆孔處理，并留余量，從而達到減小拐角處切削力及切削振動的效果。
PART 6刀具的選擇
（1）刀具材料的選擇 根據(jù)深腔銑削加工的特點，需保證刀具有超好的耐磨性和耐熱性，同時具有足夠的抗彎強度和韌度。國內(nèi)常用的硬質(zhì)合金刀具材料中，YG類硬質(zhì)合金的抗彎強度和沖擊韌度較好，適用于切削脆性金屬；YT類硬質(zhì)合金的強度、耐磨性和耐熱性均高于YG類硬質(zhì)合金，但抗彎強度特別是沖擊韌度下降較多，易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象；YW類硬質(zhì)合金具有高韌性、高硬度及高耐磨性，兼有YG和YT類硬質(zhì)合金的性能，綜合性能良好。選用YW類硬質(zhì)合金可有效提高加工效率和加工質(zhì)量[4]。
（2）刀具結(jié)構(gòu)的選擇 在深腔銑削中，既要考慮刀具的齒數(shù)和懸深長度，又要考慮刀具的剛性和容屑空間，以及加工過程中的振動、讓刀和磨損問題?；谶@些因素，粗銑時應(yīng)選用大進給立銑刀（見圖3），以保證強度及切削效率；精銑時選用可轉(zhuǎn)位直角立銑刀（見圖4），用于精銑腔體和清角。
圖3 大進給立銑刀
圖4 可轉(zhuǎn)位直角立銑刀
PART 7加工方式的優(yōu)化
在深腔零件加工中，刀具剛性與切削用量成正比關(guān)系，增加刀具剛性能夠大幅提高加工精度和加工效率。
1）粗銑分為兩步，首先選用φ32mm的常規(guī)大進給立銑刀，刀具懸伸115mm，加工至深度110mm處；然后再使用同樣直徑規(guī)格的加長大進給立銑刀，懸伸205mm，加工至110～200mm處，振動和磨損明顯改善。
2）深腔加工過程中，分別使用常規(guī)大進給立銑刀及加長大進給立銑刀先后粗加工，然后用可轉(zhuǎn)位直角立銑刀精銑腔體及清圓角。考慮到粗銑時使用的兩把刀安裝、制造及加工時出現(xiàn)的讓刀誤差等問題，可能會導(dǎo)致加長大進給立銑刀刀桿與加工后的0~110mm槽壁發(fā)生干涉，于是將加工尺寸相對第一把刀減少0.1～0.2mm，避免發(fā)生干涉，最后再用可轉(zhuǎn)位直角立銑刀分層精加工。
3）加工刀路優(yōu)化。利用預(yù)鉆孔作為刀路下刀點，采用圓弧切線進刀、出刀的方式，使刀具平穩(wěn)柔順地切入、切出零件，以保證切削力不會發(fā)生突變，而切削過程中采用厚進薄出的法則，切入工件時切屑較厚，切出時較薄，即采用順銑方式切削，能有效降低刀具振動，提高刀具壽命及槽壁表面質(zhì)量[5]。優(yōu)化后的加工刀路如圖5所示。
圖5 加工刀路
PART 8切削參數(shù)的優(yōu)化
切削速度、切削深度和進給速度是影響切削效率的主要因素。依據(jù)加工經(jīng)驗，切削速度對刀具壽命影響最大。若切削速度過小，則影響加工效率；若切削速度過大，則影響刀具壽命。進給速度對刀具壽命的影響次之，切削深度對刀具壽命的影響最小[4]。依照加工經(jīng)驗，調(diào)試參數(shù)的方法大致分為大切削深度、小進給速度和小切削深度、大進給速度兩種?？筛鶕?jù)刀具廠家提供的切削參數(shù)范圍進行調(diào)試切削。YW硬質(zhì)合金銑削45鋼調(diào)質(zhì)件，切削速度為150～300m/min，進給量為0.15～0.3mm/r，切削深度為0.3～1.2mm。由于切削速度對刀具壽命影響最大，因此對切削速度微量調(diào)整，調(diào)試切削深度和進給速度。大進給刀具切削參數(shù)調(diào)試結(jié)果見表1。
表1 大進給刀具切削參數(shù)調(diào)試結(jié)果
根據(jù)表1結(jié)果，針對此刀具材質(zhì)和零件材料，“小切削深度、大進給速度”的切削方式加工效率更高，刀具壽命更長。試切結(jié)果為：大進給切削速度為181m/min，進給速度為2500mm/min，切削深度為0.8mm，此時切削振動明顯減少，磨損也趨于正常。當使用加長大進給刀具時，需將進給速度降低為普通刀具的80%。
PART 9冷卻技術(shù)
在金屬切削加工中提高效率的另一關(guān)鍵點是冷卻。切削熱影響著切屑的形成和排放，如按傳統(tǒng)方式冷卻，則散熱效果差，會加劇刀具磨損和縮短刀具壽命。高壓冷卻切削技術(shù)是指將切削液壓力升至特定壓力后，精準地噴到所需冷卻區(qū)域，從而達到快速冷卻的目的，其特點是高壓切削液將切屑瞬間帶走，使零件加工更順暢，加速降溫提高刀具壽命。相較于普通冷卻方式，可以小范圍提升刀具進給速度和切削深度，提高加工效率。在此切削加工中，采用高壓內(nèi)冷和外部冷卻相結(jié)合的方式，冷卻效果是最佳的。
此次加工選用不帶內(nèi)冷的加工中心，采用切削液和高壓風冷相結(jié)合的方式，加工時用大流量切削液管對準刀尖，降低溫度，起冷卻潤滑作用。風冷管對準刀具前端，可快速吹走切屑，保證刀具加工順暢。
PART10研究結(jié)果
通過對比試驗前后數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，調(diào)整加工參數(shù)和優(yōu)化工藝流程可有效提高深腔加工效率。在保持其他參數(shù)不變的情況下，分別選擇不同的切削速度、進給速度和切削深度進行試驗，結(jié)果表明，當使用大進給刀具粗加工時，切削速度為181m/min、進給速度為2500mm/min且切削深度為0.8mm時，加工效率最高。
通過合理安排工序、選用高效刀具和采用冷卻技術(shù)等措施，優(yōu)化工藝流程。對比試驗前后數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的加工方法使加工時間縮短45%，刀具使用壽命提高30%，停機時間減少15%，達到專業(yè)工具及設(shè)備加工深腔類零件的效果（見圖6）。
圖6 加工效果
PART11結(jié)束語
本文以某深窄腔體零件為例，研發(fā)一種新的銑削加工方法，解決了加工過程中的振動、排屑困難及崩刃等難題。研究結(jié)果表明，金屬加工中沒有最好的加工方法，只有最適合現(xiàn)狀的加工工藝及加工方式，通過優(yōu)化工藝流程，選用合適的刀具和加工參數(shù)，以及合理冷卻等措施，普通刀具也可以有效提高數(shù)控深腔加工效率。同時，在實際生產(chǎn)中，還需要考慮工件裝夾、設(shè)備剛性等其他因素的影響。此案例的研究為提高深腔加工效率提供了參考和借鑒。
