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鋁合金因質(zhì)量輕、比強度高，已成為理想的結(jié)構材料，廣泛用于、鐵道車輛、動力機械及航空工業(yè)等方面。由于鋁合金強度和硬度相對較低、塑性較小，對磨損小，且熱導率較高、切削溫度較低，適合高速切削加工，但是鋁合金熔點較低，溫度升高后塑性增大，在高溫高壓作用下，切削界面摩擦力很大，切屑易熔結(jié)在切削刃上而粘刀，不易獲得較高的尺寸精度和低的表面粗糙度值。下面以典型的城軌車輛鋁合金大部件為載體，通過機床選型要求、刀具要求和加工工藝分析，提出了為實現(xiàn)高速加工而采取的一系列措施。

2.切削加工工藝

 

（1）高速加工機床。高速加工要求高速機床具備高性能的主軸單元和冷卻系統(tǒng)、高剛性的機床結(jié)構、安全裝置和監(jiān)控系統(tǒng)以及優(yōu)良的靜動力特性等，具有技術含量高、機床制造難度大等特點。在這個產(chǎn)品的加工中，選用的機床是德國生產(chǎn)的大型龍門五軸加工中心Fooke。這種機床具備了高速加工中對機床的所有要求，機床主軸轉(zhuǎn)速高達15 000r/min，進給速度達到40m/min，機床動態(tài)響應很好。最關鍵的是機床具備主軸油霧內(nèi)切削液系統(tǒng)，切削液選用了美國ITW集團ACCU-LUBE（阿庫路巴）的LB-6000微量油氣潤滑，微量的潤滑油在刀具工作點形成薄薄的油膜，油膜具有很高的表面黏附強度，潤滑油的高潤滑性使刀片在工作過程中減少摩擦，降低切削應力，同時高壓冷卻技術可將切削液精準地導向?qū)嶋H切削區(qū)，更容易地控制加工區(qū)域的溫度，高壓油霧冷卻能有效降低切削中的刀具溫度，使得排屑更為順暢，其優(yōu)勢已經(jīng)彰顯。

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（2）高速加工刀具選擇。刀具材料選擇。高速加工中的刀具在高溫下進行切削工作，同時還要承受切削力、沖擊和振動，因此刀具材料要求具有足夠的強度和韌性、高硬度、高耐磨性和紅硬性等。同時為了便于刀具的制造和成本控制，刀具材料還需要具備良好的工藝性和經(jīng)濟性。常用的刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金、金剛石及立方氮化硼等。在圖1所示的零件加工中，選用的刀具材料為硬質(zhì)合金材料，由于鋁合金屬于比較容易切削的材料之一，但是在高速加工中容易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象。為了避免這一問題，在這個零件的加工中采用的是非涂層刀具，因為非涂層刀具可以比涂層刀具做得更加鋒利，切削鋁合金時的切削力更小，切削過程更順暢，因此可以有效地減少粘刀的問題產(chǎn)生。

 

刀柄的選擇。高速加工中的刀柄選擇適應機床高速、高效的特點，因此刀具在高速下進行切削加工，應具備較高的系統(tǒng)精度、較高的系統(tǒng)剛度及較好的動平衡性。刀具高速切削加工條件下，微小質(zhì)量的不平衡都會造成巨大的離心力，在加工過程中引起機床和刀具的急劇振動，會造成機床和刀具的破壞，因此，高速刀具系統(tǒng)的動平衡顯得尤為重要。為了提高刀具與刀柄的聯(lián)接精度，采用熱裝式的刀具夾緊系統(tǒng)逐漸取代了彈簧夾緊、側(cè)固等系統(tǒng)，如圖2所示的刀柄系統(tǒng)。

 

此刀柄具備了以下優(yōu)點：

 

①很高的同心度。

 

②所傳遞的力矩為液壓夾頭或彈簧夾頭的2～4倍。

 

③刀桿的動平衡性非常好。熱脹系統(tǒng)通常都是利用熱感應線圈使刀柄的夾持部分在短時間內(nèi)加熱，使刀柄內(nèi)徑隨之擴張，此時立即把刀具裝入刀柄內(nèi)，而刀柄冷卻收縮時，即可賦予刀具夾持面均勻的壓力，從而產(chǎn)生很高的徑向夾緊力，將刀具牢牢夾持住。因此，熱脹系統(tǒng)是一種刀具與刀柄間不介入任何物質(zhì)的熱裝刀具夾緊方法，它可解決高速加工中極為重要的平衡、振擺精度及夾持強度等問題。

 

（3）高速刀路優(yōu)化。為了能夠確保最大的切削效率，又保證在高速切削時加工的安全性，使用了UGNX7.5軟件進行零件編程，生成刀具軌跡時考慮了以下幾個方面：

 

采用較小的切削深度和切削寬度，同時采用很高的切削速度和進給速度，可以有效降低切削過程中的切削抗力。

 

應避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以免因局部過切而造成刀具或機床的損壞；應保持刀具軌跡的平穩(wěn)，避免突然加速或減速。

 

殘料加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應采用多次加工或采用大刀具開粗去大部份余料，然后采用小刀具進行清角和精加工，還應減少切削步距以降低切削抗力。

 

刀路編輯優(yōu)化非常重要，避免多余空刀，可通過對刀路鏡像、復制及旋轉(zhuǎn)等操作，避免重復計算；刀路裁剪功能也很重要，可通過精確裁剪減少空刀，提高效率，也可用于零件局部變化時的編程，此時只需修改變化的部分，無須對整個模型進行編程。

 

下刀或行間過渡部分應采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接扎入工件材料；行切的端點采用圓弧連接，避免直線連接；同時精加工時的起刀點應設在邊線端點而不是中點。

 

3.結(jié)語

 

通過分析城軌車輛車體鋁合金大部件高速加工中容易出現(xiàn)的問題，提出解決措施，選擇合適的機床、刀具系統(tǒng)，同時采用了合適的切削參數(shù)，優(yōu)化高速加工的工藝路線，最終高效地完成了該零件的加工。

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