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鋁合金因質量輕、比強度高，已成為理想的結構材料，廣泛用于、鐵道車輛、動力機械及航空工業等方面。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、高剛性的機床結構、安全裝置和監控系統以及優良的靜動力特性等，具有技術含量高、機床制造難度大等特點。在這個產品的加工中，選用的機床是德國生產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，機床主軸轉速高達15 000r/min，進給速度達到40m/min，機床動態響應很好。最關鍵的是機床具備主軸油霧內切削液系統，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實際切削區，更容易地控制加工區域的溫度，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，其優勢已經彰顯。

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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濟性。常用的刀具材料有高速鋼、硬質合金、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生粘刀現象。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，應具備較高的系統精度、較高的系統剛度及較好的動平衡性。刀具高速切削加工條件下，微小質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，高速刀具系統的動平衡顯得尤為重要。為了提高刀具與刀柄的聯接精度，采用熱裝式的刀具夾緊系統逐漸取代了彈簧夾緊、側固等系統，如圖2所示的刀柄系統。

 

此刀柄具備了以下優點：

 

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。熱脹系統通常都是利用熱感應線圈使刀柄的夾持部分在短時間內加熱，使刀柄內徑隨之擴張，此時立即把刀具裝入刀柄內，而刀柄冷卻收縮時，即可賦予刀具夾持面均勻的壓力，從而產生很高的徑向夾緊力，將刀具牢牢夾持住。因此，熱脹系統是一種刀具與刀柄間不介入任何物質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，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。

 

刀路編輯優化非常重要，避免多余空刀，可通過對刀路鏡像、復制及旋轉等操作，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的問題，提出解決措施，選擇合適的機床、刀具系統，同時采用了合適的切削參數，優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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