南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院 馬振武

高速銑削加工是一種全新工藝，具有高效、高精度、高表面質(zhì)量的特點，高速銑削工藝因其突出優(yōu)點在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。國外無論是在理論研究還是工藝推廣方面都比較成熟。國內(nèi)中物院孔金星等[1-8]研究了高速銑削參數(shù)對工件表面質(zhì)量的影響，北理工、南京航空航天大學(xué)等高校在高速銑削機理和刀具的磨損機理、高速銑削數(shù)控系統(tǒng)等領(lǐng)域開展研究并取得了一系列成果。國內(nèi)在航空薄壁件和薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的高速銑削方面非常成功。目前我國的高速銑削工藝還處于起步階段，需要向多領(lǐng)域推廣，把高速銑削的優(yōu)勢展示出來[1,4-6]。

彈殼屬于拉深薄壁件，理論上完全可以應(yīng)用高速銑削工藝對其余量進(jìn)行加工，但是在實例加工時遇到了裝夾的難題。冷凍液固液態(tài)可隨溫度轉(zhuǎn)化，覆蓋凝固時可無痕固定工件。半導(dǎo)體致冷器是一種特種冷源，根據(jù)工作電流的大小和方向就可以確定致冷器的制冷、加熱、恒溫狀態(tài)，加上特殊冷凍液，可組成自動無痕裝夾系統(tǒng)。

本文從工藝篩選、工裝設(shè)計、理論計算到以某型彈殼余量加工為例的試驗加工證明了新工藝的可行性。

1 工藝篩選

某型彈殼材料為H68，σ10≥40%，導(dǎo)電。生產(chǎn)中由于模具的幾何形狀及材料性能等因素的各向異性，經(jīng)過拉深工序后，拉深件的口部不齊且長度不均。為了得到高質(zhì)量的彈殼需要對其余量進(jìn)行加工。

傳統(tǒng)加工工藝主要有：

（1）模具切邊工藝。

模具切邊工藝主要分為聚氨脂橡膠切邊模、浮動式水平切邊模和內(nèi)漲式切邊模幾類。本例彈殼尺寸小，余量去除量少，且底部存在一工藝凸緣，應(yīng)用模具切邊工藝有很大的局限性，準(zhǔn)備周期長，加工結(jié)束后工件口部會出現(xiàn)毛刺，加工質(zhì)量差。模具切邊工藝不適合本例余量加工。

（2）車床精車工藝。

車床車邊工藝比較簡單，精度也較高，設(shè)計了相應(yīng)的夾套并用精密小車床進(jìn)行了試加工，效果不錯，但是切屑進(jìn)入了薄壁件型腔，后續(xù)處理工藝?yán)щy，否則將影響彈藥發(fā)射質(zhì)量，因此該工藝不適合彈殼的余量加工。

（3）電火花線切割工藝。

線切割加工中工件基本不受力，加工精度也比較高，采用線切割機床對彈殼余量進(jìn)行了試切，試加工發(fā)現(xiàn)線切割加工速度很慢，加工結(jié)束后工件表面存在黑色附著物，表面質(zhì)量較差，不符合工藝要求。

2 新工藝的提出

為了解決傳統(tǒng)工藝的裝夾困難、加工質(zhì)量差、加工效率低的問題，提出了一種基于冷凍原理的無痕自動裝夾系統(tǒng)，如圖1所示，主要由高速銑刀、工件、箱體、自動致冷器、工件夾體、隔熱墊圈、特殊冷凍液、底臺組成。

（1）箱體采用鋁合金材質(zhì)，導(dǎo)熱性好，剛度偏小，能夠抵抗冷凍液在凝固過程中產(chǎn)生的微量膨脹，箱體各接觸面平面度小于0.03mm，便于與致冷器粘結(jié)。在與致冷器粘結(jié)之外的表面涂上隔熱層，減少能量損耗。

圖1 裝夾系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of the clamping system

（2）工裝夾體采用重量輕、剛度大的金屬復(fù)合材料制作，利用了該材料的耐腐蝕性、耐磨性、噪音低和減振性好等優(yōu)點。工作時將待加工工件精確定位，避免了工件在冷凍液凝固之前產(chǎn)生的漂浮、傾斜等現(xiàn)象，保證加工精度。

（3）為減少能量損耗，箱體與基座連接處安裝隔熱墊圈。

（4）特殊冷凍液為含有速凍劑、防腐劑、增塑劑、強化劑的特殊溶液，目的在于提高冷凍速度，降低冷凍液脆性，提高工件的機械加工性能。高硬度石蠟同時滿足該工藝需求。

（5）自動致冷器采用螺栓壓縮固定（圖2），安裝時首先將儲冷板、半導(dǎo)體組件、散熱板各安裝面均勻涂上厚度為0.03mm的導(dǎo)熱硅脂，然后將半導(dǎo)體組件的熱面和散熱板的安裝面、半導(dǎo)體組件的冷面和儲冷板的安裝面平行接觸，擠壓過量的導(dǎo)熱硅脂，確保各工作面接觸良好，再用螺栓將散熱板、半導(dǎo)體組件、儲冷板3者緊固。

（6）高速銑刀（圖3）設(shè)計為底部切斷刀片加四周碎屑刀齒組合形式，切斷刀片直徑比碎屑部分直徑大1mm左右。刀具在進(jìn)行切削時，切斷刀片預(yù)先在軸向切斷余量，然后由碎屑刀齒部分將分離余量部分切碎。

操作過程為：工件精確定位→冷凍液注入→致冷器凝固冷凍液→致冷器切換恒溫→高速銑削→致冷器切換加熱→融化→斷開致冷器電源→冷凍液排出→取出工件→工件熱水浴。

3 設(shè)計計算

3.1 致冷器功率設(shè)計計算

技術(shù)要求：給定使用環(huán)境溫度Th=T1，被冷卻物體所達(dá)到的最低溫度Tc= T2，由熱能計算公式得：

圖2 自動制冷器Fig.2 Automatical refrigerator

圖3 高速銑刀Fig.3 High speed milling cutter

式中：P理論為理論制冷功率 ；c為冷凍液比熱容；m為冷凍液質(zhì)量m=ρV，kg,其中，ρ為冷凍液密度，V為冷凍箱體積；dT為冷凍液溫度變化；t冷凍過程所需時間；

式中，α為熱損失系數(shù)。由公式（1）根據(jù)冷凍箱的尺寸可查得致冷器的功率，匹配相應(yīng)的致冷器件。

在箱體尺寸一定，致冷器功率一定的工況下可得：

由公式（2）可以得到下述結(jié)論：

（1）冷凍時間的長短與損失功率的大小有關(guān)，熱損失系數(shù)越大所需冷凍時間越長。本設(shè)計中采用導(dǎo)熱硅膠加速傳熱，絕熱墊圈減少熱量損失的方法來減小熱損失系數(shù)以縮短冷凍時間。

（2）冷凍時間的長短與冷凍液的密度、比熱容大小有關(guān)。本設(shè)計中冷凍液為含有速凍劑、防腐劑、增塑劑、強化劑的水質(zhì)溶液，縮短了冷凍時間。

3.2 裝夾性能分析

如圖4所示，有銑削力Fa，冷凍液與各面結(jié)合力Fb，夾體裝夾力Fc，重力G，工件內(nèi)外擠壓力Fd、Ff，根據(jù)靜力學(xué)原理，物體處于平衡狀態(tài)時作用在物體上的力對任意軸取矩的代數(shù)和為0[9]。Z軸垂直平面內(nèi)建如圖4所示坐標(biāo)系，則：

銑削合力Fa與X、Y軸相交，則：

因此, 由∑Mz= 0對Z軸取矩得：

Fb Lb+Fc Lc+GLG+Fd Ld+Ff Lf-Fa La= 0，

式中，La為銑削力Fa與Z軸的距離，Lb為冷凍液結(jié)合力Fb與Z軸的距離，Lc為夾體裝夾力Fc與Z軸的距離，LG為重力G與Z軸距離，工件內(nèi)外擠壓力Fd、Ff與Z軸的距離為Ld、Lf。且Fd、Ff大小相等方向相反，則：

Fa La=Fb Lb+Fc Lc+GLG。

加工過程中，工件同時受到拉應(yīng)力跟剪應(yīng)力的作用（設(shè)固態(tài)冷凍液抗拉、抗剪結(jié)合系數(shù)分別為λ和μ）。由在相同的條件下抗拉結(jié)合力大于抗剪結(jié)合力[10]，有：

Fa La≤μA+Fc Lc+GLG，

式中：A為工件面積。據(jù)此可把銑削力控制在一定范圍內(nèi)，不致破壞冷凍液損傷工件，保證足夠的加工精度。

圖4 工件受力圖Fig.4 Force diagram of workpiece

4 高速銑削理論

4.1 銑刀參數(shù)對銑削力的影響

由金屬切削理論可知，立銑時，銑削寬度：bD=ap，銑削厚度：hD=fzcosθ。

式中：aP為切削深度mm；fz為每齒進(jìn)給量，mm/z；θ為刀具切削刃位置角。

銑削合力為

主切削刃法向剖面力：Fn=Fasin（β-λ0）；Ft=Fa·cos(β-λ0)

Fn，F(xiàn)t轉(zhuǎn)化為刀具x，y，z3 方向的銑削力：

式中：τ為剪切面上的剪應(yīng)力；β為前刀面與切屑間的摩擦角；λ0為刀具前角；φ為刀具剪切角；λs為刀具主切削刃傾角。

由式（4）知：

（1）銑削力大小與銑刀刀齒所在位置有關(guān)，銑刀參數(shù)對銑削力影響很大。

（2）可根據(jù)生產(chǎn)的批量和質(zhì)量選取最佳銑刀參數(shù)甚至特制銑刀。

本例為切削材料短和余量小的薄壁件，使用了密齒面銑刀，銑削平穩(wěn)。

4.2 銑削速度對銑削力的影響

真實切應(yīng)力τ與應(yīng)變ε的關(guān)系為：τ=τsεn[6]，其中τs為材料的剪切屈服強度，n為材料的強化系數(shù)。

代入公式（3）得：

公式（5）可知銑削合力 與工件的材料屬性、銑床銑削用量、銑刀參數(shù)相關(guān)。

由金屬切削原理，

μ = εn(cotφ+tan(φ+β-γ0))=aBk+b，可以得到：

式中，a、b為與工件、刀具材料相關(guān)的參數(shù)，Bk為金屬切削變形系數(shù)。

切削變形系數(shù)Bk是大于1的數(shù)，當(dāng)切削速度大于工件材料的V0后，隨著切削速度的增大Bk會逐漸減小直至接近常數(shù)B0[8]。由公式（6）可知在fz和ap確定后，在一定范圍內(nèi)選取較高的銑削速度，可以減小Ft，減小工件變形和工件夾持力，降低表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。

在一定范圍內(nèi)，工件夾持力隨致冷器制冷溫度的降低而增大，銑削用量的選取需考慮工裝的夾持性能。銑削用量選取不當(dāng)，銑削力過大，會致使夾持失敗。因此，要使各向切削力最小，必須提高切削速度，選用高速銑削工藝。

5 應(yīng)用實例

薄壁件剛度低，如果固持不當(dāng)，易造成裝夾變形。由于現(xiàn)有工藝的局限性, 只能通過犧牲加工效率來得到滿意的加工質(zhì)量。利用新的固持方法結(jié)合高速銑削工藝,解決了這個問題，實現(xiàn)了薄壁件余量的高效高質(zhì)加工。

本例設(shè)計裝夾系統(tǒng)箱體尺寸1000×1000×50，箱體四側(cè)串聯(lián)28個TEC1-12712（最大電流12.0A ；最大溫差67℃；最大電壓15.4V；最大功率100W；尺寸50.0mm× 50.0mm×3.8mm）制冷組件，控制和供電系統(tǒng)選用天津精易工貿(mào)生產(chǎn)的控制電源。設(shè)計數(shù)量為10000件。

高速銑削參數(shù)選用：n=22000r/min，ap=1.6mm，ae=0.5mm，fz=0.5mm/齒。T1=17℃、T2=-15℃，密排100個彈殼，試加工時間（冷凍、加工、加熱）為33min。分析是對產(chǎn)品測量得L =14.01mm，圓柱度公差為0.050，表面粗糙度Ra為0.6μm，平端面t=19.8s/個，符合要求。

6 結(jié)論

本文研究設(shè)計了一套無痕自動裝夾系統(tǒng)，實現(xiàn)了薄壁工件的批量裝夾；從金屬切削理論角度分析了選用高速銑削工藝的必要性；介紹了彈殼余量加工工裝設(shè)計參數(shù)和銑削參數(shù)的選取，可為同類工件加工提供借鑒；冷凍液濾去切屑可重復(fù)利用，加工成本低，對設(shè)備進(jìn)行少量改裝即可對同類工件進(jìn)行加工，工藝適應(yīng)范圍廣。其不足之處有：工件的裝夾及定位靠手工操作，人為因素影響較大，裝夾自動化方面需要深入研究;加工效率受環(huán)境溫度和工件尺寸影響，數(shù)值波動較大;致冷器各級制冷參數(shù)與高速銑削參數(shù)互相制約，在裝夾系統(tǒng)與高速銑床配套方面需要深入研究。

[1] 柯映林，金成柱，劉剛. NOMEX 蜂窩芯高速銑削加工工藝的優(yōu)化 .中國機械工程，2006(12)：93-96.

[2] 賈廣杰.薄壁殼體石蠟填充高速加工法.新技術(shù)新工藝 ,2009(3)：4-6.

[3] Kug W K，Hyo-Chol S．Tte element method and thermoviscoplastic cutting model in manufacuaing systems．NewYork：CRC Press,2001：24-30．

[4] 武凱,何寧,姜澄宇,等．立銑空間力學(xué)模型分析研究．南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2002，34(6)：553-556.

[5] 李尚政,劉宏,張日升. 弱剛度件精密加工技術(shù)研究.機械制造 ,2002(11)：33-35.

[6] 孔金星,雷大江,岳曉斌,等.高速銑削參數(shù)對工件表面質(zhì)量的影響. 機床與液壓,2007(2)：80-82,85.

[7] 張雷.高速銑削力學(xué)模型．煤礦機械,2002(11)：39-41.

[8] 周澤華.金屬切削原理.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1993.

[9] 周照宣，周起釗，殷金生.理論力學(xué).北京：北京大學(xué)出版社,1982.

[10] 李文彬.電子冷凍切削加工.北京：兵器工業(yè)出版社,1987