以某深窄腔体零件为例，研发一种高效率、低成本的铣削加工方法，针对零件材料及结构特性进行工艺优化，通过改进工艺流程，选择铣削刀具和加工参数，深腔拐角预处理，以及合理冷却等措施，解决了加工过程中的振动、排屑困难和崩刃等难题，有效提升了刀具寿命及加工效率，节约了生产成本。

PART1序言

深窄腔体零件由于其深腔结构特性，因此在加工时只能选用较大长径比的刀具，加工过程中易产生振动、崩刃等现象，同时存在冷却效果差、排屑困难、加工稳定性差、切削效率低及刀具寿命短等问题，是目前加工制造中的难题之一。

PART 2零件结构及加工中存在的问题

某深窄腔体零件结构及尺寸如图1所示。零件材料为35钢，锻件，外形尺寸为100mm×100mm×220mm，拐角为R8mm，需要加工49mm×80mm、深200mm的通槽及侧壁两方槽。

图1　深窄腔体零件结构及尺寸

加工过程中，需选择多把长度为220mm以上的刀具分别进行粗、精加工，由于刀具悬臂较长，加工过程中振动大，刀具易崩刃，切削深度和进给速度受限。此外，随着铣削深度增加，刀尖冷却及排屑效果逐步递减，切削温度急剧升高，产生让刀和表面加工硬化等现象，致使切削效率较低，刀具寿命短，表面加工质量差，且此产品批量较大，因此如何有效保证加工质量、提高加工效率及节约加工成本是急需解决的难题。

PART 3加工工艺优化

零件侧壁有30mm×75mm、30mm×55mm的方槽，φ46mm圆孔底部有40mm×80mm方槽与深腔贯通，调质前预钻φ40mm通孔。根据零件的结构特征，经过分析认为，可优先加工侧壁两方槽及预钻φ46mm孔为φ45mm，保留精加工余量。这样可保证刀具在切削至方槽圆孔部位的深度时，刀具为空行刀，减少了切削量，不仅可以提高刀具寿命，而且可以提高切削速度。此外，先加工侧壁孔槽可方便加工时排屑，避免因切屑无法排出而导致崩刃、工件表面硬化等一系列问题。

PART 4铣削方式的选择

零件内腔深200mm，材料去除量大，材质较硬，若需保证高效加工，则选对铣削方法尤为重要。经过分析，由于工件为调质件，硬度较高且腔深，不适宜用摆线铣和动态铣，因此可排除这两种加工方案。
插铣法（见图2）在深腔加工方面有一定的优势，是金属加工中实现高切除率最有效的方法之一，其工作原理是改传统的水平进给为轴向插削，使切削力由径向受力转换为轴向受力，即使刀具悬伸较大，仍能保证刀杆有较高的加工刚性，减小加工振动，增加切削稳定性。在插铣试验过程中发现，当切削宽度较大时，材料去除效率高，但加工振动大，刀具易崩刃；若减小切削宽度，则加工效率偏低，且刀具磨损较快。若采用普通合金铣刀进行插铣加工，则刀片寿命低，加工效果差，因而需使用专用插铣刀片。由于此工件切削量大，因此当准备条件有限时，排除此切削方法。但是当零件刚性好，结构、材质合理，以及准备充足、有专用插铣刀具且刀具寿命较高的前提下，采用插铣法可实现深腔零件的高效加工[1-3]。

图2　插铣法示意

在一般加工条件且不具备专用插铣刀具时，结合本零件腔体的结构特点，较为适合采用常规的分层铣削方法进行加工。工件在调质前应预钻出φ40mm孔，作为铣刀加工时的下刀点。依据切削加工经验，对于调质钢件，宜采用小切削深度、高转速和大进给速度的方案加工此深腔，具有较高的加工稳定性及加工效率。

PART 5拐角预处理

由于深窄腔体在加工至内拐角处时，刀具与工件接触面积瞬间增大，致使切削力骤升，极易使刀具折断或崩刃，因此应对腔体拐角处进行预处理。可使用略大于拐角半径的加长钻头进行预钻孔处理，并留余量，从而达到减小拐角处切削力及切削振动的效果。

PART 6刀具的选择

（1）刀具材料的选择　根据深腔铣削加工的特点，需保证刀具有超好的耐磨性和耐热性，同时具有足够的抗弯强度和韧度。国内常用的硬质合金刀具材料中，YG类硬质合金的抗弯强度和冲击韧度较好，适用于切削脆性金属；YT类硬质合金的强度、耐磨性和耐热性均高于YG类硬质合金，但抗弯强度特别是冲击韧度下降较多，易出现崩刃现象；YW类硬质合金具有高韧性、高硬度及高耐磨性，兼有YG和YT类硬质合金的性能，综合性能良好。选用YW类硬质合金可有效提高加工效率和加工质量[4]。
（2）刀具结构的选择　在深腔铣削中，既要考虑刀具的齿数和悬深长度，又要考虑刀具的刚性和容屑空间，以及加工过程中的振动、让刀和磨损问题。基于这些因素，粗铣时应选用大进给立铣刀（见图3），以保证强度及切削效率；精铣时选用可转位直角立铣刀（见图4），用于精铣腔体和清角。

图3　大进给立铣刀 

图4　可转位直角立铣刀

PART 7加工方式的优化

在深腔零件加工中，刀具刚性与切削用量成正比关系，增加刀具刚性能够大幅提高加工精度和加工效率。
1）粗铣分为两步，首先选用φ32mm的常规大进给立铣刀，刀具悬伸115mm，加工至深度110mm处；然后再使用同样直径规格的加长大进给立铣刀，悬伸205mm，加工至110～200mm处，振动和磨损明显改善。
2）深腔加工过程中，分别使用常规大进给立铣刀及加长大进给立铣刀先后粗加工，然后用可转位直角立铣刀精铣腔体及清圆角。考虑到粗铣时使用的两把刀安装、制造及加工时出现的让刀误差等问题，可能会导致加长大进给立铣刀刀杆与加工后的0~110mm槽壁发生干涉，于是将加工尺寸相对第一把刀减少0.1～0.2mm，避免发生干涉，最后再用可转位直角立铣刀分层精加工。
3）加工刀路优化。利用预钻孔作为刀路下刀点，采用圆弧切线进刀、出刀的方式，使刀具平稳柔顺地切入、切出零件，以保证切削力不会发生突变，而切削过程中采用厚进薄出的法则，切入工件时切屑较厚，切出时较薄，即采用顺铣方式切削，能有效降低刀具振动，提高刀具寿命及槽壁表面质量[5]。优化后的加工刀路如图5所示。

图5　加工刀路

PART 8切削参数的优化

切削速度、切削深度和进给速度是影响切削效率的主要因素。依据加工经验，切削速度对刀具寿命影响最大。若切削速度过小，则影响加工效率；若切削速度过大，则影响刀具寿命。进给速度对刀具寿命的影响次之，切削深度对刀具寿命的影响最小[4]。依照加工经验，调试参数的方法大致分为大切削深度、小进给速度和小切削深度、大进给速度两种。可根据刀具厂家提供的切削参数范围进行调试切削。YW硬质合金铣削45钢调质件，切削速度为150～300m/min，进给量为0.15～0.3mm/r，切削深度为0.3～1.2mm。由于切削速度对刀具寿命影响最大，因此对切削速度微量调整，调试切削深度和进给速度。大进给刀具切削参数调试结果见表1。
表1　大进给刀具切削参数调试结果

根据表1结果，针对此刀具材质和零件材料，“小切削深度、大进给速度”的切削方式加工效率更高，刀具寿命更长。试切结果为：大进给切削速度为181m/min，进给速度为2500mm/min，切削深度为0.8mm，此时切削振动明显减少，磨损也趋于正常。当使用加长大进给刀具时，需将进给速度降低为普通刀具的80%。

PART 9冷却技术

在金属切削加工中提高效率的另一关键点是冷却。切削热影响着切屑的形成和排放，如按传统方式冷却，则散热效果差，会加剧刀具磨损和缩短刀具寿命。高压冷却切削技术是指将切削液压力升至特定压力后，精准地喷到所需冷却区域，从而达到快速冷却的目的，其特点是高压切削液将切屑瞬间带走，使零件加工更顺畅，加速降温提高刀具寿命。相较于普通冷却方式，可以小范围提升刀具进给速度和切削深度，提高加工效率。在此切削加工中，采用高压内冷和外部冷却相结合的方式，冷却效果是最佳的。

此次加工选用不带内冷的加工中心，采用切削液和高压风冷相结合的方式，加工时用大流量切削液管对准刀尖，降低温度，起冷却润滑作用。风冷管对准刀具前端，可快速吹走切屑，保证刀具加工顺畅。

PART10研究结果

通过对比试验前后数据发现，调整加工参数和优化工艺流程可有效提高深腔加工效率。在保持其他参数不变的情况下，分别选择不同的切削速度、进给速度和切削深度进行试验，结果表明，当使用大进给刀具粗加工时，切削速度为181m/min、进给速度为2500mm/min且切削深度为0.8mm时，加工效率最高。
通过合理安排工序、选用高效刀具和采用冷却技术等措施，优化工艺流程。对比试验前后数据发现，优化后的加工方法使加工时间缩短45%，刀具使用寿命提高30%，停机时间减少15%，达到专业工具及设备加工深腔类零件的效果（见图6）。

图6　加工效果

PART11结束语

本文以某深窄腔体零件为例，研发一种新的铣削加工方法，解决了加工过程中的振动、排屑困难及崩刃等难题。研究结果表明，金属加工中没有最好的加工方法，只有最适合现状的加工工艺及加工方式，通过优化工艺流程，选用合适的刀具和加工参数，以及合理冷却等措施，普通刀具也可以有效提高数控深腔加工效率。同时，在实际生产中，还需要考虑工件装夹、设备刚性等其他因素的影响。此案例的研究为提高深腔加工效率提供了参考和借鉴。