选择更加合理的刀具可以直接提高生产效率。铝合金材料的切削加工对刀具材料要求不高，一般采用硬质合金铣刀即可，涂层可使用无涂层或金刚石涂层。在粗加工中由于不必考虑精度及质量问题，可以最大限度高效切除金属材料，因此可以选择大直径刀具，减少走刀次数，缩短走刀时间。另外，在粗加工中尽量选择密齿刀具替代疏齿刀具，可以增加每转进给量，在相同的转速下切削速度可以得到增加。在精加工中，除了考虑材料高效去除的问题，还应充分考虑薄壁构件在切削中受力变形控制问题。航天铝合金薄壁件精加工宜选用K系列硬质合金刀具（相当于我国原钨钴类，主要成分为WC+Co，代号为YG）。刀具前角不能太小，否则增大了切削变形和摩擦力，前刀面磨损加大，降低刀具使用寿命。切削试验表明：在高速铣削AlCuMgPb时前角每减少1°，则切削力增加1%。为此一般推荐使用γ0为12°左右。刀具后角的选取会影响刀具刚度，为了减少刀具和工件之间的摩擦，后角一定要选得大一些，必要时可采用双倒棱后角，在增大后角的同时保证刀具刚度。刃倾角影响了切屑流出的方向和各切削分力的大小，在铝合金切削时宜选用较大的刃倾角。在高速铣削铝合金时，一般推荐使用λs为20°~25°。此外，刀尖圆弧半径的选择应适当，刀齿不能太密，便于切屑排出，有利于进给量进一步提高，防止冷作硬化层，延长刀具使用寿命。

2.2、走刀轨迹

提速增效中一个较为有效的方法就是优化走刀轨迹，在高速切削时要保证刀位路径的方向性,即刀具轨迹尽可能简化,少转折点,路径尽量平滑,减少急速转向；应减少空走刀时间,尽可能增加切削时间在整个工件中的比例；应尽量采用回路切削,通过不中断切削过程和刀具路径,减少刀具的切入和切出次数，获得稳定、高效、高精度的切削过程。

在航天整体结构件的大型复杂曲面高速切削加工中,曲面曲率变化大时,应以最大曲率半径方向作为最优走刀方向,如图5所示；曲面曲率变化小时,曲率半径对走刀方向的影响减弱,宜选择单条刀轨平均长度最长的走刀方向,如图6所示。

图5  小曲率半径曲面的走刀路径

图6  大曲率半径的曲面走刀路径

在斜面加工时，若采用图7所示的横向水平走刀，每一段走刀距离都很短，在切削过程中主轴需要频繁换向，切削稳定性差，且由于切削的是斜面，水平走刀需要X或Y轴与Z轴的联动，不利于切削速度的提升。因此，针对此类斜面加工，走刀轨迹尽量安排为平行于最长斜边（见图8），不但走刀轨迹最长、换向次数最少，而且单道走刀都只是在XY平面运动切削，Z轴方向运动都是安排在工件轮廓之外的位置，即使在高速切削下亦可减小刀具损伤。

图7  横向水平走刀轨迹

图8  斜向平行走刀轨迹

2.3、切削参数

在粗加工时，一般可选择大进给量与适当大的切削深度并配以中等切削速度的“大功率”高效切削，更能达到高材料切除率，从而极大提高生产效率。而对于精加工来说，只有提高转速和增大齿数是可行的，而增大每齿进给量可能会降低表面精度，产生残余应力导致变形。所以往往通过高切削速度、低每齿进给量的“轻切快切”来保证生产效率的提高和产品的精度及表面质量。

切削参数可通过切削加工有限元分析和切削加工试验最终确定：利用Third Wave AdvantEdge 软件，针对不同工艺参数下的机床主轴功率与扭矩需求，进行了仿真分析运算，获取机床主轴能够很好地满足产品高速加工工艺需求的主轴转速、每齿进给量和切削深度等要素的可选范围。为切削试验参数选择提供指导性建议。

在Third Wave AdvantEdge软件内，通过新建任务，完成工件材料、刀具材料及涂层、刀具结构参数、切削用量的设定，进行仿真，获取某一切削用量下切削扭矩需求曲线图。根据曲线图显示数据确定在当前的切削用量下，切削功率及切削扭矩的最大需求，比对机床实际性能参数（电主轴扭矩、功率图）即可确定工艺参数的符合性。

例如，最高转速24000r/min的加工中心进行2219铝合金薄壁结构件高速粗铣加工，采用可转位刀具搭配无涂层细晶粒硬质合金刀片，选用φ25mm、φ32mm两个水平的刀具直径，进行仿真计算，结果如表1所示。其中，编号24-1刀具直径25mm，刀齿数3，主轴转速6000r/min，每齿进给量0.15mm/z，切削深度1.5mm。

表1  高速铣削粗加工的功率和扭矩仿真计算结果

（1）功率需求如图9所示。

图9  编号24-1切削用量下切削功率需求

（2）扭矩需求如图10所示。

图10  编号24-1切削用量下切削扭矩需求

从图9和图10可以看出，在当前的切削用量下，切削功率的最大需求为7kW，切削扭矩需求为11N·m。机床主轴最大转速为24000r/min的龙门高速加工中心在6000r/min时的最大功率输出为42kW（额定工作条件S1），最大输出扭矩为67N·m（额定工作条件S1），能够满足当前的加工需求。

通过对8组仿真结果确认可以发现，为了使机床的加工功率和扭矩能够满足切削加工用量的要求，必须合理选择刀具和切削用量，如表2所示。

表2  机床功率与扭矩需求分析

现有的龙门数控加工中心，机床主轴最高转速达24000r/min，在薄壁壁板的粗加工过程中，若选用φ25mm或者φ32mm可转位式刀具，对于切削用量的优化，主轴转速应适当提高，选择范围为12000~15000r/min；每齿进给量和切削深度不应过大，可选择范围分别为0.15mm/z和2~3mm。

在有限元分析所得参数可选范围内即可设计切削试验，以切削效率、表面粗糙度、加工表面形貌为评判标准，最终选取最优切削参数。

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