高速切削加工技術(shù)在航空薄壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

由于現(xiàn)代飛機高性能的要求，其結(jié)構(gòu)具有輕量化、薄壁化和整體化的特點，并且為滿足飛機裝配以骨架零件為定位基準(zhǔn)的要求，零件須實現(xiàn)精確加工，作到具有較高的精度和表面質(zhì)量。傳統(tǒng)的低速加工方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代航空制造的需要。根據(jù)國外的發(fā)展趨勢，同時結(jié)合航空制造技術(shù)發(fā)展的實際需求，應(yīng)用高速切削加工技術(shù)成為現(xiàn)代航空制造業(yè)的必然選擇。為此，成飛近年來進行了較為深入的應(yīng)用研究，已經(jīng)較為成功的在薄壁結(jié)構(gòu)零件加工中廣泛應(yīng)用了高速切削加工技術(shù)。  
   高速切削加工技術(shù) 
　　高速切削加工技術(shù)的定義 
　　高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。由于不同的加工工序、不同的工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速切削的速度范圍給定一個確定的數(shù)值。對于不同的材料，一般認(rèn)為灰鑄鐵的高速切削速度是800-3000m/min、鋼件為500-2000m/min、鈦合金為100-1000m/min、鋁合金為1000-7000m/min。 
　　高速切削，首先是高的速度，即高的主軸轉(zhuǎn)速，另一方面，又應(yīng)有高的進給速度，為了提高效率，機床還要具有快速移動、快速換刀、高的主軸加速度和進給加速度，只有達(dá)到了上述標(biāo)準(zhǔn)才能稱之為高速。通常情況下，行業(yè)內(nèi)將主軸轉(zhuǎn)速S>7000rpm，切削進給速度10000mm/min以上的銑削加工，稱為高速切削加工。
　　航空薄壁結(jié)構(gòu)的定義 
　　在飛機結(jié)構(gòu)零件中，按照其在飛機上承載的狀況和結(jié)構(gòu)特征將飛機骨架零件分為框類、梁類、接頭類、壁板類、肋類等類型，其典型定義如下表： 

　　高速切削加工薄壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性 

　　高速切削加工薄壁件相對傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性：切削力小，加工薄壁類零件時工件產(chǎn)生的讓刀變形相應(yīng)減小，易于保證零件的尺寸精度和形位精度。切削熱對零件的影響減少，零件加工熱變形小，這對于控制薄壁件的熱變形非常有利。加工精度高，刀具切削的激勵頻率遠(yuǎn)離薄壁結(jié)構(gòu)工藝系統(tǒng)的固有頻率，保證了較好的加工狀態(tài)，實現(xiàn)了平穩(wěn)切削，證了零件的精度和表面粗糙度。加工效率高，比常規(guī)加工高5~10倍，單位時間材料切除率可提高3~6倍。 
高速切削加工薄壁結(jié)構(gòu)的策略 
　　高速切削加工薄壁結(jié)構(gòu)對切削刀具、切削用量、工藝方案、數(shù)控編程等方面提出了新的要求。
 
　　刀具及其夾持系統(tǒng) 

　　刀具結(jié)構(gòu)的選擇原則 
　　對于機夾式刀片刀具，由于刀片螺旋角很小，無法形成大的螺旋角，所以真正要加工高質(zhì)量的薄壁結(jié)構(gòu)件，不采用機夾式刀具用于高速切削。 
　　對于整體式硬質(zhì)合金銑刀和焊接式硬質(zhì)合金銑刀，除了焊接式硬質(zhì)合金應(yīng)保證焊接的牢固性外，刀具制造應(yīng)該符合下列要求： 
　　　◆ 具有匹配的刀具幾何角度：較大的前角和后角以及適中的螺旋角； 
　　　◆ 合理的短刃長桿結(jié)構(gòu)； 
　　　◆ 側(cè)齒、底齒完全對稱； 
　　　◆ 采用圓柱柄，無削平結(jié)構(gòu)； 
　　　◆ 刀體臺階部位采用圓角過度； 
　　　◆ 較高的表面粗糙度； 
　　　◆ 設(shè)計的切削刃幾何形狀必須考慮高速切削條件下切屑生成特性； 
　　　◆ 為提高剛度，盡可能增加刀具中心的尺寸； 
　　　◆ 排屑性好。 

　　刀具材料選擇及切削速度要求 

　　高速切削刀具材料必須耐磨、抗沖擊能力好（包括熱沖擊與力沖擊）、硬度高、與工件材料親和力??；高速切削的刀具材料必須根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)來選擇；一般情況下，高速切削不使用高速鋼刀具，多采用硬質(zhì)合金刀具；由于短時間切削后刀尖圓弧半徑與前刀面接觸區(qū)的涂層出現(xiàn)脫落，涂層硬質(zhì)合金實際效果與無涂層硬質(zhì)合金相似，故不推薦采用涂層刀具。 
　　由于刀具在高速切削時產(chǎn)生極大的離心力，飛濺的切屑和崩刃以及變松的刀具夾緊系統(tǒng)都具有很高的動能，另外加工過程中還存在軸向動態(tài)力，故刀具應(yīng)嚴(yán)格在其安全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用。 

　　刀具夾持系統(tǒng)選擇
 
　　刀具夾持系統(tǒng)——刀柄是高速切削時的一個關(guān)鍵部件，起著傳遞機床精度和轉(zhuǎn)矩的作用。刀柄的一端是機床主軸、另一端是刀具。高速切削薄壁結(jié)構(gòu)時刀柄必須具備高速加工刀柄的一切要求，譬如：好的動平衡特性、很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度、很高的裝夾剛度等要求。 
　　目前刀柄與主軸的聯(lián)接在大多數(shù)高速切削機床上以圓錐空心柄（HSK）為主。此外，通過熱脹冷縮原理而工作的熱縮套刀夾系統(tǒng)以其優(yōu)越的特性在成飛也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
 
　　切削用量 

　　合理切削參數(shù)的選擇，不僅確保薄壁結(jié)構(gòu)加工的高精度，而且是高速機床發(fā)揮效能、處于最佳工作狀態(tài)的保證。因此切削量要根據(jù)機床剛性、刀具直徑、刀具長度、工件材料、粗加工或精加工模式而定。 
　　根據(jù)成飛關(guān)于飛機鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件高速、超高速低切削力銑削等一系列切削試驗數(shù)據(jù)并參考國外資料，總結(jié)各切削用量的選取原則如下： 
　?。?）切削速度v 加工鋁合金的切削速度是沒有限制的。從理論上講，采用較高的切削速度，可以提高生產(chǎn)率，可以減少或避免在刀具前面上形成積屑瘤，有利于切屑的排出。銑削速度的提高無疑會加劇刀具的磨損，但是，銑削速度的提高可以有效地提高單位時間單位功率的金屬切除率，同時在一定的高速切削速度范圍內(nèi)可以提高工件表面加工質(zhì)量。對于大量的航空鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)（壁厚1.0～1.5左右）的零件，切削速度以切削力為基準(zhǔn)選擇。高速切削薄壁時，在徑向切深ae不變的情況下，徑向切削力隨速度基本不變，意味著可選擇的切削速度范圍很大，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，可以在轉(zhuǎn)速12000～22000rpm選擇。 
　?。?）進給量fz 加大進給量fz無疑會增加切削力，這顯然對薄壁加工不利。故精加工時，不選擇大的fz，但fz過小也是有害的，因為fz過小時，擠壓代替了切削，會產(chǎn)生大量切削熱，加劇刀具磨損，影響加工精度。所以，精加工時，應(yīng)選取較適中的進給量，一般可以選擇在0.1mm/z～0.2mm/z之間。 
　?。?）軸向切深ap與徑向切深ae 無論從力的角度，還是考慮到殘余應(yīng)力、切削溫度等因素，采用小軸向切深ap大徑向切深ae顯然是有利的，這是高速切削條件下切削參數(shù)選擇原則。對于薄壁結(jié)構(gòu)的側(cè)壁加工，小ap條件下顯然產(chǎn)生的徑向力小，而且在ap小的情況下，一定范圍內(nèi)ae的增加并不會增大薄壁變形，這樣就可以取較大的ae進行加工；對于薄壁結(jié)構(gòu)的腹板加工，最后一刀采用大的ap可以提高加工系統(tǒng)剛度，減小腹板變形，所以，加工腹板時應(yīng)選取較大ap進行加工。一般情況下，軸向切深ap可在2～10mm之間選擇，徑向切深ae可在0.5～0.9D之間進行選擇。 
　　切削用量，要針對不同的加工對象，需要編程人員選擇合理的刀具運動軌跡，優(yōu)化切削用量，根據(jù)需要選擇適合的切削速度，只有這樣才能真正發(fā)揮高速切削技術(shù)的長處。成飛經(jīng)過近幾年的探索研究，通過大量的切削試驗，建立了符合設(shè)備、刀具、產(chǎn)品特點的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在軍機、民機轉(zhuǎn)包項目等數(shù)控加工中得到了良好的應(yīng)用。
 
    高速切削薄壁結(jié)構(gòu)典型工藝方案 

　　航空薄壁結(jié)構(gòu)零件按其工藝、結(jié)構(gòu)特點，可分為框類、梁類、壁板類等類型。在大量應(yīng)用高速切削技術(shù)進行的薄壁結(jié)構(gòu)零件加工中，總結(jié)形成了典型工藝方案。 
　　梁類零件工藝方案 
　　結(jié)構(gòu)特點：梁類零件分為單面及雙面，該類零件外形上多處涉及機身理論外型，零件腹板與緣條厚度均較小，一般為1.5～2mm左右，最小處僅1.5mm，尺寸公差為±0.15mm，材料切除率達(dá)到96%左右。 
　　工藝方案：裝夾，零件都為臥式放置，采用兩孔一面定位，兩個工藝孔設(shè)置在工藝凸臺上，定位狀態(tài)較好。在零件周圍設(shè)置壓緊槽，操作工人只需在加工前壓緊零件壓緊槽，無須再在加工過程改變零件的裝夾狀態(tài)。 
　　工藝路線：采用高速加工機床，由于高速切削加工技術(shù)具有高轉(zhuǎn)速、快進給、輕切削的特點，從而使加工后出現(xiàn)的零件變形得到了較好地控制，因此將粗加工、半粗加工和精加工合并為一道工序，基本實現(xiàn)從毛坯到零件的一次性加工。
 
　　框類零件工藝方案 

　　結(jié)構(gòu)特點：該類零件外形上多處涉及理論外型，內(nèi)形有槽、下陷、開閉斜角、凸臺等制造特征。零件腹板與緣條厚度均較小，一般為1.2～2mm左右，尺寸公差為±0.15mm。材料切除率達(dá)到97%左右。 
　　工藝方案：裝夾，零件都為臥式放置。零件采用兩孔一面定位，兩個工藝孔設(shè)置在工藝凸臺上，由于零件的大部分筋條在同一高度，擬以筋條面定位。由于在零件較大，裝夾拆卸不方便，采用墊板工裝，零件周邊設(shè)工藝凸臺，并在工藝凸臺上制沉頭壓緊孔，墊板上制螺紋孔，用沉頭螺栓壓緊固定在墊板工裝上。 
　　工藝路線：采用高速切削加工技術(shù)，將粗加工、半粗加工和精加工合并為一道工序，以實現(xiàn)從毛坯到零件的一次性加工。 

　　壁板類零件工藝方案 

　　結(jié)構(gòu)特點：零件為雙面槽腔結(jié)構(gòu)，無飛機外形，數(shù)控加工后還需噴丸成形。內(nèi)形包括有槽、下陷、凸臺等幾何特征。零件厚度較薄，槽腔較淺，大部分槽深小于3mm， 零件腹板厚度不均勻，一般為1.5～3mm左右。尺寸公差為±0.2mm。材料切除率約90%。 
　　工藝方案：裝夾，由于該類零件在立式機床上完成加工，因此零件都為臥式放置。由于零件薄，加工過程中極易因余量去除不均而產(chǎn)生加工變形；且總體結(jié)構(gòu)上缺少定位夾緊部位，同時為了減少加工時的零件變形而引起的腹板厚度超小，采用真空吸附加工。 
　　工藝路線：采用高速切削加工技術(shù)，將粗加工、精加工合并為一道工序，加工順序的選擇是先加工槽少的一面，加工完此面后在槽腔內(nèi)填充石膏，作翻面加工的定位基準(zhǔn)，均采用真空吸附加工。
 
    高速切削薄壁結(jié)構(gòu)的程編策略 

　　高速切削對CAM的要求 
　　高速加工的編程方式及方法必須與高速加工的工藝方法有機結(jié)合，這就對高速加工的CAM提出了更高的要求。高速加工的CAM必須滿足以下條件： 
　　　◆ 恒定的切削條件； 
　　　◆ 保證最大和穩(wěn)定的切削速度； 
　　　◆ 避免任何刀軸移動加速度的不連續(xù)和突變； 
　　　◆ 刀具運動時保持恒定的主軸進給，產(chǎn)生相同體積的切削； 
　　　◆ 刀具長度與直徑比最好小于10； 
　　　◆ 減少無切削移動； 
　　　◆ 無垂直方向的跳動； 
　　　◆ 無切削方向的劇變； 
　　　◆ 在保證插值公差的前提下，盡可能減少段數(shù)； 
　　　◆ 提供高度連續(xù)的光順刀位數(shù)據(jù)。 
　　　◆ 自動過切（殘余）保護功能。 
　　　◆ 系統(tǒng)能提供仿真驗證的功能。 

　　高速切削對切削軌跡的要求 

　　高速加工工藝的核心是盡可能保證加工過程的連續(xù)性，使刀具在一次銑削加工過程中時時處于進給運動狀態(tài)，采用光滑的進、退刀方式、采用光滑的移刀方式與采用光滑的轉(zhuǎn)彎走刀。CAM通過特殊的編程方式和方法來滿足高速切削的要求，具體通過切削軌跡來實現(xiàn)。以下分別闡述針對不同的高速加工要求的切削刀軌和驅(qū)動方法。 
　　采用螺旋線驅(qū)動方法編程，刀具進入材料盡可能采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進行銑削，以保證恒定的切削條件；爬坡采用單向加工，而不采用“之”字加工，避免逆銑，防止徑向跳動；減少刀具退出和重新進入材料的次數(shù)，維持刀具穩(wěn)定的切削狀態(tài)，保持切削厚度均勻；精加工時拐角等曲率變化和切深變化較大的部分要預(yù)先處理，使之留下與其他部分相同的余量；切削軌跡無突變，在刀軌轉(zhuǎn)折處采用無尖角刀具軌跡；粗加工要重視形狀的準(zhǔn)確性，而不是簡單的去除材料，保證后續(xù)工序加工余量均勻。余量和切削用量要與切削參數(shù)相結(jié)合，選用合理的切削參數(shù)；避免切削余量突變，余量增加時，應(yīng)降低進給速度，因為負(fù)荷的變化，會引起刀具的偏斜，從而降低加工精度、表面質(zhì)量和縮短刀具壽命；采用分層切削；有凸臺的部位先清根，避免刀具頻繁碰撞凸臺；通過NURBS曲線編程，既保證了插值公差，又可減少程序段數(shù)（前提是機床控制系統(tǒng)支持NURBS曲線的插值計算）。