隨著飛機(jī)性能要求的進(jìn)一步提高，現(xiàn)代航空工業(yè)中大量使用整體薄壁結(jié)構(gòu)零件。其主要結(jié)構(gòu)由側(cè)壁和腹板組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、尺寸較大、加工余量大、相對(duì)剛度較低, 故加工工藝性差。在切削力、切削熱、切削振顫等因素影響下，易發(fā)生加工變形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工變形和加工效率問(wèn)題成為薄壁結(jié)構(gòu)加工的重要約束。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)銑刀的特殊結(jié)構(gòu)與機(jī)床特性, 通過(guò)大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究建立若干種動(dòng)、靜態(tài)銑削模型，利用有限元技術(shù)模擬分析刀具和工件的加工變形，并由此提出了一些有效的銑削方法，使薄壁件的加工技術(shù)有了一定的突破。本文概述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于薄壁結(jié)構(gòu)的高效銑削加工技術(shù), 并進(jìn)行了分析討論。
1 薄壁結(jié)構(gòu)的側(cè)壁加工
充分利用零件整體剛性的刀具路徑優(yōu)化方案
應(yīng)用高速切削技術(shù)加工薄壁零件的關(guān)鍵在于切削過(guò)程的穩(wěn)定性。大量的實(shí)驗(yàn)工作證明, 隨著零件壁厚的降低, 零件的剛性減低, 加工變形增大, 容易發(fā)生切削振顫，影響零件的加工質(zhì)量和加工效率。J. Tlusty等人提出了充分利用零件整體剛性的刀具路徑優(yōu)化方案。其思想在于在切削過(guò)程中, 盡可能的應(yīng)用零件的未加工部分作為正在銑削部分的支撐，使切削過(guò)程處在剛性較佳的狀態(tài)。
   
(a) (b) 圖2 單軸銑削示意圖 圖3 雙軸銑削示意圖
圖1 薄壁( 側(cè)壁) 加工示意圖
如圖1所示，對(duì)于側(cè)壁的銑削加工，在切削用量允許范圍內(nèi)，采用大徑向切深、小軸向切深分層銑削加工，充分利用零件整體剛性(見(jiàn)圖1(a))。為防止刀具對(duì)側(cè)壁的干涉，可以選用或設(shè)計(jì)特殊形狀銑刀，以降低刀具對(duì)工件的變形影響和干擾( 見(jiàn)圖1(b))。
對(duì)于較深的型腔和側(cè)壁的高效銑削加工，J. Tlusty等人在研究動(dòng)態(tài)銑削的基礎(chǔ)上，提出合理的大長(zhǎng)徑比刀具可以有效的解決該類問(wèn)題。在較高的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和功率狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)整刀具的懸伸長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整機(jī)床—刀具—工件工藝系統(tǒng)的自然頻率，利用凸角穩(wěn)定效應(yīng)(stability of lobe effects)，避開可能的切削振動(dòng)，可用較大的軸向切深銑削深腔和側(cè)壁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有較大的金屬去除率和較高的表面完整性。
平行雙主軸加工方案
平行雙主軸加工方案由日本巖部洋育等人提出。由于銑削力的作用，工件的側(cè)壁會(huì)產(chǎn)生“讓刀”變形(見(jiàn)圖2)，因此，應(yīng)用一個(gè)立銑刀很難實(shí)現(xiàn)薄壁零件的高精加工。常規(guī)的小進(jìn)給量和低切深的方法雖然可以滿足一定的加工精度, 但是效率比較低。平行雙主軸方案可以有效的解決單一主軸加工零件的變形問(wèn)題。該方法需要同時(shí)應(yīng)用兩個(gè)回轉(zhuǎn)半徑、有效長(zhǎng)度及螺旋升角大小相同的立銑刀, 刀刃分別為左旋和右旋(見(jiàn)圖3)。采用平行雙主軸加工方案,由于工件兩側(cè)受力為對(duì)稱力, 所以除了微量的刀具變形引起的加工誤差以外, 工件的加工傾斜變形基本上可以消除。
采用平行雙主軸加工薄壁零件, 有效的控制了薄壁零件的加工變形問(wèn)題, 零件的加工精度和加工效率顯著提高, 可以應(yīng)用于簡(jiǎn)單形狀的側(cè)壁加工。但是其局限性也在于該方法僅能加工簡(jiǎn)單薄壁零件的側(cè)壁, 而且對(duì)機(jī)床雙主軸的間距有要求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合普遍采用。
2 薄壁結(jié)構(gòu)的腹板加工
帶有輔助支撐的腹板加工
對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的腹板或較大的薄板加工, 關(guān)鍵問(wèn)題就是要解決由于裝夾力或切削力引起的加工變形。
Haruki OBARA等人提出的低熔點(diǎn)合金(LowMelting Alloy)輔助切削方案可有效解決薄板的加工變形問(wèn)題。該方案指出，利用熔點(diǎn)低于100℃的LMA“U-ALLOY70”作為待加工薄板的基座，或者將LMA澆注入薄壁結(jié)構(gòu)型腔，也可以將LMA與真空吸管相配合組成真空夾具。通過(guò)澆注LMA，填補(bǔ)型腔空間，可大大提高工件的剛度，有效抑制了加工變形，在精銑時(shí)可實(shí)現(xiàn)加工壁厚達(dá)到0. 05mm。U-ALLOY70具有凝固時(shí)的膨脹特性，可以起到一定的填充裝卡作用；而且其熔點(diǎn)為70℃，可以在沸水中熔融回收再利用。該方法不僅可以加工高精度的薄板，也可以加工高精度的側(cè)壁。
無(wú)輔助支撐的腹板加工
對(duì)于一個(gè)未附加輔助支撐或不能添加輔助支撐的薄壁零件腹板的加工, S. Smith 等人提出的有效利用零件未加工部分作為支撐的刀具路徑優(yōu)化方案可以有效的解決腹板的加工變形問(wèn)題，其思想類似于第1章第1節(jié)介紹的充分利用零件整體剛性的刀具路徑優(yōu)化方案(見(jiàn)圖4)。
圖4 薄壁(腹板)加工示意圖
例如在對(duì)一個(gè)帶有腹板的矩形框體件加工中，銑刀從試件中間位置傾斜下刀，在深度方向銑到最終尺寸，然后一次走刀由中間向四周螺旋擴(kuò)展至側(cè)壁。實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法較為有效的降低了切削變形及其影響，降低了由于剛性降低而能發(fā)生的切削振動(dòng)的可能，零件的質(zhì)量和加工效率也有了顯著提高。
對(duì)于腹板的銑削加工，文獻(xiàn)中介紹的工藝方法也值得參考。其具體方法如下：①刀具軌跡避免重復(fù)，以免刀具碰傷暫時(shí)變形的切削面；②粗加工分層銑削，讓應(yīng)力均勻釋放；③采用往復(fù)斜下刀方式以減少垂直分力對(duì)腹板的壓力；④保證刀具處于良好的切削狀態(tài)。當(dāng)然，該方法僅在走刀路徑方面進(jìn)行優(yōu)化，還需結(jié)合其它方法(如使用真空夾具等)進(jìn)一步控制加工變形。
3 圓角加工的刀具路徑優(yōu)化方案
常規(guī)NC加工在制定刀具走刀路徑的時(shí)候，一般采用等切厚切削，即在一次走刀過(guò)程中徑向切深為一定值。但是，在圓角過(guò)度處，加工問(wèn)題較大。在高速銑削加工薄壁結(jié)構(gòu)時(shí), 問(wèn)題尤為顯著。在我們的圓角切削力實(shí)驗(yàn)中，可以發(fā)現(xiàn)刀具在圓角處的切削力有顯著的突變(見(jiàn)圖5)。
圖5 切削力變化曲線圖
圖6 直邊銑削示意圖
圖7 圓角銑削示意圖
針對(duì)圓角加工問(wèn)題，M. D. Tsai 等人提出了細(xì)化圓角刀具路徑的方法。在等切厚銑削時(shí)，當(dāng)?shù)毒哂芍本�走刀過(guò)渡到圓弧走刀的時(shí)候，切入角Qb會(huì)增大( 如圖6、7 ) 。
對(duì)應(yīng)于該圖有如下公式：cos(Qb)=1-Cl/r (1)
cos(Qb)=1-Cc/r-Cc(r-0.5Cc)/rR (2)
式中：Qb———切入角；
Cl———直邊銑削時(shí)的徑向切深；
Cc———圓角銑削時(shí)的徑向切深；
r———銑刀半徑；
R———刀具中心軌跡在圓角處的半徑。
顯然，當(dāng)Cl=Cc 時(shí)，在刀具由直線走刀過(guò)渡到圓弧走刀的時(shí)候，由于切入角的增大而使刀具與工件的接觸面積增加, 從而引起切削力的突然增大并容易產(chǎn)生振動(dòng)。切削力的突變?cè)斐傻毒吆凸ぜ募庸ぷ冃卧龃�，零件的尺寸誤差加大，而切削振顫則會(huì)在圓角處產(chǎn)生振紋，影響零件的加工質(zhì)量。
細(xì)化圓角刀具路徑的方法，其思想就是在走刀過(guò)程中，保持刀具切入角恒定, 或者附加走刀路徑，即減小刀具在圓角處的徑向切厚，從而避免切削力的超值突變。具體的細(xì)化刀具路徑圖如圖8、9 所示。
圖8 等切入角刀具路徑細(xì)化示意圖
圖9 附加走刀路徑細(xì)化示意圖
采用圓角處刀具路徑細(xì)化方案，可以有效的保持穩(wěn)定切削，減小因切削力突變而引起的加工變形和可能發(fā)生的切削振動(dòng)，提高了零件的加工質(zhì)量。
當(dāng)然，在圓角切削力實(shí)驗(yàn)中，我們還發(fā)現(xiàn)，逆銑時(shí)切屑厚度是由薄到厚，由于刃口尺寸效應(yīng)，在刀刃剛接觸工件時(shí)，后刀面與工件之間的摩擦較大，易于引起振動(dòng)，拐角處會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的斜向振紋。順銑則剛好相反，雖然順銑的切削力稍大于逆銑時(shí)的切削力，但是在切削拐角處時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生明顯的振紋。不過(guò)順銑時(shí)切屑厚度是由厚到薄，對(duì)工件和刀具的沖擊力較大，在加工時(shí)盡可能減少刀具的懸伸長(zhǎng)度和增加工件的剛性。
4 其它高效銑削加工技術(shù)
進(jìn)給量的局部?jī)?yōu)化法與刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)作為數(shù)控加工前期的工藝優(yōu)化和質(zhì)量保證研究，分別從抑制加工變形和有效補(bǔ)償加工變形的思想出發(fā)，二者均應(yīng)用了有限元技術(shù)來(lái)建立零件的加工變形模型，并分析處理加工過(guò)程中的加工變形狀況。
進(jìn)給量的局部?jī)?yōu)化方法是針對(duì)恒定進(jìn)給量提出的。因?yàn)榱慵骋槐砻嫔细鞑糠值膭傂约扒邢髁Φ拇蟆 ⌒〔煌? 受力變形情況也不一樣。利用有限元分析軟件進(jìn)行分析后得到變形分布圖, 可以看到有些位置的變形大, 有些位置的變形小。如果采用恒定的進(jìn)給量, 為了保證變形量最大的位置能達(dá)到質(zhì)量要求，整個(gè)表面就得全部采用很小的進(jìn)給量, 而進(jìn)給量的局部?jī)?yōu)化就是在變形小的地方采用大進(jìn)給量,而在變形大的地方采用小的進(jìn)給量。這樣可以在保證變形量的同時(shí), 提高效率, 減少成本。實(shí)驗(yàn)研究表明, 采用該方法在提高加工質(zhì)量的同時(shí)可以節(jié)省約60%的加工時(shí)間。
刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)，是在有限元分析基礎(chǔ)上, 根據(jù)模擬仿真加工變形的大小，在數(shù)控編程時(shí)讓刀具在原有走刀軌跡中按變形情況附加補(bǔ)償運(yùn)動(dòng),補(bǔ)償因切削力作用而產(chǎn)生的變形。對(duì)側(cè)壁加工，通過(guò)偏擺刀具進(jìn)行補(bǔ)償；對(duì)腹板加工，則補(bǔ)償軸向切深。通過(guò)數(shù)控補(bǔ)償, 可以將因變形而產(chǎn)生的殘余材料切除, 一次走刀即可保證薄壁件側(cè)壁或腹板精度,從而達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)加工薄壁零件的目的。
5 結(jié)論
以上介紹和分析了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外有關(guān)薄壁結(jié)構(gòu)的高效銑削加工技術(shù)研究狀況。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的加工變形研究主要在靜態(tài)分析方面，而對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的加工變形研究的動(dòng)態(tài)分析還不成熟。當(dāng)然，對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的高效銑削加工技術(shù)研究，可以從機(jī)床、夾具、刀具、工件以及切削參數(shù)與走刀路徑等不同方面進(jìn)行優(yōu)化分析。
隨著高速切削技術(shù)與有限元技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，數(shù)控加工前期的工藝優(yōu)化和質(zhì)量保證研究工作日顯突出。利用理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合建立工件變形模型；通過(guò)模擬分析替代大量的實(shí)驗(yàn)研究工作來(lái)優(yōu)化切削參數(shù)與走刀路徑；根據(jù)批量生產(chǎn)的實(shí)際需要研究、開發(fā)新型刀具、夾具，努力提高機(jī)床的性能。薄壁結(jié)構(gòu)的高效銑削加工技術(shù)定會(huì)得到較大的發(fā)展，薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。
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