高速切削加工技术在航空薄壁结构中的应用

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由于现代飞机高性能的要求，其结构具有轻量化、薄壁化和整体化的特点，并且为满足飞机装配以骨架零件为定位基准的要求，零件须实现精确加工，作到具有较高的精度和表面质量。传统的低速加工方法已经难以满足现代航空制造的需要。根据国外的发展趋势，同时结合航空制造技术发展的实际需求，应用高速切削加工技术成为现代航空制造业的必然选择。为此，成飞近年来进行了较为深入的应用研究，已经较为成功的在薄壁结构零件加工中广泛应用了高速切削加工技术。
) [; ~/ s6 ~# f高速切削加工技术
1 C. R/ y  z5 n5 h6 E5 H　　高速切削加工技术的定义
　　高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。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围，因而很难就高速切削的速度范围给定一个确定的数值。对于不同的材料，一般认为灰铸铁的高速切削速度是800-3000m/min、钢件为500-2000m/min、钛合金为100-1000m/min、铝合金为1000-7000m/min。
　　高速切削，首先是高的速度，即高的主轴转速，另一方面，又应有高的进给速度，为了提高效率，机床还要具有快速移动、快速换刀、高的主轴加速度和进给加速度，只有达到了上述标准才能称之为高速。通常情况下，行业内将主轴转速S>7000rpm，切削进给速度10000mm/min以上的铣削加工，称为高速切削加工。
　　航空薄壁结构的定义
　　在飞机结构零件中，按照其在飞机上承载的状况和结构特征将飞机骨架零件分为框类、梁类、接头类、壁板类、肋类等类型，其典型定义如下表：
　　高速切削加工薄壁结构的优越性
　　高速切削加工薄壁件相对传统加工具有显著的优越性：切削力小，加工薄壁类零件时工件产生的让刀变形相应减小，易于保证零件的尺寸精度和形位精度。切削热对零件的影响减少，零件加工热变形小，这对于控制薄壁件的热变形非常有利。加工精度高，刀具切削的激励频率远离薄壁结构工艺系统的固有频率，保证了较好的加工状态，实现了平稳切削，证了零件的精度和表面粗糙度。加工效率高，比常规加工高5~10倍，单位时间材料切除率可提高3~6倍。
高速切削加工薄壁结构的策略
　　高速切削加工薄壁结构对切削刀具、切削用量、工艺方案、数控编程等方面提出了新的要求。
! {  n9 |4 D- v) F  Q* M　　刀具及其夹持系统
　　刀具结构的选择原则
% W) k6 N" m$ u  b3 P/ W& f" y- n( @　　对于机夹式刀片刀具，由于刀片螺旋角很小，无法形成大的螺旋角，所以真正要加工高质量的薄壁结构件，不采用机夹式刀具用于高速切削。
( }  r: A/ v/ s7 e& I　　对于整体式硬质合金铣刀和焊接式硬质合金铣刀，除了焊接式硬质合金应保证焊接的牢固性外，刀具制造应该符合下列要求：
　　　◆ 具有匹配的刀具几何角度：较大的前角和后角以及适中的螺旋角；
, o9 T! o; W) r- y4 j# K' C7 k; r9 ~　　　◆ 合理的短刃长杆结构；
4 r% l  m. f! h* b4 c　　　◆ 侧齿、底齿完全对称；
　　　◆ 采用圆柱柄，无削平结构；
　　　◆ 刀体台阶部位采用圆角过度；
　　　◆ 较高的表面粗糙度；
: u0 D1 f) w; }& E3 u7 E& x# e# U# O　　　◆ 设计的切削刃几何形状必须考虑高速切削条件下切屑生成特性；
5 y' T- e; D! _　　　◆ 为提高刚度，尽可能增加刀具中心的尺寸；
　　　◆ 排屑性好。
　　刀具材料选择及切削速度要求
: K& `: n0 t1 I+ B* r　　高速切削刀具材料必须耐磨、抗冲击能力好（包括热冲击与力冲击）、硬度高、与工件材料亲和力小；高速切削的刀具材料必须根据工件材料和加工性质来选择；一般情况下，高速切削不使用高速钢刀具，多采用硬质合金刀具；由于短时间切削后刀尖圆弧半径与前刀面接触区的涂层出现脱落，涂层硬质合金实际效果与无涂层硬质合金相似，故不推荐采用涂层刀具。
4 H0 _# P+ ]9 i& o　　由于刀具在高速切削时产生极大的离心力，飞溅的切屑和崩刃以及变松的刀具夹紧系统都具有很高的动能，另外加工过程中还存在轴向动态力，故刀具应严格在其安全转速范围内使用。
3 |  k9 l# }0 x1 R7 [) C　　刀具夹持系统选择
' E7 ~. f; a% Q) N0 Q4 ~  M　　刀具夹持系统——刀柄是高速切削时的一个关键部件，起着传递机床精度和转矩的作用。刀柄的一端是机床主轴、另一端是刀具。高速切削薄壁结构时刀柄必须具备高速加工刀柄的一切要求，譬如：好的动平衡特性、很高的几何精度和装夹重复精度、很高的装夹刚度等要求。
( \: x4 R* d, F5 S1 M, H$ N　　目前刀柄与主轴的联接在大多数高速切削机床上以圆锥空心柄（HSK）为主。此外，通过热胀冷缩原理而工作的热缩套刀夹系统以其优越的特性在成飞也得到了越来越广泛的应用。
6 {, a6 i" E2 @　　切削用量
　　合理切削参数的选择，不仅确保薄壁结构加工的高精度，而且是高速机床发挥效能、处于最佳工作状态的保证。因此切削量要根据机床刚性、刀具直径、刀具长度、工件材料、粗加工或精加工模式而定。
　　根据成飞关于飞机铝合金薄壁结构件高速、超高速低切削力铣削等一系列切削试验数据并参考国外资料，总结各切削用量的选取原则如下：
　　（1）切削速度v 加工铝合金的切削速度是没有限制的。从理论上讲，采用较高的切削速度，可以提高生产率，可以减少或避免在刀具前面上形成积屑瘤，有利于切屑的排出。铣削速度的提高无疑会加剧刀具的磨损，但是，铣削速度的提高可以有效地提高单位时间单位功率的金属切除率，同时在一定的高速切削速度范围内可以提高工件表面加工质量。对于大量的航空铝合金薄壁结构（壁厚1.0～1.5左右）的零件，切削速度以切削力为基准选择。高速切削薄壁时，在径向切深ae不变的情况下，径向切削力随速度基本不变，意味着可选择的切削速度范围很大，根据现有设备，可以在转速12000～22000rpm选择。
" [2 C* B6 Z( G1 |- ?3 W7 j( @　　（2）进给量fz 加大进给量fz无疑会增加切削力，这显然对薄壁加工不利。故精加工时，不选择大的fz，但fz过小也是有害的，因为fz过小时，挤压代替了切削，会产生大量切削热，加剧刀具磨损，影响加工精度。所以，精加工时，应选取较适中的进给量，一般可以选择在0.1mm/z～0.2mm/z之间。
0 J' |( z( u: v9 [% ^1 o2 r% l　　（3）轴向切深ap与径向切深ae 无论从力的角度，还是考虑到残余应力、切削温度等因素，采用小轴向切深ap大径向切深ae显然是有利的，这是高速切削条件下切削参数选择原则。对于薄壁结构的侧壁加工，小ap条件下显然产生的径向力小，而且在ap小的情况下，一定范围内ae的增加并不会增大薄壁变形，这样就可以取较大的ae进行加工；对于薄壁结构的腹板加工，最后一刀采用大的ap可以提高加工系统刚度，减小腹板变形，所以，加工腹板时应选取较大ap进行加工。一般情况下，轴向切深ap可在2～10mm之间选择，径向切深ae可在0.5～0.9D之间进行选择。
　　切削用量，要针对不同的加工对象，需要编程人员选择合理的刀具运动轨迹，优化切削用量，根据需要选择适合的切削速度，只有这样才能真正发挥高速切削技术的长处。成飞经过近几年的探索研究，通过大量的切削试验，建立了符合设备、刀具、产品特点的切削参数数据库，在军机、民机转包项目等数控加工中得到了良好的应用。
高速切削薄壁结构典型工艺方案
　　航空薄壁结构零件按其工艺、结构特点，可分为框类、梁类、壁板类等类型。在大量应用高速切削技术进行的薄壁结构零件加工中，总结形成了典型工艺方案。
　　梁类零件工艺方案
　　结构特点：梁类零件分为单面及双面，该类零件外形上多处涉及机身理论外型，零件腹板与缘条厚度均较小，一般为1.5～2mm左右，最小处仅1.5mm，尺寸公差为±0.15mm，材料切除率达到96%左右。
3 f3 E$ W' L( S. \　　工艺方案：装夹，零件都为卧式放置，采用两孔一面定位，两个工艺孔设置在工艺凸台上，定位状态较好。在零件周围设置压紧槽，操作工人只需在加工前压紧零件压紧槽，无须再在加工过程改变零件的装夹状态。
; n+ I( v1 ^) k　　工艺路线：采用高速加工机床，由于高速切削加工技术具有高转速、快进给、轻切削的特点，从而使加工后出现的零件变形得到了较好地控制，因此将粗加工、半粗加工和精加工合并为一道工序，基本实现从毛坯到零件的一次性加工。
　　框类零件工艺方案
+ B$ ~7 B- X2 U% w3 K8 p: k　　结构特点：该类零件外形上多处涉及理论外型，内形有槽、下陷、开闭斜角、凸台等制造特征。零件腹板与缘条厚度均较小，一般为1.2～2mm左右，尺寸公差为±0.15mm。材料切除率达到97%左右。
, X7 u  Z7 A) U1 {; N　　工艺方案：装夹，零件都为卧式放置。零件采用两孔一面定位，两个工艺孔设置在工艺凸台上，由于零件的大部分筋条在同一高度，拟以筋条面定位。由于在零件较大，装夹拆卸不方便，采用垫板工装，零件周边设工艺凸台，并在工艺凸台上制沉头压紧孔，垫板上制螺纹孔，用沉头螺栓压紧固定在垫板工装上。
" Z5 G3 l3 L, T1 y% F3 M! f, [) O/ Z　　工艺路线：采用高速切削加工技术，将粗加工、半粗加工和精加工合并为一道工序，以实现从毛坯到零件的一次性加工。
　　壁板类零件工艺方案
　　结构特点：零件为双面槽腔结构，无飞机外形，数控加工后还需喷丸成形。内形包括有槽、下陷、凸台等几何特征。零件厚度较薄，槽腔较浅，大部分槽深小于3mm， 零件腹板厚度不均匀，一般为1.5～3mm左右。尺寸公差为±0.2mm。材料切除率约90%。
　　工艺方案：装夹，由于该类零件在立式机床上完成加工，因此零件都为卧式放置。由于零件薄，加工过程中极易因余量去除不均而产生加工变形；且总体结构上缺少定位夹紧部位，同时为了减少加工时的零件变形而引起的腹板厚度超小，采用真空吸附加工。
　　工艺路线：采用高速切削加工技术，将粗加工、精加工合并为一道工序，加工顺序的选择是先加工槽少的一面，加工完此面后在槽腔内填充石膏，作翻面加工的定位基准，均采用真空吸附加工。
. |9 \+ K3 a' l! k& n高速切削薄壁结构的程编策略
　　高速切削对CAM的要求
　　高速加工的编程方式及方法必须与高速加工的工艺方法有机结合，这就对高速加工的CAM提出了更高的要求。高速加工的CAM必须满足以下条件：
　　　◆ 恒定的切削条件；
　　　◆ 保证最大和稳定的切削速度；
　　　◆ 避免任何刀轴移动加速度的不连续和突变；
( E# o  [' ]5 @9 G9 w. X" e　　　◆ 刀具运动时保持恒定的主轴进给，产生相同体积的切削；
5 P$ b* Q% @7 x- L& g. B　　　◆ 刀具长度与直径比最好小于10；
　　　◆ 减少无切削移动；
+ t& V; z# C" g0 X4 a- }& a　　　◆ 无垂直方向的跳动；
　　　◆ 无切削方向的剧变；
- ~' d8 E/ Y! F! T" k　　　◆ 在保证插值公差的前提下，尽可能减少段数；
. d5 H* ~; q- ]( ~( F( N　　　◆ 提供高度连续的光顺刀位数据。
$ g4 D* h# {* e: k1 b　　　◆ 自动过切（残余）保护功能。
- a8 Y' x& q% U+ r3 R0 h　　　◆ 系统能提供仿真验证的功能。
$ |- J0 ]0 y1 q5 }( @　　高速切削对切削轨迹的要求
　　高速加工工艺的核心是尽可能保证加工过程的连续性，使刀具在一次铣削加工过程中时时处于进给运动状态，采用光滑的进、退刀方式、采用光滑的移刀方式与采用光滑的转弯走刀。CAM通过特殊的编程方式和方法来满足高速切削的要求，具体通过切削轨迹来实现。以下分别阐述针对不同的高速加工要求的切削刀轨和驱动方法。
　　采用螺旋线驱动方法编程，刀具进入材料尽可能采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行铣削，以保证恒定的切削条件；爬坡采用单向加工，而不采用“之”字加工，避免逆铣，防止径向跳动；减少刀具退出和重新进入材料的次数，维持刀具稳定的切削状态，保持切削厚度均匀；精加工时拐角等曲率变化和切深变化较大的部分要预先处理，使之留下与其他部分相同的余量；切削轨迹无突变，在刀轨转折处采用无尖角刀具轨迹；粗加工要重视形状的准确性，而不是简单的去除材料，保证后续工序加工余量均匀。余量和切削用量要与切削参数相结合，选用合理的切削参数；避免切削余量突变，余量增加时，应降低进给速度，因为负荷的变化，会引起刀具的偏斜，从而降低加工精度、表面质量和缩短刀具寿命；采用分层切削；有凸台的部位先清根，避免刀具频繁碰撞凸台；通过NURBS曲线编程，既保证了插值公差，又可减少程序段数（前提是机床控制系统支持NURBS曲线的插值计算）。
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