高速切削加工技術(shù)在航空薄壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
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hbyzhj2009 發(fā)布時(shí)間：2011-01-25 17:55:14
由于現(xiàn)代飛機(jī)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(diǎn)，并且為滿足飛機(jī)裝配以骨架零件為定位基準(zhǔn)的要求，零件須實(shí)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(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合航空制造技術(shù)發(fā)展的實(shí)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(lái)進(jìn)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(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)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(gè)確定的數(shù)值。對(duì)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(jìn)給速度，為了提高效率，機(jī)床還要具有快速移動(dòng)、快速換刀、高的主軸加速度和進(jìn)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(jìn)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(jī)結(jié)構(gòu)零件中，按照其在飛機(jī)上承載的狀況和結(jié)構(gòu)特征將飛機(jī)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(duì)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(shí)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(duì)零件的影響減少，零件加工熱變形小，這對(duì)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(lì)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)于機(jī)夾式刀片刀具，由于刀片螺旋角很小，無(wú)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(jī)夾式刀具用于高速切削。
對(duì)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(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)；
◆ 側(cè)齒、底齒完全對(duì)稱；
◆ 采用圓柱柄，無(wú)削平結(jié)構(gòu)；
◆ 刀體臺(tái)階部位采用圓角過(guò)度；
◆ 較高的表面粗糙度；
◆ 設(shè)計(jì)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(lái)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(shí)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(shí)際效果與無(wú)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(shí)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(dòng)能，另外加工過(guò)程中還存在軸向動(dòng)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(shí)的一個(gè)關(guān)鍵部件，起著傳遞機(jī)床精度和轉(zhuǎn)矩的作用。刀柄的一端是機(jī)床主軸、另一端是刀具。高速切削薄壁結(jié)構(gòu)時(shí)刀柄必須具備高速加工刀柄的一切要求，譬如：好的動(dòng)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(jī)床上以圓錐空心柄（HSK）為主。此外，通過(guò)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(lái)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(jī)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(jī)床剛性、刀具直徑、刀具長(zhǎng)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(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)并參考國(guó)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(méi)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(wú)疑會(huì)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(shí)間單位功率的金屬切除率，同時(shí)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(duì)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(shí)，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(jìn)給量fz 加大進(jìn)給量fz無(wú)疑會(huì)增加切削力，這顯然對(duì)薄壁加工不利。故精加工時(shí)，不選擇大的fz，但fz過(guò)小也是有害的，因?yàn)閒z過(guò)小時(shí)，擠壓代替了切削，會(huì)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(shí)，應(yīng)選取較適中的進(jìn)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(wú)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(duì)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(huì)增大薄壁變形，這樣就可以取較大的ae進(jìn)行加工；對(duì)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(shí)應(yīng)選取較大ap進(jìn)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(jìn)行選擇。
切削用量，要針對(duì)不同的加工對(duì)象，需要編程人員選擇合理的刀具運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)處。成飛經(jīng)過(guò)近幾年的探索研究，通過(guò)大量的切削試驗(yàn)，建立了符合設(shè)備、刀具、產(chǎn)品特點(diǎn)的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，在軍機(jī)、民機(jī)轉(zhuǎn)包項(xiàng)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(diǎn)，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(jìn)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(diǎn)：梁類零件分為單面及雙面，該類零件外形上多處涉及機(jī)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(gè)工藝孔設(shè)置在工藝凸臺(tái)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(wú)須再在加工過(guò)程改變零件的裝夾狀態(tài)。
工藝路線：采用高速加工機(jī)床，由于高速切削加工技術(shù)具有高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給、輕切削的特點(diǎn)，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(shí)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(diǎn)：該類零件外形上多處涉及理論外型，內(nèi)形有槽、下陷、開(kāi)閉斜角、凸臺(tái)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(gè)工藝孔設(shè)置在工藝凸臺(tái)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(tái)，并在工藝凸臺(tái)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(shí)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(diǎn)：零件為雙面槽腔結(jié)構(gòu)，無(wú)飛機(jī)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(tái)等幾何
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