隨著飛機性能要求的進一步提高，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)簡潔、尺寸較大、加工余量大、相對剛度較低, 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題成為薄壁結(jié)構(gòu)加工的重要約束。為此，國內(nèi)外學(xué)者針對銑刀的特殊結(jié)構(gòu)與機床特性, 通過大量的理論分析和實驗研究建立若干種動、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。本文概述了國內(nèi)外關(guān)于薄壁結(jié)構(gòu)的高效銑削加工技術(shù), 并進行了分析討論。
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)鍵在于切削過程的穩(wěn)定性。大量的實驗工作證明, 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(見圖1(a))。為防止刀具對側(cè)壁的干涉，可以選用或設(shè)計特殊形狀銑刀，以降低刀具對工件的變形影響和干擾( 見圖1(b))。
對于較深的型腔和側(cè)壁的高效銑削加工，J. Tlusty等人在研究動態(tài)銑削的基礎(chǔ)上，提出合理的大長徑比刀具可以有效的解決該類問題。在較高的機床主軸轉(zhuǎn)速和功率狀態(tài)下，通過調(diào)整刀具的懸伸長度來調(diào)整機床—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，可用較大的軸向切深銑削深腔和側(cè)壁。實驗結(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)壁會產(chǎn)生“讓刀”變形(見圖2)，因此，應(yīng)用一個立銑刀很難實現(xiàn)薄壁零件的高精加工。常規(guī)的小進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題。該方法需要同時應(yīng)用兩個回轉(zhuǎn)半徑、有效長度及螺旋升角大小相同的立銑刀, 刀刃分別為左旋和右旋(見圖3)。采用平行雙主軸加工方案,由于工件兩側(cè)受力為對稱力, 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題, 零件的加工精度和加工效率顯著提高, 可以應(yīng)用于簡單形狀的側(cè)壁加工。但是其局限性也在于該方法僅能加工簡單薄壁零件的側(cè)壁, 而且對機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
對于薄壁結(jié)構(gòu)的腹板或較大的薄板加工, 關(guān)鍵問題就是要解決由于裝夾力或切削力引起的加工變形。
Haruki OBARA等人提出的低熔點合金(LowMelting Alloy)輔助切削方案可有效解決薄板的加工變形問題。該方案指出，利用熔點低于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。通過澆注LMA，填補型腔空間，可大大提高工件的剛度，有效抑制了加工變形，在精銑時可實現(xiàn)加工壁厚達到0. 05mm。U-ALLOY70具有凝固時的膨脹特性，可以起到一定的填充裝卡作用；而且其熔點為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。
無輔助支撐的腹板加工
對于一個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(見圖4)。
圖4 薄壁(腹板)加工示意圖
例如在對一個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展至側(cè)壁。實驗研究表明，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)生的切削振動的可能，零件的質(zhì)量和加工效率也有了顯著提高。
對于腹板的銑削加工，文獻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行優(yōu)化，還需結(jié)合其它方法(如使用真空夾具等)進一步控制加工變形。
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候，一般采用等切厚切削，即在一次走刀過程中徑向切深為一定值。但是，在圓角過度處，加工問題較大。在高速銑削加工薄壁結(jié)構(gòu)時, 問題尤為顯著。在我們的圓角切削力實驗中，可以發(fā)現(xiàn)刀具在圓角處的切削力有顯著的突變(見圖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
針對圓角加工問題，M. D. Tsai 等人提出了細化圓角刀具路徑的方法。在等切厚銑削時，當(dāng)?shù)毒哂芍本�走刀過渡到圓弧走刀的時候，切入角Qb會增大( 如圖6、7 ) 。
對應(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———直邊銑削時的徑向切深；
Cc———圓角銑削時的徑向切深；
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，在刀具由直線走刀過渡到圓弧走刀的時候，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。切削力的突變造成刀具和工件的加工變形增大，零件的尺寸誤差加大，而切削振顫則會在圓角處產(chǎn)生振紋，影響零件的加工質(zhì)量。
細化圓角刀具路徑的方法，其思想就是在走刀過程中，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。具體的細化刀具路徑圖如圖8、9 所示。
圖8 等切入角刀具路徑細化示意圖
圖9 附加走刀路徑細化示意圖
采用圓角處刀具路徑細化方案，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，提高了零件的加工質(zhì)量。
當(dāng)然，在圓角切削力實驗中，我們還發(fā)現(xiàn)，逆銑時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，后刀面與工件之間的摩擦較大，易于引起振動，拐角處會出現(xiàn)嚴重的斜向振紋。順銑則剛好相反，雖然順銑的切削力稍大于逆銑時的切削力，但是在切削拐角處時，不會產(chǎn)生明顯的振紋。不過順銑時切屑厚度是由厚到薄，對工件和刀具的沖擊力較大，在加工時盡可能減少刀具的懸伸長度和增加工件的剛性。
4 其它高效銑削加工技術(shù)
進給量的局部優(yōu)化法與刀具偏擺數(shù)控補償技術(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)來建立零件的加工變形模型，并分析處理加工過程中的加工變形狀況。
進給量的局部優(yōu)化方法是針對恒定進給量提出的。因為零件某一表面上各部分的剛性及切削力的大 小不同, 受力變形情況也不一樣。利用有限元分析軟件進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。如果采用恒定的進給量, 為了保證變形量最大的位置能達到質(zhì)量要求，整個表面就得全部采用很小的進給量, 而進給量的局部優(yōu)化就是在變形小的地方采用大進給量,而在變形大的地方采用小的進給量。這樣可以在保證變形量的同時, 提高效率, 減少成本。實驗研究表明, 采用該方法在提高加工質(zhì)量的同時可以節(jié)省約60%的加工時間。
刀具偏擺數(shù)控補償技術(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)控編程時讓刀具在原有走刀軌跡中按變形情況附加補償運動,補償因切削力作用而產(chǎn)生的變形。對側(cè)壁加工，通過偏擺刀具進行補償；對腹板加工，則補償軸向切深。通過數(shù)控補償, 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,從而達到高效、經(jīng)濟、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，國內(nèi)外對于薄壁結(jié)構(gòu)的加工變形研究主要在靜態(tài)分析方面，而對于薄壁結(jié)構(gòu)的加工變形研究的動態(tài)分析還不成熟。當(dāng)然，對于薄壁結(jié)構(gòu)的高效銑削加工技術(shù)研究，可以從機床、夾具、刀具、工件以及切削參數(shù)與走刀路徑等不同方面進行優(yōu)化分析。
隨著高速切削技術(shù)與有限元技術(shù)的進一步發(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。利用理論分析和實驗相結(jié)合建立工件變形模型；通過模擬分析替代大量的實驗研究工作來優(yōu)化切削參數(shù)與走刀路徑；根據(jù)批量生產(chǎn)的實際需要研究、開發(fā)新型刀具、夾具，努力提高機床的性能。薄壁結(jié)構(gòu)的高效銑削加工技術(shù)定會得到較大的發(fā)展，薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會更加廣泛。
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