航空薄壁零件主要由側(cè)壁和腹板組成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、相對(duì)剛度較低，故加工工藝性差。在切削力、裝夾力、切削振顫等因素作用下，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)題成為薄壁零件加工的重要約束問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究為薄壁件加工精度控制提供了一些理論指導(dǎo)。一些文獻(xiàn)從加工工藝系統(tǒng)的整體剛性角度考慮，提出了充分利用零件的整體剛性加工薄壁零件的思想；有的文獻(xiàn)從機(jī)床聯(lián)動(dòng)主軸數(shù)方面著手，提出了平行雙主軸精度控制方案；有的文獻(xiàn)從裝夾系統(tǒng)方面考慮，提出了利用低融合金填充或使用真空夾具精加工薄壁零件的方法；有的文獻(xiàn)從切削用量方面考慮，提出了變進(jìn)給加工的方法；有的文獻(xiàn)從有效補(bǔ)償加工變形的思想出發(fā)，提出了薄壁零件加工變形分析及控制方案，對(duì)如何進(jìn)行銑削精度控制提出了一些建議。本文繼承了最后提及文獻(xiàn)的思想，即通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，有限元分析去研究銑削過(guò)程中薄壁零件及刀具的傾斜機(jī)理；在其研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，分析和驗(yàn)證了刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償加工方案有效地控制了薄壁件的加工精度，提高了加工效率，是一種方便、高效的加工方法。

圖1 立銑刀切削負(fù)載單元分布示意圖

1 刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償方案

刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)，即是在有限元分析基礎(chǔ)上，根據(jù)模擬分析加工變形的大小，在數(shù)控編程時(shí)讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加連續(xù)偏擺，補(bǔ)償因變形而產(chǎn)生的讓刀量。通過(guò)刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償，可以將讓刀殘余材料切除，一次走刀即可保證薄壁件壁厚精度，從而達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)加工薄壁零件的目的。其基本思想即通過(guò)建立受力模型、變形模型及數(shù)控補(bǔ)償模型得到數(shù)控補(bǔ)償方案，從而保證薄壁件加工精度要求。因此，切削力模型和變形模型是精確實(shí)現(xiàn)刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)，而精確的變形分析又依賴于準(zhǔn)確的載荷模型。因此必須通過(guò)切削力實(shí)驗(yàn)，建立準(zhǔn)確的銑削力模型；然后，在精確迭代分析加工變形的基礎(chǔ)上，實(shí)施有效的刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償加工。

1. 切削力的計(jì)算

在實(shí)施刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償加工之前，首先要知道零件的加工變形量，即利用有限元技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行加工變形分析；而精確的變形分析又依賴于準(zhǔn)確的載荷模型(切削力、裝夾力、定位約束等)，其中關(guān)鍵是切削力的計(jì)算。不同的刀具及加工方法，有不同的切削力計(jì)算方法。在航空薄壁零件的加工中，以螺旋立銑刀加工居多。而對(duì)于螺旋立銑刀的受力模型，以沿著刀具螺旋線作空間狀態(tài)分布的銑削力模型為最佳(如圖1)。

在加工薄壁零件過(guò)程中，通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，薄壁零件的加工變形主要由徑向切削力引起。本文采用前述文獻(xiàn)中的切削力模型來(lái)模擬計(jì)算銑削力大小及分布狀況。由此，可得到如圖2所示的瞬時(shí)徑向切削力空間分布圖。

圖2 瞬時(shí)徑向切削力空間分布圖	圖3 刀具和工件的有限元模型
圖4 工件沿刀具軸線方向各節(jié)點(diǎn)變形	(a)刀具不傾斜時(shí)
圖6 試件沿刀具軸線方向加工誤差曲線	(b)刀具傾斜時(shí) 圖5 刀具銑削示意圖

加工變形模擬分析

本文選擇如圖3所示的薄壁結(jié)構(gòu)作為研究試件。工件材料為7075-T6，楊氏模量E=77Gpa,泊松比g=0.33；刀具型號(hào)為F1832E.W.16.Z3.26.45.W

對(duì)于加工變形的精確計(jì)算，需要綜合考慮工件和刀具在切削過(guò)程中的加工變形大小。在建模過(guò)程中，可以將工件簡(jiǎn)化為一個(gè)底端帶有固定約束的直側(cè)壁來(lái)進(jìn)行分析；而將刀具簡(jiǎn)化為一個(gè)懸臂梁。加載人切削力、約束以及輸人材料特性參數(shù)，并根據(jù)加工精度要求劃分單元網(wǎng)格(如圖3)。

在 ANSYS中對(duì)其模擬分析加工變形情況，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際加工測(cè)量結(jié)果如圖4所示。顯然，理論分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償

通過(guò)加工變形模擬分析，得到的工件在加工過(guò)程中的變形分布狀況和趨勢(shì)。由于加工變形產(chǎn)生讓刀誤差，其結(jié)果必然產(chǎn)生一定的尺寸誤差(如圖5(a))。為了有效補(bǔ)償這種因上件剛性不足而產(chǎn)生的加工變形，可以讓刀具偏擺一定的角度(如圖5(b))。刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償，即是根據(jù)模擬分析加工變形的大小，在數(shù)控編程時(shí)讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加連續(xù)偏擺，補(bǔ)償因變形而產(chǎn)生的讓刀量。通過(guò)刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償，可以將讓刀殘余材料基本切除，一次走刀即可保證薄壁件壁厚精度。

2 加工實(shí)例與結(jié)果

為了驗(yàn)證刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償方案的可行性，故安排了一定的實(shí)驗(yàn)工作。當(dāng)由3mm壁厚加工出2mm壁厚時(shí)，根據(jù)實(shí)際加工要求和加工參數(shù)，通過(guò)理論計(jì)算，在數(shù)控編程時(shí)，將刀具傾斜0.05度。加工后，沿刀具軸線方向在薄壁上每隔2mm測(cè)量工件的壁厚(如圖6)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在刀具傾斜的情況下，零件的加工尺寸精度較高。

3 結(jié)論

從以上實(shí)驗(yàn)可以看出，對(duì)于薄壁零件的加工，將刀具傾斜一定角度以后，通過(guò)一次走刀，可將試件的加工精度控制在允許范圍以內(nèi)。對(duì)于不同的工件，可通過(guò)有限元模擬加工變形值的大小，實(shí)施刀具的連續(xù)數(shù)控偏擺補(bǔ)償，則可以補(bǔ)償因變形而產(chǎn)生的讓刀誤差，一次走刀即可保證薄壁件的加工精度，避免了多次空走刀和人工修整，從而達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)加工薄壁零件的目的。刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償方案是一種有效的提高薄壁零件數(shù)控加工質(zhì)量和加工效率的加工方法。