| 摘要：介绍了国内外关于薄壁结构的高效铣削加工技术研究状况，并对其中一些问题进行了分析、探讨。 |
随着飞机性能要求的进一步提高，现代航空工业中大量使用整体薄壁结构零件。其主要结构由侧壁和腹板组成，结构简洁、尺寸较大、加工余量大、相对刚度较低, 故加工工艺性差。在切削力、切削热、切削振颤等因素影响下，易发生加工变形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工变形和加工效率问题成为薄壁结构加工的重要约束。为此，国内外学者针对铣刀的特殊结构与机床特性, 通过大量的理论分析和实验研究建立若干种动、静态铣削模型，利用有限元技术模拟分析刀具和工件的加工变形，并由此提出了一些有效的铣削方法，使薄壁件的加工技术有了一定的突破。本文概述了国内外关于薄壁结构的高效铣削加工技术, 并进行了分析讨论。 1 薄壁结构的侧壁加工
- 充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案
- 应用高速切削技术加工薄壁零件的关键在于切削过程的稳定性。大量的实验工作证明, 随着零件壁厚的降低, 零件的刚性减低, 加工变形增大, 容易发生切削振颤，影响零件的加工质量和加工效率。J. Tlusty等人提出了充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案。其思想在于在切削过程中, 尽可能的应用零件的未加工部分作为正在铣削部分的支撑，使切削过程处在刚性较佳的状态。
| (a) | (b) | 图2 单轴铣削示意图 | 图3 双轴铣削示意图 |
| 图1 薄壁( 侧壁) 加工示意图 |
- 如图1所示，对于侧壁的铣削加工，在切削用量允许范围内，采用大径向切深、小轴向切深分层铣削加工，充分利用零件整体刚性(见图1(a))。为防止刀具对侧壁的干涉，可以选用或设计特殊形状铣刀，以降低刀具对工件的变形影响和干扰( 见图1(b))。
- 对于较深的型腔和侧壁的高效铣削加工，J. Tlusty等人在研究动态铣削的基础上，提出合理的大长径比刀具可以有效的解决该类问题。在较高的机床主轴转速和功率状态下，通过调整刀具的悬伸长度来调整机床—刀具—工件工艺系统的自然频率，利用凸角稳定效应(stability of lobe effects)，避开可能的切削振动，可用较大的轴向切深铣削深腔和侧壁。实验结果表明，该方法有较大的金属去除率和较高的表面完整性。
- 平行双主轴加工方案
- 平行双主轴加工方案由日本岩部洋育等人提出。由于铣削力的作用，工件的侧壁会产生“让刀”变形(见图2)，因此，应用一个立铣刀很难实现薄壁零件的高精加工。常规的小进给量和低切深的方法虽然可以满足一定的加工精度, 但是效率比较低。平行双主轴方案可以有效的解决单一主轴加工零件的变形问题。该方法需要同时应用两个回转半径、有效长度及螺旋升角大小相同的立铣刀, 刀刃分别为左旋和右旋(见图3)。采用平行双主轴加工方案,由于工件两侧受力为对称力, 所以除了微量的刀具变形引起的加工误差以外, 工件的加工倾斜变形基本上可以消除。
- 采用平行双主轴加工薄壁零件, 有效的控制了薄壁零件的加工变形问题, 零件的加工精度和加工效率显著提高, 可以应用于简单形状的侧壁加工。但是其局限性也在于该方法仅能加工简单薄壁零件的侧壁, 而且对机床双主轴的间距有要求，结构复杂，不适合普遍采用。
2 薄壁结构的腹板加工
- 带有辅助支撑的腹板加工
- 对于薄壁结构的腹板或较大的薄板加工, 关键问题就是要解决由于装夹力或切削力引起的加工变形。
- Haruki OBARA等人提出的低熔点合金(LowMelting Alloy)辅助切削方案可有效解决薄板的加工变形问题。该方案指出，利用熔点低于100℃的LMA“U-ALLOY70”作为待加工薄板的基座，或者将LMA浇注入薄壁结构型腔，也可以将LMA与真空吸管相配合组成真空夹具。通过浇注LMA，填补型腔空间，可大大提高工件的刚度，有效抑制了加工变形，在精铣时可实现加工壁厚达到0. 05mm。U-ALLOY70具有凝固时的膨胀特性，可以起到一定的填充装卡作用；而且其熔点为70℃，可以在沸水中熔融回收再利用。该方法不仅可以加工高精度的薄板，也可以加工高精度的侧壁。
- 无辅助支撑的腹板加工
- 对于一个未附加辅助支撑或不能添加辅助支撑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为支撑的刀具路径优化方案可以有效的解决腹板的加工变形问题，其思想类似于第1章第1节介绍的充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案(见图4)。
| 图4 薄壁(腹板)加工示意图 |
- 例如在对一个带有腹板的矩形框体件加工中，铣刀从试件中间位置倾斜下刀，在深度方向铣到最终尺寸，然后一次走刀由中间向四周螺旋扩展至侧壁。实验研究表明，该方法较为有效的降低了切削变形及其影响，降低了由于刚性降低而能发生的切削振动的可能，零件的质量和加工效率也有了显著提高。
- 对于腹板的铣削加工，文献中介绍的工艺方法也值得参考。其具体方法如下：①刀具轨迹避免重复，以免刀具碰伤暂时变形的切削面；②粗加工分层铣削，让应力均匀释放；③采用往复斜下刀方式以减少垂直分力对腹板的压力；④保证刀具处于良好的切削状态。当然，该方法仅在走刀路径方面进行优化，还需结合其它方法(如使用真空夹具等)进一步控制加工变形。
3 圆角加工的刀具路径优化方案
- 常规NC加工在制定刀具走刀路径的时候，一般采用等切厚切削，即在一次走刀过程中径向切深为一定值。但是，在圆角过度处，加工问题较大。在高速铣削加工薄壁结构时, 问题尤为显著。在我们的圆角切削力实验中，可以发现刀具在圆角处的切削力有显著的突变(见图5)。
图5 切削力变化曲线图 |
图6 直边铣削示意图 |
图7 圆角铣削示意图 |
- 针对圆角加工问题，M. D. Tsai 等人提出了细化圆角刀具路径的方法。在等切厚铣削时，当刀具由直线走刀过渡到圆弧走刀的时候，切入角Qb会增大( 如图6、7 ) 。
- 对应于该图有如下公式：
| cos(Qb)=1-Cl/r | (1) |
| cos(Qb)=1-Cc/r-Cc(r-0.5Cc)/rR | (2) |
式中：Qb———切入角； - Cl———直边铣削时的径向切深；
- Cc———圆角铣削时的径向切深；
- r———铣刀半径；
- R———刀具中心轨迹在圆角处的半径。
- 显然，当Cl=Cc 时，在刀具由直线走刀过渡到圆弧走刀的时候，由于切入角的增大而使刀具与工件的接触面积增加, 从而引起切削力的突然增大并容易产生振动。切削力的突变造成刀具和工件的加工变形增大，零件的尺寸误差加大，而切削振颤则会在圆角处产生振纹，影响零件的加工质量。
- 细化圆角刀具路径的方法，其思想就是在走刀过程中，保持刀具切入角恒定, 或者附加走刀路径，即减小刀具在圆角处的径向切厚，从而避免切削力的超值突变。具体的细化刀具路径图如图8、9 所示。
图8 等切入角刀具路径细化示意图 |
图9 附加走刀路径细化示意图 |
- 采用圆角处刀具路径细化方案，可以有效的保持稳定切削，减小因切削力突变而引起的加工变形和可能发生的切削振动，提高了零件的加工质量。
- 当然，在圆角切削力实验中，我们还发现，逆铣时切屑厚度是由薄到厚，由于刃口尺寸效应，在刀刃刚接触工件时，后刀面与工件之间的摩擦较大，易于引起振动，拐角处会出现严重的斜向振纹。顺铣则刚好相反，虽然顺铣的切削力稍大于逆铣时的切削力，但是在切削拐角处时，不会产生明显的振纹。不过顺铣时切屑厚度是由厚到薄，对工件和刀具的冲击力较大，在加工时尽可能减少刀具的悬伸长度和增加工件的刚性。
4 其它高效铣削加工技术
- 进给量的局部优化法与刀具偏摆数控补偿技术作为数控加工前期的工艺优化和质量保证研究，分别从抑制加工变形和有效补偿加工变形的思想出发，二者均应用了有限元技术来建立零件的加工变形模型，并分析处理加工过程中的加工变形状况。
- 进给量的局部优化方法是针对恒定进给量提出的。因为零件某一表面上各部分的刚性及切削力的大小不同, 受力变形情况也不一样。利用有限元分析软件进行分析后得到变形分布图, 可以看到有些位置的变形大, 有些位置的变形小。如果采用恒定的进给量, 为了保证变形量最大的位置能达到质量要求，整个表面就得全部采用很小的进给量, 而进给量的局部优化就是在变形小的地方采用大进给量,而在变形大的地方采用小的进给量。这样可以在保证变形量的同时, 提高效率, 减少成本。实验研究表明, 采用该方法在提高加工质量的同时可以节省约60%的加工时间。
- 刀具偏摆数控补偿技术，是在有限元分析基础上, 根据模拟仿真加工变形的大小，在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形情况附加补偿运动,补偿因切削力作用而产生的变形。对侧壁加工，通过偏摆刀具进行补偿；对腹板加工，则补偿轴向切深。通过数控补偿, 可以将因变形而产生的残余材料切除, 一次走刀即可保证薄壁件侧壁或腹板精度,从而达到高效、经济、优质加工薄壁零件的目的。
5 结论
- 以上介绍和分析了当今国内外有关薄壁结构的高效铣削加工技术研究状况。目前，国内外对于薄壁结构的加工变形研究主要在静态分析方面，而对于薄壁结构的加工变形研究的动态分析还不成熟。当然，对于薄壁结构的高效铣削加工技术研究，可以从机床、夹具、刀具、工件以及切削参数与走刀路径等不同方面进行优化分析。
- 随着高速切削技术与有限元技术的进一步发展与完善，数控加工前期的工艺优化和质量保证研究工作日显突出。利用理论分析和实验相结合建立工件变形模型；通过模拟分析替代大量的实验研究工作来优化切削参数与走刀路径；根据批量生产的实际需要研究、开发新型刀具、夹具，努力提高机床的性能。薄壁结构的高效铣削加工技术定会得到较大的发展，薄壁结构的应用会更加广泛。
