航空結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)角特征數(shù)控銑削程編工藝方法研究*

劉 適 崔雅文 彭 雨

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司數(shù)控加工廠，四川成都 610091)

航空結(jié)構(gòu)件一般分為框、梁、肋、接頭等多種不同的類型，但是，這些不同的結(jié)構(gòu)件類型卻均是由一些相同的典型加工特征所構(gòu)成。其中，轉(zhuǎn)角特征是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中最常見和典型的加工特征之一。航空結(jié)構(gòu)件多為薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)角特征幾何形態(tài)多樣，受到機(jī)床狀態(tài)、刀具－工件系統(tǒng)加工穩(wěn)定性等因素的影響常常產(chǎn)生質(zhì)量問題，因此，轉(zhuǎn)角特征的數(shù)控程編工藝方法及切削方法對(duì)加工質(zhì)量起到了決定性的作用，是航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中的一個(gè)重要研究對(duì)象。

1 航空結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)角特征及其幾何表達(dá)

航空結(jié)構(gòu)件中的轉(zhuǎn)角是表達(dá)兩相鄰表面之間過渡特性的凹特征，由于是一個(gè)過渡特征，因此轉(zhuǎn)角的幾何形態(tài)主要受兩相鄰表面的影響，其幾何結(jié)構(gòu)定義也較為復(fù)雜。通過對(duì)大量航空結(jié)構(gòu)零件轉(zhuǎn)角特征的分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)，可以用面角度(用 α表示)、深度(用H表示)、半徑(用R表示)和底面夾角(用ψ表示)4個(gè)幾何屬性來定義轉(zhuǎn)角特征。面角度(α)表示了轉(zhuǎn)角兩相鄰面的角度位置關(guān)系(如圖1所示)，轉(zhuǎn)角深度(H)是指轉(zhuǎn)角處的筋(緣條)頂面到轉(zhuǎn)角底面(腹板面)的距離(如圖2所示)，轉(zhuǎn)角半徑(R)為轉(zhuǎn)角凹圓弧面的最小曲率半徑(如圖3所示)。

由于轉(zhuǎn)角面不是一個(gè)平面，因此轉(zhuǎn)角與底面夾角ψ是通過擬合得到的一個(gè)夾角，如圖4所示，分別通過轉(zhuǎn)角面的上界曲線和下界曲線的端點(diǎn)構(gòu)建兩條直線，再通過這兩條直線構(gòu)建出一平面，將該平面與底面的夾角定義為轉(zhuǎn)角與底面的夾角。ψ＜90°時(shí)，稱為閉角轉(zhuǎn)角，ψ≥90°時(shí)，稱為開角轉(zhuǎn)角。該夾角表征了轉(zhuǎn)角面向底面的傾斜程度。

2 航空結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)角特征加工的特點(diǎn)及問題

轉(zhuǎn)角加工時(shí)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡要進(jìn)行換向，機(jī)床在換向過程中勢必會(huì)進(jìn)行加減速，尤其是高速機(jī)床為了避免換向帶來的沖擊，其加減速更為明顯。通常加工轉(zhuǎn)角處都是采用等徑向切深切削的方式，即在一次走刀過程中理論徑向切深為一定值，當(dāng)?shù)毒哂芍本€走刀過渡到圓弧走刀的時(shí)候，由于切削夾角(刀齒切入和切出時(shí)的夾角)明顯增大，導(dǎo)致刀具與工件的接觸面積增加，如圖5中陰影部分所示。

由于轉(zhuǎn)角加工存在上述特點(diǎn)，直接導(dǎo)致了加工轉(zhuǎn)角時(shí)切削力出現(xiàn)了明顯的超值突變現(xiàn)象。圖6為實(shí)驗(yàn)測得的加工某轉(zhuǎn)角時(shí)銑削力變化趨勢示意圖，可以看出轉(zhuǎn)角處銑削力的變化是一種突變。航空結(jié)構(gòu)件大量采用薄壁結(jié)構(gòu)，因此，轉(zhuǎn)角處的銑削力突變極易誘發(fā)切削振動(dòng)，從而在圓角處產(chǎn)生振紋，造成刀具和工件的加工變形增大(欠切)或拉刀，嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量。尤其是具有面角度小、深度大、半徑小、與底面夾角小等一些特點(diǎn)的轉(zhuǎn)角，其加工工藝狀態(tài)不穩(wěn)定，存在較大的加工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。此外，在生產(chǎn)實(shí)踐中往往暴露出轉(zhuǎn)角的加工工藝方法和加工參數(shù)較為混亂的問題，造成加工轉(zhuǎn)角質(zhì)量不高，效率較低。

3 轉(zhuǎn)角加工的工藝方法及其優(yōu)化選擇

3.1 轉(zhuǎn)角特征的加工工藝方法

目前，轉(zhuǎn)角特征主要采用側(cè)銑和插銑兩種銑削方式，所采用的工藝方案也有兩種，一是靠刀法側(cè)銑，二是插銑結(jié)合側(cè)銑的方法?？康斗ㄊ且来问褂弥睆綇拇蟮叫〉牡毒卟捎脗?cè)銑的方式分別加工轉(zhuǎn)角處，如按照直徑φ20 mm→φ16 mm→φ12 mm刀具的換刀順序分別加工轉(zhuǎn)角(飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的轉(zhuǎn)角半徑通常大于等于R6 mm)。該方法先通過剛性較好的大直徑刀具去除大部分金屬材料，留給剛性較弱刀具加工的部分僅是圓角處較小的一部分，避免了直接采用細(xì)長刀具在大切削用量情況下的加工變形和切削振動(dòng)現(xiàn)象。

插銑又稱Z軸銑削，加工過程中刀具沿主軸方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，利用底部的切削刃進(jìn)行鉆、銑組合切削，是實(shí)現(xiàn)高金屬去除率的有效切削方式之一。對(duì)于刀具懸伸長度較大的加工，插銑的加工效率高于常規(guī)的側(cè)銑加工。插銑加工的側(cè)向力小，減小了刀具、工件變形，加工中作用于銑床的徑向切削力較小，使主軸剛度不高的機(jī)床仍可使用而不影響工件的加工質(zhì)量，有效避免了機(jī)床—刀具系統(tǒng)的振動(dòng)現(xiàn)象。插銑尤其適用于深槽腔轉(zhuǎn)角的加工，但是受制于插銑刀具的結(jié)構(gòu)形式并且為了保證加工尺寸精度，插銑要和側(cè)銑相結(jié)合，即以插銑為主去除大余量，再采用側(cè)銑的方式清除轉(zhuǎn)角底面及側(cè)面的局部殘留。

3.2 轉(zhuǎn)角特征的加工工藝方法選擇

轉(zhuǎn)角加工工藝方法的選擇直接和轉(zhuǎn)角的各種幾何屬性相關(guān)。根據(jù)對(duì)大量航空結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)角的幾何屬性的總結(jié)，可以將轉(zhuǎn)角特征按照不同的幾何屬性分別進(jìn)行分類。

(1)按照轉(zhuǎn)角面角度屬性分類

鈍角轉(zhuǎn)角:90°≤α ＜180°;

銳角轉(zhuǎn)角:60°≤α ＜90°;

表1 一般轉(zhuǎn)角加工工藝方法選擇參考表

尖角轉(zhuǎn)角:0°＜α ＜60°。

(2)按照轉(zhuǎn)角深度屬性分類(D表示刀具直徑)

淺轉(zhuǎn)角:H＜3D;

深轉(zhuǎn)角:H≥3D。

(3)按照轉(zhuǎn)角半徑分類

小半徑轉(zhuǎn)角:R＜6mm;

大半徑轉(zhuǎn)角:R≥6mm。

將上述幾種分類方法作為切削實(shí)驗(yàn)研究時(shí)的劃界標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果及加工驗(yàn)證可以得到如表1所示的一般轉(zhuǎn)角的加工工藝方法的選擇參考標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于大多數(shù)轉(zhuǎn)角而言，通過轉(zhuǎn)角幾何屬性的具體情況，可以查表得到適合的加工工藝方法及刀具的選擇建議。

3.3 轉(zhuǎn)角特征的銑削方法研究

轉(zhuǎn)角的銑削方式目前主要有側(cè)銑和插銑兩種，兩種方式所使用的刀具、走刀軌跡、加工參數(shù)各不相同，兩種銑削方式的選擇原則應(yīng)該是在保證加工質(zhì)量的前提下追求成本、效率的最優(yōu)化。

3.3.1 側(cè)銑方法研究

(1)走刀方式

側(cè)銑轉(zhuǎn)角采用單向順銑走刀的方式，加工五坐標(biāo)轉(zhuǎn)角時(shí)，如果采用變軸加工方式一方面效率較低，另一方面由于受機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的影響，極有可能造成表面質(zhì)量不佳甚至發(fā)生過切或欠切等情況，因此應(yīng)盡可能使用定軸加工的方式，如圖7所示。

(2)切削余量控制

側(cè)銑切削余量控制主要考慮軸向切深、徑向切寬及其分層等，具體的參數(shù)選擇要綜合考慮機(jī)床、刀具、工件結(jié)構(gòu)剛性等影響。在轉(zhuǎn)角根部，刀具底齒參與到切削當(dāng)中，銑削力增大，應(yīng)注意嚴(yán)格控制切削余量，在接近轉(zhuǎn)角根部時(shí)建議程序細(xì)化分層，尤其注意嚴(yán)格控制軸向切深。此外，還應(yīng)注意要考慮刀具真實(shí)的接觸切削深度，如圖8所示。在某些CAM軟件中(如Catia)設(shè)置的切深A(yù)p不是沿刀軸方向，而是垂直于底面的方向，沿刀軸方向的實(shí)際切深A(yù)pa與Ap的關(guān)系為

由式(1)可見Apa≥Ap，ψ越小則差值越大，所以在加工閉角比較大的轉(zhuǎn)角時(shí)尤其要注意。

加工小半徑或小面角度的轉(zhuǎn)角時(shí)由于刀具半徑小、加工余量大，因此需采取徑向分層，徑向每一層的切寬設(shè)置要使切削余量均勻。如圖9所示，大刀具加工后留下的加工殘留為L，根據(jù)幾何關(guān)系可得L為

小刀具在進(jìn)行徑向分層加工時(shí)，將L根據(jù)分層數(shù)均分，從而保證切削余量均勻。如徑向分n層，則每層的切削余量為L/n，根據(jù)幾何關(guān)系可得Ae為

式(3)中R1為粗加工中使用的大刀具加工后形成的轉(zhuǎn)角半徑，R2為小刀具精加工后形成的轉(zhuǎn)角半徑，α為轉(zhuǎn)角面角度。

(3)加工偏置及刀軌過渡圓弧

精銑轉(zhuǎn)角需在轉(zhuǎn)角底面和側(cè)面留一定余量，即在理論位置上進(jìn)行偏置。這是為了抵消在對(duì)刀、找原點(diǎn)等過程中產(chǎn)生誤差或機(jī)床的熱誤差對(duì)加工造成的影響，防止銑傷已經(jīng)加工到位的底面或側(cè)面。對(duì)于高速加工的薄壁結(jié)構(gòu)件而言這種偏置尤其重要。通常轉(zhuǎn)角加工是在工件腹板和側(cè)壁加工到位之后再進(jìn)行的，若銑轉(zhuǎn)角時(shí)接觸到已加工面，極有可能引起加工中的顫振。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐證明，偏置值一般可設(shè)為0.05 mm，若工件剛性較差，可適當(dāng)增大。

為減小轉(zhuǎn)角處的沖擊，尤其是在高速加工及鈦合金等難加工材料的加工中，在轉(zhuǎn)角處刀軌需要增加過渡圓弧，如圖10所示。過渡圓弧半徑不能太大，否則轉(zhuǎn)角尺寸會(huì)超大，通常不大于0.5 mm。

(4)轉(zhuǎn)角根部處理

由于在轉(zhuǎn)角根部加工余量較大且刀具底齒和側(cè)齒均參與切削，銑削力增大，因此要進(jìn)行軸向和徑向的細(xì)化處理。如圖11所示分別為軸向和徑向細(xì)化處理的加工刀軌，尤其在閉角轉(zhuǎn)角區(qū)域。如圖12所示，圖中R'em為腹板上的殘留，Ad范圍內(nèi)為精加工轉(zhuǎn)角時(shí)的根部滿刀加工區(qū)域，在該區(qū)域必須要進(jìn)行軸向細(xì)化。

由幾何關(guān)系可得R'em為

式(4)、式(5)中D1為精銑內(nèi)形刀具直徑，D2為精銑轉(zhuǎn)角刀具。

為去除腹板殘留R'em，要使用加工轉(zhuǎn)角的刀具或直徑更小的刀具清根，一般采用行切的方式，刀軌如圖13所示。行切從距離轉(zhuǎn)角面R'em處開始，行切區(qū)域與轉(zhuǎn)角面應(yīng)保持一定距離，行距控制在0.2 mm以內(nèi)。

3.3.2 插銑方法研究

(1)加工工藝過程

作為一種先進(jìn)而高效的銑削方法，插銑在航空結(jié)構(gòu)件加工領(lǐng)域使用越來越廣泛，最主要的一個(gè)應(yīng)用就是在轉(zhuǎn)角加工中，如圖14所示。其一般工藝過程為:粗銑→粗插銑轉(zhuǎn)角→精銑側(cè)壁及腹板→精插銑轉(zhuǎn)角→補(bǔ)銑轉(zhuǎn)角→補(bǔ)充插銑轉(zhuǎn)角。需要注意，這一工藝流程是將插銑和側(cè)銑、銑轉(zhuǎn)角和銑腹板、側(cè)壁有機(jī)地結(jié)合在了一起，充分發(fā)揮了插銑去除大余量效率高，加工穩(wěn)定的優(yōu)勢，插銑完成之后需要用側(cè)銑的方法進(jìn)行一定的補(bǔ)充加工以清除殘留。

(2)插銑轉(zhuǎn)角的刀具選用

插銑加工使用專用的插銑刀具，根據(jù)轉(zhuǎn)角的大小選擇刀具直徑。粗插銑轉(zhuǎn)角盡量使用大直徑(如φ20 mm)插銑刀以提高效率，精插銑轉(zhuǎn)角使用小直徑(如φ12 mm)插銑刀以保證尺寸。不論插銑還是側(cè)銑，選擇整體硬質(zhì)合金刀具能夠更好地保證加工質(zhì)量。對(duì)于深度較大的轉(zhuǎn)角在使用小刀具補(bǔ)銑時(shí)可以采用長短刀結(jié)合的方式，即先用短刀具銑上半部分，再用長刀具銑下半部分。選擇刀具時(shí)注意插銑刀的有效切削寬度應(yīng)滿足加工余量要求。

(3)插銑轉(zhuǎn)角的工藝要點(diǎn)

粗插銑所留余量要與粗銑側(cè)壁時(shí)所留余量一致，而在精插銑時(shí)要控制插銑刀位點(diǎn)，一方面要保證插銑轉(zhuǎn)角與側(cè)壁盡量接平，另一方面要考慮側(cè)壁讓刀、振動(dòng)等情況，因此精插銑要在精銑側(cè)壁的基礎(chǔ)上多留0.3～0.5 mm余量，如圖15所示。此外，尖角轉(zhuǎn)角由于余量較大一般需要采用多點(diǎn)插銑。

(4)補(bǔ)銑及補(bǔ)插銑轉(zhuǎn)角

用小直徑立銑刀(如φ12 mm)側(cè)銑的方式補(bǔ)銑轉(zhuǎn)角，注意刀軌必須有圓弧過渡。補(bǔ)銑時(shí)工件底角區(qū)以上可在不改變切削速度和進(jìn)給速度的情況下適當(dāng)增大切深，而在工件底角區(qū)域則要細(xì)化分層，減小切深切寬參數(shù)。表2所示為試驗(yàn)得到的直徑φ12 mm的不同長度規(guī)格的刀具的切深經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。注意，對(duì)于較深的轉(zhuǎn)角應(yīng)該采用長短刀分步加工的方式，分別使用長徑比小于4及長徑比大于4的刀具先后加工。

由于在補(bǔ)銑轉(zhuǎn)角時(shí)刀軌有圓弧過渡會(huì)形成殘留，因此，為了消除補(bǔ)銑轉(zhuǎn)角時(shí)因軌跡倒圓在轉(zhuǎn)角處形成的殘留，要進(jìn)行補(bǔ)插銑。由于余量較小，因此補(bǔ)插銑可直接使用補(bǔ)銑轉(zhuǎn)角時(shí)所用的立銑刀插銑轉(zhuǎn)角底部，底面留0.05 mm余量避免傷及腹板面。

4 結(jié)語

通過對(duì)航空結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)角特征的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開展研究并進(jìn)行分類，在幾何分析計(jì)算及大量切削試驗(yàn)的基礎(chǔ)上找到適合各種類型轉(zhuǎn)角的最優(yōu)加工工藝方法和切削方式，能夠有效地提高程編效率和程編質(zhì)量，便于推廣應(yīng)用。這種圍繞具體特征將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為工藝知識(shí)的方法為開展基于特征的數(shù)控編程技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)然，本文僅對(duì)轉(zhuǎn)角特征進(jìn)行了研究，航空結(jié)構(gòu)件中還有大量典型特征需要后續(xù)進(jìn)一步開展更加深入的研究。

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