高速切削技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)件加工中的應(yīng)用研究

單英吉　孫樹強　楊巍

摘 要：本文通過對高速切削技術(shù)研究涉及的加工試驗環(huán)境、加工對象及其工藝研究，制定相關(guān)零件的加工策略，最終以機翼壁板、滑軌等大型鋁合金零件為對象開展了高速切削技術(shù)的研究與試驗表明：與常規(guī)加工相比，零件加工效率提升了47%以上；加工工時縮短了近50%，減少了大量的鉗工等工作。所以高速切削技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)件加工中的應(yīng)用，不但能優(yōu)化零件加工工藝，縮短大零件加工周期，而且能夠節(jié)約零件加工制造成本。

關(guān)鍵詞：高速切削；工藝分析；加工參數(shù)；編程策略

中圖分類號：TG54 文獻標識碼：A

高速切削技術(shù)是誕生予20世紀30年代的一項先進制造技術(shù)，其是高效率和高質(zhì)量的切削加工技術(shù)，被稱為是21世紀機械制造業(yè)的一場技術(shù)革命[1-2]。隨著科學技術(shù)的進步，機械加工技術(shù)發(fā)生著突飛猛進的變化。高速切削時的切削速度比常規(guī)切削時的切削速度的高出5～10倍以上，不同材料的高速切削速度是不同的，鋁合金等材料高速切削時的切削速度。鋁合金1000m/min～7000m/min；銅合金 900m/min～5000m/min；鋼500m/min～2000 m/min；灰鑄件800m/min～3000m/min；鈦合金為100m/min～1000m/min。

隨著切削速度的提高，材料切除率也將增高，切削質(zhì)量不斷提升，但刀具切削力降低，刀具使用壽命也隨之降低。高速切削優(yōu)點包括：

（1）加工效率增高；

（2）已加工表面質(zhì)量高；

（3）零件加工質(zhì)量提升；

（4）切削力降低；

（5）工件變形減??；

（6）制造成本降低。

結(jié)合航空領(lǐng)域?qū)α悴考庸べ|(zhì)量高要求，通過對高速切削技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用特點研究，本文針對航空大型鋁合金壁板類結(jié)構(gòu)件，開展相關(guān)高速切削技術(shù)的試驗性研究。

1 加工試驗環(huán)境及對象分析

1.1 加工試驗環(huán)境

高速切削是一項綜合的切削加工技術(shù)，高速切削加工需要加工資源包括：高速切削機床，適應(yīng)高速切削的刀具技術(shù)、工藝技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和冷卻潤滑技術(shù)等。本文研究高速切削技術(shù)加工試驗環(huán)境見表1。

1.2 加工對象分析

（1）機翼大型壁板類結(jié)構(gòu)件

機翼壁板是比較典型的一個鋁合金壁板零件，零件壁厚2mm～8mm，結(jié)構(gòu)相對復雜，表面加工質(zhì)量要高，尺寸公差要求高。普通機床加工，受加工機床、刀具等因素制約，進給速度一般為200mm/min～2000mm/min、轉(zhuǎn)速控制在1000r/min～2500r/min，金屬切除率很低，零件表面質(zhì)量不高，加工后需鉗工修整，增加了零件加工周期。

（2）A320滑軌肋結(jié)構(gòu)件

滑軌肋是空A320客機上的重要組件，其主要對機翼前緣的移動部分進行支撐。每個肋板零件與蒙皮相連接的緣條、內(nèi)部的減輕槽腔、加強筋、裝配孔、通孔及定位凸臺、肋等對裝配孔的位置、精度要求非常高，而且，零件的外形公差要求嚴格、零件的表面光度要求較高。

2 工藝分析及加工策略

2.1 工藝分析

適合高速切削的航空零件主要包括：壁板、框、梁、肋等結(jié)構(gòu)件。航空產(chǎn)品中的多數(shù)零件都是雙面結(jié)構(gòu)的，這種雙面結(jié)構(gòu)主要包括兩種典型工藝路線：

A方案：正面粗加工正面精加工翻面反面粗加工反面精加工。A適合“正面”結(jié)構(gòu)簡單，“正面”精加工后，對“反面”加工的裝夾定位沒有影響的零件，如壁板；或“反面”結(jié)構(gòu)復雜，沒有合適定位面的零件，如滑軌肋。

B方案：正面粗加工翻面反面粗加工反面精加工翻面正面精加工。B適合正反兩面結(jié)構(gòu)相似，切削量相近的零件。先進行正反兩面粗加工，可以有效釋放應(yīng)力。這種方案普遍應(yīng)用在整體框、梁類零件的加工中。

綜上所述，針對本文研究的機翼壁板、A320滑軌肋進行高速切削技術(shù)研究，應(yīng)選擇A方案。

2.2 加工策略

2.2.1 數(shù)控編程的特點

高速切削的數(shù)控編程具有一定的特殊性，在切削方式、刀具軌跡等方面都和普通數(shù)控加工有很大的區(qū)別，具體要點包括：①多采用分層銑削；②盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；③減少速度的急劇變化，在走刀方向變化較大的位置加入圓弧過渡段；④減少銑削負荷的變化，使加工余量盡量控制均勻；⑤原則上均采用順銑方式；⑥切入和切出盡量采用切向進刀；⑦粗加工要注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻。

2.2.2 刀具選擇

根據(jù)零件形腔的轉(zhuǎn)角半徑，選擇粗加工刀具時，應(yīng)盡可能選用大直徑刀具，充分發(fā)揮機床的有效功率，提高切削效率。同時也要注意，粗、精加工刀具直徑相差太大，將會在零件轉(zhuǎn)角處的腹板上產(chǎn)生三角形殘留。選擇精加工刀具時，精加工刀具的半徑要小于零件形腔最小轉(zhuǎn)角半徑，這樣有利于在轉(zhuǎn)角處形成圓滑的過渡曲線，避免切削力在轉(zhuǎn)角處突然增大，使刀具折斷。

2.2.3 參數(shù)選擇原則

高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時，加工用量會有很大差異。通常隨著切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨損加??；加工表面粗糙度隨切削速度提高而降低；對于刀具壽命，每齒進給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的范圍相對較窄。因此，高速銑削參數(shù)一般的選擇原則：高的切削速度，中等的每齒進給量fz，較小的軸向切深ap，適當大的徑向切深ae。

2.2.4 編程策略

（1）設(shè)置每層最大切深，分層加工。加工鋁合金一般每層深度3mm，每層最大切深設(shè)置。

（2）轉(zhuǎn)角降速。在銑削加工零件的內(nèi)型時，經(jīng)常會遇到因零件分粗、精加工。粗加工時，主要以去除多余金屬為目的，為了提高效率，通常選用直徑較大的銑刀，而在精加工時，由于受到零件轉(zhuǎn)角半徑的限制，通常刀具直徑較小，當精加工時，刀具加工到轉(zhuǎn)角部位時，其徑向切深ae會突然增大數(shù)倍，如進給速度f仍保持不變，則會加快刀具的磨損，甚至造成刀具折斷；零件由于切深的突然增大，刀具發(fā)生振動，在轉(zhuǎn)角處表面產(chǎn)生振紋；對于某些控制系統(tǒng)缺少前瞻功能的機床，還會產(chǎn)生過切現(xiàn)象。這個問題在使用CATIA V5編程時，通過軟件功能很好地解決。即在確定零件進給速度的選項中，激活轉(zhuǎn)角降速按鈕，即可完成在刀具加工轉(zhuǎn)角時，按比例降低進給速度，從而達到保護刀具，提高零件加工精度的目的。

（3）必要時設(shè)置拐角強制圓弧過渡。因為高速加工的特殊性，要求走刀路徑不能存在直角和銳角。設(shè)置拐角強制圓弧過渡功能，可以保證刀具切削過程的連續(xù)性和平穩(wěn)性?！癏igh Speed Milling”開關(guān)打開/關(guān)閉的區(qū)別（圓角半徑1mm）。

（4）設(shè)置進退刀宏指令。高速銑環(huán)切時經(jīng)常使用螺旋進刀的方式，即刀具的中心沿著一條螺旋線運動至零件的腹板表面的加工方式。這種方式減小了加工過程中零件對刀具的抗力，同時可以保證刀具的底刃在加工中能夠切除移動軌跡上的零件材料，尤其對那些沒有過中心橫刃的刀具，采用這種方法可以在沒有預制孔的情況下直接加工到深度。退刀可采用軸向抬刀到安全平面或切向圓弧退刀方式。

2.2.5 加工驗證

以機翼壁板、滑軌肋零件為驗證對象，進行高速加工試驗。與非高速加工相比，機翼壁板的加工效率提升了50%，滑軌肋零件的加工效率提升了47%；數(shù)控加工工時縮短了普通數(shù)控加工的一半，而且加工后的零件表面質(zhì)量完全達到圖紙要求，省去了大量的鉗工打磨工作。

3 結(jié)論與展望

本文以機翼壁板、滑軌肋零件為對象，通過對零件的加工試驗環(huán)境、工藝分析及加工策略等高速切削技術(shù)的研究與試驗發(fā)現(xiàn)：與常規(guī)加工相比，零件加工效率提升了47%以上；加工工時縮短了近50%，減少了大量的鉗工打磨等工作。因此，高速切削技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)件加工中的應(yīng)用，不但能縮短大型飛機鋁合金結(jié)構(gòu)件加工周期，而且能夠節(jié)約相關(guān)零件加工制造成本。

參考文獻

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