改善航空超薄壁零件加工剛性的方法

馬鵬舉，廖志兵，童賽賽，楊開放

(1.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京100191；2.中國貨運航空有限公司 飛行部波音777機隊，上海 201615)

0 引言

薄壁零件是指壁厚高度比值在1/5～1/8范圍內(nèi)的零件，如果小于這個值則可稱之為超薄壁零件[1]。在航空零件設計結構中，有時零件或結構的壁厚甚至在0.5 mm左右，其壁厚高度比甚至達到1/30或更小[2]。和一般的薄壁零件相比其加工更困難，尤其是在精加工階段，工件或結構的剛性已經(jīng)非常差。此時，加工面臨兩個突出的問題：一是工件的超薄壁受到切削力作用后產(chǎn)生彈性讓刀，引起較大的尺寸和形狀誤差；二是在該階段工件的加工穩(wěn)定性變得很差，極易發(fā)生顫振而無法正常切削，造成工件的表面質(zhì)量嚴重下降。薄壁或超薄壁零件在航空零件加工中比較常見，正常加工手段不容易達到零件的壁厚要求，很難保證加工精度和表面質(zhì)量。

減少薄壁零件的變形，保證加工精度的研究大致可分為以下幾類。

1)優(yōu)化刀具路徑[2]。采用多層切削的方法，充分利用工件剛性[3-5]，根據(jù)工件壁厚高度比，設計合理的走刀路徑達到減小形變的目的[6-7]。

2)優(yōu)化切削用量，直接減少工件的變形。采用小的軸向切深和徑向切寬，增大主軸轉(zhuǎn)速[8]。

3)建立理論模型，設計刀具位置補償。文獻[9]首先確定切削力模型，再通過有限元分析方法得到薄壁件的變形規(guī)律，對工件變形進行補償；文獻[10]建立薄壁零件在5軸加工中心上各個位置的瞬態(tài)加工切削用量模型，基于維持在任意加工位置切削力與切削位置點的比值為常量的假設，制定瞬態(tài)加工規(guī)劃，在刀具切削路徑上平均變形誤差。文獻[11]提出一種理論分析模型，運用柱狀銑刀銑削薄壁零件的側(cè)壁時，預判切削厚度的變化對工件剛度的影響，然后進行補償。

4)使用專用夾具。結合有限元仿真分析，設計和應用針對薄壁零件加工的專用夾具、智能夾具，減少夾緊變形，通過對夾緊順序受力變形規(guī)律的分析，確定合理的夾緊順序[12-15]。

6)優(yōu)化數(shù)控加工程序設計?；谟邢拊治?，綜合考慮夾緊變形、加工過程中的振動、工件材料的性能、刀尖切削部位的狀態(tài)、預判工件結構特征所引起的非線性因素等情況，對G代碼進行優(yōu)化，使得數(shù)控程序與工藝更好地融合，有效地保證加工精度[14，19-21]。這種方法要求程序設計人員不但要具有程序設計的能力，還需具備豐富的加工工藝知識，并把二者很好地結合起來。

本文提出的航空超薄壁零件分區(qū)循環(huán)逐層切除余量優(yōu)化工件剛性的方法。通過分區(qū)分層切削，充分利用工件的剛性，改善工件的振動特性，大大減小彈性讓刀產(chǎn)生的加工誤差，提高了加工質(zhì)量。而且本方法無需特殊工裝，成本低，容易在生產(chǎn)實際中推廣應用。

1 薄壁件讓刀變形分析

薄壁件具有低剛度特性，在銑削加工過程中，當銑削寬度較大時，工件易產(chǎn)生“讓刀現(xiàn)象”，從而產(chǎn)生加工誤差。圖1(a)為立銑刀在銑削薄壁件加工過程中產(chǎn)生工件變形的原理示意圖。圖中ABCD為理論上應去除的部分，由于薄壁件壁厚薄，剛性差，刀具切入工件時，在銑削力作用下，工件產(chǎn)生了彈性變形，A、D兩點分別移至了A′、D′點，因此在銑削過程中，刀具僅切除了A′DCB部分(圖中的陰影部分)，仍有一部分材料(CDD′)未被切除。加工結束后，工件彈性形變得以恢復，未被切除的部分CDD′造成薄壁件的加工誤差δ，如圖1(b)所示，造成工件尺寸、形狀和位置誤差。另外由于薄壁件剛性低，極易發(fā)生振動，從而影響表面質(zhì)量。

2 分區(qū)域分段循環(huán)逐層切削的加工余量切除策略

本文提出圖2所示的工藝方法，即分區(qū)域分段循環(huán)逐層切削的加工余量切除策略，其本質(zhì)是最大限度地利用工件的剛性。圖2(a)是常用的切削方法，其余量切除順序為1—2—3—4，每切除一層余量，工件的剛性隨之下降，在切除最后一層余量時，工件的剛性就變得非常差，工件受到切削力作用產(chǎn)生的加工誤差十分明顯，而且隨著工件剛性變差，極易發(fā)生振動，嚴重影響工件的表面質(zhì)量。在圖2(b)所示的切削方法中，余量切除順序為1—2—3—4—5—6—7—8可以有效地利用工件本身的剛性。

圖2 分區(qū)循環(huán)逐層切削與加工路徑的兩種方案

將以上加工方法推廣到超薄壁零件實際生產(chǎn)過程中，為減少加工過程中的變形，采用分區(qū)、分段循環(huán)逐層切削的加工策略。對于高精度、復雜的大型超薄壁零件，可以首先根據(jù)零件結構劃分成加工區(qū)域，如圖3所示。

圖3 分區(qū)、分段循環(huán)逐層切削

為了進一步保持工件的剛性，在每個區(qū)域之間有暫時保留的改善工件剛性的工藝凸臺。對于大型的超薄壁平面或曲面，保留在正反面的工藝凸臺形成一個網(wǎng)狀的結構，最大限度地支撐加工部位，減小切削力造成的變形。

表1是1981—2017年柑橘產(chǎn)量與年平均氣溫、日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃積溫、日平均氣溫穩(wěn)定通過10℃積溫、年降水量、降水量天數(shù)、年日照時數(shù)的相關系數(shù)。

如圖3(a)所示，首先加工段1的1區(qū)和2區(qū)，然后切除凸臺，再加工段2的3區(qū)和4區(qū)，切去段2的凸臺，最后形成工件。對于圖3(b)所示的薄壁圓筒形零件(如機匣)的切削順序以此類推。不但分段、分區(qū)劃分工件內(nèi)外加工表面，而且在劃分加工區(qū)域時使內(nèi)外表面所留有的工藝凸臺內(nèi)外錯開，進一步改善工件加工時的剛性。

3 試驗驗證

3.1 試驗樣件設計

實驗用樣件設計如圖4所示，其中長度和高度分別取值300 mm和100 mm。裝夾部分是專門設計的工藝凸臺，在加工后可以用線切割方法切除。在加工表面標出測量位置，測量點縱向(即y向)分為4段，分別用1-、2-、3-、4-表示，每段橫向(即x向)測量10個點，每一個測量位置分別是-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10，如“3-2”即表示第3層的第2個點，以此類推。為了消除毛刺和刀具切削刃形狀的影響，測量位置均離開工件邊緣一定距離。

圖4 實驗樣件示意圖

圖5是試驗樣件的設計方案，其中在圖5(a)的工件寬度方向的兩端留有寬度為3 mm的加強筋。

圖5 加強筋設計

為了檢驗本文提出的薄壁零件加工方法的有效性，重點驗證：

1)在同樣的加工工藝條件下(需要優(yōu)化)所用工藝方法所能達到的最小壁厚值的大小。同樣的加工工藝條件，走刀路徑的不同，加工過程中的零件各部分的剛度變化是否會不同。剛度越低系統(tǒng)越容易產(chǎn)生振動，所以試驗中以發(fā)生振動前工件所達到的壁厚作為方案的評價指標之一，即圖4中A值的大小。

2)由于加工過程中彈性變形在線測量受到加工現(xiàn)場各種因素的影響，如切屑、工件的毛刺、冷卻潤滑液、加工中的振動，數(shù)據(jù)測量往往不準確或難以進行。加工過程中工件的彈性讓刀最后反映在工件上各點壁厚的變化，壁厚可以在工件加工結束后采用多種方法測量，所以本試驗中采用測量壁厚的方法間接表示工件的彈性變形。

3.2 試驗設備及工藝參數(shù)的選擇

試驗中所用的機床為普通立式銑床，切削用量按加工階段有3種選擇：1)高速鋼銑刀(其剛度相比于實驗獲得的壁厚約為1 mm的零件，可以認為加工過程中不發(fā)生彈塑性變形，也不會引起加工過程中的振動)，切削深度ap=1.0 mm，切削寬度ae=1.0 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=1 200 r/min，進給速度f=160 mm/min；2)其他參數(shù)不變，取主軸轉(zhuǎn)速n=800 r/min；3)其他參數(shù)不變，取主軸轉(zhuǎn)速n=500 r/min。工件設計見圖4和圖5，工件材料為鋁合金。工件通過裝在工作臺上的平口鉗裝夾，不使用冷卻潤滑液，如圖6所示。試驗中分別對零件進行編號，具體零件特征與刀具路徑優(yōu)化對比如表1所示。

圖6 實驗現(xiàn)場

表1 工件加工特征

3.3 結果討論

對加工樣件進行三坐標測量，結果如圖7所示。

圖7 加工樣件的三坐標測量結果

1)工件壁厚

薄壁零件加工時，所能達到的工件壁厚是體現(xiàn)設備精度、工藝技術水平的一個重要指標。同樣的工藝裝備條件下，不同的工藝方法所能達到的壁厚最小值，反映工藝方法的優(yōu)劣。

為了減少隨機誤差的影響，求樣件加工后的40個測量數(shù)據(jù)壁厚的算術平均值。4個樣件的平均壁厚如圖8所示。根據(jù)試驗設計，這里所指的樣件壁厚值是指在同等工藝條件，工件不發(fā)生振動能正常加工的條件下所能達到的最小壁厚值。本文所要解決的是超薄壁零件加工的問題，工藝方法優(yōu)化的目的是降低超薄壁零件加工能夠達到的最小壁厚值。從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，2號樣件和1號樣件相比，壁厚減小了52%，4號樣件和3號樣件相比減小了58%。對于薄壁零件采用分區(qū)、分段逐層循環(huán)切除余量的方法，充分利用了工件的剛度，所能加工的零件最小壁厚控制在1 mm以下，能滿足航空零件的普遍要求，對于實現(xiàn)薄壁加工效果明顯。同樣，采用分區(qū)切削的方法，工件局部的剛性得以增加，所加工的壁厚值也得以有效減小，表現(xiàn)在測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)即3號樣件的平均壁厚值A3=1.556 9，大于1號樣件的平均壁厚值A1=1.409 5。可以預計，對于大型表面(平面薄板、曲面薄板、薄壁圓筒狀零件及結構等)，將加工表面按零件特征劃分成不同的區(qū)域，分區(qū)域、分段逐層循環(huán)切除余量，將會有效地減少工件的變形，特別是對于薄壁件加工效果將更加明顯。

圖8 樣件加工后壁厚對比

2)加工表面的形狀誤差

直線度誤差是指實際直線對理想直線的變化量,反映了被測直線的不直程度。圖9為樣件加工后x、y方向直線度對比圖。從圖9可以看出，直線度數(shù)值在x向基本控制在了0.04 mm/300以下，在y向不超過0.06 mm/100，能滿足航空零件對直線度的要求。

圖9 樣件加工后x、y方向直線度對比

圖9(a)是加工表面上從上到下標定的4條測量位置(從下往上依次是4-、3-、2-、1-，如圖4所示)上每一組數(shù)據(jù)的最大值和最小值之差。測量數(shù)據(jù)是壁厚值，如果假設薄壁兩面加工時的讓刀變形是對稱的，則其值的1/2就可以認為是加工表面沿著某一測量位置的直線度誤差。首先分析一個樣件上不同高度(y軸方向)的直線度誤差，可以看出，在工件加工表面的y軸方向，從下到上的4個測量位置x向上直線度在遞增，越靠近裝夾位置(4-)，也就是剛度最好的位置，直線度誤差越小，靠近加工表面的頂端位置(1-)，剛度最差，直線度誤差最大。這與實際經(jīng)驗的判斷一致，而且越是在剛性差的位置區(qū)域，直線度改善越明顯(2-和1-位置)。其次分析不同加工方案(不同樣件)對應位置的直線度誤差。1號樣件大于2號樣件，3號樣件大于4號樣件，特別是在低剛度區(qū)，即靠近頂端位置(測量位置1-、2-)，1號樣件和2號樣件相比直線度降低的幅度>50%，說明應用本文提出的分段兩面循環(huán)切削方案，再結合分區(qū)域切削留出工藝凸臺，工件局部的剛度大大增加，加工精度提高效果更為明顯。

加工表面y向直線度對比如圖9(b)所示。和上面分析類似，從每一個對應切削(點)位置(依次是-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10，如圖7所示)所對應的4個樣件的數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，采用分段逐層循環(huán)切除余量的方法時，工件沿著工件橫向不同位置的y向直線度精度提高了50%左右。對于沒有留有加強筋工藝凸臺的樣件(3號、4號)，在測量位置-1和-10處(工件的兩端測量位置)，3號樣件的y向直線度誤差明顯大于預留加強筋工藝凸臺的1號樣件的直線度誤差，說明預留加強筋工藝凸臺工藝方法的有效性。在此基礎上，進一步采用分段逐層循環(huán)切除余量的優(yōu)化路徑后，直線度都得到了明顯改善，其值與其他測量位置接近一致。

結合以上x、y兩個方向的直線度變化，可以得出結論，由于采用了優(yōu)化的加工策略和方法，不但能同時減小工件兩個方向(橫向、縱向)直線度誤差，加工表面的平面度誤差也明顯降低，提高了零件的形狀精度。對于薄壁圓筒性零件將有效改善零件的圓度、圓柱度。

4 結語

對于薄壁零件的加工，本文提出的分區(qū)、分段逐層循環(huán)切除余量的方法，充分利用了工件的剛度：

1)所能加工的零件最小壁厚控制在了1 mm以下，能滿足航空零件的普遍要求，對于實現(xiàn)薄壁加工效果明顯。

2)有效地提高了加工零件或結構的形狀精度，如直線度、平面度、圓度、圓柱度，普遍可以提高50%以上。在本文的實驗條件下(采用普通精度機床、較大的切削用量、沒有采取諸如減振、特殊夾具)直線度數(shù)值在x向控制在0.04 mm/300以下，在y向不超過0.06 mm/100，能滿足一般航空零件加工精度要求。

3)和一般減小薄壁零件加工變形的工藝方法相比，工藝方法簡單易實現(xiàn)，如不需要復雜的誤差補償數(shù)控編程等，而且對機床設備、夾具、刀具等沒有特殊要求。

4)方法適用性廣。適用于平面立板、腹板(如航空結構件)、曲面立板、腹板(如葉片、葉輪)、薄壁圓筒形零件或結構(如機匣，可以認為是平面、曲面的卷曲)、薄壁框架類等常見航空薄壁零件或零件特征的加工；不但適用于單面加工，同樣也適用于雙面加工。