南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 章熠鑫 李 亮

中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司 王 濤 馬梁棟 崔生富

鈦合金作為一種綜合性能優(yōu)良的輕合金材料，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐熱等優(yōu)良特性，是航空、航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材，在航空航天工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[1]。但是鈦合金超薄結(jié)構(gòu)的加工變形問題一直困擾著航空工業(yè)，控制鈦合金加工變形主要受到以下兩方面因素的制約：（1）鈦合金屬于典型的難加工材料，切削力大，刀具易磨損；（2）超薄壁結(jié)構(gòu)零件加工余量大、相對剛度較低，加工工藝性差，容易產(chǎn)生讓刀變形和加工振動[2-3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對如何提高鈦合金薄壁件加工剛度展開了大量工作，在利用工件自身結(jié)構(gòu)提高剛度、優(yōu)化刀具走刀路徑及采用各種輔助支撐提高系統(tǒng)剛度等方面取得一定進(jìn)展[4-8]。但目前研究普遍認(rèn)為薄壁件自身的弱剛度結(jié)構(gòu)是影響加工精度的主要原因，刀具剛度對加工變形的影響往往被忽略。因此，本文著重研究刀具剛度對薄壁結(jié)構(gòu)零件尤其是超薄結(jié)構(gòu)件加工尺寸精度和表面粗糙度的影響。

1 薄壁零件加工變形理論分析

機(jī)床-夾具-工件-刀具組成的工藝系統(tǒng)是一個彈性系統(tǒng)，機(jī)械加工過程中工藝系統(tǒng)會在切削力、夾緊力、傳動力、重力或慣性力等的綜合作用下產(chǎn)生變形，從而破壞刀具和工件間已調(diào)整好的相對位置，造成尺寸誤差或表面幾何形狀誤差，影響加工精度[9]。在加工過程中，機(jī)床的有關(guān)部件和夾具、刀具、工件在切削力作用下，都會有不同程度的變形，導(dǎo)致刀具相對工件在加工表面法向產(chǎn)生位移，本文取直徑分別為12mm和20mm的刀具進(jìn)行試驗，研究刀具剛度對總工藝系統(tǒng)剛度的影響。

2 試驗方案

2.1 典型試樣

用線切割加工2件TC4鈦合金薄壁毛坯，尺寸為65mm×5mm×40mm，工件厚度從5mm到0.8mm，加工高度為25mm，如圖1所示。

2.2 試驗刀具和工藝參數(shù)

本試驗選擇2把整體硬質(zhì)合金四刃不等齒距立銑刀，直徑分別為12mm和20mm的刀具1、刀具2，保證刀具齒數(shù)、前角、后角、螺旋角及齒距分布等其他參數(shù)盡可能相同，分別加工薄壁件1、薄壁件2。切削工藝參數(shù)：切削速度為40m/min；軸向切深為5mm；徑向切深為0.8mm；每齒進(jìn)給量為0.06mm/z；銑削方式為順銑、周銑。

圖1 薄壁件初始尺寸及加工后尺寸示意圖Fig.1 Original and machined sizes of thin-wall part

2.3 測量方法

圖2 三坐標(biāo)測量方法示意圖Fig.2 Method of measuring on three coordinate machine

采用Kistler 9265B動態(tài)測力儀對銑削過程中的切削力進(jìn)行測量；采用便攜式Mahr S3P粗糙度儀對加工面的表面粗糙度進(jìn)行測量；采用三坐標(biāo)測量儀對加工表面進(jìn)行測量，測量方法如圖2所示。三坐標(biāo)測量儀測量時，在超薄側(cè)壁正反面取圖2中線1、線1'、線2、線2'，盡量保證線1、線1'及線2、線2'在同一橫截面內(nèi)，使三坐標(biāo)測量儀測頭沿4條直線從上至下進(jìn)行掃描測量，三坐標(biāo)測量儀測得的對應(yīng)兩條線的x軸坐標(biāo)差即為超薄零件此處的厚度。

3 試驗分析

3.1 加工尺寸精度對比分析

由三坐標(biāo)測量儀測量數(shù)據(jù)可知，加工后兩個薄壁件均產(chǎn)生傾斜變形。其中，用直徑為12mm的刀具加工完成的超薄壁件1最終傾斜量為0.08mm，直徑為20mm刀具所加工的薄壁件2傾斜量為0.13mm，薄壁件1讓刀變形量小于薄壁件2。

三坐標(biāo)測量儀測得薄側(cè)壁1、2厚度數(shù)據(jù)如圖3所示。

由三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)可知，薄壁件1最終的加工厚度尺寸為0.89～0.905mm，薄壁件上端的累計讓刀量為0.105mm，下端讓刀量為0.09mm，上下厚度差δ1=0.015mm；薄壁件2最終加工厚度尺寸為0.895mm～0.95mm，薄壁件上端的累計讓刀量為0.15mm，下端讓刀量為0.095mm，上下厚度差δ2=0.055mm。刀具剛度提高，讓刀量減小，薄壁件上下厚度差減小。此外，兩薄壁件均呈現(xiàn)倒梯形，即隨著側(cè)壁高度的增加，薄壁件厚度增大，這主要是由于薄壁件上端剛度小于下端，導(dǎo)致加工過程中讓刀現(xiàn)象更明顯。

圖3 薄壁件1、2加工厚度對比圖Fig.3 Processing thickness comparison of thin-wall parts 1, 2

圖4 薄壁件1不同位置處加工厚度對比圖Fig.4 Processing thickness comparison of thin-wall part 1 at different positions

圖4為薄壁件1不同位置處加工厚度測量值，由測量數(shù)據(jù)可知，薄壁件1位置線1處的最終加工厚度尺寸為0.89～0.905mm，上下端厚度差δ11=0.015mm，位置線2處的最終加工厚度尺寸為0.87～0.882mm，上下端厚度差δ12=0.012mm，線2處的加工尺寸更接近理論加工尺寸0.8mm，且上下厚度差比線1位置處小，這主要是由于薄壁件中部的剛度大于兩端；此外，中部“倒梯形”現(xiàn)象并不明顯，由此可以推斷，優(yōu)化薄壁件裝夾或增加輔助支撐可以減小或消除薄壁件上下厚度差。

3.2 表面粗糙度對比分析

采用便攜式Mahr S3P粗糙度儀對加工表面粗糙度進(jìn)行測量，薄壁件加工表面實物圖如圖5所示。

由粗糙度數(shù)據(jù)看出，薄壁件1粗糙度值明顯小于薄壁件2。圖5中薄壁件2表面可以明顯看到加工波紋和分刀層紋路，因此，提高刀具剛度有利于提高薄壁件表面加工質(zhì)量，主要原因是隨著刀具剛度的提高，刀具固有頻率遠(yuǎn)離薄壁件固有頻率，減小加工振動。

3.3 切削力對比分析

取切削過程中的第一刀的切削力作為研究對象，圖6所示為每齒切削力峰值包絡(luò)線。

圖5 薄壁件表面加工紋路對比Fig.5 Processing line comparison of thin-wall parts

圖6 切削力對比Fig.6 Comparison of cutting force

由圖6可知，在切削過程中，隨著薄壁件剛度的不斷變化，切削力也不斷變化，但在相同切削用量和相同切削位置處，刀具1的切削力普遍大于刀具2，表明在加工過程中，刀具1的實際切削深度大于刀具2，讓刀變形較小，最終所加工的薄壁件加工精度更高，也進(jìn)一步解釋了圖3所示的薄壁件厚度差異。

4 結(jié)論

（1）在一定工件與刀具剛度比范圍內(nèi)，刀具剛度提高，總工藝系統(tǒng)剛度提高，使得實際切削量與理論切削量之間的差值減小，超薄壁件加工尺寸精度提高。

（2）刀具剛度提高，刀具固有頻率遠(yuǎn)離薄壁件的固有頻率，減小加工振動及發(fā)生振動的可能性，超薄壁件表面加工粗糙度明顯減小，表面加工質(zhì)量得以改善。

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