上海航天精密機(jī)械研究所 蹇 悅 楊 葉 郭國(guó)強(qiáng)

目前，我國(guó)航天產(chǎn)品已經(jīng)逐漸步入高密度發(fā)射時(shí)期，各類航天產(chǎn)品的制造需求量逐年遞增，迫使航天制造企業(yè)產(chǎn)能必須大幅提升。

航天典型零件目前最常采用的是高強(qiáng)度鋁合金材料（例如2A12），屬于易切削塑性材料，強(qiáng)度和硬度較低，熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱性好，抗拉強(qiáng)度低。高強(qiáng)度鋁合金雖具有良好的可切削性，但由于航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件具有形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料去除量大、薄壁易變形等特點(diǎn)，且對(duì)零件加工精度、質(zhì)量及加工效率等各方面具有更高的要求，因此，一直以來(lái)航天制造業(yè)也持續(xù)進(jìn)行高強(qiáng)鋁合金的高效切削加工研究。高效加工是以高速加工技術(shù)和切削工藝優(yōu)化相結(jié)合的新工藝，是解決航天復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)。高效加工技術(shù)的特征是加工過(guò)程中的高材料去除率和短的單件加工時(shí)間，并通過(guò)切削參數(shù)優(yōu)化，保證加工精度和表面質(zhì)量。

高效加工方案

1 加工系統(tǒng)優(yōu)化

高速高效加工相比普通加工對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)具有更高的要求。在航天整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工過(guò)程中，要保證零件加工質(zhì)量和加工精度，提高加工過(guò)程的材料去除率，首先必須針對(duì)由機(jī)床-刀具-工件及其相互間接口（刀柄和夾具）組成的切削加工系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，保證高速切削過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

1.1 機(jī)床

高速切削加工對(duì)機(jī)床的要求主要包括以下方面：

（1）機(jī)床結(jié)構(gòu)要有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性和熱態(tài)特性；

（2）主軸單元能夠提供高轉(zhuǎn)速、大功率、大扭矩；

（3）進(jìn)給單元能夠提供大進(jìn)給速度。

必要時(shí)，可通過(guò)對(duì)切削加工系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析試驗(yàn)，獲取銑削加工系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，為求解銑削加工動(dòng)力學(xué)模型和預(yù)測(cè)加工穩(wěn)定性提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 刀柄

對(duì)于高速加工刀具與刀柄選用，首先應(yīng)考慮使用的安全性，否則會(huì)破壞機(jī)床主軸，甚至發(fā)生安全事故。高速切削加工對(duì)刀具和刀柄的選用要求主要包括以下方面。

（1）刀具的許用速度必須大于等于實(shí)際加工速度。

（2）高速加工刀具和刀柄必須滿足動(dòng)平衡和徑向跳動(dòng)的要求，一般應(yīng)達(dá)到G6.3或G2.5以上要求。

經(jīng)動(dòng)平衡測(cè)試（見圖1），液壓刀柄和刀具、強(qiáng)力動(dòng)平衡式刀柄和刀具能夠達(dá)到G2.5的動(dòng)平衡精度要求，而彈簧夾頭式刀柄和刀具能達(dá)到G6.3的動(dòng)平衡精度要求，但達(dá)不到G2.5的動(dòng)平衡精度要求。

圖1 刀柄和刀具的動(dòng)平衡檢測(cè)

在分別對(duì)強(qiáng)力動(dòng)平衡式刀柄、彈簧夾頭刀柄、柄液壓式刀柄進(jìn)行最大徑向位移跳動(dòng)測(cè)量（見圖2）時(shí)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)力動(dòng)平衡式刀柄具有最小徑向跳動(dòng)（見圖3）。

從徑向位移跳動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)中可以看出，在刀具轉(zhuǎn)速為20000r/min的條件下，選用了動(dòng)平衡質(zhì)量精度達(dá)到G2.5等級(jí)的強(qiáng)力刀具與刀柄。經(jīng)過(guò)徑向位移跳動(dòng)檢測(cè)，當(dāng)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r/min時(shí)，刀具的最大徑向位移跳動(dòng)量為 10.95～12.05μm，滿足高速精密加工中刀具徑向跳動(dòng)量要求。

圖2 徑向位移跳動(dòng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 不同刀具、不同轉(zhuǎn)速下的最大徑向位移跳動(dòng)量

（3）在高速加工中要求刀柄具有更高的夾持力。

圖4給出了HSK系列中常用的液壓刀柄、強(qiáng)力刀柄和熱縮刀柄能達(dá)到的最大扭矩對(duì)比，從圖中可以看出，若采用普通的彈簧夾頭ER32所能達(dá)到的最大扭矩僅為196N·m，采用液壓刀柄HYDRO32所能達(dá)到的最大扭矩為441N·m，采用熱縮刀柄所能達(dá)到的最大扭矩為784N·m，與強(qiáng)力刀柄MAXIN20所能達(dá)到的最大扭矩相同。

圖4 不同夾緊方式最大扭矩對(duì)比

綜上所述，強(qiáng)力動(dòng)平衡刀柄具有高動(dòng)平衡精度、小徑向跳動(dòng)，適合用于高速高精加工。另外，采用熱縮刀柄亦能獲得較高的動(dòng)平衡精度，較低的刀柄重量，以及較高的刀具夾持力。

1.3 裝夾系統(tǒng)

高效加工專用工裝不但要保證高速切削時(shí)有效夾緊定位，同時(shí)還應(yīng)考慮方便實(shí)現(xiàn)快速定位夾緊，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）工裝與工件的定位接觸面積盡可能大，同時(shí)在工件上選擇盡可能大的平面(或曲面)作為定位面，并提高該定位面的加工精度要求，確保工件定位面與夾具基準(zhǔn)面自然、緊密貼合，增大接觸剛度。

（2）對(duì)剛性較差的薄壁零件常采用過(guò)定位方式定位,特別是在剛性薄弱處要加支撐,以提高工件的工藝剛度。

（3）在保證可靠夾緊的前提下,采用盡可能小的、均布的夾緊力,適當(dāng)增加夾緊點(diǎn)的數(shù)目和增大夾緊力的作用面積。在零件剛性好的方向施加夾緊力,并且作用于剛性好的表面上。

目前制造業(yè)普遍采用的裝夾夾具主要有機(jī)械式、液壓可調(diào)式、真空吸附式、氣壓式等。相較于傳統(tǒng)手動(dòng)機(jī)械裝夾夾具，液壓、真空吸附和氣動(dòng)夾具具有可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、裝夾效率高、夾緊力可控等特點(diǎn)，更適合高效加工。

真空吸附夾具夾緊力較?。ㄆ鋯挝粔毫Σ怀^(guò)一個(gè)大氣壓，即小于105Pa），但分布均勻，適用于夾緊任何具有較光滑表面的物體，特別是非金屬類不適合夾取的弱剛性大型薄殼工件的精車、磨削、拋光等小余量去除加工。但真空吸附夾具對(duì)與夾具接觸的工件表面粗糙度及輪廓尺寸要求較高。

液壓可調(diào)夾具，能實(shí)現(xiàn)夾緊原件姿態(tài)、狀態(tài)的實(shí)時(shí)可調(diào)可控，可保證刀具切削軌跡的連續(xù)性；此外，還可以改變或更換夾具的部分組件來(lái)改變夾具結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同零件的加工裝夾要求，具有更廣泛的適用性。

氣壓夾具能夠?qū)崿F(xiàn)液壓夾具功能，并達(dá)到足夠大的壓緊力，與液壓夾具不同的是，氣壓夾具采用空氣壓力作為動(dòng)力源。

2 加工工藝改進(jìn)

粗加工的主要目的是去除材料，為精加工留合適的余量，因此粗加工一般不需要考慮工件的尺寸精度、表面質(zhì)量以及變形問(wèn)題，只要機(jī)床的功率允許，可以從多方面提高生產(chǎn)效率。

零件的精加工與粗加工有一定區(qū)別，在精加工中需要充分考慮裝夾、走刀、工藝參數(shù)對(duì)零件內(nèi)部應(yīng)力的影響以及切削時(shí)切削力、切削熱對(duì)零件結(jié)構(gòu)的影響，控制變形，避免由于效率提升引起變形，造成零件精度及表面質(zhì)量破壞。

2.1 切削刀具

選擇更加合理的刀具可以直接提高生產(chǎn)效率。鋁合金材料的切削加工對(duì)刀具材料要求不高，一般采用硬質(zhì)合金銑刀即可，涂層可使用無(wú)涂層或金剛石涂層。在粗加工中由于不必考慮精度及質(zhì)量問(wèn)題，可以最大限度高效切除金屬材料，因此可以選擇大直徑刀具，減少走刀次數(shù)，縮短走刀時(shí)間。另外，在粗加工中盡量選擇密齒刀具替代疏齒刀具，可以增加每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，在相同的轉(zhuǎn)速下切削速度可以得到增加。在精加工中，除了考慮材料高效去除的問(wèn)題，還應(yīng)充分考慮薄壁構(gòu)件在切削中受力變形控制問(wèn)題。航天鋁合金薄壁件精加工宜選用K系列硬質(zhì)合金刀具（相當(dāng)于我國(guó)原鎢鈷類，主要成分為WC+Co，代號(hào)為YG）。刀具前角不能太小，否則增大了切削變形和摩擦力，前刀面磨損加大，降低刀具使用壽命。切削試驗(yàn)表明：在高速銑削AlCuMgPb時(shí)前角每減少1°，則切削力增加1%。為此一般推薦使用γ0為12°左右。刀具后角的選取會(huì)影響刀具剛度，為了減少刀具和工件之間的摩擦，后角一定要選得大一些，必要時(shí)可采用雙倒棱后角，在增大后角的同時(shí)保證刀具剛度。刃傾角影響了切屑流出的方向和各切削分力的大小，在鋁合金切削時(shí)宜選用較大的刃傾角。在高速銑削鋁合金時(shí)，一般推薦使用λs為 20°～25°。此外，刀尖圓弧半徑的選擇應(yīng)適當(dāng)，刀齒不能太密，便于切屑排出，有利于進(jìn)給量進(jìn)一步提高，防止冷作硬化層，延長(zhǎng)刀具使用壽命[1]。

2.2 走刀軌跡

提速增效中一個(gè)較為有效的方法就是優(yōu)化走刀軌跡，在高速切削時(shí)要保證刀位路徑的方向性,即刀具軌跡盡可能簡(jiǎn)化,少轉(zhuǎn)折點(diǎn),路徑盡量平滑,減少急速轉(zhuǎn)向；應(yīng)減少空走刀時(shí)間,盡可能增加切削時(shí)間在整個(gè)工件中的比例；應(yīng)盡量采用回路切削,通過(guò)不中斷切削過(guò)程和刀具路徑,減少刀具的切入和切出次數(shù)，獲得穩(wěn)定、高效、高精度的切削過(guò)程。

在航天整體結(jié)構(gòu)件的大型復(fù)雜曲面高速切削加工中,曲面曲率變化大時(shí),應(yīng)以最大曲率半徑方向作為最優(yōu)走刀方向,如圖5所示；曲面曲率變化小時(shí),曲率半徑對(duì)走刀方向的影響減弱,宜選擇單條刀軌平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)的走刀方向,如圖6所示。

在斜面加工時(shí)，若采用圖7所示的橫向水平走刀，每一段走刀距離都很短，在切削過(guò)程中主軸需要頻繁換向，切削穩(wěn)定性差，且由于切削的是斜面，水平走刀需要X或Y軸與Z軸的聯(lián)動(dòng)，不利于切削速度的提升。因此，針對(duì)此類斜面加工，走刀軌跡盡量安排為平行于最長(zhǎng)斜邊（見圖8），不但走刀軌跡最長(zhǎng)、換向次數(shù)最少，而且單道走刀都只是在XY平面運(yùn)動(dòng)切削，Z軸方向運(yùn)動(dòng)都是安排在工件輪廓之外的位置，即使在高速切削下亦可減小刀具損傷。

2.3 切削參數(shù)

圖5 小曲率半徑曲面的走刀路徑

圖6 大曲率半徑的曲面走刀路徑

圖7 橫向水平走刀軌跡

圖8 斜向平行走刀軌跡

在粗加工時(shí)，一般可選擇大進(jìn)給量與適當(dāng)大的切削深度并配以中等切削速度的“大功率”高效切削，更能達(dá)到高材料切除率，從而極大提高生產(chǎn)效率。而對(duì)于精加工來(lái)說(shuō)，只有提高轉(zhuǎn)速和增大齒數(shù)是可行的，而增大每齒進(jìn)給量可能會(huì)降低表面精度，產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致變形。所以往往通過(guò)高切削速度、低每齒進(jìn)給量的“輕切快切”來(lái)保證生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品的精度及表面質(zhì)量。

切削參數(shù)可通過(guò)切削加工有限元分析和切削加工試驗(yàn)最終確定：利用Third Wave AdvantEdge 軟件，針對(duì)不同工藝參數(shù)下的機(jī)床主軸功率與扭矩需求，進(jìn)行了仿真分析運(yùn)算，獲取機(jī)床主軸能夠很好地滿足產(chǎn)品高速加工工藝需求的主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量和切削深度等要素的可選范圍。為切削試驗(yàn)參數(shù)選擇提供指導(dǎo)性建議。

在Third Wave AdvantEdge軟件內(nèi)，通過(guò)新建任務(wù)，完成工件材料、刀具材料及涂層、刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)、切削用量的設(shè)定，進(jìn)行仿真，獲取某一切削用量下切削扭矩需求曲線圖。根據(jù)曲線圖顯示數(shù)據(jù)確定在當(dāng)前的切削用量下，切削功率及切削扭矩的最大需求，比對(duì)機(jī)床實(shí)際性能參數(shù)（電主軸扭矩、功率圖）即可確定工藝參數(shù)的符合性。

例如，最高轉(zhuǎn)速24000r/min的加工中心進(jìn)行2219鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件高速粗銑加工，采用可轉(zhuǎn)位刀具搭配無(wú)涂層細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀片，選用φ25mm、φ32mm兩個(gè)水平的刀具直徑，進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表1所示。其中，編號(hào)24-1刀具直徑25mm，刀齒數(shù)3，主軸轉(zhuǎn)速6000r/min，每齒進(jìn)給量0.15mm/z，切削深度1.5mm。

表1 高速銑削粗加工的功率和扭矩仿真計(jì)算結(jié)果

（1）功率需求如圖9所示。

圖9 編號(hào)24-1切削用量下切削功率需求

（2）扭矩需求如圖10 所示。

圖10 編號(hào)24-1切削用量下切削扭矩需求

從圖9和圖10可以看出，在當(dāng)前的切削用量下，切削功率的最大需求為7kW，切削扭矩需求為11N·m。機(jī)床主軸最大轉(zhuǎn)速為24000r/min的龍門高速加工中心在6000r/min時(shí)的最大功率輸出為42kW（額定工作條件S1），最大輸出扭矩為67N·m（額定工作條件S1），能夠滿足當(dāng)前的加工需求。

通過(guò)對(duì)8組仿真結(jié)果確認(rèn)可以發(fā)現(xiàn)，為了使機(jī)床的加工功率和扭矩能夠滿足切削加工用量的要求，必須合理選擇刀具和切削用量，如表2所示。

現(xiàn)有的龍門數(shù)控加工中心，機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)24000r/min，在薄壁壁板的粗加工過(guò)程中，若選用φ25mm或者φ32mm可轉(zhuǎn)位式刀具，對(duì)于切削用量的優(yōu)化，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)提高，選擇范圍為12000～15000r/min；每齒進(jìn)給量和切削深度不應(yīng)過(guò)大，可選擇范圍分別為0.15mm/z和 2～3mm。

在有限元分析所得參數(shù)可選范圍內(nèi)即可設(shè)計(jì)切削試驗(yàn)，以切削效率、表面粗糙度、加工表面形貌為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，最終選取最優(yōu)切削參數(shù)。

加工實(shí)例

根據(jù)以上改進(jìn)思路，對(duì)一種典型折疊式翼板進(jìn)行了高效加工工藝改進(jìn)。

根據(jù)該零件多角度斜面、圓弧面過(guò)渡、高精度孔槽特點(diǎn)，選用DMG高精度五軸加工中心作為加工設(shè)備，設(shè)計(jì)制造了專用液壓可調(diào)工裝，以一臺(tái)液壓動(dòng)力單元為專用液壓工裝提供動(dòng)力源，油液通過(guò)管道進(jìn)入工裝主體內(nèi)部液壓缸，以控制夾持原件的夾緊和松弛運(yùn)動(dòng)。

表2 機(jī)床功率與扭矩需求分析

翼板零件的各個(gè)型面材料去除量占到了整個(gè)零件材料去除量的70%，在加工中時(shí)間占比也非常高，通過(guò)改進(jìn)刀具，優(yōu)化切削參數(shù)，提升型面加工效率，可大幅縮短翼板類零件制造時(shí)間。

改進(jìn)后采用SECO品牌的R220.69-0050-10-5Aφ50mm鑲片式立銑刀頭搭配XOEX10T304FR-E05 H15刀片（見圖11）完成各型面的粗加工。鑲片式銑刀較之整體式銑刀有剛性好、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)，本次選用的φ50mm鑲片式立銑刀適用于方肩銑，鑲嵌刀片長(zhǎng)度為10mm，最大切深可達(dá)9mm，一把刀就可同時(shí)完成翼板零件各端面及側(cè)面的加工。為了提升加工效率，走刀時(shí)幾乎采用滿切寬進(jìn)行切削，每齒進(jìn)給fz約為0.05mm/z，進(jìn)給速度約為900m/min。

在翼板零件型面精加工時(shí)，由于零件存在較高的側(cè)壁需要加工，必須選擇懸伸較長(zhǎng)的刀具進(jìn)行切削，因此對(duì)刀具的剛性提出更高的要求。因此選用了SECO品牌的φ20mm整體硬質(zhì)合金立銑刀，搭配熱縮夾持刀柄，進(jìn)一步提升切削剛性，如圖12所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)翼板零件型面的粗精加工高效改進(jìn)，該零件加工效率提升3倍以上，產(chǎn)品尺寸精度及表面質(zhì)量得到有效保證，改進(jìn)前后加工出的型面表面形貌如圖13所示。另外，在精加工高速切削時(shí)，金屬材料被迅速切斷并脫離工件表面，因此加工出的零件周邊毛刺明顯減少，后續(xù)鉗工挫修工作量大幅減少，進(jìn)一步縮短零件整體加工時(shí)間。

圖11 φ50mm鑲片銑刀刀盤及刀片

圖12 熱縮刀柄夾持的SECOφ20mm整體硬質(zhì)合金立銑刀

圖13 改進(jìn)前后加工出的型面表面形貌

結(jié)束語(yǔ)

航天鋁合金結(jié)構(gòu)件在航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件加工中占比大，通過(guò)高效加工改進(jìn)，可大幅提升產(chǎn)品加工效率，縮短加工時(shí)間、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)保證產(chǎn)品精度柄獲得了更佳的產(chǎn)品表面質(zhì)量。該改進(jìn)思路亦可以拓展運(yùn)用于其他行業(yè)更多薄壁結(jié)構(gòu)件的機(jī)械加工中。

[1] 王少紅. 航空薄壁零件的銑削加工變形控制研究[D]. 大連:大連交通大學(xué), 2008