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        航空零部件車銑加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展*

        2016-05-29 11:42:21傅玉燦侯軍明
        航空制造技術(shù) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:細(xì)長(zhǎng)切削力粗糙度

        孫 濤,傅玉燦,何 磊,侯軍明

        (1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,南京 210016;2.徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,徐州 221111)

        為了滿足超高速、高空、長(zhǎng)航時(shí)、超遠(yuǎn)航程的新一代飛行器的需要,高強(qiáng)度鋼、鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料在航空零部件中所占的比例越來(lái)越大,同時(shí)采用此類難加工材料的零件要求的加工精度也越來(lái)越高,這就對(duì)制造技術(shù)提出了更高的要求。尤其對(duì)于細(xì)長(zhǎng)桿、機(jī)匣、起落架、葉片等一些具有特殊結(jié)構(gòu)特性的回轉(zhuǎn)類零件,由于存在材料切削加工性差、加工易變形、加工精度高難以保證等問題,采用傳統(tǒng)的切削加工方法已難以完全勝任此類零件高效精密加工的技術(shù)需求,而車銑加工技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上滿足了此類零件的加工需求。

        車銑加工技術(shù)是德國(guó)學(xué)者Schulz在20世紀(jì)90年代提出的[1-2],發(fā)展至今,它已經(jīng)成為充分適應(yīng)數(shù)控技術(shù)條件的一種高新切削技術(shù)。車銑加工技術(shù)是利用銑刀和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切削加工,使工件在形狀精度、位置精度、表面粗糙度及殘余應(yīng)力等多方面達(dá)到使用要求的一種先進(jìn)切削加工方法。

        20多年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者在運(yùn)動(dòng)原理[3-6]、切屑形貌[7-9]、切削動(dòng)力學(xué)[10-19]和加工質(zhì)量[20-25]等方面對(duì)車銑加工技術(shù)進(jìn)行了不斷的探索和研究,相繼的研究成果表明車銑加工技術(shù)具有如下特點(diǎn):易于排屑,適合數(shù)控自動(dòng)加工;間斷切削利于冷卻降溫,適用于加工導(dǎo)熱系數(shù)小的難加工材料;相對(duì)于車削,徑向力下降有利于加工細(xì)長(zhǎng)桿和薄壁件;通過工件的低速旋轉(zhuǎn)和銑刀的高速旋轉(zhuǎn),在降低工件離心力的前提下實(shí)現(xiàn)了工件的高速加工,適合于大型回轉(zhuǎn)類零件的加工;在高進(jìn)給量的條件下仍可實(shí)現(xiàn)較低的表面粗糙度值,且加工表面質(zhì)量?jī)?yōu)于車削,是一種典型的高效精密加工方法。

        鑒于車銑加工技術(shù)的工藝優(yōu)勢(shì),現(xiàn)階段車銑加工技術(shù)在航空零部件加工中得到了廣泛的應(yīng)用。本文嘗試總結(jié)車銑加工技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,分析存在的問題,提出如何在更高層面上開發(fā)車銑加工技術(shù)潛力的研究構(gòu)想。

        車銑加工技術(shù)在航空零部件中的應(yīng)用

        車銑加工按銑刀與工件的相對(duì)位置分為軸向、正切和正交車銑3類常用的加工方法。它們分別有各自的特點(diǎn),如圖1所示。軸向車銑由于受到刀具長(zhǎng)度的限制,所以加工行程不長(zhǎng);正切車銑由于受到刀具長(zhǎng)度的限制,所以一般適合于直徑較小的細(xì)長(zhǎng)軸類零件的加工;正交車銑的銑刀回轉(zhuǎn)軸線與工件的回轉(zhuǎn)軸線相互垂直,是加工大型回轉(zhuǎn)體和細(xì)長(zhǎng)軸類零件的一種高效方法。其中,正交車銑可根據(jù)銑刀軸線和工件軸線的距離和方位分為無(wú)偏心、上偏心和下偏心3種加工方式。

        1 難加工材料的車銑加工

        圖1 車銑加工的主要運(yùn)動(dòng)形式Fig.1 Main motion types of turn-milling

        車銑加工技術(shù)是否適合于難加工材料的加工對(duì)于車銑加工技術(shù)的推廣具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車銑加工難加工材料進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,確認(rèn)了車銑加工技術(shù)適用于難加工材料切削的優(yōu)越性,擴(kuò)大了車銑加工的應(yīng)用范圍。

        1.1 高強(qiáng)度鋼的車銑加工

        在車銑加工技術(shù)領(lǐng)域具有開創(chuàng)性的代表人物是Schulz[1-2],他在首先提出車銑加工概念的同時(shí),采用硬質(zhì)合金P20/30(對(duì)應(yīng)于我國(guó)的YT14/5牌號(hào))、CBN和復(fù)合陶瓷涂層(Al2O3+TiC)刀具對(duì)軸承鋼100Cr6(HRC≥62)進(jìn)行軸向車銑加工,進(jìn)行了刀具磨損、表面粗糙度、表面形貌試驗(yàn),結(jié)果表明車銑加工可以在工件低速旋轉(zhuǎn)條件下實(shí)現(xiàn)高速切削,且斷屑容易;其表面粗糙度值遠(yuǎn)小于車削,加工表面粗糙度Ra小于0.5μm,Rz小于2μm,可媲美磨削。Schulz的研究成果提供了一種新的可替代車削的加工方式,尤其適用于車削后需要磨削的零件。同時(shí),其研究成果也為車銑加工技術(shù)在難加工材料、大型回轉(zhuǎn)類零件以及薄壁類等零部件加工上的應(yīng)用提供了思路和借鑒。

        我國(guó)學(xué)者對(duì)于不同刀具材料、不同切削條件下車銑加工高強(qiáng)度鋼的刀具磨損規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作。結(jié)論如下:

        (1)對(duì)于涂層刀具來(lái)說(shuō),采用干切削的刀具耐用度大大高于采用水溶乳化液冷卻的刀具耐用度。這是由于水溶乳化液冷卻時(shí)高頻交變熱應(yīng)力較大,涂層剝落較快;干式切削時(shí),高頻交變熱應(yīng)力較小,雖在涂層表面有微裂紋產(chǎn)生,但涂層不易剝落,刀具耐磨性較好。例如采用TiN涂層刀具高速正交車銑D60鋼時(shí),干切削的刀具耐用度是185min,而水溶性冷卻的刀具耐用度只有35min;采用金屬陶瓷刀具高速車銑D60鋼時(shí),干切削的刀具耐用度是160min,而水溶性冷卻的刀具耐用度只有18 min[26-28]。

        (2)正交車銑高強(qiáng)度鋼時(shí),刀具磨損規(guī)律與銑刀速度有很大關(guān)系,刀具磨損隨銑刀速度的提高而加劇。例如,在水溶性冷卻液澆注冷卻條件下,采用陶瓷刀片高速正交車銑D60鋼,當(dāng)銑刀速度v=392.5m/min時(shí),后刀面磨損可經(jīng)歷初期磨損、正常磨損和劇烈磨損3個(gè)階段,而當(dāng)v=785m/min時(shí),刀具只經(jīng)過很短時(shí)間便迅速磨損[29-30]。同時(shí),高速正交車銑高強(qiáng)度鋼時(shí),不論濕式切削還是干式切削,刀具的主要磨損形態(tài)是后刀面磨損[26-27,29]。

        (3)正交車銑的刀具磨損機(jī)理與銑刀速度、刀具材料、工件材料和冷卻條件有很大關(guān)系。例如在水溶性冷卻液澆注冷卻條件下,采用TiN涂層刀具高速正交車銑D60鋼時(shí),在較低的切削速度下車銑復(fù)合加工高強(qiáng)度鋼的刀具磨損機(jī)理主要以粘結(jié)磨損為主,在此基礎(chǔ)上也伴隨疲勞—?jiǎng)兟淠p和磨料磨損等;而在較高的切削速度下以疲勞—?jiǎng)兟淠p和擴(kuò)散磨損為主,并伴隨粘結(jié)磨損和磨料磨損等,各種磨損機(jī)理在不同的切削條件下相互影響、相互作用[27,29-30]。

        1.2 鈦合金的車銑加工

        姜增輝等[31-32]對(duì)采用TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)鈦合金TC4的軸向車銑研究表明:順銑的刀具耐用度要高于逆銑,刀具磨損速度隨著切削速度的增大而增大,且磨損主要發(fā)生在刀尖刃口與后刀面處,刀具磨損形式以粘結(jié)磨損為主;切削速度在50~150m/min范圍內(nèi)對(duì)已加工表而粗糙度沒有明顯的影響,每齒進(jìn)給量從0.05mm增加到0.15mm,已加工表而粗糙度明顯增大。

        石莉等[33-34]對(duì)比了無(wú)涂層和TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具正交車銑TC4的刀具耐用度情況,表明逆銑時(shí)刀具和工件摩擦、擠壓嚴(yán)重,切削刃處容易積累大量切削熱,加上刀具的切入和切出,使刀片承受交變載荷,從而在切削液的作用下產(chǎn)生微裂紋,而采用無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具在順銑干切條件下可以延緩刀具磨損,提高刀具耐用度。

        潘靖宇等[22]在建立正交車銑已加工表面粗糙度理論模型的基礎(chǔ)上,對(duì)鈦合金TC9進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,通過增大轉(zhuǎn)速比和偏心量以及降低軸向進(jìn)給量,可以保證表面粗糙度Ra控制在1μm以內(nèi),這表明正交車銑完全可以實(shí)現(xiàn)鈦合金的精密加工。

        1.3 鎳基高溫合金的車銑加工

        Karagüzel等[35]著重考察了冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)車銑加工難加工材料的切削加工性的影響。采用硬質(zhì)合金刀具,對(duì)比了常規(guī)澆注冷卻車削、干式正交車銑、常規(guī)澆注冷卻正交車銑、微量潤(rùn)滑技術(shù)(MQL)正交車銑4種方式下加工鎳基高溫合金Inconel 718的刀具磨損過程。試驗(yàn)結(jié)果表明刀具耐用度大小的關(guān)系是:MQL正交車銑>常規(guī)澆注冷卻正交車銑>干式正交車銑>常規(guī)澆注冷卻車削,且MQL正交車銑的刀具耐用度約是常規(guī)澆注冷卻車削的3.5倍。Karagüzel等的研究結(jié)果表明,由于車銑加工斷續(xù)切削的方式更利于排屑和降溫,有利于降低切削溫度,減緩刀具的磨損;同時(shí)配合合適的冷卻方式,可以大幅度提高刀具耐用度。該研究為車銑加工在導(dǎo)熱率低、切削溫度高的鈦合金、高溫合金等難加工材料上的應(yīng)用提供了參考。

        2 細(xì)長(zhǎng)軸零件的車銑加工

        通常稱長(zhǎng)徑比大于25的軸為細(xì)長(zhǎng)軸。細(xì)長(zhǎng)軸零件的加工特點(diǎn)是徑向剛度低,加工過程中容易產(chǎn)生徑向振動(dòng)。同時(shí),航空等行業(yè)中所需的細(xì)長(zhǎng)軸零件的徑向尺寸和形狀精度及表面粗糙度的要求又很高,故其加工一直是機(jī)械加工中的難點(diǎn)之一。

        為解決以上問題,跟刀架車削法、夾拉車削法、反向車削法、砂帶磨削、雙刀車削法等工藝方法和自動(dòng)控制理論被用于加工細(xì)長(zhǎng)軸零件,但是依然無(wú)法很好地解決細(xì)長(zhǎng)軸零件高效精密加工的問題。

        根據(jù)不同的材料確保合適的切削速度是保證工件加工質(zhì)量的有效方法,但是對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸類零件來(lái)說(shuō),由于其直徑很小,采用車削加工的方法會(huì)造成工件轉(zhuǎn)速很高,造成離心力和振動(dòng)增大。例如加工直徑1mm的鋁合金細(xì)長(zhǎng)軸,按照鋁合金推薦的最低切削速度500m/min計(jì)算,工件轉(zhuǎn)速需達(dá)到159235r/min,這在實(shí)際生產(chǎn)中根本無(wú)法實(shí)現(xiàn);而采用車銑加工的方式,可以在工件轉(zhuǎn)速很低的情況下實(shí)現(xiàn)高速加工。例如上述的工件,在工件轉(zhuǎn)速2r/min的條件下,采用直徑5mm的銑刀和推薦的參數(shù),銑刀轉(zhuǎn)速需達(dá)到31847r/min,這在實(shí)際生產(chǎn)中是可以實(shí)現(xiàn)的。

        現(xiàn)階段,通過切削力、顫振和強(qiáng)迫振動(dòng)仿真與分析,以及各種加工質(zhì)量預(yù)測(cè)與優(yōu)化方法研究,為進(jìn)一步提高車銑加工細(xì)長(zhǎng)軸零件的加工質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,從而促使車銑加工技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用于細(xì)長(zhǎng)軸零件的實(shí)際生產(chǎn)。

        目前,車銑加工技術(shù)在細(xì)長(zhǎng)軸零件的應(yīng)用主要包括常規(guī)細(xì)長(zhǎng)軸(簡(jiǎn)稱細(xì)長(zhǎng)軸)和微小型細(xì)長(zhǎng)軸。

        2.1 細(xì)長(zhǎng)軸的車銑加工

        現(xiàn)有的試驗(yàn)研究表明,細(xì)長(zhǎng)軸的加工采用車銑加工方式比車削具有更小的表面粗糙度值和更高的加工精度。

        細(xì)長(zhǎng)軸的車銑加工過程中,強(qiáng)迫振動(dòng)是影響加工過程的穩(wěn)定性從而降低刀具耐用度和惡化加工表面質(zhì)量的重要因素。劉日韋等[36-38]對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸的正交車銑和軸向車銑的強(qiáng)迫振動(dòng)的產(chǎn)生和抑制進(jìn)行了分析和研究。在正交車銑加工細(xì)長(zhǎng)軸方面,采用matlab軟件通過對(duì)等截面梁橫向振動(dòng)理論建立的模型進(jìn)行仿真,表明振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)可起到一定的抑制作用,且強(qiáng)迫振動(dòng)振幅大小與抑制作用成正比。在軸向車銑加工細(xì)長(zhǎng)軸方面,采用ANASYS軟件通過對(duì)彈性體動(dòng)力學(xué)理論建立的模型進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,得到了細(xì)長(zhǎng)軸振動(dòng)峰值的頻率和幅值,提出合理選擇銑刀轉(zhuǎn)速和齒數(shù)可使切削頻率避開共振區(qū)間的措施。

        祝孟琪等[39]通過單因素試驗(yàn)法對(duì)長(zhǎng)徑比為300/10的不銹鋼細(xì)長(zhǎng)軸的正交車銑加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,在優(yōu)化的加工參數(shù)下進(jìn)行了正向和反向的車銑加工試驗(yàn),結(jié)果表明:反向切削時(shí),車銑力的軸向分力使細(xì)長(zhǎng)軸工件切削時(shí)受拉,相當(dāng)于增加了細(xì)長(zhǎng)軸的剛度,所以反向車銑時(shí)可獲得較高的加工質(zhì)量:表面粗糙度Ra為0.458μm,尺寸誤差小于0.015mm。

        2.2 微小型細(xì)長(zhǎng)軸的車銑加工

        微小型細(xì)長(zhǎng)軸是微小型零件的典型結(jié)構(gòu)之一,而微小型零件是指幾何特征尺寸介于0.01~10mm范圍內(nèi)的零件,國(guó)際上也稱為微米和中間尺度零件。

        張之敬等[18,40-41]基于自主研制的微小型車銑機(jī)床對(duì)微小型細(xì)長(zhǎng)軸零件的車銑加工的切削力和顫振機(jī)理進(jìn)行了深入研究。針對(duì)微小型無(wú)偏正交車銑加工,以銑刀的一個(gè)齒為對(duì)象,分析了銑刀單齒圓周刃沿進(jìn)給螺旋線展開形成的次擺線運(yùn)動(dòng)軌跡,得出軌跡方程以及在一個(gè)切削周期中(即一次嚙合過程)單齒圓周刃的切入角、切出角、切削厚度和切削寬度等計(jì)算模型,從而分析單齒圓周刃切削力情況。對(duì)于加工系統(tǒng)中剛度最低的工件系統(tǒng),利用再生型顫振理論進(jìn)行分析,得到加工穩(wěn)定性葉瓣圖,并且通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該葉瓣圖的準(zhǔn)確性。同時(shí),通過分析建立正交車銑的非線性延時(shí)微分方程組(DDEs)對(duì)正交車銑模型的DDEs進(jìn)行線性化,并利用Floquet理論分析得到了正交車銑加工的顫振頻率。目前,已經(jīng)可以加工長(zhǎng)徑比約為6/0.1的微小型細(xì)長(zhǎng)軸,其加工質(zhì)量遠(yuǎn)好于車削。

        由于微細(xì)車銑在切削機(jī)理上與傳統(tǒng)車銑存在很大差別,對(duì)于微小型細(xì)長(zhǎng)軸來(lái)說(shuō),隨著結(jié)構(gòu)尺寸的“微米化”,其尺寸效應(yīng)愈發(fā)明顯,造成傳統(tǒng)切削經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法預(yù)測(cè)微小型細(xì)長(zhǎng)軸的加工表面粗糙度。金成哲等人[42]通過對(duì)傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行附加動(dòng)量項(xiàng)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)率的改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了正交車銑微小型細(xì)長(zhǎng)軸的表面粗糙度值精確預(yù)測(cè)。

        微細(xì)絲桿作為一種更為典型的微小型零件,其加工難度超過同類零件——微小型細(xì)長(zhǎng)軸。金成哲等[43]通過對(duì)直徑3mm的微細(xì)絲桿進(jìn)行正交車銑試驗(yàn)研究,分析刀具磨損的原因,揭示了銑刀轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律,即隨著轉(zhuǎn)速比增大和進(jìn)給量的降低,表面粗糙度下降。試驗(yàn)結(jié)果表明,在銑刀轉(zhuǎn)速 120000r/min、工件轉(zhuǎn)速 3r/min、切削深度0.05mm、軸向進(jìn)給量0.8mm/r的條件下,表面粗糙度值最小,約為0.4μm,這說(shuō)明車銑加工能夠?qū)崿F(xiàn)微細(xì)絲桿的高效精密加工。

        車銑加工技術(shù)在微小型細(xì)長(zhǎng)軸的應(yīng)用和發(fā)展,為航空領(lǐng)域及其他領(lǐng)域中微小型零件的加工提供了技術(shù)支持,為機(jī)械部件微小型化的發(fā)展提供了新的思路。

        3 薄壁回轉(zhuǎn)體零件的車銑加工

        薄壁回轉(zhuǎn)體零件廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)等領(lǐng)域,如石油、化學(xué)及核工程中的容器和反應(yīng)塔,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣、儀表中的彈性元件,動(dòng)力機(jī)械中的水輪機(jī)蝸殼等。薄壁回轉(zhuǎn)體零件(簡(jiǎn)稱薄壁回轉(zhuǎn)體)由于剛度差和加工過程中力變形、熱變形較嚴(yán)重,造成加工變形嚴(yán)重,所以其加工一直是機(jī)械加工的難點(diǎn)之一。車銑加工相對(duì)于車削具有很小的切削力和切削溫度,且多刃切削過程平穩(wěn),因此更適合于薄壁回轉(zhuǎn)體的加工。

        石莉等[19]通過薄壁振動(dòng)信號(hào)的采集和小波包分析,得出正交車銑鋁合金薄壁回轉(zhuǎn)體振動(dòng)主要為自激振動(dòng),強(qiáng)迫振動(dòng)振幅小,切削力??;刀具轉(zhuǎn)速對(duì)切削振動(dòng)有很大影響,正交車銑加工時(shí)應(yīng)通過調(diào)整轉(zhuǎn)速比,避開顫振敏感的刀具速度。由于車銑切削力是車銑加工中強(qiáng)迫振動(dòng)的主要振源,所以通過研究車銑加工中的強(qiáng)迫振動(dòng)信號(hào),可以從側(cè)面了解車銑加工過程中切削力的變化情況,即在激振力頻率與系統(tǒng)固有頻率比值、系統(tǒng)的剛度及阻尼不變的情況下,強(qiáng)迫振動(dòng)振幅增大,激振力也增大,相應(yīng)車銑切削力也由小變大。該研究通過檢測(cè)和分析振動(dòng)信號(hào),為研究車銑復(fù)合加工切削力的變化趨勢(shì)提供一種新的方法。

        張坤等[44]使用Abaqus軟件仿真了碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(SiCp/Al)薄壁回轉(zhuǎn)體正交車銑時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律,其中切削深度對(duì)切削力的影響最大。其他的研究工作主要集中在薄壁回轉(zhuǎn)體的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,為切削力頻率避免共振區(qū)間提供了有效的方法[45-48]。

        目前,我國(guó)的某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的外型面已經(jīng)采用偏心正交車銑加工技術(shù)[49],有效避免刀具零轉(zhuǎn)速點(diǎn)接觸零件,從而改善加工質(zhì)量、提高加工效率,如圖2所示[50]。

        4 其他典型零部件的車銑加工

        圖2 機(jī)匣的車銑加工示意圖Fig.2 Turn-milling of aeroengine casing

        現(xiàn)階段,車銑加工已經(jīng)在許多航空零部件的加工中得到了應(yīng)用,如起落架、轉(zhuǎn)動(dòng)梁、葉片和各種接頭等。對(duì)于起落架和轉(zhuǎn)動(dòng)梁直徑較小的外圓(相當(dāng)于矩形溝槽)來(lái)說(shuō),由于傳統(tǒng)的加工工藝需要左偏刀和右偏刀分別進(jìn)行車削加工,加工效率低下且加工表面有刀具接痕。而采用正交車銑的加工方式,一把刀具即可完成加工內(nèi)容,加工效率大幅度提高且加工質(zhì)量良好,如圖 3(a)、(b)[50]和圖4所示。

        圖3 起落架的車銑加工Fig.3 Turn-milling of landing gear

        圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)梁的車銑加工Fig.4 Turn-milling of beam

        目前,已經(jīng)有采用車銑加工的方式對(duì)葉片和曲軸進(jìn)行加工的成功案例,如圖 5[51]、圖 6[52]所示。同時(shí),對(duì)于葉片加工的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容——刀軌進(jìn)行了研究,以表面粗糙度為目標(biāo),優(yōu)選了刀具角度和刀軌路徑,為車銑加工在葉片加工上的應(yīng)用提供了新的思路。

        圖5 車銑葉片F(xiàn)ig.5 Turn-milling of blade

        圖6 正交車銑曲軸Fig.6 Turn-milling of crankshaft

        航空零部件車銑加工技術(shù)存在的問題

        1 車銑加工難加工材料存在的問題

        難加工材料在航空零部件中廣泛使用,但其切削加工性差造成加工效率低、加工質(zhì)量難以保證等問題。為了改進(jìn)難加工材料的切削加工性,學(xué)者和專家進(jìn)行了大量的研究,如通過刀具結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)選、切削參數(shù)的優(yōu)化、設(shè)計(jì)合理的冷卻介質(zhì)和裝置、采用非常規(guī)的切削工藝以及采取適當(dāng)熱處理的方法等。這些方法創(chuàng)造了有利的切削加工外部或內(nèi)部條件,改善了難加工材料本身的切削加工性。但是,這些方法有的需要重新研制刀具,有的需要額外的設(shè)備或裝置,有的工藝過程難以控制,并且切削加工性的改善效果并不穩(wěn)定,所以在工廠實(shí)際生產(chǎn)中難以大面積推廣。

        對(duì)于高強(qiáng)度鋼和導(dǎo)熱率低的難加工材料的加工,已經(jīng)證明車銑加工技術(shù)相對(duì)于車削具有更好的刀具耐用度和加工表面質(zhì)量。但同時(shí)也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,對(duì)于不同的加工材料和不同材料的刀具,在不同的冷卻條件下,采用不同的切削參數(shù),車銑加工獲得的加工效果迥然不同。目前對(duì)于難加工材料的車銑加工技術(shù)研究,主要集中在刀具磨損機(jī)理方面,對(duì)于車銑加工參數(shù)對(duì)刀具耐用度和加工表面粗糙度的影響規(guī)律的研究也有涉及,但對(duì)于車銑加工參數(shù)對(duì)刀具耐用度和加工表面質(zhì)量作用機(jī)理的研究卻一直未被深入探討和研究,制約了車銑加工效率的進(jìn)一步提高。

        2 車銑加工典型結(jié)構(gòu)零部件存在的問題

        對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸、曲軸、凸輪、薄壁回轉(zhuǎn)件、大型回轉(zhuǎn)件等已經(jīng)采用車銑加工的典型結(jié)構(gòu)零部件來(lái)說(shuō),車銑加工雖然體現(xiàn)了加工變形小、刀具耐用度高、加工效率高等一些優(yōu)越性,但是在車銑加工過程中依然存在一些不可避免的問題,如加工過程中由于切屑形貌是變切深和變切厚的情況,所以容易產(chǎn)生顫振,嚴(yán)重影響刀具耐用度和加工表面質(zhì)量,尤其對(duì)于弱剛性的零件更是如此。

        現(xiàn)階段,對(duì)于典型結(jié)構(gòu)零件的車銑加工的振動(dòng)研究主要集中在強(qiáng)迫振動(dòng)方面,研究方法主要集中在模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,而對(duì)于車銑過程中的自激振動(dòng)——顫振的研究卻不多。目前,關(guān)于車銑加工的顫振研究還沒有考慮零件的結(jié)構(gòu)特征,如細(xì)長(zhǎng)軸和薄壁回轉(zhuǎn)體是弱剛性體,但現(xiàn)有的車銑加工顫振穩(wěn)定性模型還未考慮這種情況,造成與實(shí)際加工有所區(qū)別。同時(shí),大型回轉(zhuǎn)件一般采用大直徑刀具,其切削速度不高,而按照線性時(shí)滯動(dòng)力學(xué)模型,在低速區(qū)是沒有完整的穩(wěn)定性葉瓣的。按照傳統(tǒng)的線性模型計(jì)算穩(wěn)定性極限,勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重影響加工效率,也難以據(jù)此來(lái)指導(dǎo)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。

        進(jìn)一步開發(fā)航空零部件車銑加工技術(shù)潛力的構(gòu)想

        1 研究車銑加工機(jī)理,優(yōu)化切削參數(shù)

        現(xiàn)在的研究結(jié)果已經(jīng)表明,車銑加工的參數(shù)對(duì)刀具耐用度、加工表面質(zhì)量等加工效果的影響較大,因此必須深入研究車銑加工參數(shù)對(duì)加工效果的作用機(jī)理,進(jìn)行定性和定量的分析研究,才能進(jìn)一步提升車銑加工技術(shù)的潛力。

        車銑加工方式有別于傳統(tǒng)的車削或銑削,還體現(xiàn)在切屑形貌上。通過切屑形貌的數(shù)學(xué)建模從而對(duì)切削力進(jìn)行仿真,根據(jù)仿真結(jié)果中切削力的波動(dòng)來(lái)作為刀具耐用度和加工表面質(zhì)量的評(píng)判依據(jù)是車銑加工參數(shù)優(yōu)化行之有效的方法。但由于車銑加工參數(shù)較多、加工情況復(fù)雜,目前還沒有統(tǒng)一的切屑數(shù)學(xué)模型。為解決這一問題,可以采用先定性后定量的判別方法,即先對(duì)各種切削參數(shù)下的切屑形貌進(jìn)行仿真,根據(jù)切屑形貌的變化為車銑加工參數(shù)的優(yōu)化提供定性參考,然后根據(jù)定性的選擇結(jié)果對(duì)切屑形貌進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,最后以切屑模型為基礎(chǔ)建立車銑加工切削力的數(shù)學(xué)仿真模型。

        以正交車銑為例,其切屑呈變切深和變切厚的情況,通過切屑形貌的仿真結(jié)果判斷切屑切深和切厚的變化情況,可以為正交車銑切削參數(shù)的選擇提供定性依據(jù)。正交車銑的順銑和逆銑的加工方式如圖7所示,其中,箭頭的指向?yàn)榈毒叩男D(zhuǎn)方向。從圖中可以發(fā)現(xiàn),正交車銑順銑時(shí),切屑厚度由厚變薄,對(duì)刀具有利;而逆銑的切屑厚度由薄變厚,會(huì)增加刀具磨損。所以,在正交車銑時(shí)應(yīng)選擇順銑。正交車銑時(shí),偏心距方向也是需要考慮的一個(gè)因素。設(shè)定偏心距e為7mm和-7mm,其對(duì)應(yīng)的切屑形狀仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知,正交車銑時(shí),正方向偏心產(chǎn)生的切屑的形貌要比負(fù)方向偏心復(fù)雜,且在切削深度方向的變動(dòng)更大,這會(huì)增加切削力突變的趨勢(shì),使得刀具承受的機(jī)械沖擊增大,故正交車銑時(shí)應(yīng)采用負(fù)方向偏心。

        圖7 車銑加工時(shí)切削參數(shù)的優(yōu)化方法Fig.7 Optimization method of cutting parameters for turn-milling

        車銑加工參數(shù)對(duì)切屑形貌的影響很大,目前還無(wú)法對(duì)不同切削參數(shù)下的車銑加工切屑形貌建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型,因此對(duì)車銑加工切屑形貌進(jìn)行仿真,從而為車銑加工參數(shù)的優(yōu)化提供定性的判斷依據(jù)尤為必要。如根據(jù)圖7可知,正交車銑時(shí),應(yīng)采用順銑和負(fù)方向偏心加工方式,其他切削參數(shù)的選擇依據(jù)也可以通過此方法進(jìn)行判斷。在此基礎(chǔ)上,后續(xù)再對(duì)正交車銑的切屑進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,為正交車銑切削力的仿真提供基礎(chǔ),從而對(duì)正交車銑的加工過程進(jìn)行定量分析,最終為正交車銑切削參數(shù)的優(yōu)化提供詳細(xì)指導(dǎo)。

        對(duì)于難加工材料的車銑加工需要進(jìn)行刀具磨損機(jī)理研究,優(yōu)選冷卻條件和刀具材料;同時(shí)經(jīng)過刀具耐用度試驗(yàn),建立預(yù)測(cè)模型,優(yōu)化切削參數(shù);最后以優(yōu)化切削參數(shù)為約束條件,建立生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),以達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化車銑加工參數(shù)的目的。

        2 典型結(jié)構(gòu)特征零部件車銑加工穩(wěn)定性研究

        對(duì)于典型結(jié)構(gòu)特征零部件的車銑加工參數(shù)優(yōu)化,基于不同的目標(biāo)有不同的優(yōu)化方法。以加工表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo),車銑加工常見的方法有:結(jié)合刀具幾何角度確定車銑加工中刀具與工件的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,分析各切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響;切削參數(shù)試驗(yàn)后經(jīng)過回歸分析或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法建立預(yù)測(cè)模型;采用展開式投影法將刀具底部輪廓沿曲面展開后投影到切削方向,計(jì)算加工行距和殘留高度,分析車銑過程中已加工表面的加工誤差。同時(shí),以刀具耐用度和工件表面質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)車銑加工的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析和研究是目前最行之有效的方法,其常見的方法有:模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、顫振分析。由于車銑加工對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征(如薄壁回轉(zhuǎn)體、細(xì)長(zhǎng)軸),造成加工過程中容易出現(xiàn)顫振,而車銑加工由圓周刃和端面刃共同完成對(duì)旋轉(zhuǎn)面的加工,采用傳統(tǒng)的二維顫振模型難以與實(shí)際情況吻合。因此,車銑加工的切削顫振始終是該技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

        進(jìn)一步對(duì)典型結(jié)構(gòu)特征零部件的車銑加工穩(wěn)定性進(jìn)行研究主要是結(jié)合車銑加工的對(duì)象,即零部件的結(jié)構(gòu)特征,開展探索車銑加工顫振的研究,包括車銑加工顫振的產(chǎn)生本質(zhì)、影響因素及其控制方面的科學(xué)問題。

        對(duì)于車銑加工的某些特殊情況,如圖8所示正交車銑在順銑、刀具半徑rt=10mm、切削深度ap=2mm、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量fa=2mm/r、偏心距e=0、轉(zhuǎn)速比λ=100的條件下,當(dāng)工件半徑rw從10mm增大到50mm,即隨著工件半徑/刀具半徑比值的增加,切屑在切深方向的變化趨勢(shì)減緩。這時(shí),由于車銑加工的切屑在切深方面變化很小,可以看作切屑在切深方面是定值,因此可以建立二維顫振模型對(duì)車銑加工的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

        圖8 工件半徑對(duì)正交車銑切屑形貌的影響(rt =10 mm、順銑)Fig.8 Impacting of workpiece radius on chip morphology of turn-milling

        多數(shù)情況下,需開展車銑加工三維顫振建模與分析。首先,要考慮工件和刀具的結(jié)構(gòu)特征,如正交車銑時(shí),對(duì)于剛性較差的薄壁回轉(zhuǎn)件加工,工件需設(shè)為柔性體;對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸加工,工件和刀具都需設(shè)為柔性體。其次,根據(jù)三維銑削加工動(dòng)力學(xué),需、對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給量、切削深度之間的非線性關(guān)系進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)及試驗(yàn)驗(yàn)證,同時(shí)分析相關(guān)切削參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響,進(jìn)而為抑制顫振現(xiàn)象的產(chǎn)生、切削參數(shù)的優(yōu)化提供有效方法。

        對(duì)于在車銑加工過程中軸向進(jìn)給量很大或者切削去除率很高的情況,需要考慮“刀具—工件”整個(gè)加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)加工穩(wěn)定性的影響。如在正交車銑過程中,由于高效加工的特點(diǎn),隨著工件的加工,其形狀和質(zhì)量發(fā)生較快的改變,整個(gè)加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性隨之改變,容易引發(fā)加工系統(tǒng)顫振。因此,其車銑加工顫振的研究思路可以在建立“機(jī)床—刀具—工件”整體加工系統(tǒng)的相對(duì)傳遞函數(shù)和綜合動(dòng)剛度場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行車銑加工三維顫振建模,分析不同加工位置的整體加工系統(tǒng)綜合動(dòng)剛度特性對(duì)加工穩(wěn)定性模型的影響,從而優(yōu)選加工參數(shù),為車銑高效穩(wěn)定加工提供技術(shù)指導(dǎo)。

        結(jié)束語(yǔ)

        車銑加工作為一種可以適用于航空零部件的高效精密加工技術(shù),其加工機(jī)理和加工穩(wěn)定性分析一直都是制約其高效精密加工的關(guān)鍵因素。通過大量的試驗(yàn)和仿真工作,科研人員分析了冷卻條件和加工參數(shù)對(duì)車銑加工的刀具耐用度和加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律,主要研究了刀具磨損機(jī)理和強(qiáng)迫振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型,為車銑加工在難加工材料和一些典型結(jié)構(gòu)件加工中的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

        車銑加工已經(jīng)展示出明顯優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景,但其潛能還需進(jìn)一步開發(fā)。只有針對(duì)車銑加工零件的材料特性和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)一步開展有針對(duì)性的加工機(jī)理和顫振動(dòng)力學(xué)模型研究,才能實(shí)現(xiàn)車銑加工的工藝優(yōu)化及加工過程的控制,進(jìn)一步提高加工效率和加工表面質(zhì)量。

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