李亮亮，單英吉，李鵬飛，楊 巍

（1.沈陽飛機工業(yè)（集團(tuán)）有限公司工程技術(shù)中心，遼寧 沈陽 110000；2.東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）

1 引言

鈦合金以其比強度高、耐高溫、抗腐蝕性好等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。隨著四代機在航行時間、機動性能、搭載能力等方面的要求越來越高，輕量化材料鈦合金在軍機上的應(yīng)用比重越來越大，主要用在飛機結(jié)構(gòu)中承載大、溫度高的部位，例如發(fā)動機承載系列框、大梁、折疊翼、重要接頭、起落架等[1-5]。然而，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)活性大、變形系數(shù)小、單位面積切削力大，其加工效率低。軍機鈦合金結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜，特征多，加工難度更大，工藝規(guī)范性差。側(cè)壁作為飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件的重要特征之一，其加工量占到整個零件的40%以上。另外，零件外緣側(cè)壁存在配合關(guān)系，其加工表面質(zhì)量要求較高。

國內(nèi)外學(xué)者在鈦合金側(cè)壁銑削方面進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[5]對鈦合金薄側(cè)壁結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了銑削力試驗，研究了薄壁件殘余剛度對切削力的影響；文獻(xiàn)[6]對鈦合金TB6開展了側(cè)銑表面完整性試驗研究，獲得了切削工藝參數(shù)對表面形貌的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[7]對側(cè)銑加工表面條紋波動進(jìn)行了研究，建立了仿真模型，分析了產(chǎn)生波動的原因。

文獻(xiàn)[8]開展了薄壁件數(shù)控側(cè)銑的力學(xué)和數(shù)控基礎(chǔ)理論、有限元模擬和切削實驗綜合分析研究，掌握了弱剛性側(cè)壁的撓度分布規(guī)律，提出了控制變形的刀軌優(yōu)化誤差補償方法，并進(jìn)行了試驗驗證；文獻(xiàn)[9-11]對數(shù)控側(cè)銑的變形預(yù)測與控制等進(jìn)行了研究[9-11]。

數(shù)控加工工藝標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化是航空制造業(yè)邁向智能制造的基本技術(shù)要素之一，而上述研究雖然在側(cè)壁銑削的表面形貌、變形控制等方面取得了一定的成果，但是在側(cè)壁精加工余量分配以及與表面質(zhì)量的關(guān)系等方面尚無深入研究。

基于此，開展了不同余量的側(cè)壁精加工切削力仿真與試驗，對加工后的零件表面進(jìn)行粗糙度測量，以獲得合理的余量分配工藝參數(shù)，為生產(chǎn)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 精銑側(cè)壁工藝方案

2.1 飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件側(cè)壁分析

飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件類型不同，其側(cè)壁尺寸差別較大，型面有曲面和平面之分，如圖1所示。經(jīng)統(tǒng)計分析，對于大多數(shù)鈦合金結(jié)構(gòu)件，側(cè)壁高度在（8～90）mm，壁厚在（2～11）mm，其精加工余量一般在（0.5～2）mm。切削深度一般在（10～15）mm。

圖1 典型結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Model of Typical Structure

2.2 仿真與試驗條件

材料為鈦合金TA15M，普通退火，毛坯尺寸312mm×335mm×50mm；選用國產(chǎn)整體硬質(zhì)合金刀具，其參數(shù)為直徑20mm，底刃圓角半徑4mm，4齒，刃長40mm，總長113mm，前角10°，后角14°，螺旋角38°；切削過程仿真采用Production Module軟件。

2.3 測量方法

采用旋轉(zhuǎn)測力儀Kistler5236B對側(cè)壁銑削進(jìn)行動態(tài)切削力測量；采用便攜式Mahr M300C粗糙度儀對已加工側(cè)壁表面粗糙度進(jìn)行測量。測量方法是在已加工表面進(jìn)給方向等間距取5個點，在垂直于進(jìn)給方向上進(jìn)行測量，取測量平均值。

2.4 工藝方案

驗證側(cè)壁精銑余量與切削力關(guān)系的工藝方案流程，如圖2所示。結(jié)合鈦合金結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)經(jīng)驗，制定了側(cè)壁精加工不同余量的切削工藝參數(shù)，切削工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速s=1000rpm，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/z，切削深度ap=10mm，精銑余量（切削寬度）ae=2mm、1.75mm、1.5mm、1.25mm、1mm、0.75mm和0.5mm。為了提高仿真與試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用zigzag切削方式，即順銑—逆銑—順銑的加工軌跡。

圖2 精銑側(cè)壁工藝方案流程圖Fig.2 Flow Chart of Finishing Side Wall Process Schemes

運用CATIA編制數(shù)控加工仿真與試驗程序，經(jīng)后置處理，將生成的NC代碼用于Production Module 軟件（簡稱PM）進(jìn)行切削動力學(xué)仿真及實際加工，通過結(jié)果對比，判斷工藝參數(shù)的合理性，并將試驗有效結(jié)果存入切削數(shù)據(jù)庫。

在試驗中，按照精銑余量ae由2mm到0.5mm遞減方式加工。并選取ae=0.5mm 情況下的工藝參數(shù)進(jìn)行切削力的三維動態(tài)測量，驗證仿真正確性。

3 PM切削力動力學(xué)仿真

設(shè)計的7組試驗工況下不同工藝參數(shù)在順逆銑時的切削力仿真值，如表1所示。

表1 順逆銑情況下切削力隨切削寬度變化的仿真值Tab.1 Simulation Forces with Different Width in Down and Up Milling

當(dāng)余量為2mm時，其切削合力在（1000～1200）N之間，當(dāng)余量為0.5mm時，其切削合力降低到（250～300）N之間。切削力與余量的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 切削力與切削余量的關(guān)系圖Fig.3 The Relation Between Cutting Force and Cutting Allowance

從圖中可知：（1）在主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、每齒進(jìn)給量不變的情況下，隨著側(cè)壁余量的減少，切削合力與各向切削分力成線性遞減趨勢；（2）在同樣參數(shù)下，逆銑切削力比順銑切削力大，隨著切削余量的減少，其兩者的差值越來越小，當(dāng)切削余量小于0.75mm時，其切削力差值幾乎可以忽略；（3）切削余量對切向力的影響大于徑向力和軸向力。

4 試驗驗證

七組試驗的加工效果，如圖4所示。為便于測量，選取最后一組加工工藝參數(shù)s=1000rpm，fz=0.1mm/齒，ap=10mm，ae=0.5mm進(jìn)行順銑切削力的動態(tài)三維測量驗證，在測量前，進(jìn)行了零點漂移的優(yōu)化處理，使得測量系統(tǒng)誤差在±5N以內(nèi)。由于測量的切削力是隨時間波動的動態(tài)三向力，故提取各方向的切削力平均值，X向（進(jìn)給方向）Fx221N，Y向（余量方向）Fy181N，Z向（刀軸方向）Fz65N，其合力Fres293N。試驗與仿真切削力對比結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗與仿真切削力Tab.2 Milling Force in Test and Dynamic Simulation

圖4 試驗件加工現(xiàn)場Fig.4 Test Part Processing Site

由于測量坐標(biāo)系與切削點處的切削力坐標(biāo)系存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此Fx、Fy、Fz是切向力、徑向力和軸向力函數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：α、β、γ—坐標(biāo)變換系數(shù)，在區(qū)間［0 1］內(nèi)。

切削合力的仿真誤差δ值為：

式中：Fres—試驗切削合力；Fsres—仿真切削合力。

通常認(rèn)為，仿真誤差在25%以內(nèi)屬于可接受范圍，由式（2）可以看出，仿真誤差0.78%，表明仿真結(jié)果具有較高可信度；對于各項分力，可以做輔助參考。

5 粗糙度測量

為便于試驗的連貫性、測量的便捷性以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，一次性完成7種工況的側(cè)壁精銑加工，統(tǒng)一對已加工表面進(jìn)行清潔處理，在粗糙度測量前，再次進(jìn)行酒精清洗。不同切削余量加工后所測量的表面粗糙度值Ra和Rz，如表3所示。隨著切削余量的降低，表面粗糙度值逐漸增大，也即表面質(zhì)量反而下降，但是，余量（0.5～2）mm的七組工藝參數(shù)的粗糙度Ra均小于0.4μm，其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于飛機結(jié)構(gòu)件表面加工質(zhì)量要求Ra1.6μm。Rz在（1.27～2.892）μm之間，表明精加工表面具有非常高的平整度。

表3 不同切削余量條件下的表面粗糙度Tab.3 Surface Roughness Under Different Cutting Allowances

6 結(jié)論

通過對飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件側(cè)壁精銑仿真與試驗研究，得出如下結(jié)論：（1）側(cè)壁精銑的切削力仿真可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)實際，其仿真結(jié)果與試驗結(jié)果誤差僅0.78%；（2）隨著側(cè)壁切削余量的降低，其各向切削力均隨之降低，且成線性關(guān)系；（3）同樣參數(shù)下，逆銑比順銑銑削力稍大，當(dāng)余量小于0.75mm時，兩者的差值顯著縮??；（4）隨著側(cè)壁切削余量的降低，其表面粗糙度值增大，但Ra均小于0.4μm，滿足結(jié)構(gòu)件表面粗糙度1.6μm要求；（5）結(jié)合仿真、試驗以及表面粗糙度的測量結(jié)果，在鈦合金側(cè)壁精加工時，可以優(yōu)先考慮加工效率和變形控制，并降低切削力，因此推薦工藝參數(shù)是：轉(zhuǎn)速1000rpm，每齒進(jìn)給量0.1mm，切削深度10mm，切削余量0.5mm。