單英吉　孫樹強　楊巍

摘 要：本文通過對高速切削技術研究涉及的加工試驗環(huán)境、加工對象及其工藝研究，制定相關零件的加工策略，最終以機翼壁板、滑軌等大型鋁合金零件為對象開展了高速切削技術的研究與試驗表明：與常規(guī)加工相比，零件加工效率提升了47%以上；加工工時縮短了近50%，減少了大量的鉗工等工作。所以高速切削技術在飛機結(jié)構(gòu)件加工中的應用，不但能優(yōu)化零件加工工藝，縮短大零件加工周期，而且能夠節(jié)約零件加工制造成本。

關鍵詞：高速切削；工藝分析；加工參數(shù)；編程策略

中圖分類號：TG54 文獻標識碼：A

高速切削技術是誕生予20世紀30年代的一項先進制造技術，其是高效率和高質(zhì)量的切削加工技術，被稱為是21世紀機械制造業(yè)的一場技術革命[1-2]。隨著科學技術的進步，機械加工技術發(fā)生著突飛猛進的變化。高速切削時的切削速度比常規(guī)切削時的切削速度的高出5～10倍以上，不同材料的高速切削速度是不同的，鋁合金等材料高速切削時的切削速度。鋁合金1000m/min～7000m/min；銅合金 900m/min～5000m/min；鋼500m/min～2000 m/min；灰鑄件800m/min～3000m/min；鈦合金為100m/min～1000m/min。

隨著切削速度的提高，材料切除率也將增高，切削質(zhì)量不斷提升，但刀具切削力降低，刀具使用壽命也隨之降低。高速切削優(yōu)點包括：

（1）加工效率增高；

（2）已加工表面質(zhì)量高；

（3）零件加工質(zhì)量提升；

（4）切削力降低；

（5）工件變形減?。?/p>

（6）制造成本降低。

結(jié)合航空領域?qū)α悴考庸べ|(zhì)量高要求，通過對高速切削技術的發(fā)展與應用特點研究，本文針對航空大型鋁合金壁板類結(jié)構(gòu)件，開展相關高速切削技術的試驗性研究。

1 加工試驗環(huán)境及對象分析

1.1 加工試驗環(huán)境

高速切削是一項綜合的切削加工技術，高速切削加工需要加工資源包括：高速切削機床，適應高速切削的刀具技術、工藝技術、CAD/CAM技術和冷卻潤滑技術等。本文研究高速切削技術加工試驗環(huán)境見表1。

1.2 加工對象分析

（1）機翼大型壁板類結(jié)構(gòu)件

機翼壁板是比較典型的一個鋁合金壁板零件，零件壁厚2mm～8mm，結(jié)構(gòu)相對復雜，表面加工質(zhì)量要高，尺寸公差要求高。普通機床加工，受加工機床、刀具等因素制約，進給速度一般為200mm/min～2000mm/min、轉(zhuǎn)速控制在1000r/min～2500r/min，金屬切除率很低，零件表面質(zhì)量不高，加工后需鉗工修整，增加了零件加工周期。

（2）A320滑軌肋結(jié)構(gòu)件

滑軌肋是空A320客機上的重要組件，其主要對機翼前緣的移動部分進行支撐。每個肋板零件與蒙皮相連接的緣條、內(nèi)部的減輕槽腔、加強筋、裝配孔、通孔及定位凸臺、肋等對裝配孔的位置、精度要求非常高，而且，零件的外形公差要求嚴格、零件的表面光度要求較高。

2 工藝分析及加工策略

2.1 工藝分析

適合高速切削的航空零件主要包括：壁板、框、梁、肋等結(jié)構(gòu)件。航空產(chǎn)品中的多數(shù)零件都是雙面結(jié)構(gòu)的，這種雙面結(jié)構(gòu)主要包括兩種典型工藝路線：

A方案：正面粗加工正面精加工翻面反面粗加工反面精加工。A適合“正面”結(jié)構(gòu)簡單，“正面”精加工后，對“反面”加工的裝夾定位沒有影響的零件，如壁板；或“反面”結(jié)構(gòu)復雜，沒有合適定位面的零件，如滑軌肋。

B方案：正面粗加工翻面反面粗加工反面精加工翻面正面精加工。B適合正反兩面結(jié)構(gòu)相似，切削量相近的零件。先進行正反兩面粗加工，可以有效釋放應力。這種方案普遍應用在整體框、梁類零件的加工中。

綜上所述，針對本文研究的機翼壁板、A320滑軌肋進行高速切削技術研究，應選擇A方案。

2.2 加工策略

2.2.1 數(shù)控編程的特點

高速切削的數(shù)控編程具有一定的特殊性，在切削方式、刀具軌跡等方面都和普通數(shù)控加工有很大的區(qū)別，具體要點包括：①多采用分層銑削；②盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；③減少速度的急劇變化，在走刀方向變化較大的位置加入圓弧過渡段；④減少銑削負荷的變化，使加工余量盡量控制均勻；⑤原則上均采用順銑方式；⑥切入和切出盡量采用切向進刀；⑦粗加工要注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻。

2.2.2 刀具選擇

根據(jù)零件形腔的轉(zhuǎn)角半徑，選擇粗加工刀具時，應盡可能選用大直徑刀具，充分發(fā)揮機床的有效功率，提高切削效率。同時也要注意，粗、精加工刀具直徑相差太大，將會在零件轉(zhuǎn)角處的腹板上產(chǎn)生三角形殘留。選擇精加工刀具時，精加工刀具的半徑要小于零件形腔最小轉(zhuǎn)角半徑，這樣有利于在轉(zhuǎn)角處形成圓滑的過渡曲線，避免切削力在轉(zhuǎn)角處突然增大，使刀具折斷。

2.2.3 參數(shù)選擇原則

高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時，加工用量會有很大差異。通常隨著切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨損加??；加工表面粗糙度隨切削速度提高而降低；對于刀具壽命，每齒進給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的范圍相對較窄。因此，高速銑削參數(shù)一般的選擇原則：高的切削速度，中等的每齒進給量fz，較小的軸向切深ap，適當大的徑向切深ae。

2.2.4 編程策略

（1）設置每層最大切深，分層加工。加工鋁合金一般每層深度3mm，每層最大切深設置。

（2）轉(zhuǎn)角降速。在銑削加工零件的內(nèi)型時，經(jīng)常會遇到因零件分粗、精加工。粗加工時，主要以去除多余金屬為目的，為了提高效率，通常選用直徑較大的銑刀，而在精加工時，由于受到零件轉(zhuǎn)角半徑的限制，通常刀具直徑較小，當精加工時，刀具加工到轉(zhuǎn)角部位時，其徑向切深ae會突然增大數(shù)倍，如進給速度f仍保持不變，則會加快刀具的磨損，甚至造成刀具折斷；零件由于切深的突然增大，刀具發(fā)生振動，在轉(zhuǎn)角處表面產(chǎn)生振紋；對于某些控制系統(tǒng)缺少前瞻功能的機床，還會產(chǎn)生過切現(xiàn)象。這個問題在使用CATIA V5編程時，通過軟件功能很好地解決。即在確定零件進給速度的選項中，激活轉(zhuǎn)角降速按鈕，即可完成在刀具加工轉(zhuǎn)角時，按比例降低進給速度，從而達到保護刀具，提高零件加工精度的目的。

（3）必要時設置拐角強制圓弧過渡。因為高速加工的特殊性，要求走刀路徑不能存在直角和銳角。設置拐角強制圓弧過渡功能，可以保證刀具切削過程的連續(xù)性和平穩(wěn)性?！癏igh Speed Milling”開關打開/關閉的區(qū)別（圓角半徑1mm）。

（4）設置進退刀宏指令。高速銑環(huán)切時經(jīng)常使用螺旋進刀的方式，即刀具的中心沿著一條螺旋線運動至零件的腹板表面的加工方式。這種方式減小了加工過程中零件對刀具的抗力，同時可以保證刀具的底刃在加工中能夠切除移動軌跡上的零件材料，尤其對那些沒有過中心橫刃的刀具，采用這種方法可以在沒有預制孔的情況下直接加工到深度。退刀可采用軸向抬刀到安全平面或切向圓弧退刀方式。

2.2.5 加工驗證

以機翼壁板、滑軌肋零件為驗證對象，進行高速加工試驗。與非高速加工相比，機翼壁板的加工效率提升了50%，滑軌肋零件的加工效率提升了47%；數(shù)控加工工時縮短了普通數(shù)控加工的一半，而且加工后的零件表面質(zhì)量完全達到圖紙要求，省去了大量的鉗工打磨工作。

3 結(jié)論與展望

本文以機翼壁板、滑軌肋零件為對象，通過對零件的加工試驗環(huán)境、工藝分析及加工策略等高速切削技術的研究與試驗發(fā)現(xiàn)：與常規(guī)加工相比，零件加工效率提升了47%以上；加工工時縮短了近50%，減少了大量的鉗工打磨等工作。因此，高速切削技術在飛機結(jié)構(gòu)件加工中的應用，不但能縮短大型飛機鋁合金結(jié)構(gòu)件加工周期，而且能夠節(jié)約相關零件加工制造成本。

參考文獻

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