高速切削加工技術(shù)在薄壁結(jié)構(gòu)加工的工藝優(yōu)勢(shì)，需要在切削刀具、切削用量申钩、工藝方案、數(shù)控編程等方面采取正確的策略瘪阁。從已經(jīng)取得的航空薄壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用成果可以充分證明高速切削加工技術(shù)的優(yōu)越性撒遣，不僅加工效率大大提高，零件的加工質(zhì)量也得到提高罗洗。
        由于現(xiàn)代飛機(jī)高性能的要求愉舔，其結(jié)構(gòu)具有輕量化、薄壁化和整體化的特點(diǎn)伙菜，并且為滿足飛機(jī)裝配以骨架零件為定位基準(zhǔn)的要求轩缤，零件須實(shí)現(xiàn)精確加工，作到具有較高的精度和表面質(zhì)量贩绕。傳統(tǒng)的低速加工方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代航空制造的需要火的。根據(jù)國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合航空制造技術(shù)發(fā)展的實(shí)際需求淑倾，應(yīng)用高速切削加工技術(shù)成為現(xiàn)代航空制造業(yè)的必然選擇馏鹤。為此，成飛近年來(lái)進(jìn)行了較為深入的應(yīng)用研究绸廉，已經(jīng)較為成功的在薄壁結(jié)構(gòu)零件加工中廣泛應(yīng)用了高速切削加工技術(shù)牵蠢。
        
        高速切削加工技術(shù)
        高速切削加工技術(shù)的定義
        高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刃具，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)提高材料切除率姨痊、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)仓疯。由于不同的加工工序笆赤、不同的工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速切削的速度范圍給定一個(gè)確定的數(shù)值魂欺。對(duì)于不同的材料粮唯，一般認(rèn)為灰鑄鐵的高速切削速度是800-3000m/min、鋼件為500-2000m/min虏绑、鈦合金為100-1000m/min浇找、鋁合金為1000-7000m/min。
        高速切削就壳，首先是高的速度搭为，即高的主軸轉(zhuǎn)速，另一方面涤伐，又應(yīng)有高的進(jìn)給速度蛔六，為了提高效率，機(jī)床還要具有快速移動(dòng)废亭、快速換刀、高的主軸加速度和進(jìn)給加速度具钥，只有達(dá)到了上述標(biāo)準(zhǔn)才能稱之為高速豆村。通常情況下，行業(yè)內(nèi)將主軸轉(zhuǎn)速S>7000rpm骂删，切削進(jìn)給速度10000mm/min以上的銑削加工掌动，稱為高速切削加工。
        航空薄壁結(jié)構(gòu)的定義
        在飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件中宁玫，按照其在飛機(jī)上承載的狀況和結(jié)構(gòu)特征將飛機(jī)骨架零件分為框類粗恢、梁類、接頭類欧瘪、壁板類眷射、肋類等類型，其典型定義如下表：(此處放一個(gè)表格)
        高速切削加工薄壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性
        高速切削加工薄壁件相對(duì)傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性：切削力小佛掖，加工薄壁類零件時(shí)工件產(chǎn)生的讓刀變形相應(yīng)減小只逐，易于保證零件的尺寸精度和形位精度。切削熱對(duì)零件的影響減少虚蹋，零件加工熱變形小荞亩，這對(duì)于控制薄壁件的熱變形非常有利。加工精度高抄娜，刀具切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離薄壁結(jié)構(gòu)工藝系統(tǒng)的固有頻率驾腕，保證了較好的加工狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)切削砂彻，證了零件的精度和表面粗糙度陷今。加工效率高，比常規(guī)加工高5~10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3~6倍面旋。
        
        高速切削加工薄壁結(jié)構(gòu)的策略
        高速切削加工薄壁結(jié)構(gòu)對(duì)切削刀具摇龟、切削用量、工藝方案吟沮、數(shù)控編程等方面提出了新的要求遮乾。
        刀具及其夾持系統(tǒng)
        刀具結(jié)構(gòu)的選擇原則
        對(duì)于機(jī)夾式刀片刀具，由于刀片螺旋角很小刹勃，無(wú)法形成大的螺旋角堪侯，所以真正要加工高質(zhì)量的薄壁結(jié)構(gòu)件，不采用機(jī)夾式刀具用于高速切削荔仁。
        對(duì)于整體式硬質(zhì)合金銑刀和焊接式硬質(zhì)合金銑刀伍宦，除了焊接式硬質(zhì)合金應(yīng)保證焊接的牢固性外，刀具制造應(yīng)該符合下列要求：
        ◆ 具有匹配的刀具幾何角度：較大的前角和后角以及適中的螺旋角乏梁；
        ◆ 合理的短刃長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)次洼；
        ◆ 側(cè)齒、底齒完全對(duì)稱遇骑；
        ◆ 采用圓柱柄卖毁，無(wú)削平結(jié)構(gòu)；
        ◆ 刀體臺(tái)階部位采用圓角過(guò)度落萎；
        ◆ 較高的表面粗糙度亥啦；
        ◆ 設(shè)計(jì)的切削刃幾何形狀必須考慮高速切削條件下切屑生成特性；
        ◆ 為提高剛度练链，盡可能增加刀具中心的尺寸翔脱；
        ◆ 排屑性好。

圖片由Szpak Manufacturing Company提供

        刀具材料選擇及切削速度要求
        高速切削刀具材料必須耐磨颖倾、抗沖擊能力好（包括熱沖擊與力沖擊）匀铸、硬度高、與工件材料親和力斜锟肌午伍；高速切削的刀具材料必須根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)來(lái)選擇；一般情況下绪樊，高速切削不使用高速鋼刀具傲轮，多采用硬質(zhì)合金刀具；由于短時(shí)間切削后刀尖圓弧半徑與前刀面接觸區(qū)的涂層出現(xiàn)脫落藐篡，涂層硬質(zhì)合金實(shí)際效果與無(wú)涂層硬質(zhì)合金相似百膳，故不推薦采用涂層刀具。
        由于刀具在高速切削時(shí)產(chǎn)生極大的離心力辑剿，飛濺的切屑和崩刃以及變松的刀具夾緊系統(tǒng)都具有很高的動(dòng)能冀态，另外加工過(guò)程中還存在軸向動(dòng)態(tài)力吮骑，故刀具應(yīng)嚴(yán)格在其安全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用。
        刀具夾持系統(tǒng)選擇
        刀具夾持系統(tǒng)——刀柄是高速切削時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵部件赋遇，起著傳遞機(jī)床精度和轉(zhuǎn)矩的作用循头。刀柄的一端是機(jī)床主軸、另一端是刀具炎疆。高速切削薄壁結(jié)構(gòu)時(shí)刀柄必須具備高速加工刀柄的一切要求卡骂，譬如：好的動(dòng)平衡特性、很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度形入、很高的裝夾剛度等要求全跨。
        目前刀柄與主軸的聯(lián)接在大多數(shù)高速切削機(jī)床上以圓錐空心柄（HSK）為主。此外亿遂，通過(guò)熱脹冷縮原理而工作的熱縮套刀夾系統(tǒng)以其優(yōu)越的特性在成飛也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用浓若。
        切削用量
        合理切削參數(shù)的選擇，不僅確保薄壁結(jié)構(gòu)加工的高精度蛇数，而且是高速機(jī)床發(fā)揮效能挪钓、處于最佳工作狀態(tài)的保證。因此切削量要根據(jù)機(jī)床剛性耳舅、刀具直徑诵原、刀具長(zhǎng)度、工件材料挽放、粗加工或精加工模式而定。
        根據(jù)成飛關(guān)于飛機(jī)鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件高速呈篱、超高速低切削力銑削等一系列切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)并參考國(guó)外資料质脐，總結(jié)各切削用量的選取原則如下：
        （1）切削速度v 加工鋁合金的切削速度是沒(méi)有限制的。從理論上講臣塑，采用較高的切削速度嗜谎，可以提高生產(chǎn)率，可以減少或避免在刀具前面上形成積屑瘤特干，有利于切屑的排出早知。銑削速度的提高無(wú)疑會(huì)加劇刀具的磨損，但是涨剧，銑削速度的提高可以有效地提高單位時(shí)間單位功率的金屬切除率南砰，同時(shí)在一定的高速切削速度范圍內(nèi)可以提高工件表面加工質(zhì)量。對(duì)于大量的航空鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)（壁厚1.0～1.5左右）的零件樊淑，切削速度以切削力為基準(zhǔn)選擇涨拣。高速切削薄壁時(shí)，在徑向切深ae不變的情況下铜缠，徑向切削力隨速度基本不變它褪，意味著可選擇的切削速度范圍很大饵骨，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，可以在轉(zhuǎn)速12000～22000rpm選擇茫打。
        
        （2）進(jìn)給量fz 加大進(jìn)給量fz無(wú)疑會(huì)增加切削力居触，這顯然對(duì)薄壁加工不利。故精加工時(shí)老赤，不選擇大的fz轮洋，但fz過(guò)小也是有害的，因?yàn)閒z過(guò)小時(shí)诗越，擠壓代替了切削砖瞧，會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，加劇刀具磨損嚷狞，影響加工精度块促。所以，精加工時(shí)床未，應(yīng)選取較適中的進(jìn)給量竭翠，一般可以選擇在0.1mm/z～0.2mm/z之間。
        （3）軸向切深ap與徑向切深ae 無(wú)論從力的角度薇搁，還是考慮到殘余應(yīng)力祠劣、切削溫度等因素，采用小軸向切深ap大徑向切深ae顯然是有利的挺皆，這是高速切削條件下切削參數(shù)選擇原則耗萝。對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的側(cè)壁加工，小ap條件下顯然產(chǎn)生的徑向力小否因，而且在ap小的情況下舆佩，一定范圍內(nèi)ae的增加并不會(huì)增大薄壁變形，這樣就可以取較大的ae進(jìn)行加工榔晃；對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的腹板加工泌榕，最后一刀采用大的ap可以提高加工系統(tǒng)剛度，減小腹板變形招殊，所以气岁，加工腹板時(shí)應(yīng)選取較大ap進(jìn)行加工。一般情況下秆候，軸向切深ap可在2～10mm之間選擇浦堪，徑向切深ae可在0.5～0.9D之間進(jìn)行選擇。
        切削用量刺洒，要針對(duì)不同的加工對(duì)象汁咏，需要編程人員選擇合理的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化切削用量作媚，根據(jù)需要選擇適合的切削速度攘滩，只有這樣才能真正發(fā)揮高速切削技術(shù)的長(zhǎng)處帅刊。成飛經(jīng)過(guò)近幾年的探索研究，通過(guò)大量的切削試驗(yàn)漂问，建立了符合設(shè)備赖瞒、刀具、產(chǎn)品特點(diǎn)的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)蚤假，在軍機(jī)栏饮、民機(jī)轉(zhuǎn)包項(xiàng)目等數(shù)控加工中得到了良好的應(yīng)用。
        高速切削薄壁結(jié)構(gòu)典型工藝方案
        航空薄壁結(jié)構(gòu)零件按其工藝磷仰、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)袍嬉，可分為框類、梁類灶平、壁板類等類型伺通。在大量應(yīng)用高速切削技術(shù)進(jìn)行的薄壁結(jié)構(gòu)零件加工中，總結(jié)形成了典型工藝方案帆伯。
        梁類零件工藝方案
        結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：梁類零件分為單面及雙面嫌隆，該類零件外形上多處涉及機(jī)身理論外型，零件腹板與緣條厚度均較小代投，一般為1.5～2mm左右荷况，最小處僅1.5mm，尺寸公差為±0.15mm灾您，材料切除率達(dá)到96%左右梆甘。
        工藝方案：裝夾，零件都為臥式放置烛辜，采用兩孔一面定位腋意，兩個(gè)工藝孔設(shè)置在工藝凸臺(tái)上，定位狀態(tài)較好衡达。在零件周圍設(shè)置壓緊槽，操作工人只需在加工前壓緊零件壓緊槽亩当，無(wú)須再在加工過(guò)程改變零件的裝夾狀態(tài)郎抖。
        工藝路線：采用高速加工機(jī)床，由于高速切削加工技術(shù)具有高轉(zhuǎn)速蜓耻、快進(jìn)給茫舶、輕切削的特點(diǎn)，從而使加工后出現(xiàn)的零件變形得到了較好地控制刹淌，因此將粗加工饶氏、半粗加工和精加工合并為一道工序，基本實(shí)現(xiàn)從毛坯到零件的一次性加工有勾。
        框類零件工藝方案
        結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該類零件外形上多處涉及理論外型疹启，內(nèi)形有槽古程、下陷、開閉斜角喊崖、凸臺(tái)等制造特征挣磨。零件腹板與緣條厚度均較小，一般為1.2～2mm左右荤懂，尺寸公差為±0.15mm茁裙。材料切除率達(dá)到97%左右。
        工藝方案：裝夾节仿，零件都為臥式放置晤锥。零件采用兩孔一面定位，兩個(gè)工藝孔設(shè)置在工藝凸臺(tái)上罩泰，由于零件的大部分筋條在同一高度鬼浮，擬以筋條面定位。由于在零件較大谤蚌，裝夾拆卸不方便煌摊，采用墊板工裝，零件周邊設(shè)工藝凸臺(tái)檐鹤，并在工藝凸臺(tái)上制沉頭壓緊孔资杆，墊板上制螺紋孔，用沉頭螺栓壓緊固定在墊板工裝上冈彭。
        工藝路線：采用高速切削加工技術(shù)课陪，將粗加工、半粗加工和精加工合并為一道工序骏点，以實(shí)現(xiàn)從毛坯到零件的一次性加工贱钩。
        壁板類零件工藝方案
        結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：零件為雙面槽腔結(jié)構(gòu)，無(wú)飛機(jī)外形谷芬，數(shù)控加工后還需噴丸成形唉堪。內(nèi)形包括有槽、下陷肩民、凸臺(tái)等幾何特征唠亚。零件厚度較薄，槽腔較淺持痰，大部分槽深小于3mm灶搜， 零件腹板厚度不均勻，一般為1.5～3mm左右工窍。尺寸公差為±0.2mm割卖。材料切除率約90%。
        工藝方案：裝夾患雏，由于該類零件在立式機(jī)床上完成加工鹏溯，因此零件都為臥式放置罢维。由于零件薄，加工過(guò)程中極易因余量去除不均而產(chǎn)生加工變形剿涮；且總體結(jié)構(gòu)上缺少定位夾緊部位言津，同時(shí)為了減少加工時(shí)的零件變形而引起的腹板厚度超小，采用真空吸附加工取试。
        工藝路線：采用高速切削加工技術(shù)署氏，將粗加工、精加工合并為一道工序馁掺，加工順序的選擇是先加工槽少的一面晓够，加工完此面后在槽腔內(nèi)填充石膏，作翻面加工的定位基準(zhǔn)寻币，均采用真空吸附加工擅锚。
        高速切削薄壁結(jié)構(gòu)的程編策略
        高速切削對(duì)CAM的要求
        高速加工的編程方式及方法必須與高速加工的工藝方法有機(jī)結(jié)合，這就對(duì)高速加工的CAM提出了更高的要求瓶虽。高速加工的CAM必須滿足以下條件：
        ◆ 恒定的切削條件赊真；
        ◆ 保證最大和穩(wěn)定的切削速度；
        ◆ 避免任何刀軸移動(dòng)加速度的不連續(xù)和突變珍诡；
        ◆ 刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)保持恒定的主軸進(jìn)給盒蚁，產(chǎn)生相同體積的切削；
        ◆ 刀具長(zhǎng)度與直徑比最好小于10尼袁；
        ◆ 減少無(wú)切削移動(dòng)陋晒；
        ◆ 無(wú)垂直方向的跳動(dòng)；
        ◆ 無(wú)切削方向的劇變化焕；
        ◆ 在保證插值公差的前提下萄窜，盡可能減少段數(shù)；
        ◆ 提供高度連續(xù)的光順刀位數(shù)據(jù)撒桨。
        ◆ 自動(dòng)過(guò)切（殘余）保護(hù)功能查刻。
        ◆ 系統(tǒng)能提供仿真驗(yàn)證的功能。
        高速切削對(duì)切削軌跡的要求
        高速加工工藝的核心是盡可能保證加工過(guò)程的連續(xù)性凤类，使刀具在一次銑削加工過(guò)程中時(shí)時(shí)處于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穗泵，采用光滑的進(jìn)、退刀方式踱蠢、采用光滑的移刀方式與采用光滑的轉(zhuǎn)彎走刀。CAM通過(guò)特殊的編程方式和方法來(lái)滿足高速切削的要求棋电，具體通過(guò)切削軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)茎截。以下分別闡述針對(duì)不同的高速加工要求的切削刀軌和驅(qū)動(dòng)方法。
        采用螺旋線驅(qū)動(dòng)方法編程赶盔，刀具進(jìn)入材料盡可能采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進(jìn)行銑削企锌，以保證恒定的切削條件榆浓；爬坡采用單向加工，而不采用“之”字加工其神，避免逆銑殴衡，防止徑向跳動(dòng)；減少刀具退出和重新進(jìn)入材料的次數(shù)垄窃，維持刀具穩(wěn)定的切削狀態(tài)蟀腌，保持切削厚度均勻；精加工時(shí)拐角等曲率變化和切深變化較大的部分要預(yù)先處理吐莲，使之留下與其他部分相同的余量抠偏；切削軌跡無(wú)突變，在刀軌轉(zhuǎn)折處采用無(wú)尖角刀具軌跡陪瘟；粗加工要重視形狀的準(zhǔn)確性鞋剔，而不是簡(jiǎn)單的去除材料，保證后續(xù)工序加工余量均勻阐逗。余量和切削用量要與切削參數(shù)相結(jié)合池躁，選用合理的切削參數(shù)；避免切削余量突變韵谋，余量增加時(shí)褒选，應(yīng)降低進(jìn)給速度，因?yàn)樨?fù)荷的變化西设，會(huì)引起刀具的偏斜瓣铣，從而降低加工精度、表面質(zhì)量和縮短刀具壽命贷揽；采用分層切削棠笑；有凸臺(tái)的部位先清根，避免刀具頻繁碰撞凸臺(tái)禽绪；通過(guò)NURBS曲線編程蓖救，既保證了插值公差，又可減少程序段數(shù)（前提是機(jī)床控制系統(tǒng)支持NURBS曲線的插值計(jì)算）印屁。 黛杰

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