近年來，國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)大量引入國(guó)際先進(jìn)設(shè)備，整體硬件水平與國(guó)外相比已經(jīng)不存在明顯的差距，但是由于國(guó)內(nèi)在高速加工、難加工材料切削機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域缺乏系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究，使得國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)在數(shù)控加工工藝方法及切削參數(shù)選擇方面缺乏理論依據(jù)和系統(tǒng)工具，而主要依靠國(guó)外機(jī)床、工具廠商提供的通用數(shù)據(jù)或憑常規(guī)切削經(jīng)驗(yàn)來選取相對(duì)保守的切削參數(shù)，未能充分地發(fā)揮先進(jìn)設(shè)備應(yīng)有的效能。數(shù)控加工效率低下已經(jīng)成為一個(gè)普遍問題，不僅嚴(yán)重地制約了我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，而且造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。本文從航空結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)出發(fā)，提出了基于航空結(jié)構(gòu)件典型特征的數(shù)控加工方法優(yōu)化，在此基礎(chǔ)之上達(dá)到結(jié)構(gòu)件加工的整體優(yōu)化，以提高加工效率和加工質(zhì)量。
航空結(jié)構(gòu)件典型特征
航空結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體骨架和氣動(dòng)外形的主要組成部分，從結(jié)構(gòu)類型看，它主要包括框、梁、肋、接頭等幾類典型零件，雖然各類零件結(jié)構(gòu)形式各不相同，但它們均由一些典型特征構(gòu)成，對(duì)航空結(jié)構(gòu)件的加工工藝方法研究可以轉(zhuǎn)化為對(duì)各類基本特征的加工方法研究。
特征定義與其應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)，不同領(lǐng)域所考慮的產(chǎn)品的基本元素不同，從加工的角度來看，特征被定義為與加工操作和工具有關(guān)的零部件形狀、技術(shù)特性和工藝參數(shù)等。對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件典型加工特征，主要分為槽腔、筋和輪廓3 大主要特征，每種主要特征又包含相應(yīng)的子特征。
典型特征加工工藝方法研究
本文采用仿真及實(shí)驗(yàn)分析、工程應(yīng)用相結(jié)合的方式對(duì)航空結(jié)構(gòu)件典型特征的數(shù)控加工進(jìn)行探討，在歸納典型特征加工方法的基礎(chǔ)之上，借助幾何仿真、有限元分析、動(dòng)力學(xué)仿真及已有理論進(jìn)行分析，以規(guī)范加工方法、優(yōu)選參數(shù)。
1 研究與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建
為開展系統(tǒng)的加工工藝方法研究，搭建了仿真及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：選用VERICUT 軟件作為主要的幾何仿真工具；選用北航自主開發(fā)的銑削動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)SimuCut 及商品化仿真軟件Third Wave Systems( 主要包括有限元切削仿真軟件AdvantedgeFEM、工藝優(yōu)化仿真軟件ProductionModule 等) 實(shí)現(xiàn)物理仿真；搭建了銑削力測(cè)試平臺(tái)；建立了模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。
2 典型特征加工工藝方法研究
對(duì)于各種典型特征的數(shù)控加工而言，加工方法( 主要包括進(jìn)退刀方式、走刀方式及切削參數(shù)) 的合理選擇，直接影響零件的加工質(zhì)量和效率，同時(shí)對(duì)機(jī)床及刀具的使用壽命也產(chǎn)生很大的影響。
�。�1）槽腔加工分析。
槽腔是航空結(jié)構(gòu)件中最為常見的一類加工特征，主要在粗加工過程中進(jìn)行，而加工效率是其首要考慮的因素，因此，本文重點(diǎn)對(duì)槽腔加工中影響加工效率的進(jìn)退刀、走刀方式進(jìn)行探討。
a. 進(jìn)退刀方式。
槽腔加工主要采用直線、折線及螺旋3 種進(jìn)刀方式，退刀則主要采用直線和圓弧退刀2 種方式。在選擇進(jìn)刀方式中，下刀角度是影響切削平穩(wěn)性( 受切削力及其方向的改變影響較大) 及加工效率的主要因素，當(dāng)下刀角度較小時(shí)切削平穩(wěn)但切削效率低，下刀角度較大時(shí)切削效率提高，但切削力增大、切削狀態(tài)變差。在Production Module 平臺(tái)下,采用不同的下刀角度對(duì)切削力進(jìn)行仿真，如圖1 所示，由于進(jìn)刀切削過程中X 、Y 方向分力受走刀軌跡方位的影響，反映工件受力變化趨勢(shì)不顯著，因此實(shí)驗(yàn)分析過程中主要對(duì)軸向分力( 圖1 中F Z ) 進(jìn)行分析。其仿真條件為：φ 20mm 立銑刀（刀具螺旋角為30°）切削材料為鋁合金材料7050 ；轉(zhuǎn)速20000r/min，下刀速度2000mm/min，軌跡區(qū)域?yàn)? 倍刀具直徑。
圖1 所示，對(duì)折線進(jìn)刀與螺旋下刀進(jìn)行切削力對(duì)比分析，下刀角度在10°以內(nèi)時(shí)螺旋進(jìn)刀切削力較折線進(jìn)刀�。▓D中以軸向分力進(jìn)行對(duì)比，合力情況類似），且目前西門子等控制系統(tǒng)支持螺旋插補(bǔ)，加工過程連續(xù)，沒有受力突變，較折線進(jìn)刀更為穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)垂直進(jìn)刀進(jìn)行了仿真，在相同條件下其軸向分力FZ為292N, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它2 種方式。
對(duì)比上述幾種進(jìn)刀方式可知，有一定切入角度的進(jìn)刀方式對(duì)刀具載荷的影響比垂直進(jìn)刀方式對(duì)刀具載荷的影響要小很多。相同下刀角度條件下，螺旋進(jìn)刀時(shí)銑刀軸向載荷最小，所以在加工薄壁等對(duì)軸向載荷敏感的零件，應(yīng)優(yōu)先選擇螺旋進(jìn)刀；對(duì)于內(nèi)部有足夠走刀空間的封閉腔體，優(yōu)先選擇螺旋進(jìn)刀方式；對(duì)于狹長(zhǎng)空間可選用折線進(jìn)刀；而當(dāng)槽腔為開口槽腔時(shí)可在零件外部進(jìn)刀，或零件已預(yù)鉆進(jìn)刀孔情況下，可選用垂直進(jìn)刀，其效率更高。在退刀時(shí)主要保證刀具平緩離開工件以防止在已加工表面產(chǎn)生刀痕，影響加工表面質(zhì)量。
b. 走刀方式。
對(duì)于走刀方式的分析，主要考慮加工余量的均勻性及加工效率的高低。目前，在航空結(jié)構(gòu)件槽腔加工中，采用最多的是環(huán)切和行切加1 圈環(huán)切( 清除行切殘留)2 種走刀方式。為更準(zhǔn)確地分析兩種走刀方式的效率，在充分考慮機(jī)床加減速等特性參數(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了加工時(shí)間仿真軟件，將槽腔分為帶島嶼和不帶島嶼2 種典型情況進(jìn)行仿真分析。
表1
仿真結(jié)果如表1 所示，對(duì)于無島嶼槽腔，2 種方式的效率大致相當(dāng)，但槽腔較大時(shí)采用行切加1 圈環(huán)切的方式效率較高，在開敞空間直接采用行切方式加工效率更高；對(duì)于帶島嶼槽腔，在槽腔結(jié)構(gòu)較小時(shí)，行切加環(huán)切方式效率更高，但槽腔尺寸增大時(shí)，2 者差異逐步縮小。因此，在零件剛性較好的情況下，采用行切加環(huán)切方式綜合效率更高。
�。�2）筋加工分析。
筋的加工指筋條及緣條頂面的加工，參與切削的部位主要為刀具底部圓角，其切削條件類似于端銑。而端銑分為對(duì)稱銑、不對(duì)稱逆銑、不對(duì)稱順銑3 種銑削方式，所選方式不合理會(huì)使加工振動(dòng)增大，甚至產(chǎn)生刀具崩齒現(xiàn)象，給產(chǎn)品帶來質(zhì)量隱患。
仿真比較3 種銑削方式，設(shè)計(jì)出“一”字形筋，筋條寬度為3mm, 長(zhǎng)度為200mm，筋條最高高度為40mm，并設(shè)計(jì)平頂筋及帶一定角度的3 種斜頂筋，均按對(duì)稱銑、不對(duì)稱逆銑、不對(duì)稱順銑3 種方式加工，采用Production Module 平臺(tái)進(jìn)行仿真( 仿真條件同前述一致)，仿真結(jié)果如圖2 所示。
根據(jù)上述仿真分析并結(jié)合切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，加工筋頂應(yīng)當(dāng)在筋條剛性較好的情況下進(jìn)行，并避免采用對(duì)稱銑削方式；平頂薄筋加工應(yīng)盡量采用不對(duì)稱逆銑；在斜頂和曲頂筋加工過程中，優(yōu)先選用不對(duì)稱順銑，當(dāng)筋條坡度較大時(shí)應(yīng)選擇自下向上銑削。
�。�3）輪廓加工分析。
輪廓特征一般采用側(cè)銑分層的方式進(jìn)行加工，由于航空結(jié)構(gòu)件多為薄壁件，因此進(jìn)刀過程必須妥善考慮，接觸過程中切削力太大容易引起振動(dòng)并留下表面紋路。如圖3 所示，對(duì)輪廓加工常用的圓弧進(jìn)刀進(jìn)行仿真分析可知，進(jìn)刀圓弧半徑越小，接觸過程中曲率變化越大，切削力越大，對(duì)零件側(cè)壁表面質(zhì)量影響越大，但圓弧半徑過大會(huì)導(dǎo)致走刀路徑過長(zhǎng)，通常選擇（0.3～ 0.5）×D （D 為刀具直徑）的圓弧半徑。
幾種典型難加工子特征加工工藝方法探討
為滿足飛機(jī)減重要求，航空結(jié)構(gòu)件大量采用薄壁結(jié)構(gòu)，加工過程中材料去除率非常高( 通常超過90%)，為典型的弱剛性、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。航空結(jié)構(gòu)件的上述特點(diǎn)使其數(shù)控加工較為困難：拐角半徑通常較小，精加工所使用刀具長(zhǎng)徑比較大，切削狀態(tài)差；薄壁部位在加工過程中容易產(chǎn)生變形及顫振，尺寸精度及表面質(zhì)量難于保證。拐角、薄壁等難加工部位作為航空結(jié)構(gòu)件典型加工特征的附屬特性，必須得到更為深入的研究，找出合理解決方案，以提高典型加工特征的加工質(zhì)量及效率。
1 拐角加工工藝優(yōu)化
�。�1）拐角加工分析。
在航空結(jié)構(gòu)件加工中，不可避免地會(huì)遇到拐角區(qū)域的加工，如果在拐角處采用直線軌跡時(shí)，銑刀的切削弧長(zhǎng)發(fā)生了突變，而每齒平均銑削力與切削弧長(zhǎng)相關(guān)。因此，平均銑削力在拐角處也發(fā)生了突變。
此時(shí)，銑刀中心點(diǎn)位于軌跡線尖角頂點(diǎn)的位置，瞬時(shí)的銑削力從最大跌至最小，但瞬間又降至拐角銑削前的平均銑削力。
實(shí)際加工過程中，為避免進(jìn)給方向的突變，通常在拐角處采用圓弧過渡加工軌跡線的方式進(jìn)行加工。銑刀切削弧長(zhǎng)變化要小于尖角加工的方式，平均銑切削力的變化也緩和很多。因此，通過改變軌跡線可以大大緩解拐角處銑削力對(duì)刀具和工件的沖擊。
通過上述分析可知，改變拐角處的走刀軌跡可有效改善拐角加工的切削狀態(tài)。由此國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量理論及實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)并研究出一些有效的加工方法，常見的拐角加工策略有靠刀法、留余量行切法、細(xì)化圓角法、單圓環(huán)加工法、雙圓環(huán)加工法等，這些拐角加工優(yōu)化方法在一定程度上提高了拐角加工的質(zhì)量和效率，但當(dāng)?shù)毒唛L(zhǎng)徑比較大時(shí)( 一般超過5 ∶ 1），上述方法就無法從根本上解決拐角加工的質(zhì)量及效率問題。
�。�2）拐角的插銑加工。
插銑(Plunge milling) 又稱為Z軸銑削，加工過程中刀具沿主軸方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，利用底部的切削刃進(jìn)行鉆、銑組合切削。因插銑加工變徑向進(jìn)給為軸向進(jìn)給，從而大幅度降低了刀具的徑向切削力，并能保持切削力大小的穩(wěn)定，從而減小加工中工件及刀具的變形，避免切削顫振的產(chǎn)生，對(duì)拐角及深腔加工具有重要意義。目前，部分航空制造企業(yè)已經(jīng)引入插銑工藝方法，在零件精加工前進(jìn)行拐角的插銑加工，一方面從根本上解決拐角加工難題，另一方面還可大大提高航空結(jié)構(gòu)件精加工效率。
2 薄壁加工工藝優(yōu)化
薄壁部位在加工過程中容易產(chǎn)生變形及顫振，加工質(zhì)量難于保證，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同零件結(jié)構(gòu)及變形因素提出了多種工藝方法，如日本巖部洋育等人提出的平行雙主軸加工方法，日本Haruki OBARA 等人提出了低熔點(diǎn)合金輔助切削方案，J.Tlusty, S.Smith 等人提出了充分利用零件整體剛性的切削加工方案等。為了對(duì)薄壁加工過程進(jìn)行深入分析，設(shè)計(jì)“日”字形鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)工件作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，工件長(zhǎng)360mm，寬250mm，高30mm，各處壁厚均為1mm。首先采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行加工，在粗加工過程中周邊及底部均留有3mm 余量，精加工過程中緣條側(cè)面產(chǎn)生明顯振紋，即使減小切削參數(shù)也無法完全避免。
在加工實(shí)驗(yàn)件所用翻板銑AEROSTAR 機(jī)床上，對(duì)φ 20mm 整體硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)行錘擊實(shí)驗(yàn)，在不考慮工件剛性的情況下得到顫振穩(wěn)定域曲線，如圖4 所示。
再根據(jù)工件有限元仿真結(jié)果，選擇工件剛性最薄弱的部位( 各筋條及緣條靠近中間頂部) 進(jìn)行錘擊實(shí)驗(yàn)，獲得其動(dòng)力學(xué)特性，與“機(jī)床-刀具”系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性相結(jié)合得到弱剛性情況下的顫振穩(wěn)定域如圖5 所示（考慮工件動(dòng)態(tài)特性），與圖4對(duì)比，穩(wěn)定域取值很低，非常容易發(fā)生顫振。
改變?cè)屑庸し椒�，根�?jù)基于“機(jī)床- 刀具”系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性計(jì)算的顫振穩(wěn)定域曲線和切削力仿真結(jié)果優(yōu)化選取更高效率的切削參數(shù)（切寬a e=20mm ；切深a p=4mm ；進(jìn)給速度f =10000mm/min；主軸轉(zhuǎn)速n =21000r/min）后，采用“層優(yōu)先”方式加工。采用此方法可以保證刀具每次加工薄壁時(shí)均對(duì)薄壁的根部進(jìn)行加工，可以看作刀具僅對(duì)工件的根部位置激振，此時(shí)形成的“機(jī)床- 刀具- 工件”系統(tǒng)基本可以視刀具接觸的工件局部位置為剛性體，從而實(shí)現(xiàn)無顫振的高效加工，加工表面質(zhì)量得到明顯改善。
基于上述原理，保持銑削過程工藝系統(tǒng)剛性的加工方法還可推廣到其它一些方式，如常見的“階梯銑”、“錯(cuò)層銑”等，這些方法的本質(zhì)都在于使加工過程中被加工區(qū)域具有足夠剛性，以避免加工顫振及變形的產(chǎn)生。
工程應(yīng)用驗(yàn)證
通過前述內(nèi)容的研究，規(guī)范了典型特征的加工工藝方法，并提出了拐角、薄壁等難加工部位數(shù)控加工解決方案，結(jié)合成飛公司實(shí)際情況編制了規(guī)范，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，并選擇轉(zhuǎn)包項(xiàng)目的接頭、壁板等典型航空結(jié)構(gòu)件對(duì)前述研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。
1 接頭深腔零件工藝優(yōu)化
接頭類零件是連接主要承力部件的連接件，零件上分布有裝配基準(zhǔn)面及交點(diǎn)孔等，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、精度要求高，其中的窄槽深腔結(jié)構(gòu)加工非常困難。如一項(xiàng)典型波音787 金屬接頭，零件毛坯尺寸為450mm×160mm×140mm，槽腔較深，因刀具剛性不足而產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)常導(dǎo)致零件加工故障，給產(chǎn)品帶來嚴(yán)重質(zhì)量隱患。
（1）工藝方法優(yōu)化。
該零件槽腔深約100mm，轉(zhuǎn)角半徑7mm，所使用刀具長(zhǎng)徑比超過7 ∶ 1，為典型深腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)毒唛L(zhǎng)徑比大于4 時(shí)，刀具的切削狀態(tài)急劇下降，為改善切削狀態(tài)，在工程實(shí)際中通常采取降低切削參數(shù)的方式，但這種方式不但顯著降低零件加工效率，且零件的拐角加工質(zhì)量仍無法得到有效保證。
改善原有工藝方法，在精加工前對(duì)拐角進(jìn)行插銑加工，經(jīng)過插銑后的拐角余量很小，精加工時(shí)的切深比靠切方式加工切深可提高4 倍，并避免了拉刀現(xiàn)象。
�。�2）優(yōu)化結(jié)果。
波音787 金屬接頭零件共12項(xiàng)，自正式投產(chǎn)以來共加工零件200余件，其中發(fā)生故障零件17 件，故障率高達(dá)8% ；經(jīng)過工藝優(yōu)化，投產(chǎn)100 余件，故障零件僅1 件，故障率降低至1% 以內(nèi)，同時(shí)加工效率提高23%。
2 壁板類零件綜合優(yōu)化
壁板類零件長(zhǎng)、寬方向結(jié)構(gòu)尺寸較大，厚度方向尺寸較小，為典型的薄壁結(jié)構(gòu)零件，加工中極易產(chǎn)生變形。如一項(xiàng)典型的空客機(jī)輪艙壁板，零件毛坯尺寸為2800mm×1200mm×60mm，壁板及筋條最薄處僅1.5mm，材料去除率達(dá)到96%。該類型零件由于定型較早，切削參數(shù)及走刀軌跡不合理，在質(zhì)量及效率上均不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，急需得到優(yōu)化。
�。�1）工藝方法優(yōu)化。
針對(duì)上述存在的加工問題，結(jié)合前述研究結(jié)論從3 個(gè)主要方面對(duì)壁板的加工方法進(jìn)行優(yōu)化。
a. 工藝方案優(yōu)化。優(yōu)化筋頂加工方式：對(duì)筋頂走刀方式進(jìn)行優(yōu)化選擇；采用插銑工藝：對(duì)部分深槽區(qū)采用插銑加工；精度孔大量使用鉆鉸刀；省略外形粗加工。
b. 切削參數(shù)優(yōu)化。結(jié)合DynaCut動(dòng)力學(xué)測(cè)試分析系統(tǒng)及SimuCut 仿真系統(tǒng)，采用保持銑削過程工藝系統(tǒng)剛性的薄壁加工方法全面優(yōu)化切削參數(shù)。
c. 軌跡優(yōu)化。通過調(diào)整銑削行距以簡(jiǎn)化軌跡數(shù)量、減少抬刀次數(shù)以及優(yōu)化軌跡減少機(jī)床加減速。
�。�2）優(yōu)化結(jié)果。
通過工藝方案、切削參數(shù)及加工軌跡的全面優(yōu)化，采用現(xiàn)場(chǎng)DNC系統(tǒng)跟蹤驗(yàn)證機(jī)輪艙左側(cè)壁板加工全過程，機(jī)床切削平穩(wěn)( 動(dòng)平衡值小于1.7）、功率穩(wěn)定（40% ～ 60%）、扭矩較小( 小于9N·m），所有程序按100% 加工、無人工干預(yù)。如表2 所示，零件整體加工效率得到大幅提升，鉗工打磨量大幅減少，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化效果。
結(jié)束語
本文從航空結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合仿真及實(shí)驗(yàn)分析對(duì)部分典型特征的加工方法進(jìn)行優(yōu)化探討，并進(jìn)行了工程化應(yīng)用，取得了良好成效。但航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工方法研究所涉及的內(nèi)容紛繁復(fù)雜，在基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用等方面還需要進(jìn)一步展開深入研究。
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本文標(biāo)題：基于航空結(jié)構(gòu)件典型特征的數(shù)控加工方法優(yōu)化探討
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