高速切削技术在飞机结构件加工中的应用研究

摘 要：本文通过对高速切削技术研究涉及的加工试验环境、加工对象及其工艺研究，制定相关零件的加工策略，最终以机翼壁板、滑轨等大型铝合金零件为对象开展了高速切削技术的研究与试验表明：与常规加工相比，零件加工效率提升了47%以上；加工工时缩短了近50%，减少了大量的钳工等工作。所以高速切削技术在飞机结构件加工中的应用，不但能优化零件加工工艺，缩短大零件加工周期，而且能够节约零件加工制造成本。

关键词：高速切削；工艺分析；加工参数；编程策略

中图分类号：TG54 文献标识码：A

高速切削技术是诞生予20世纪30年代的一项先进制造技术，其是高效率和高质量的切削加工技术，被称为是21世纪机械制造业的一场技术革命[1-2]。随着科学技术的进步，机械加工技术发生着突飞猛进的变化。高速切削时的切削速度比常规切削时的切削速度的高出5～10倍以上，不同材料的高速切削速度是不同的，铝合金等材料高速切削时的切削速度。铝合金1000m/min～7000m/min；铜合金 900m/min～5000m/min；钢500m/min～2000 m/min；灰铸件800m/min～3000m/min；钛合金为100m/min～1000m/min。

随着切削速度的提高，材料切除率也将增高，切削质量不断提升，但刀具切削力降低，刀具使用寿命也随之降低。高速切削优点包括：

（1）加工效率增高；

（2）已加工表面质量高；

（3）零件加工质量提升；

（4）切削力降低；

（5）工件变形减小；

（6）制造成本降低。

结合航空领域对零部件加工质量高要求，通过对高速切削技术的发展与应用特点研究，本文针对航空大型铝合金壁板类结构件，开展相关高速切削技术的试验性研究。

1 加工试验环境及对象分析

1.1 加工试验环境

高速切削是一项综合的切削加工技术，高速切削加工需要加工资源包括：高速切削机床，适应高速切削的刀具技术、工艺技术、CAD/CAM技术和冷却技术等。本文研究高速切削技术加工试验环境见表1。

1.2 加工对象分析

（1）机翼大型壁板类结构件

机翼壁板是比较典型的一个铝合金壁板零件，零件壁厚2mm～8mm，结构相对复杂，表面加工质量要高，尺寸公差要求高。普通机床加工，受加工机床、刀具等因素制约，进给速度一般为200mm/min～2000mm/min、转速控制在1000r/min～2500r/min，金属切除率很低，零件表面质量不高，加工后需钳工修整，增加了零件加工周期。

（2）A320滑轨肋结构件

滑轨肋是空A320客机上的重要组件，其主要对机翼前缘的移动部分进行支撑。每个肋板零件与蒙皮相连接的缘条、内部的减轻槽腔、加强筋、装配孔、通孔及定位凸台、肋等对装配孔的位置、精度要求非常高，而且，零件的外形公差要求严格、零件的表面光度要求较高。

2 工艺分析及加工策略

2.1 工艺分析

适合高速切削的航空零件主要包括：壁板、框、梁、肋等结构件。航空产品中的多数零件都是双面结构的，这种双面结构主要包括两种典型工艺路线：

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适合“正面”结构简单，“正面”精加工后，对“反面”加工的装夹定位没有影响的零件，如壁板；或“反面”结构复杂，没有合适定位面的零件，如滑轨肋。

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适合正反两面结构相似，切削量相近的零件。先进行正反两面粗加工，可以有效释放应力。这种方案普遍应用在整体框、梁类零件的加工中。

综上所述，针对本文研究的机翼壁板、A320滑轨肋进行高速切削技术研究，应选择A方案。

2.2 加工策略

2.2.1 数控编程的特点

高速切削的数控编程具有一定的特殊性，在切削方式、刀具轨迹等方面都和普通数控加工有很大的区别，具体要点包括：①多采用分层铣削；②尽可能减少程序块，提高程序处理速度；③减少速度的急剧变化，在走刀方向变化较大的位置加入圆弧过渡段；④减少铣削负荷的变化，使加工余量尽量控制均匀；⑤原则上均采用顺铣方式；⑥切入和切出尽量采用切向进刀；⑦粗加工要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀。

2.2.2 刀具选择

根据零件形腔的转角半径，选择粗加工刀具时，应尽可能选用大直径刀具，充分发挥机床的有效功率，提高切削效率。同时也要注意，粗、精加工刀具直径相差太大，将会在零件转角处的腹板上产生三角形残留。选择精加工刀具时，精加工刀具的半径要小于零件形腔最小转角半径，这样有利于在转角处形成圆滑的过渡曲线，避免切削力在转角处突然增大，使刀具折断。

2.2.3 参数选择原则

高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料时，加工用量会有很大差异。通常随着切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨损加剧；加工表面粗糙度随切削速度提高而降低；对于刀具寿命，每齿进给量和轴向切深均存在最佳值，而且最佳值的范围相对较窄。因此，高速铣削参数一般的选择原则：高的切削速度，中等的每齿进给量fz，较小的轴向切深ap，适当大的径向切深ae。

2.2.4 编程策略

（1）设置每层最大切深，分层加工。加工铝合金一般每层深度3mm，每层最大切深设置。

（2）转角降速。在铣削加工零件的内型时，经常会遇到因零件分粗、精加工。粗加工时，主要以去除多余金属为目的，为了提高效率，通常选用直径较大的铣刀，而在精加工时，由于受到零件转角半径的限制，通常刀具直径较小，当精加工时，刀具加工到转角部位时，其径向切深ae会突然增大数倍，如进给速度f仍保持不变，则会加快刀具的磨损，甚至造成刀具折断；零件由于切深的突然增大，刀具发生振动，在转角处表面产生振纹；对于某些控制系统缺少前瞻功能的机床，还会产生过切现象。这个问题在使用CATIA V5编程时，通过软件功能很好地解决。即在确定零件进给速度的选项中，激活转角降速按钮，即可完成在刀具加工转角时，按比例降低进给速度，从而达到保护刀具，提高零件加工精度的目的。

（3）必要时设置拐角强制圆弧过渡。因为高速加工的特殊性，要求走刀路径不能存在直角和锐角。设置拐角强制圆弧过渡功能，可以保证刀具切削过程的连续性和平稳性。“High Speed Milling”开关打开/关闭的区别（圆角半径1mm）。

（4）设置进退刀宏指令。高速铣环切时经常使用螺旋进刀的方式，即刀具的中心沿着一条螺旋线运动至零件的腹板表面的加工方式。这种方式减小了加工过程中零件对刀具的抗力，同时可以保证刀具的底刃在加工中能够切除移动轨迹上的零件材料，尤其对那些没有过中心横刃的刀具，采用这种方法可以在没有预制孔的情况下直接加工到深度。退刀可采用轴向抬刀到安全平面或切向圆弧退刀方式。

2.2.5 加工验证

以机翼壁板、滑轨肋零件为验证对象，进行高速加工试验。与非高速加工相比，机翼壁板的加工效率提升了50%，滑轨肋零件的加工效率提升了47%；数控加工工时缩短了普通数控加工的一半，而且加工后的零件表面质量完全达到图纸要求，省去了大量的钳工打磨工作。

3 结论与展望

本文以机翼壁板、滑轨肋零件为对象，通过对零件的加工试验环境、工艺分析及加工策略等高速切削技术的研究与试验发现：与常规加工相比，零件加工效率提升了47%以上；加工工时缩短了近50%，减少了大量的钳工打磨等工作。因此，高速切削技术在飞机结构件加工中的应用，不但能缩短大型飞机铝合金结构件加工周期，而且能够节约相关零件加工制造成本。

参考文献

[1]王西彬，解丽静.超高速切削技术及其新进展[J].中国机械工程，2000，11（1/2）：190-194.

[2]艾兴.高速切削加工技术[M].北京：国防工业出版社，2003.

[3]陆洁，李小游.高速切削技术及其在飞机结构件加工中的应用[J].教练机，2011（02）：25-28.

[4]周文.高速切削技术在薄壁零件加工中的应用研究[J].机床与液压，2011，39（12）：28-34.