隨著飛機(jī)性能要求的進(jìn)一步提高，現(xiàn)代航空工業(yè)中大量使用整體薄壁結(jié)構(gòu)零件。其主要結(jié)構(gòu)由側(cè)壁和腹板組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、尺寸較大、加工余量大、相對(duì)剛度較低, 故加工工藝性差。在切削力、切削熱、切削振顫等因素影響下，易發(fā)生加工變形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工變形和加工效率問(wèn)題成為薄壁結(jié)構(gòu)加工的重要約束。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)銑刀的特殊結(jié)構(gòu)與機(jī)床特性, 通過(guò)大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究建立若干種動(dòng)、靜態(tài)銑削模型，利用有限元技術(shù)模擬分析刀具和工件的加工變形，并由此提出了一些有效的銑削方法，使薄壁件的加工技術(shù)有了一定的突破。本文概述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于薄壁結(jié)構(gòu)的高效銑削加工技術(shù), 并進(jìn)行了分析討論。

1薄壁結(jié)構(gòu)的側(cè)壁加工

1. 充分利用零件整體剛性的刀具路徑優(yōu)化方案
   
   
   應(yīng)用高速切削技術(shù)加工薄壁零件的關(guān)鍵在于切削過(guò)程的穩(wěn)定性。大量的實(shí)驗(yàn)工作證明, 隨著零件壁厚的降低, 零件的剛性減低, 加工變形增大, 容易發(fā)生切削振顫，影響零件的加工質(zhì)量和加工效率。J. Tlusty等人提出了充分利用零件整體剛性的刀具路徑優(yōu)化方案。其思想在于在切削過(guò)程中, 盡可能的應(yīng)用零件的未加工部分作為正在銑削部分的支撐，使切削過(guò)程處在剛性較佳的狀態(tài)。
   

1. 
   
   如圖1所示，對(duì)于側(cè)壁的銑削加工，在切削用量允許范圍內(nèi)，采用大徑向切深、小軸向切深分層銑削加工，充分利用零件整體剛性(見(jiàn)圖1(a))。為防止刀具對(duì)側(cè)壁的干涉，可以選用或設(shè)計(jì)特殊形狀銑刀，以降低刀具對(duì)工件的變形影響和干擾( 見(jiàn)圖1(b))。
   
   
   
   
   
   對(duì)于較深的型腔和側(cè)壁的高效銑削加工，J. Tlusty等人在研究動(dòng)態(tài)銑削的基礎(chǔ)上，提出合理的大長(zhǎng)徑比刀具可以有效的解決該類(lèi)問(wèn)題。在較高的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和功率狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)整刀具的懸伸長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整機(jī)床—刀具—工件工藝系統(tǒng)的自然頻率，利用凸角穩(wěn)定效應(yīng)(stability of lobe effects)，避開(kāi)可能的切削振動(dòng)，可用較大的軸向切深銑削深腔和側(cè)壁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有較大的金屬去除率和較高的表面完整性。
   


2. 平行雙主軸加工方案
   
   
   平行雙主軸加工方案由日本巖部洋育等人提出。由于銑削力的作用，工件的側(cè)壁會(huì)產(chǎn)生“讓刀”變形(見(jiàn)圖2)，因此，應(yīng)用一個(gè)立銑刀很難實(shí)現(xiàn)薄壁零件的高精加工。常規(guī)的小進(jìn)給量和低切深的方法雖然可以滿足一定的加工精度, 但是效率比較低。平行雙主軸方案可以有效的解決單一主軸加工零件的變形問(wèn)題。該方法需要同時(shí)應(yīng)用兩個(gè)回轉(zhuǎn)半徑、有效長(zhǎng)度及螺旋升角大小相同的立銑刀, 刀刃分別為左旋和右旋(見(jiàn)圖3)。采用平行雙主軸加工方案,由于工件兩側(cè)受力為對(duì)稱(chēng)力, 所以除了微量的刀具變形引起的加工誤差以外, 工件的加工傾斜變形基本上可以消除。
   
   
   
   
   
   采用平行雙主軸加工薄壁零件, 有效的控制了薄壁零件的加工變形問(wèn)題, 零件的加工精度和加工效率顯著提高, 可以應(yīng)用于簡(jiǎn)單形狀的側(cè)壁加工。但是其局限性也在于該方法僅能加工簡(jiǎn)單薄壁零件的側(cè)壁, 而且對(duì)機(jī)床雙主軸的間距有要求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合普遍采用。

2 薄壁結(jié)構(gòu)的腹板加工

1. 帶有輔助支撐的腹板加工
   
   
   對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的腹板或較大的薄板加工, 關(guān)鍵問(wèn)題就是要解決由于裝夾力或切削力引起的加工變形。
   
   
   
   
   
   Haruki OBARA等人提出的低熔點(diǎn)合金(LowMelting Alloy)輔助切削方案可有效解決薄板的加工變形問(wèn)題。該方案指出，利用熔點(diǎn)低于100℃的LMA“U-ALLOY70”作為待加工薄板的基座，或者將LMA澆注入薄壁結(jié)構(gòu)型腔，也可以將LMA與真空吸管相配合組成真空夾具。通過(guò)澆注LMA，填補(bǔ)型腔空間，可大大提高工件的剛度，有效抑制了加工變形，在精銑時(shí)可實(shí)現(xiàn)加工壁厚達(dá)到0. 05mm。U-ALLOY70具有凝固時(shí)的膨脹特性，可以起到一定的填充裝卡作用；而且其熔點(diǎn)為70℃，可以在沸水中熔融回收再利用。該方法不僅可以加工高精度的薄板，也可以加工高精度的側(cè)壁。
   
   
   
2. 無(wú)輔助支撐的腹板加工
   
   
   對(duì)于一個(gè)未附加輔助支撐或不能添加輔助支撐的薄壁零件腹板的加工, S. Smith 等人提出的有效利用零件未加工部分作為支撐的刀具路徑優(yōu)化方案可以有效的解決腹板的加工變形問(wèn)題，其思想類(lèi)似于第1章第1節(jié)介紹的充分利用零件整體剛性的刀具路徑優(yōu)化方案(見(jiàn)圖4)。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   圖4 薄壁(腹板)加工示意圖

   
   
   
   例如在對(duì)一個(gè)帶有腹板的矩形框體件加工中，銑刀從試件中間位置傾斜下刀，在深度方向銑到最終尺寸，然后一次走刀由中間向四周螺旋擴(kuò)展至側(cè)壁。實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法較為有效的降低了切削變形及其影響，降低了由于剛性降低而能發(fā)生的切削振動(dòng)的可能，零件的質(zhì)量和加工效率也有了顯著提高。
   
   
   
   
   
   對(duì)于腹板的銑削加工，文獻(xiàn)中介紹的工藝方法也值得參考。其具體方法如下：①刀具軌跡避免重復(fù)，以免刀具碰傷暫時(shí)變形的切削面；②粗加工分層銑削，讓?xiě)?yīng)力均勻釋放；③采用往復(fù)斜下刀方式以減少垂直分力對(duì)腹板的壓力；④保證刀具處于良好的切削狀態(tài)。當(dāng)然，該方法僅在走刀路徑方面進(jìn)行優(yōu)化，還需結(jié)合其它方法(如使用真空夾具等)進(jìn)一步控制加工變形。

3 圓角加工的刀具路徑優(yōu)化方案