薄壁结构的高效铣削加工

随着飞机性能要求的进一步提高,现代航空工业中大量使用整体薄壁结构零件。其主要结构由侧壁和腹板组成,结构简洁、尺寸较大、加工余量大、相对刚度较低,故加工工艺性差。在切削力、切削热、切削振颤等因素影响下,易发生加工变形,不易控制加工精度和提高加工效率。加工变形和加工效率问题成为薄壁结构加工的重要约束。为此,国内外学者针对铣刀的特殊结构与机床特性,通过大量的理论分析和实验研究建立若干种动、静态铣削模型,利用有限元技术模拟分析刀具和工件的加工变形,并由此提出了一些有效的铣削方法,使薄壁件的加工技术有了一定的突破。本文概述了国内外关于薄壁结构的高效铣削加工技术,并进行了分析讨论。

1薄壁结构的侧壁加工

1)充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案

应用高速切削技术加工薄壁零件的关键在于切削过程的稳定性。大量的实验工作证明,随着零件壁厚的降低,零件的刚性减低,加工变形增大,容易发生切削振颤,影响零件的加工质量和加工效率。J.Tlusty等人提出了充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案。其思想在于在切削过程中,尽可能的应用零件的未加工部分作为正在铣削部分的支撑,使切削过程处在刚性较佳的状态。

如图1所示,对于侧壁的铣削加工,在切削用量允许范围内,采用大径向切深、小轴向切深分层铣削加工,充分利用零件整体刚性(见图1(a))。为防止刀具对侧壁的干涉,可以选用或设计特殊形状铣刀,以降低刀具对工件的变形影响和干扰(见图1(b))。

图1薄壁(侧壁)加工示意图

对于较深的型腔和侧壁的高效铣削加工,J.Tlusty等人在研究动态铣削的基础上,提出合理的大长径比刀具可以有效的解决该类问题。在较高的机床主轴转速和功率状态下,通过调整刀具的悬伸长度来调整机床—刀具—工件工艺系统的自然频率,利用凸角稳定效应(stabilityoflobeeffects),避开可能的切削振动,可用较大的轴向切深铣削深腔和侧壁。实验结果表明,该方法有较大的金属去除率和较高的表面完整性。

2)平行双主轴加工方案

平行双主轴加工方案由日本岩部洋育等人提出。由于铣削力的作用,工件的侧壁会产生“让刀”变形(见图2),因此,应用一个立铣刀很难实现薄壁零件的高精加工。常规的小进给量和低切深的方法虽然可以满足一定的加工精度,但是效率比较低。平行双主轴方案可以有效的解决单一主轴加工零件的变形问题。该方法需要同时应用两个回转半径、有效长度及螺旋升角大小相同的立铣刀,刀刃分别为左旋和右旋(见图3)。采用平行双主轴加工方案,由于工件两侧受力为对称力,所以除了微量的刀具变形引起的加工误差以外,工件的加工倾斜变形基本上可以消除。

图2单轴铣削示意图

图3双轴铣削示意图

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