飞机结构零件数控加工技术研讨
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萨 洛 蒙 的 这 一 假 设 始 终 存 在 争 论 ， /010 年 美 国 科 伦贝格 （2#"+$+3$#4 ）和前苏联科学家分别用超高速切 削试验证 明 了 这 一 假 设 ， 但 更 多 的 研 究 者 没 能 证 明 这 一假设，如 567689:$$ 的研究认为 ， 切 削 铝 时 ， 切 削 温 度会一直 随 着 切 削 速 度 提 高 至 铝 的 熔 点 。 山 东 大 学 艾 兴院士的 研 究 表 明 ， 随 着 切 削 速 度 升 高 ， 被 切 屑 带 走 的热量就越多，而流入刀具和工件的热量则增加很小， 这一研究表明：只要工件材料与刀具材料合理匹配， 进行高速加工是完全可能的，也是有利的。 所谓高速切削加工，是指切削时主轴高速运转， 切削进给 高 速 运 动 。 尽 管 国 际 上 高 速 切 削 的 速 度 范 围 迄今尚未 作 出 明 确 统 一 的 规 定 ， 但 通 常 情 况 下 ， 把 切 削速度高出常规 1;/< 倍 的 切 削 加 工 称 作 高 速 切 削 。 高 速切削加 工 不 能 简 单 地 用 某 一 具 体 的 切 削 速 度 值 来 定 义，目前 一 般 可 以 按 材 料 划 定 高 速 切 削 范 围 ： 镍 基 合 金 =<> ? >(+ 以上，钛合金 /@<> ? >(+ 以上，钢材 AB<> ? >(+ 以上，铸铁 =<<> ? >> 以上，铜材 /<<<> ? >(+ 以上，铝材 （图A ） ：
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图C
,+ 对于腹板为薄壁的加工
粗加工分层铣削，让应力均匀释放；下刀采取小角 度斜线往复式下刀，以减小垂直分力对腹板的压力；精 铣最后一层时，轴向余量应适中，余量太大则切削力过
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相关产业
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大，余量 过 小 ， 则 腹 板 刚 性 过 差 ； 最 后 一 层 应 从 中 间 下刀逐渐 往 周 边 铣 削 直 至 周 边 ， 以 充 分 利 用 零 件 的 整 体刚性。
图A
0+ 对于薄壁侧面的加工
在切削参数允许的范围内采用较大的径向分层和较 小的轴向分层加工；对于侧壁两面都需加工时候采取台 阶式来回铣削， 充分利用零件的整体刚性，可提高加 工效率（如下图C） 。
四、薄壁零件的加工工艺探讨
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 （如 图 @） ，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。 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 。 以 下 是 我 厂 在 薄 壁 零 件 的
! 形状结构复杂：飞机结构零件的形状结构非常
复杂，零件 外 形 多 为 复 杂 曲 面 ， 薄 壁 结 构 、 深 腔 结 构 零件多（如图 3 ） ，这些都给加工造成困难；
图3
" 金属去除比率高：由于飞机重量控制方面的要
求，使得飞 机 结 构 零 件 大 量 采 用 多 槽 腔 结 构 ， 有 的 零 件从毛坯到成品其金属去除率高达 456 以上，使得加工 量非常大；
图A
#" 低熔点合金辅助切削方案
日 本 科 学 家 /&#-0( 12&#& 等 人 提 出 的 低 熔 点 合 金 （ 3"4 5$%’(+6 7%%"8 ） 辅 助 切 削 方 案 可 有 效 解 决 薄 板 的 加 工 变 形 问 题 。 该 方 案 指 出 ， 利 用 熔 点 低 于 9::; 的
随着我国航空制造技术的发展，对飞机结构零件 的加工要求越来越高，尤其是对于零件的表面质量、 深腔和薄壁形 状 以 及 零 件 的 加 工 精 度 都 提 出 了 更 高 的 要求。目前欧美许多发达国家按照高精度、高效率、 高柔性的制造 发 展 方 向 ， 已 开 始 普 遍 使 用 高 速 铣 削 机 床，并针对飞 机 结 构 零 件 的 特 点 进 行 了 大 量 的 工 艺 技 术研究。另外 通 过 对 难 加 工 材 料 的 加 工 工 艺 方 法 进 行 研究，大大提 高 了 以 钛 合 金 为 代 表 的 难 加 工 材 料 的 加 工效率，使飞 机 结 构 零 件 的 数 控 加 工 不 再 成 为 制 约 整 个飞机研制和生产的“瓶颈” 。 近年来，为了提高我国航空制造业的整体水平， 缩小与国外先 进 制 造 技 术 的 差 距 ， 我 国 的 部 分 航 空 主 机厂先后从国 外 引 进 了 少 量 的 高 速 铣 削 机 床 。 随 着 对 高速铣削技术 研 究 的 不 断 深 入 ， 各 航 空 主 机 厂 在 高 速 铣削机床的应 用 方 面 都 取 得 了 一 些 成 果 。 另 外 针 对 先 进战斗机结构 零 件 的 加 工 特 点 ， 国 内 航 空 企 业 在 难 加 工材料的加工 技 术 方 面 也 进 行 大 量 的 研 究 工 作 ， 零 件 的加工效率和加工质量和以前相比得到了明显提高， 从而提高了我 国 航 空 工 业 ， 乃 至 整 个 机 械 制 造 行 业 的 制造技术水平。
相关产业
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图@
加工中所采取的措施和国内外薄壁零件加工的一些方案
//<<> ? >(+以上，塑料//1<> ? >(+以上。
目前在成飞公司数控加工厂配有多台高速数控设 备，主轴转速最高可达 @C<<<# ? >(+。以前在低速数控铣 床 上 用 直 径 为 A@>> 的 刀 具 进 行 铝 合 金 零 件 粗 加 工 时 ， 采 用 的 参 数 为 ! "#$$$% & ’(!， )* "$+,-’’ ， ./ "0- 1
!" 真空铣夹
对于腹板面积很大的薄壁零件加工，除了走刀轨 迹需要优 化 以 外 ， 还 要 注 意 零 件 的 装 夹 。 我 们 目 前 认 为比较有 效 的 方 案 是 采 用 真 空 铣 夹 。 真 空 铣 夹 由 底 板 和真空吸 管 构 成 ， 用 将 吸 管 管 嘴 紧 贴 腹 板 面 并 将 吸 管 抽空，利 用 大 气 压 力 将 腹 板 牢 牢 吸 附 在 底 板 上 ， 可 以 大幅减小 加 工 过 程 中 腹 板 的 振 动 ， 有 利 于 提 高 效 率 和 零件表面质量。 行分段加工。但当腔槽太深，我们必须采用大长径比的 刀具时，即便是采取分段加工，我们的加工效率也将会 非常低下，零件质量和刀具寿命也得不到保障。我们认 为：对 于 这 样 的 结 构 ， 插 铣 也 许 是 较 为 理 想 的 解 决 方 案。 插铣：也称钻入式铣削，使用一个套装铣刀，仿佛 沿C 轴钻孔一样，由刀具的端齿与侧齿，共同按汇编好 的加工程序，进行搭接式加工。由于插铣时，铣削力垂 直往上 ， 就 避 免 了 常 规 铣 削 径 向 分 力 所 造 成 的 切 削 振 动，提高了加工系统的刚性，所以非常适合于大悬伸刀 具的加工。这种方法用于粗加工，因为每两次搭接式加 工之间仍都留有一些扇贝状的未加工金属，但经过插铣 后，槽腔余量几乎去除，剩下的余量很小，可用一般立 铣刀轻松去除。
三、高速加工技术的应用
德国的切削物理学家卡尔・萨洛蒙 （!&#% 7&%"8"+ ） 认为一定的 工 件 材 料 对 应 有 一 个 临 界 切 削 速 度 ， 其 切 削温度最高 。 在 常 规 切 削 范 围 内 ， 切 削 温 度 随 着 切 削 速度的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度后， 切削速度再 增 大 ， 切 削 温 度 反 而 下 降 ， 切 削 力 也 会 大 幅度下降。
,$’’，.2"03’’；目前在高速设备上采用的参数为 !" ,$$$$% & ’(!， )*"$+,’’， ./"-14’’， .2"03’’。 前 者 （低速加工）切削速度为 #$0’ & ’(!；而后者 （高速
加工）切削速度为,$$$’ & ’(!。实际应用情况表明：采 用高速切 削 后 ， 金 属 切 除 率 大 幅 提 高 ， 约 是 低 速 切 削 的 A;1 倍，切削力大幅下降，仅是低速切削的 @<;A<D ， 切削振动 减 少 ， 零 件 表 面 质 量 及 尺 寸 精 度 提 高 ， 在 常 规低速切 削 中 备 受 困 惑 的 一 系 列 亦 问 题 （如 加 工 变 形 等）得到了解决，加工效率和零件质量得到了提高。
$" 刀具偏摆数控补偿技术
刀具偏摆数控补偿技术是在有限元分析基础上， 根据模拟 仿 真 加 工 变 形 的 大 小 ， 在 数 控 编 程 时 让 刀 具 在原有走 刀 轨 迹 中 按 变 形 情 况 附 加 补 偿 运 动 补 偿 因 切 削力作用 而 产 生 的 变 形 。 对 侧 壁 加 工 ， 通 过 偏 摆 刀 具 进行补偿 ； 对 腹 板 加 工 ， 则 补 偿 轴 向 切 深 。 通 过 数 控 补偿可以 将 因 变 形 而 产 生 的 残 余 材 料 切 除 ， 一 次 走 刀 即可保证 薄 壁 件 侧 壁 或 腹 板 精 度 ， 从 而 达 到 高 效 、 经 济、优质加工薄壁零件的目的。
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萨 洛 蒙 的 这 一 假 设 始 终 存 在 争 论 ， /010 年 美 国 科 伦贝格 （2#"+$+3$#4 ）和前苏联科学家分别用超高速切 削试验证 明 了 这 一 假 设 ， 但 更 多 的 研 究 者 没 能 证 明 这 一假设，如 567689:$$ 的研究认为 ， 切 削 铝 时 ， 切 削 温 度会一直 随 着 切 削 速 度 提 高 至 铝 的 熔 点 。 山 东 大 学 艾 兴院士的 研 究 表 明 ， 随 着 切 削 速 度 升 高 ， 被 切 屑 带 走 的热量就越多，而流入刀具和工件的热量则增加很小， 这一研究表明：只要工件材料与刀具材料合理匹配， 进行高速加工是完全可能的，也是有利的。 所谓高速切削加工，是指切削时主轴高速运转， 切削进给 高 速 运 动 。 尽 管 国 际 上 高 速 切 削 的 速 度 范 围 迄今尚未 作 出 明 确 统 一 的 规 定 ， 但 通 常 情 况 下 ， 把 切 削速度高出常规 1;/< 倍 的 切 削 加 工 称 作 高 速 切 削 。 高 速切削加 工 不 能 简 单 地 用 某 一 具 体 的 切 削 速 度 值 来 定 义，目前 一 般 可 以 按 材 料 划 定 高 速 切 削 范 围 ： 镍 基 合 金 =<> ? >(+ 以上，钛合金 /@<> ? >(+ 以上，钢材 AB<> ? >(+ 以上，铸铁 =<<> ? >> 以上，铜材 /<<<> ? >(+ 以上，铝材 （图A ） ：
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粗加工分层铣削，让应力均匀释放；下刀采取小角 度斜线往复式下刀，以减小垂直分力对腹板的压力；精 铣最后一层时，轴向余量应适中，余量太大则切削力过
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相关产业
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在切削参数允许的范围内采用较大的径向分层和较 小的轴向分层加工；对于侧壁两面都需加工时候采取台 阶式来回铣削， 充分利用零件的整体刚性，可提高加 工效率（如下图C） 。
四、薄壁零件的加工工艺探讨
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 （如 图 @） ，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。 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 。 以 下 是 我 厂 在 薄 壁 零 件 的
! 形状结构复杂：飞机结构零件的形状结构非常
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#" 低熔点合金辅助切削方案
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随着我国航空制造技术的发展，对飞机结构零件 的加工要求越来越高，尤其是对于零件的表面质量、 深腔和薄壁形 状 以 及 零 件 的 加 工 精 度 都 提 出 了 更 高 的 要求。目前欧美许多发达国家按照高精度、高效率、 高柔性的制造 发 展 方 向 ， 已 开 始 普 遍 使 用 高 速 铣 削 机 床，并针对飞 机 结 构 零 件 的 特 点 进 行 了 大 量 的 工 艺 技 术研究。另外 通 过 对 难 加 工 材 料 的 加 工 工 艺 方 法 进 行 研究，大大提 高 了 以 钛 合 金 为 代 表 的 难 加 工 材 料 的 加 工效率，使飞 机 结 构 零 件 的 数 控 加 工 不 再 成 为 制 约 整 个飞机研制和生产的“瓶颈” 。 近年来，为了提高我国航空制造业的整体水平， 缩小与国外先 进 制 造 技 术 的 差 距 ， 我 国 的 部 分 航 空 主 机厂先后从国 外 引 进 了 少 量 的 高 速 铣 削 机 床 。 随 着 对 高速铣削技术 研 究 的 不 断 深 入 ， 各 航 空 主 机 厂 在 高 速 铣削机床的应 用 方 面 都 取 得 了 一 些 成 果 。 另 外 针 对 先 进战斗机结构 零 件 的 加 工 特 点 ， 国 内 航 空 企 业 在 难 加 工材料的加工 技 术 方 面 也 进 行 大 量 的 研 究 工 作 ， 零 件 的加工效率和加工质量和以前相比得到了明显提高， 从而提高了我 国 航 空 工 业 ， 乃 至 整 个 机 械 制 造 行 业 的 制造技术水平。
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三、高速加工技术的应用
德国的切削物理学家卡尔・萨洛蒙 （!&#% 7&%"8"+ ） 认为一定的 工 件 材 料 对 应 有 一 个 临 界 切 削 速 度 ， 其 切 削温度最高 。 在 常 规 切 削 范 围 内 ， 切 削 温 度 随 着 切 削 速度的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度后， 切削速度再 增 大 ， 切 削 温 度 反 而 下 降 ， 切 削 力 也 会 大 幅度下降。
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$" 刀具偏摆数控补偿技术
刀具偏摆数控补偿技术是在有限元分析基础上， 根据模拟 仿 真 加 工 变 形 的 大 小 ， 在 数 控 编 程 时 让 刀 具 在原有走 刀 轨 迹 中 按 变 形 情 况 附 加 补 偿 运 动 补 偿 因 切 削力作用 而 产 生 的 变 形 。 对 侧 壁 加 工 ， 通 过 偏 摆 刀 具 进行补偿 ； 对 腹 板 加 工 ， 则 补 偿 轴 向 切 深 。 通 过 数 控 补偿可以 将 因 变 形 而 产 生 的 残 余 材 料 切 除 ， 一 次 走 刀 即可保证 薄 壁 件 侧 壁 或 腹 板 精 度 ， 从 而 达 到 高 效 、 经 济、优质加工薄壁零件的目的。
