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)簡潔、尺寸較大、加工余量大、相對剛度較低, 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題成為薄壁結(jié)構(gòu)加工的重要約束。為此，國內(nèi)外學(xué)者針對銑刀的特殊結(jié)構(gòu)與機(jī)床特性, 通過大量的理論分析和實驗研究建立若干種動、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)鍵在于切削過程的穩(wěn)定性。大量的實驗工作證明, 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，使切削過程處在剛性較佳的狀態(tài)。
   

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   如圖1所示，對于側(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(見圖1(a))。為防止刀具對側(cè)壁的干涉，可以選用或設(shè)計特殊形狀銑刀，以降低刀具對工件的變形影響和干擾( 見圖1(b))。
   
   
   
   
   
   對于較深的型腔和側(cè)壁的高效銑削加工，J. Tlusty等人在研究動態(tài)銑削的基礎(chǔ)上，提出合理的大長徑比刀具可以有效的解決該類問題。在較高的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和功率狀態(tài)下，通過調(diào)整刀具的懸伸長度來調(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)，避開可能的切削振動，可用較大的軸向切深銑削深腔和側(cè)壁。實驗結(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)壁會產(chǎn)生“讓刀”變形(見圖2)，因此，應(yīng)用一個立銑刀很難實現(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題。該方法需要同時應(yīng)用兩個回轉(zhuǎn)半徑、有效長度及螺旋升角大小相同的立銑刀, 刀刃分別為左旋和右旋(見圖3)。采用平行雙主軸加工方案,由于工件兩側(cè)受力為對稱力, 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題, 零件的加工精度和加工效率顯著提高, 可以應(yīng)用于簡單形狀的側(cè)壁加工。但是其局限性也在于該方法僅能加工簡單薄壁零件的側(cè)壁, 而且對機(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
   
   
   對于薄壁結(jié)構(gòu)的腹板或較大的薄板加工, 關(guān)鍵問題就是要解決由于裝夾力或切削力引起的加工變形。
   
   
   
   
   
   Haruki OBARA等人提出的低熔點合金(LowMelting Alloy)輔助切削方案可有效解決薄板的加工變形問題。該方案指出，利用熔點低于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，在精銑時可實現(xiàn)加工壁厚達(dá)到0. 05mm。U-ALLOY70具有凝固時的膨脹特性，可以起到一定的填充裝卡作用；而且其熔點為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. 無輔助支撐的腹板加工
   
   
   對于一個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題，其思想類似于第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(見圖4)。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   圖4 薄壁(腹板)加工示意圖

   
   
   
   例如在對一個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。實驗研究表明，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)生的切削振動的可能，零件的質(zhì)量和加工效率也有了顯著提高。
   
   
   
   
   
   對于腹板的銑削加工，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)，以免刀具碰傷暫時變形的切削面；②粗加工分層銑削，讓應(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