隨著科技的不斷發(fā)展、國際形勢的瞬息萬變，來自于新領(lǐng)域探索及國土安全的多方需求，目前我國航天產(chǎn)品已經(jīng)逐漸步入高密度發(fā)射時(shí)期，各類航天產(chǎn)品的制造需求量逐年遞增，迫使航天制造企業(yè)必須大幅提升產(chǎn)能，這其中最重要的途徑就是提升加工效率。
航天典型零件目前最常采用的是高強(qiáng)度鋁合金材料(例如2A12)，屬于易切削塑性材料，具有強(qiáng)度和硬度較低，同時(shí)熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱性好、抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)。但航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件往往因?yàn)閺?fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，材料去除量大、薄壁易變形等特點(diǎn)，對(duì)零件加工精度、質(zhì)量及加工效率等各方面具有更高的要求。
例如某航天典型薄型多面體零件由多個(gè)角度斜面組成，整體壁厚薄且漸變。該類零件毛坯一般采用預(yù)拉伸鋁板，加工后最薄處僅為2mm，零件材料去除率大于50%。在機(jī)械加工工藝安排上最常采用厚度方向正反面對(duì)稱銑削的方法，均勻去除材料釋放材料內(nèi)部應(yīng)力，以控制零件變形。正是由于該零件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，圓角和斜面很多，導(dǎo)致加工工藝復(fù)雜，刀具軌跡繁瑣，加工效率較低。
圖1 航天典型薄型多面體零件二維示意圖及三維模型
高效加工需進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化
高效加工技術(shù)的特征是加工過程中的高材料去除率和更短的單件加工時(shí)間，并通過切削參數(shù)優(yōu)化以保證加工精度和表面質(zhì)量，相對(duì)于普通加工，它對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)有著更高的要求。在航天整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工過程中，要保證零件加工質(zhì)量和加工精度，提高加工過程的材料去除率，首先必須針對(duì)由機(jī)床-刀具-工件及其相互間接口(刀柄和夾具)組成的切削加工系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，保證高速切削過程中整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。
粗加工的主要目的是去除材料，為精加工留合適的余量，因此粗加工一般不需要考慮工件的尺寸精度問題、表面質(zhì)量問題以及變形。而在精加工中需要充分考慮裝夾、走刀、工藝參數(shù)對(duì)零件內(nèi)部應(yīng)力的影響，切削時(shí)切削力、切削熱對(duì)零件結(jié)構(gòu)的影響，控制變形，避免由于效率提升引起的變形造成零件精度及表面質(zhì)量破壞。
切削刀具的選擇
選擇更加合理的刀具可以直接提高生產(chǎn)效率。鋁合金材料的切削加工對(duì)刀具材料要求并不高，一般采用硬質(zhì)合金銑刀即可，涂層可使用無涂層或金剛石涂層。在粗加工中由于不必考慮精度及質(zhì)量問題，最大限度高效切除金屬材料，因此可以選擇大直徑刀具，減少走刀次數(shù)，縮短走刀時(shí)間。另外，在粗加工中盡量選擇密齒刀具替代疏齒刀具，可以增加每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，在相同的轉(zhuǎn)速下切削速度可以得到增加。在精加工中，除了考慮材料高效去除的問題，還應(yīng)充分考慮薄壁構(gòu)建在切削中受力變形控制問題。航天鋁合金薄壁件精加工宜選用K系列硬質(zhì)合金刀具(相當(dāng)于我國原鎢鈷類，主要成分為WC+Co，代號(hào)為YG)。刀具前角不能太小，否則增大了切削變形和摩擦力，前刀面磨損加大，降低刀具使用壽命。
優(yōu)化走刀軌跡
提速增效中一個(gè)較為有效的方法就是優(yōu)化走刀軌跡，在高速切削時(shí)要保證刀位路徑的方向性,即刀具軌跡盡可能簡化,少轉(zhuǎn)折點(diǎn),路徑盡量平滑,減少急速轉(zhuǎn)向;應(yīng)減少空走刀時(shí)間,盡可能增加切削時(shí)間在整個(gè)工件中的比例;應(yīng)盡量采用回路切削,通過不中斷切削過程和刀具路徑,減少刀具的切入和切出次數(shù)，獲得穩(wěn)定、高效、高精度的切削過程。
在航天整體結(jié)構(gòu)件的大型復(fù)雜曲面高速切削加工中,曲面曲率變化大時(shí),應(yīng)以最大曲率半徑方向作為最優(yōu)走刀方向,如圖2.1所示;曲面曲率變化小時(shí),曲率半徑對(duì)走刀方向的影響減弱,宜選擇單條刀軌平均長度最長的走刀方向,如圖2.2所示。
圖2.1 小曲率半徑曲面的走刀路徑 圖2.2 大曲率半徑的曲面走刀路徑
在斜面加工時(shí)，若采用圖3.1所示的橫向水平走刀，每一段走刀距離都很短，在切削過程中主軸需要頻繁換向，切削穩(wěn)定性差。且由于切削的是斜面，水平走刀需要X或Y軸與Z軸的聯(lián)動(dòng)，不利于切削速度的提升。因此，針對(duì)此類斜面加工，走刀軌跡盡量安排為平行于最長斜邊(如圖3.2)，不但走刀軌跡最長、換向次數(shù)最少，而且單道走刀都只是在XY平面運(yùn)動(dòng)切削，Z軸方向運(yùn)動(dòng)都是安排在工件輪廓之外的位置，即使在高速切削下亦可減小刀具損傷。
圖3.1 橫向水平走刀軌跡 圖3.2 斜向平行走刀軌跡
切削參數(shù)的確定
在粗加工時(shí)，一般可選擇大進(jìn)給量與適當(dāng)大的切削深度并配以中等切削速度的“大功率”高效切削，更能達(dá)到高材料切除率，從而極大提高生產(chǎn)效率。而對(duì)于精加工來說只有提高轉(zhuǎn)速和增大齒數(shù)是可行的，而增大每齒進(jìn)給量可能會(huì)降低表面精度，產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致變形。所以往往通過高切削速度、低每齒進(jìn)給量的“輕切快切”來保證生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品的精度及表面質(zhì)量。
切削參數(shù)可通過切削加工有限元分析和切削加工實(shí)驗(yàn)最終確定。例如，加工現(xiàn)場通過有限元分析，獲得了最高轉(zhuǎn)速達(dá)24000r/min的機(jī)床主軸若要能夠很好的滿足航天典型鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件的高速加工工藝需求，主軸轉(zhuǎn)速選擇范圍為15000r/min～20000r/min，同時(shí)每齒進(jìn)給量和切削深度不應(yīng)過大，可選擇范圍為0.15～0.25mm/z和3～5mm。
在有限元分析所得參數(shù)可選范圍內(nèi)設(shè)計(jì)切削實(shí)驗(yàn)，以切削效率、表面粗糙度、加工表面形貌為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)最終選取最優(yōu)切削參數(shù)。
典型折疊式翼板的工藝改進(jìn)
800所需要對(duì)一種典型折疊式翼板進(jìn)行高效加工工藝改進(jìn)。翼板零件的各個(gè)型面材料去除量占到了整個(gè)零件材料去除量的70%，在加工中時(shí)間占比也非常高，根據(jù)以上改進(jìn)思路，通過改進(jìn)刀具、優(yōu)化切削參數(shù)，要求實(shí)現(xiàn)提升型面加工效率，同時(shí)大幅縮短翼板類零件制造時(shí)間。
圖4 零部件局部，各個(gè)型面材料去除量非常之大
根據(jù)該零件多角度斜面、圓弧面過渡、高精度孔槽特點(diǎn)，選用DMG高精五軸加工中心作為加工設(shè)備。同時(shí)，設(shè)計(jì)制造了專用液壓可調(diào)工裝，以一臺(tái)液壓動(dòng)力單元為專用液壓工裝提供動(dòng)力源，油液通過管道進(jìn)入工裝主體內(nèi)部液壓缸，以控制夾持原件的夾緊和松弛運(yùn)動(dòng)。
改進(jìn)后采用山高刀具 (Seco Tools) 的R220.69-0050-10-5Aφ50鑲片式立銑刀頭搭配XOEX10T304FR-E05,H15刀片完成各型面的粗加工。鑲片式銑刀較之前所用的整體式銑刀擁有剛性好、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)，此次選用的φ50鑲片式立銑刀，尤其適用于方肩銑，鑲嵌刀片長度為10mm，最大切深可達(dá)9mm，一把刀可同時(shí)完成翼板零件各個(gè)端面以及側(cè)面的加工。為了提升加工效率，走刀時(shí)幾乎采用滿切寬進(jìn)行切削，每齒進(jìn)給fz約為0.05mm/tooth，進(jìn)給速度約為900m/min。
圖5 山高刀具 φ50鑲片銑刀刀盤及刀片
在翼板零件型面精加工過程中，由于零件側(cè)壁較高，必須選擇懸伸較長的刀具進(jìn)行切削，因此對(duì)刀具的剛性提出了更高的要求。800所選用了山高刀具 (Seco Tools) φ20 整體硬質(zhì)合金立銑刀，搭配熱縮夾持刀柄，進(jìn)一步提升了切削剛性，如圖6所示。
圖6 熱縮刀柄夾持的山高刀具 φ20整體硬質(zhì)合金立銑刀
經(jīng)過對(duì)翼板零件型面的粗精加工高效改進(jìn),該零件加工效率提升3倍以上,產(chǎn)品尺寸精度及表面質(zhì)量得到有效保證，改進(jìn)前后加工出的型面表面形貌如圖7所示。另外，在精加工高速切削時(shí)，金屬材料被迅速切斷并脫離工件表面，因此加工出零件周邊毛刺明顯減少，后續(xù)鉗工挫修工作量大幅減少，進(jìn)一步縮短零件整體加工時(shí)間。
a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后
圖7 改進(jìn)前后加工出的型面表面形貌