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飞机薄壁结构件数控铣削加工表面质量研究

摘 要:本文以飞机铝合金双面薄壁结构件为切入点，通过分析结构特点及影响表面质量因素，通过典型零件槽腔加工试切，总结出合理的工艺方案、切削参数及刀具轨迹等，有效提高零件数控铣削加工表面质量及一次交检合格率，实现飞机薄壁结构件的无人工干预加工及优质高效交付。
关键词:数控铣削，薄壁结构件，加工策略，表面质量
1 引言
近年来飞机零件结构向着整体化、轻量化、高效率、低成本的方向发展。为逐步打造精品零件，对数控程序的编制及加工参数的设定提出了新的要求，加工过程实现无人工干预，数控加工的理想状态是在零件的加工过程中，无人控制、无人换刀和无人测量，减少人为操作，实现持续加工。零件数控加工后表面粗糙度已成为交检合格与否的评价标准之一，加工中的振动及变形、曲面连接处的光顺衔接、进退刀宏指令设置以及每次换刀产生的阶差等是影响零件表面质量的直接因素，飞机薄壁结构件的制造技术的研究对提高飞机性能、加快飞机产品发展，降低飞机研制费用具有重要的意义。
2 飞机薄壁结构件的特点
飞机薄壁结构件是指机身结构用于支持，连接各零件以保证其他系统安装，承受一定载荷的零件，这类零件壁厚偏薄，由典型的腹板、筋条、转角等特征组合而成，腹板厚度小于等于2mm，筋条厚度小于等于2mm，其最常见的筋条、腹板厚度一般是1.5mm~2mm。
2.1结构特点
腹板厚度薄，腹板厚度小于等于2mm，且零件尺寸长大于等于1000mm，宽大于等于300mm。
筋条厚度薄，筋条高度与厚度的比值一般在20以上，筋条厚度一般小于2mm。
2.2工艺特点
（1）结构刚性差：薄壁结构件一般为高筋薄腹板零件，其自身的结构刚性差，零件精加工时易颤刀。
（2）金属去除率大：金属去除率一般都在93%～99%。
（3）零件变形量较大：因零件的金属去除率较大、刚性差，加工过程中应力释放，易引起零件变形。
3 影响加工表面质量的因素
数控铣削加工过程中造成飞机薄壁结构件表面加工质量差的原因有多种，主要有以下因素：
3.1刚性不足
飞机薄壁结构件厚度一般小于等于2mm，自身的刚性差，同时刀具的刚性也不足，在铣削力作用下自身产生较大变形，在切除材料过程中发生欠切和过切现象，因此造成加工误差。
3.2切削振动
由于共振和自激振动的发生，振幅扩大，造成材料的实际切除量与理论值之间存在较大偏差，使加工表面产生误差。铣削厚度和弯曲变形是相互影响相互制约的，是铣削系统内部的一种相互作用，是产生自激振动的根源。
3.3加工中的热变形
铣削过程中产生的热应力强迫加工零件改变形状，受热时零件发生弯曲，加工完成后去除压板及连接筋等约束，变形回弹使加工面产生位置误差。
3.4塑性变形
金属切削过程使材料发生破坏，在切削局部区域材料处于塑性状态，产生塑性变形。在悬空薄壁零件精铣阶段，此时腹板很薄，铣刀细长，刀具工件是一个弱刚性系统，塑性残余变形和产生的热量都较少，因此热变形和残余变形在这阶段是次要的。
3.5铣削力影响
铣削力的大小对加工精度和加工质量有直接影响，合理的切削参数能有效提高零件加工精度及表面质量。铣削厚度的变化引起铣削力的变化，变化的铣削力引起变形量变化，而变形量的变化最终又导致铣削厚度的变化。
4 飞机铝合金双面薄壁结构件无工装数控铣削加工工艺
4.1典型零件结构分析
现以飞机铝合金典型框类零件为例，进行此类零件分析。
（1）金属去除率：98.5%。
（2）悬空薄腹板，零件为双面结构，腹板厚度最薄为1.5mm。
（3）高薄筋条，筋条高度最高达48mm，厚度为2mm，高度与厚度比为24:1。
4.2工艺流程
飞机铝合金双面薄壁结构件一般采用预拉伸板材加工，加工过程中变形均较小，采用两次翻面加工即可保证零件最终状态。第一面粗加工采用镶刀片大直径刀具或大直径整体式刀，用于去除零件大部分余量，零件侧壁及腹板留取均匀1mm余量，随后精加工至第一面所有尺寸到位。第二面粗加工同样采用镶刀片大直径刀具或大直径整体式刀，与第一面加工不同处在于但，粗铣时薄壁处侧壁及腹板需留4～5mm余量，增加半精铣工序用于零件二次去量，以保证精加工时零件整体留3～4mm均匀余量，精加工用于保证零件的最终尺寸及公差要求，具体工艺流程如图1所示。

图1 铝合金双面薄壁结构件工艺流程图
4.3数控铣削加工表面质量采取的措施
4.3.1加工方式选择
零件加工方式采用高速加工。高速切削加工技术具有高转速、快进给、轻切削的特点，更重要的是高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，大致在90%以上，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的热变形，提高加工精度。高速加工对控制零件的变形起到了非常重要的作用。在高速切削加工范围内，随切削速度提高，切削力随之减少，根据切削速度提高的幅度，切削力平均可减少30%以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。
4.3.2悬空薄腹板加工方案
（1）切削参数的确定
为保证在精铣腹板时不发生颤刀现象，选取一个腹板厚度为1.5mm的槽腔试切，根据以下公式计算出切削参数。
经过六次不同方案的高速铣机床切削试切，试切结果见表1。方案3的切削参数即能保证加工表面质量又有较高的金属切除率，推荐为最优方案。
表1 悬空薄腹板切削参数试切记录表
方案序号
1 2
3 4
5 6
切深ap（mm）
切宽ae（mm）
10 6
1 1
4 3
2 2
2 1
2 2
零件表面粗糙度Ra
金属切除率W（mm3/min）
刀具切削损耗
3.2 3.2
43200 25920
高 低
3.2 3.2
34560 25920
低 低
6.4 6.4
17280 8640
低 低
推荐等级
推荐 较推荐
推荐 较推荐
不推荐 不推荐
（2）刀具的选用
在刀具的选用上，为减小腹板所受的切削力，优先选择小直径刀具。在满足零件转角加工要求的情况下，铣切腹板时应选择刀具直径小于φ16的刀具，切削腹板时转角应无余量，同时尽量减小径向切削量。
（3）刀具轨迹的优化
在实际零件加工过程中，腹板平面趋于复杂，在刀路选择上不能完全按规整腹板面处理，比如带凸台的腹板面，在槽铣编程的过程中，腹板程序会最后对凸台的外圆进行铣切，如此凸台周圈的光度极差，需要分步处理。先精铣凸台外圆，然后编制正常槽铣程序，利用CATIA中编辑轨迹功能取消槽铣程序最后对凸台外圆铣切，右键选择刀具轨迹编辑，点击Area Modification进行刀轨剪切，剪切前后刀具轨迹如图2所示。

图2 带凸台悬空腹板面刀路轨迹剪切前后示意图
4.3.3装夹及定位
装夹采用在零件毛坯四周铣压板槽打压板及螺栓装夹的方式，保证快速定位并防止窜动，如零件上有通孔，要留工艺凸台进行辅助支持，减少铣切力对腹板的影响。
4.3.5转角加工控制
转角加工分为粗加工去除较大余量，半精加工选择比零件转角半径稍大的刀具铣切为精加工留下均匀的余量，精加工时选择的刀具半径应小于等于圆角半径同时设置转角降速，对于比较深的槽腔转角采用国球刀进行行切加工。
5结论
目前该铝合金双面薄壁结构件加工工艺方案已应用于实际生产过程中。使用该方法加工的零件，数控铣削加工后表面质量高，无需打磨光顺，降低了生产准备时间及人力成本，生产效率得到了显著提升，零件一次交检合格率达到100%，保证了零件的顺利交付。通过不断完善并固化数控程序参数及刀具轨迹，探索总结出适合生产的优质高效的加工方案，有效提升了双面铝合金薄壁结构件数控铣削加工表面质量。
参考文献
［1］徐占斌.航空精密超精密制造技术[M].北京市：航空工业出版社，2013.12
［2］李雅娜.CATIA V5 数控加工教程[M].北京市：机械工业出版社，2021.7

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-全文完-