作為最典型的航天產(chǎn)品結構件，其高效加工的實現(xiàn)一直以來都倍受關注。上海航天精密機械研究所（以下簡稱800所）在對一種典型折疊式翼板進行高效加工工藝改進過程中，應用來自山高刀具的解決方案，令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)量得到了有效保證。
圖1 航天典型薄型多面體零件二維示意圖及三維模型
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
圖3.1 橫向水平走刀軌跡 圖3.2 斜向平行走刀軌跡
圖4 零部件局部，各個型面材料去除量非常之大
圖5 山高刀具 φ50鑲片銑刀刀盤及刀片
圖6 熱縮刀柄夾持的山高刀具 φ20整體硬質(zhì)合金立銑刀
a）改進前 b）改進后
隨著科技的不斷發(fā)展、國際形勢的瞬息萬變，來自于新領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度鋁合金材料（例如2A12），屬于易切削塑性材料，具有強度和硬度較低，同時熔點低、導熱性好、抗拉強度低的特點。但航天產(chǎn)品結構件往往因為復雜的形狀結構，材料去除量大、薄壁易變形等特點，對零件加工精度、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%。在機械加工工藝安排上最常采用厚度方向正反面對稱銑削的方法，均勻去除材料釋放材料內(nèi)部應力，以控制零件變形。正是由于該零件結構相對復雜，圓角和斜面很多，導致加工工藝復雜，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
高效加工需進行系統(tǒng)優(yōu)化
高效加工技術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，相對于普通加工，它對整個加工系統(tǒng)有著更高的要求。在航天整體結構件數(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，首先必須針對由機床-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)進行系統(tǒng)優(yōu)化，保證高速切削過程中整個系統(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)對零件內(nèi)部應力的影響，切削時切削力、切削熱對零件結構的影響，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，還應充分考慮薄壁構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（相當于我國原鎢鈷類，主要成分為WC+Co，代號為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
提速增效中一個較為有效的方法就是優(yōu)化走刀軌跡，在高速切削時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,路徑盡量平滑,減少急速轉(zhuǎn)向；應減少空走刀時間,盡可能增加切削時間在整個工件中的比例；應盡量采用回路切削,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。
在航天整體結構件的大型復雜曲面高速切削加工中,曲面曲率變化大時,應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,曲率半徑對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，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，不利于切削速度的提升。因此，針對此類斜面加工，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平面運動切削，Z軸方向運動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，一般可選擇大進給量與適當大的切削深度并配以中等切削速度的"大功率"高效切削，更能達到高材料切除率，從而極大提高生產(chǎn)效率。而對于精加工來說只有提高轉(zhuǎn)速和增大齒數(shù)是可行的，而增大每齒進給量可能會降低表面精度，產(chǎn)生殘余應力導致變形。所以往往通過高切削速度、低每齒進給量的"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驗最終確定。例如，加工現(xiàn)場通過有限元分析，獲得了最高轉(zhuǎn)速達24000r/min的機床主軸若要能夠很好的滿足航天典型鋁合金薄壁結構件的高速加工工藝需求，主軸轉(zhuǎn)速選擇范圍為15000r/min～20000r/min，同時每齒進給量和切削深度不應過大，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)設計切削實驗，以切削效率、表面粗糙度、加工表面形貌為評判標準最終選取最優(yōu)切削參數(shù)。
典型折疊式翼板的工藝改進
800所需要對一種典型折疊式翼板進行高效加工工藝改進。翼板零件的各個型面材料去除量占到了整個零件材料去除量的70%，在加工中時間占比也非常高，根據(jù)以上改進思路，通過改進刀具、優(yōu)化切削參數(shù)，要求實現(xiàn)提升型面加工效率，同時大幅縮短翼板類零件制造時間。
圖4 零部件局部，各個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，選用DMG高精五軸加工中心作為加工設備。同時，設計制造了專用液壓可調(diào)工裝，以一臺液壓動力單元為專用液壓工裝提供動力源，油液通過管道進入工裝主體內(nèi)部液壓缸，以控制夾持原件的夾緊和松弛運動。
改進后采用山高刀具 (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)濟性高的特點，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9mm，一把刀可同時完成翼板零件各個端面以及側(cè)面的加工。為了提升加工效率，走刀時幾乎采用滿切寬進行切削，每齒進給fz約為0.05mm/tooth，進給速度約為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行切削，因此對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)過對翼板零件型面的粗精加工高效改進，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，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，進一步縮短零件整體加工時間。
a）改進前 b）改進后
圖7 改進前后加工出的型面表面形貌
上海航天精密機械研究所
中國航天科技集團公司第八研究院第800 研究所，又名上海航天精密機械研究所，是上海航天局的導彈總裝單位。
第800 研究所系以工藝制造為主的研究所，涉及專業(yè)30 余個，擁有各類先進的制造和檢測技術，設備及儀器儀表。研制和批產(chǎn)的型號產(chǎn)品有長征系列運載火箭、航天器等。主要承擔防空導彈總裝總測、結構件加工、強度和環(huán)境試驗以及運載火箭箭體結構的生產(chǎn)任務。在導彈總裝綜測、強度和環(huán)境試驗、精密機械加工、鎂合金鑄造、鋁合金和不銹鋼薄板焊接、無損檢測等方面具有較強的專業(yè)技術優(yōu)勢。
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