為了實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能，薄壁類零件在航空航天領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于薄壁類結(jié)構(gòu)的剛度有限，材料去除量大，隨之而來(lái)的是對(duì)零件加工精度與加工效率的巨大挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)合理分配精加工余量、調(diào)節(jié)切削參數(shù)、刀具參數(shù)等，達(dá)到控制加工變形，實(shí)現(xiàn)薄壁件精密加工的目的。

Liu等針對(duì)切削力引起工件彈性變形的誤差補(bǔ)償問(wèn)題，提出一種基于動(dòng)態(tài)特征的實(shí)時(shí)變形誤差補(bǔ)償方法，建立動(dòng)態(tài)特征模型，然后根據(jù)動(dòng)態(tài)特征模型計(jì)算變形量，最終實(shí)現(xiàn)了基于功能塊的彈性變形加工誤差補(bǔ)償。潘建建立了以平均加工變形量和加工時(shí)間為目標(biāo)、工藝參數(shù)為優(yōu)化變量、期望最低加工精度可靠度為約束的優(yōu)化模型,并運(yùn)用直接補(bǔ)償和迭代補(bǔ)償法對(duì)加工誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，得到了滿足預(yù)期加工精度的最優(yōu)工藝參數(shù)組合,減小了加工變形量。譚靚等人通過(guò)正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)刀具螺旋角增大，會(huì)引起軸向力增大，導(dǎo)致切削振動(dòng)加劇，切削過(guò)程不穩(wěn)定，從而使表面粗糙度增大。鄧亞弟等通過(guò)單因素對(duì)比試驗(yàn)法得出隨著刀具螺旋角的增加，刀具與工件的接觸刃長(zhǎng)度增加，軸向力Fz 較Fx 、Fy 增大更加明顯。田汝坤通過(guò)刀具結(jié)構(gòu)對(duì)腹板變形影響極差分析得出結(jié)論，刀具螺旋角越大，薄壁腹板變形越大，故加工腹板時(shí)應(yīng)該選用小螺旋角立銑刀。張攀、陳蔚芳提出利用變銑削厚度方法，通過(guò)有限元分析，得到恒定切削參數(shù)下的讓刀量，再通過(guò)切削參數(shù)、切削力和讓刀量迭代計(jì)算獲得需補(bǔ)償量，從而得到相對(duì)欠切量最小的走刀軌跡。

綜合現(xiàn)有研究現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞薄壁件加工變形問(wèn)題相繼研究了許多控制方法，但仍有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步完善。目前的研究多是以框類、梁類等弱剛性零件位為研究對(duì)象，研究對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，研究成果不具有通用性，不適用于本文中鈦合金超薄壁板的加工。

從現(xiàn)有參考文獻(xiàn)可知刀具的螺旋角對(duì)薄壁件的加工有重要影響，在一定范圍內(nèi)，螺旋角越小薄壁件變形越小，但對(duì)于螺旋角為0°的直刃型立銑刀研究較少。本文對(duì)直刃型銑刀進(jìn)行展開(kāi)研究，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，螺旋型立銑刀加工時(shí)Fz 在正負(fù)雙向間往復(fù)，對(duì)腹板產(chǎn)生“上拉——下壓”的循環(huán)作用。而直刃型立銑刀（螺旋角為0°）的Fz 則在正向（垂直工作臺(tái)指向地面為正向） 區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，一直下壓鈦合金板材。真空吸盤(pán)的吸附效果受到負(fù)壓大小、吸盤(pán)直徑、密封條布置位置和壁板底面粗糙度、面積等內(nèi)外部因素影響，具有不確定性。相較之下，在采用真空吸盤(pán)的基礎(chǔ)上，使用直刃型立銑刀更有助于腹板的精密加工，可有效避免吸附力不足導(dǎo)致的腹板過(guò)切。

考慮徑向切深對(duì)側(cè)壁變形的影響機(jī)制，在較大徑向切深條件下，同樣的加工余量走刀次數(shù)減少，工件在切削過(guò)程中殘余剛度相對(duì)較大；繼續(xù)增加徑向切深，雖然工件殘余剛度提高，但是切削力也進(jìn)一步增大，對(duì)刀具的壽命也有較大影響，兩個(gè)因素綜合影響時(shí)，切削力成為主要影響因素。故而設(shè)計(jì)合適的精加工余量成為抑制側(cè)壁變形的有效方法。

本文根據(jù)該鈦合金超薄壁板零件的特點(diǎn)，針對(duì)試加工中發(fā)生的腹板過(guò)切、側(cè)壁欠切的問(wèn)題，對(duì)相關(guān)原因進(jìn)行了分析研究，采用不同于常規(guī)的螺旋型立銑刀的直刃型銑刀進(jìn)行加工研究。提出了用直刃型立銑刀加工薄壁腹板，精密設(shè)計(jì)側(cè)壁精加工余量的鈦合金壁板精密高效加工工藝方案。通過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證了該方案能夠保證零件加工精度、提升加工效率，有力推動(dòng)了產(chǎn)品的批產(chǎn)工作。

1、鈦合金超薄壁板的結(jié)構(gòu)

鈦合金超薄壁板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主體結(jié)構(gòu)為1mm厚的腹板，平面尺寸跨度較大，長(zhǎng)760mm，寬 290mm，腹板上帶有多邊形型腔結(jié)構(gòu)，型腔側(cè)壁的壁厚為0.5mm，高度為3.5mm，型腔內(nèi)部的腹板厚度僅為0.5mm，側(cè)壁結(jié)構(gòu)的厚度/高度比為1/7，腹板的厚度/ 側(cè)壁高度比也為1/7，屬于典型的弱剛度結(jié)構(gòu)。超薄壁板的毛坯為5mm厚鈦合金板材，材料去除率達(dá)到了 92.6%。

圖1 超薄壁板零件結(jié)構(gòu)示意圖

2、薄壁壁板加工的難點(diǎn)分析

2.1 薄壁腹板過(guò)切現(xiàn)象

真空吸盤(pán)的吸附效果受到負(fù)壓大小、吸盤(pán)直徑、密封條布置位置和壁板底面粗糙度、面積等內(nèi)外部因素影響，具有不確定性。在試驗(yàn)加工中，鈦合金板材由壓板壓緊邊緣同時(shí)使用真空吸盤(pán)吸附，使用常規(guī)的螺旋型立銑刀加工型腔內(nèi)腹板，頻繁發(fā)生腹板局部過(guò)切甚至被過(guò)切的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了零件的加工精度與成品率。

從真空吸附實(shí)況和刀具切削力試驗(yàn)出發(fā)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了分析。零件腹板為薄壁，同時(shí)采用螺旋型立銑刀進(jìn)行切削，此時(shí)根據(jù)實(shí)際測(cè)量切削力Fx 、Fy 、Fz 進(jìn) 行分析，工件受到的Fz 正負(fù)交替，當(dāng)工件的表層受到負(fù)向（垂直工作臺(tái)指向地面為正向）Fz 的作用，形成向上的牽引效果，同時(shí)與真空吸附力發(fā)生對(duì)抗，當(dāng)?shù)毒咝兄赁D(zhuǎn)角處時(shí)，切削量增大，F(xiàn)z 增加至大于真空吸附力時(shí)，被加工表面加工中被去除的材料厚度4.5mm，而腹板僅有0.5mm的厚度由于腹板厚度尺寸較小，剛度弱，極易發(fā)生過(guò)切撕裂。如圖2所示。

2.2 側(cè)壁加工欠切問(wèn)題

壁板內(nèi)型面的型腔側(cè)壁厚度0.5mm，高度3.5mm, 厚度/高度比達(dá)到了1/7，屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu)，在試加工中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁厚度超差，即所謂的欠切問(wèn)題。由于側(cè)壁的剛度弱，在加工中受到切削力的作用發(fā)生彈性變形，薄壁頂部的彈性變形大于根部的彈性變形，因此加工后的薄壁結(jié)構(gòu)往往頂部壁厚偏大，而根部壁厚則能滿足精度要求，如圖3所示。

圖2 腹板過(guò)切機(jī)理

圖3 薄壁加工的彈性變形

3、試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

3.1.1 直刃型立銑刀加工腹板

根據(jù)上述分析，提出采用直刃型立銑刀控制軸向切削力方向的方法以避免腹板的過(guò)切。與常用的螺旋型立銑刀不同，直刃型立銑刀的螺旋角為0°。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的直刃型立銑刀的切削力方向，使用螺旋型立銑刀與新設(shè)計(jì)的直刃型立銑刀（見(jiàn)圖4）對(duì)TA15 鈦合金板材進(jìn)行切削試驗(yàn)，在相同切削參數(shù)下測(cè)量并對(duì)比兩種刀具的切削力。試驗(yàn)用的兩種銑刀均由刀具提供，刀具的硬質(zhì)合金材質(zhì)、涂層等均相同，銑刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。

圖4 D8R1直刃型立銑刀的結(jié)構(gòu)

表1 切削力對(duì)比試驗(yàn)使用的兩種刀具

切削試驗(yàn)在三坐標(biāo)加工中心上進(jìn)行，切削參數(shù)見(jiàn)表2。使用壓電測(cè)力儀及其配套的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量切削力。Fx 為進(jìn)給方向切削力，F(xiàn)y 為切寬方向切削力。軸向切削力Fz 以垂直工作臺(tái)指向地面為正向，即被加工材料受到向下的壓力，負(fù)向則相反。

表2 切削力對(duì)比試驗(yàn)的切削參數(shù)

3.1.2 設(shè)計(jì)側(cè)壁加工余量 

針對(duì)薄壁加工的彈性變形問(wèn)題，工藝方案從利用零件自身結(jié)構(gòu)剛度的角度出發(fā)，通過(guò)預(yù)留足夠余量的方法提高薄壁結(jié)構(gòu)的加工精度。為薄壁的精加工預(yù)留足夠的余量后，在加工過(guò)程中可以利用未加工部分的剛度作為對(duì)薄壁的輔助支撐，以此抑制側(cè)壁彈性變形導(dǎo)致的欠切問(wèn)題。

試驗(yàn)設(shè)置4種精加工余量（0.5，1，1.5， 2mm）進(jìn)行分析。在側(cè)壁精加工中，預(yù)留的余量將被一次性切除到位，因而試驗(yàn)中切寬的尺寸即是精加工余量的尺寸。仿真中對(duì)應(yīng)各加工余量而加載的切削力由切削試驗(yàn)直接測(cè)得，試驗(yàn)使用D8R1直刃型立銑刀切削TA15鈦合金板材。試驗(yàn)的各項(xiàng)切削參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同精加工余量的切削力試驗(yàn)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果 

3.2.1 直刃型立銑刀與螺旋型立銑刀切削力對(duì)比 

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果：螺旋型立銑刀與直刃型立銑刀兩者的切削力的變化分別如圖5(a) 與(b)所示。螺旋型立銑刀的Fz在正負(fù)雙向間往復(fù)，而直刃型立銑刀的Fz 則在正向區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。由此可以驗(yàn)證對(duì)壁板腹板過(guò)切原因的推測(cè)。當(dāng)使用螺旋型立銑刀面銑腹板時(shí)，由于腹板厚度僅為0.5mm，F(xiàn)z 上下往復(fù)對(duì)腹板產(chǎn)生“上拉——下壓”的循環(huán)作用，一旦板材局部厚度不均勻存在翹曲凸起，刀刃切入后將發(fā)生過(guò)切的問(wèn)題。而使用直刃型立銑刀切削時(shí)Fz 則一直下壓鈦合金板材，因此可以避免腹板過(guò)切。此外，還可以發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)參數(shù)下直刃型立銑刀的切削力相對(duì)螺旋型立銑刀的更小，能夠降低切削過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。因此，直刃型立銑刀適合薄腹板加工。

(a) 螺旋銑刀的切削力 (b) 直刃銑刀的切削力

圖5 兩種刀具切削力變化

3.2.2 不同側(cè)壁精加工余量設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果 設(shè)

置4種精加工余量（0.5，1，1.5， 2mm）進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得的切削力如圖6所示，其中Fy 為切寬方向（垂直于側(cè)壁）的切削力。在相同條件下，預(yù)留更多的精加工余量使得Fy 逐步增加，同時(shí)預(yù)留更多余量時(shí)，前序切削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力更小，更有利于精加工時(shí)切削。

將測(cè)得的切削力輸入有限元分析算例，對(duì)不同余量下的側(cè)壁結(jié)構(gòu)在切削力作用下的變形進(jìn)行分析。有限元分析軟件是Abaqus，楊氏模量為1.18e5MPa，密度 為4.45e-9t/mm3 ,泊松比為0.39。4組余量的側(cè)壁的最大法向變形仿真結(jié)果如圖7所示，較大余量對(duì)應(yīng)的側(cè)壁法向最大變形量相對(duì)更小。相比試加工中應(yīng)用的0.5mm余量，設(shè)置較大的余量能夠增強(qiáng)加工中的側(cè)壁剛度，對(duì)抑制側(cè)壁的壁厚超差有顯著的幫助。根據(jù)切削力試驗(yàn)的結(jié)果，考慮到直徑D8的刀具切削載荷不宜過(guò)大， 因此側(cè)壁的精加工余量（即精加工的切寬）也不應(yīng)一 味增大。參考仿真結(jié)果，當(dāng)精加工余量大于等于1mm 時(shí)，最大變形少于0.05mm，即加工的百分比誤差小于 10%，處于精度范圍內(nèi)，因此設(shè)置側(cè)壁精加工余量為 1.5mm，實(shí)現(xiàn)側(cè)壁的精密加工。

圖6 4種切寬的切削力

圖7 不同余量側(cè)壁最大法向變 形仿真結(jié)果

4、試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用

將上述試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用至鈦合金超薄壁板腹板和側(cè)壁加工中，在解決了技術(shù)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，試加工過(guò)程穩(wěn)定，因此增大腹板切削參數(shù)，切寬不變，進(jìn)給速度從原本100mm/min提升至175mm/min，提升加工效率75%。加工出成品零件如圖8，對(duì)零件的側(cè)壁厚度尺寸進(jìn)行檢測(cè)，其側(cè)壁厚度理論尺寸0.5mm，設(shè)計(jì)要求尺寸誤差 ±0.05mm，合格尺寸范圍應(yīng)在0.45~0.55mm之間，實(shí)測(cè)尺寸為0.5~0.547mm，僅占給定公差帶47%，如圖9所示。對(duì)腹板進(jìn)行取點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖10所示，設(shè)計(jì)要求尺寸誤差0.5±0.05mm，測(cè)量尺寸0.46~0.539mm，占公差帶79%，表面粗糙度達(dá)到Ra1.6μm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 加工后的壁板

圖9 側(cè)壁厚度實(shí)測(cè)值分布圖

圖10 腹板厚度實(shí)測(cè)值分布圖

5、結(jié)論

本文針對(duì)鈦合金超薄壁板的加工難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，主要的工作有：

① 通過(guò)對(duì)直刃型立銑刀與螺旋型立銑刀的軸向切削力的差異進(jìn)行了分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，提出使用直刃型立銑刀進(jìn)行精密加工工藝方案。利用直刃型立銑刀向下的軸向切削力避免腹板的過(guò)切，并且輔助壓緊零件。

② 利用余量加強(qiáng)剛度結(jié)構(gòu)在加工中的剛度，結(jié)合切削試驗(yàn)與有限元仿真，獲得適當(dāng)?shù)木庸び嗔俊?/p>

③ 基于上述技術(shù)要點(diǎn)設(shè)計(jì)了鈦合金超薄壁板的精密加工工藝方案，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了優(yōu)秀的結(jié)果，零件腹板和側(cè)壁尺寸滿足設(shè)計(jì)需求±0.05mm公差范圍，零件粗糙度可達(dá)Ra1.6μm，滿足設(shè)計(jì)要求。以上工作為航空航天領(lǐng)域整體薄壁腹板類零件的加工提供了有益借鑒。

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