數控機床

       作為最典型的（de）航（háng）天產品結構（gòu）件，其高效加（jiā）工的實（shí）現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（shé）疊式翼（yì）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（àn），令該零件加（jiā）工效率提升3倍以上，產品尺寸精度及（jí）表麵質量得（dé）到（dào）了有（yǒu）效（xiào）保（bǎo）證。

     隨著科技的不（bú）斷發展、國際形勢的瞬息萬變（biàn），來自於新領（lǐng）域探索及國土安全的多方需求，目前我國航天產品已經逐漸步入高密（mì）度發射時期，各類航天產品的製造需求量逐年遞增（zēng），迫使航天（tiān）製造企業必須大幅提升產能，這其中最重要的途徑就（jiù）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），屬於易切（qiē）削塑性材料，具有強度和硬度（dù）較（jiào）低，同（tóng）時熔點低、導熱性好、抗拉強度低的特點。但航天（tiān）產（chǎn）品結構件往往（wǎng）因（yīn）為複雜（zá）的形狀（zhuàng）結構（gòu），材料去除量大、薄壁易變形等特點，對零件加工精度、質量及加工效率等各方麵具（jù）有更高（gāo）的要求。

     例如某航天典型薄型多麵體零件由多個角度斜麵組成，整體壁厚薄（báo）且漸變。該（gāi）類零件毛坯一般采用預拉伸鋁板，加（jiā）工後最薄處僅為2mm，零件材料去除率大於50%。在機械加工工藝安排上最（zuì）常采用（yòng）厚度方向正反麵對稱銑（xǐ）削的方法，均勻去（qù）除材料釋放材料（liào）內部應力，以控製零件變形。正是由（yóu）於該零件結（jié）構相對（duì）複雜，圓角和（hé）斜麵很多，導致加工工藝複雜，刀具軌跡繁瑣，加工效（xiào）率較低（dī）。

      
 
         圖1 航天（tiān）典型薄型多麵體零件二維示意圖及三維模型

      高效加工需進行係統優化
 

      高效（xiào）加工技術的特征是加工過程中的高材（cái）料去除率和更短的（de）單件加工時間，並通過（guò）切削參數優（yōu）化以保證加工精度（dù）和表麵質量，相對於普（pǔ）通加工，它對整個加工係統有著更高的要求。在航天整體結構件數控銑削加工過程（chéng）中，要保證零（líng）件加工質量和加工精度，提高加工過程的材（cái）料去除率，首（shǒu）先必須針（zhēn）對（duì）由機床-刀具（jù）-工（gōng）件及其相互（hù）間接口（刀柄和夾具）組成的切削加工係統進行係統優化，保證高速切（qiē）削過程中整個係統（tǒng）的穩定可（kě）靠。

     粗加工的主要目的（de）是去除（chú）材料，為精加工（gōng）留合（hé）適的餘量，因此粗加工一般不（bú）需要考慮工件的尺（chǐ）寸精（jīng）度問題、表麵質（zhì）量問題以及（jí）變形。而在精加工中需要充分（fèn）考慮（lǜ）裝夾、走（zǒu）刀（dāo）、工藝參數對零（líng）件（jiàn）內部應力的影響，切削時切削力（lì）、切削熱對零件（jiàn）結構的影響，控製變形（xíng），避免由於效率（lǜ）提升引（yǐn）起（qǐ）的（de）變（biàn）形造成零件精度及表麵質量（liàng）破壞。

     切削刀具（jù）的選擇

    選擇更加合理的刀具可以直接提高（gāo）生產效率（lǜ）。鋁合金材料的切削加（jiā）工對刀具材料要求並不（bú）高，一般采用硬質合金銑（xǐ）刀即可，塗層可使用無塗層（céng）或金剛石塗層。在粗加（jiā）工中由於不必考慮精度及質量（liàng）問題，最大限度（dù）高效切除金屬材料，因此可以選（xuǎn）擇大（dà）直徑刀具（jù），減少走刀次數，縮短走刀時間。另外，在粗加工（gōng）中盡量選擇（zé）密齒刀具替代疏齒刀具，可（kě）以增（zēng）加每轉進給量，在相同的轉（zhuǎn）速下（xià）切削速度可以（yǐ）得到增加。在精加工（gōng）中（zhōng），除（chú）了考慮材料高效去除的問（wèn）題，還應充分考慮薄壁構（gòu）建（jiàn）在切削中受力（lì）變形控製問題。航天鋁合金薄壁（bì）件精加工宜（yí）選用K係列硬質合金刀具（相（xiàng）當於我國原（yuán）鎢鈷類，主（zhǔ）要（yào）成分為WC+Co，代號為（wéi）YG）。刀具前（qián）角不能太（tài）小，否則增大了切削變形和摩擦力，前刀麵磨損加大，降低刀具使用壽命。

      優化（huà）走刀軌跡

     提速增效中一個較（jiào）為有（yǒu）效的方法就是優化走刀軌跡，在（zài）高（gāo）速切削時要（yào）保證刀（dāo）位路徑的方向性,即刀具軌跡盡可（kě）能簡化（huà）,少轉折點,路徑盡量平滑,減少（shǎo）急速轉向；應減少空走（zǒu）刀時間,盡可能增加切削（xuē）時間在整個工（gōng）件中的比例；應盡量采用回（huí）路切削（xuē）,通過不中斷切削過程和刀具路徑,減（jiǎn）少刀具的切入和切出次數，獲（huò）得穩定、高效、高（gāo）精度的切削過程（chéng）。

     在航天（tiān）整體結構件的大型複雜曲麵（miàn）高速切削加工中,曲麵曲率變化大時,應以（yǐ）最大曲率（lǜ）半徑方向（xiàng）作為最優走刀方向,如圖2.1所示；曲麵曲率變化小時,曲率半徑對走刀方向的影響減弱,宜選擇（zé）單條刀軌平均長度最長的走（zǒu）刀方向,如圖2.2所示。

        圖2.1 小曲率半徑曲麵的走刀路徑 圖2.2 大曲率半徑的曲麵（miàn）走刀路徑

     在斜麵加工時，若（ruò）采用圖3.1所示的橫向（xiàng）水平走刀，每一段走刀（dāo）距離都很短，在切削過（guò）程中主軸需要頻繁換向，切（qiē）削穩定性差（chà）。且由於切削的是斜麵，水平走刀需要X或Y軸與Z軸的聯動，不利於切削速度的提升。因此，針對此類斜麵加工，走刀軌跡盡量安排為平行於最長斜（xié）邊（如圖3.2），不（bú）但走刀軌跡最長、換向次數最少，而且單道走刀都隻是在XY平麵（miàn）運動切削，Z軸方向運動都是安排在（zài）工件輪廓之外的位置，即使在高速切削下亦可減小刀具損（sǔn）傷。

      圖3.1 橫向水平走刀（dāo）軌跡 圖3.2 斜向平行走刀軌（guǐ）跡

      切削參數的（de）確定

     在粗加工時，一般可選擇大進給量與適（shì）當大的切削深度並配以中（zhōng）等切（qiē）削速度的“大功率”高效切（qiē）削，更能達到高材料切除率，從而極大提高生產效（xiào）率。而對於精加工來說隻有（yǒu）提（tí）高轉速和增大齒數是（shì）可行的，而增大每齒進給（gěi）量可能會（huì）降低表麵精度，產生殘餘應力導致變形。所以往往通過高切削速度、低每齒進給量的“輕切（qiē）快切”來保（bǎo）證生（shēng）產效（xiào）率的提（tí）高和產品的精度及表麵質量。

     切削（xuē）參數可通過切削加工有限元（yuán）分析和切削加工實驗最終確定。例如，加工現場通過（guò）有限元（yuán）分析，獲得了最高轉速達24000r/min的機床主軸若要能夠（gòu）很好的滿足航天典型鋁合金薄壁結（jié）構件的高速加（jiā）工（gōng）工藝需求，主軸（zhóu）轉速選擇範圍為15000r/min～20000r/min，同時每齒進給量（liàng）和切削深度不（bú）應過大，可選擇範圍為0.15～0.25mm/z和3～5mm。

     在有限元分析所得參數可選範圍內設計切削實驗（yàn），以切削效率、表麵粗糙度、加工表麵形貌為評判標準最終選取最優（yōu）切削參數。

      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（gōng）藝改進。翼板（bǎn）零件的各個型麵材料去除量占（zhàn）到了整個零件材料去除量的70%，在加工中時間占比（bǐ）也非常高，根據以上改（gǎi）進思路，通過改進刀具、優化切削參數，要求實現提（tí）升型麵加工效率，同時大幅（fú）縮（suō）短翼板類零（líng）件（jiàn）製造時間。

       圖4 零部件局部，各個型麵材料去除量非常之大（dà）

      根據該零件多角度斜麵、圓弧麵過渡、高精度孔槽（cáo）特點，選（xuǎn）用DMG高精五軸加工中心作為加（jiā）工設備。同時，設計製造（zào）了（le）專用液壓可調工裝，以一台液壓動力單元為專用液壓工裝提供動（dòng）力源，油液通過管道進入工裝主體內部液壓缸，以控（kòng）製夾持原件（jiàn）的夾緊和鬆弛運動。

      改進後采用山高刀具 (Seco Tools) 的R220.69-0050-10-5Aφ50鑲片式立銑刀頭搭配XOEX10T304FR-E05,H15刀片完成各型麵的粗加工。鑲片式銑刀較之前所用的整體（tǐ）式銑刀擁（yōng）有剛性好、經濟性高的特點，此次選用（yòng）的φ50鑲片（piàn）式立銑刀，尤其適用於方肩銑，鑲嵌刀片長度為10mm，最大切深可達9mm，一把刀（dāo）可同時（shí）完成（chéng）翼板零（líng）件各個端麵以及側（cè）麵的加工。為了提升加工效（xiào）率，走刀（dāo）時幾乎采用滿切寬進行切（qiē）削，每齒進給fz約為0.05mm/tooth，進給（gěi）速度（dù）約為900m/min。

        圖5 山高刀具 φ50鑲片（piàn）銑刀刀盤及刀片

     在翼板零件型麵精加工過程中，由於零件側壁（bì）較高，必須選擇懸伸較長的（de）刀具進行切削（xuē），因此對刀具的（de）剛性提出了更高的要求。800所選用了山高刀具（jù） (Seco Tools) φ20 整體硬質合金立銑（xǐ）刀，搭配熱縮夾持刀柄，進一步提升了切削剛性，如圖6所（suǒ）示。

       
        圖6 熱縮刀柄夾持的山高刀具 φ20整體硬（yìng）質合金立銑刀

       經過對翼板（bǎn）零件型麵的粗精加工高效（xiào）改進，該零件加工效率提（tí）升（shēng）3倍以上，產（chǎn）品尺（chǐ）寸精度及表麵質量得到有效保（bǎo）證（zhèng），改進前後加工出的型麵表麵形貌如圖7所示。另外，在精（jīng）加工高速切削時，金屬材料（liào）被迅速切斷並脫離工件表麵，因此加工出零件周邊毛刺明顯減少，後續鉗工挫修工作量大幅減少，進一步縮短零件整（zhěng）體（tǐ）加工時間。

      圖7 改進（jìn）前後加工出的型麵表麵形貌

     上海航天（tiān）精密機械（xiè）研（yán）究所（suǒ）中國航（háng）天科技集團公司第八研究院第800 研究所（suǒ），又名上海航天精密機械（xiè）研究所（suǒ），是上海（hǎi）航天（tiān）局的導彈總裝（zhuāng）單（dān）位。第800 研（yán）究所係以工（gōng）藝製造為主的研究所，涉（shè）及專業（yè）30 餘個，擁有各類先（xiān）進的製造和檢測技術，設備及儀器儀表。研製和批（pī）產的型號產品（pǐn）有長征係列運載火（huǒ）箭、航（háng）天器等。主要（yào）承擔防空導彈總（zǒng）裝總測、結構件加工、強度和（hé）環境（jìng）試驗以及運載火箭箭體結構的生產任務。在導（dǎo）彈總裝綜測、強度和環境試驗、精密機械加工、鎂合金鑄造（zào）、鋁（lǚ）合金和（hé）不鏽鋼薄板焊接、無損檢測等方麵具有較強的（de）專業技術優勢。
 

     山高刀具

    山（shān）高總部設在瑞典法格斯塔市（shì），致力於開發創新的金屬切削解決方案，並與客戶密切合作以全麵理解和專注於滿足他們（men）的需求，因此譽滿全球。我們在50 個國家/地區雇用了5000 多名員工，並通過培訓、發展和員工（gōng）認（rèn）同計劃以及（jí）開放的溝通環境來提升我們團隊成（chéng）員的能力。我（wǒ）們（men）的員工（gōng）展現了（le）三個核心價值（zhí）觀– 熱忱（chén）待客、家（jiā）庭歸屬（shǔ）感和個人承諾，它定義了我們的經（jīng）營之道（dào）以（yǐ）及我們與客（kè）戶、供應商和其他合作（zuò）夥伴之間的（de）交往方式。如需了解更多信息，請訪問（wèn）www.secotools.com。