航空機械加工領域的弱剛性零件定義

劉甫州 鄧秋生 陳城等

摘要：航空機械加工領域中的弱剛性零件加工問題一直是行業內的焦點，在對弱剛性零件加工時，會發生由相對位移因周期激勵的原因急劇增長所引起的跳刀現象，從而影響加工質量，甚至引起刀具破損，極大的影響加工系統的穩定性。目前工廠對于弱剛性零件的判斷主要依賴于加工人員的經驗，而對弱剛性零件缺少一個明確的定義，從而對弱剛性零件的定位支撐方案的選擇造成了困難，鑒于此，本文從生產車間實際對弱剛性零件加工時產生的現象入手，結合原理分析，對弱剛性零件進行定義，以減少上述問題的發生。

關鍵詞：航空；機械加工；弱剛性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.012

1引言

在航空領域中，大型薄壁類高強度合金已得到廣泛應用。在實際加工中，這類零件中經常要反面加工，但由于某個方向的尺寸較其它方向的小，剛性不足，在加工過程中會出現跳刀、顫振等現象，造成刀具崩刃或者損壞機床主軸，以及零件表面粗糙度過大，加工誤差大。因此在實際加工時，往往要加支撐來增強待加工部位的剛性，但判斷是否要加支撐（或剛性不足）往往是在加工完成后，對零件進行檢測時才能判斷，要在加工前就知道零件在加工過程中是否剛性不足，即零件是否為弱剛性零件，現在還沒有一個準確的定義。

中國工程物理研究院的李尚政提出了弱剛度件的特點是：①剛度差，易變形；②精度要求高，關鍵部位精度要求達到IT5—IT7級。按其形狀一般可分為五大類：桿類：以細長軸為主；盤類：含薄片、空心盤等；短筒類：包括長徑比小于0.5的各種筒體、法蘭、中空殼體等；長筒類：指長徑比大于0.5的各種筒體、中空殼體等；半球殼類：含各種球殼、非球殼體。但他所說的桿類、盤類、短筒類、長筒類、半球殼類弱剛度件零件，只對其特點、分類做了簡單說明，但并沒有弱剛性的相關定義。

本文將從生產車間實際對弱剛性零件加工時產生的現象入手，結合原理分析，對弱剛性進行定義。

2工廠實際加工現象分析

（1）顫振。顫振機理：在銑削加工薄壁件時（以加工側壁為例），由于工件和刀具的彈性變形，在動態銑削力的作用下，同一軸線上不同高度位置處的切削厚度并不相同，有的位置過切，有的位置刀具與工件分離，并未參與切削，這樣造成加工表面產生振紋。隨著切削的進行，下一刀齒會在前一刀齒產生的振紋處切削，這樣，切削厚度不斷變化，動態切削力隨之不斷改變，使工藝系統產生振動。如圖2-2所示，當相鄰刀具波形軌跡同相位時切削厚度不產生變化，不會產生振動，而當波形軌跡不同相位時，會產生顫振。

（2）跳刀。跳刀是機械加工中由振動引起的刀具在水平或者豎直等方向跳動的現象。

引起跳刀的原因有很多，主軸或機床的自由振動、強迫振動、自激振動（顫振）等振動和零件的一些因素（如零件表面凹凸不平等）都會引起跳刀現象，而引起機床或主軸振動的原因又各種各樣。據相關資料統計，在機械加工產生的振動比率中，強迫振動約占30%，自激振動約占65%，而自由振動只占5%左右，并且其振動通常情況下迅速衰減，對機械加工過程的影響極小。而其他類型的振動不能自然衰減，危害很大。可以這樣說，引起跳刀現象的主要是顫振。

3機械振動力學分析

顫振分析：研究車刀作自由正交切削的情況，此時車刀只作橫進給運動f_z，車刀切削的是前一轉留下的表面，如圖所示：

假定切削過程受到前一瞬時的偶然性擾動，于是刀具與工件便會發生相對振動自由振動，振動的幅值將因為有阻尼存在而逐漸衰減。此種振動當然會在加工表面上留下一段振紋，如圖中的圖所示。當工件轉過一轉后，如圖中的所示，刀具便會在留有振紋的表面上重復切削，此時切削厚度將發生波動，這就有動態切削力產生。如果各種條件的匹配是促進振動的，那么便會進一步發展到圖中所示的持續顫振狀態。圖3.3表示的是前后兩轉的切削情況。

通常后一轉切削的振紋與前轉切削的振紋總不會同步，他們在相位上總有一個差值φ，設本轉切削的振動運動為：