基于鏡像銑削的大尺寸薄壁曲面零件加工試驗研究

李洋，崔鑫，王元軍，劉雪峰，劉強

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

某大尺寸橢球面薄壁零件廣泛應用于壓力貯箱容器，該類型零件是型面復雜、輪廓精度高、壁薄且要求嚴格的一類空間曲面弱剛度薄壁結構件，該薄壁產品質量對貯箱整體性能至關重要，其原有加工多依賴化學銑進行材料去除和壁厚控制，隨著制造綠色化的趨勢，目前鏡像銑削代替化學銑削成為趨勢[1]，為更好地利用好鏡像銑削加工，通過試驗研究找到一套較優的切削方案成為亟待解決的問題。

1 產品簡介

該工件為長軸半徑約1700 mm的薄壁類橢球面整底的組成零件，其展開平面長度約為1500 mm，大端寬度約為1400 mm，面積約為半橢球面的1/8。機械加工僅對外型面進行等厚減薄，以完成下陷及凸臺特征的加工。該零件壁厚最薄處要求（0.9±0.15）mm。

圖1 產品圖

該零件毛坯料拉彎成型后，工件存在同板差大、曲面形貌與理論型面偏差大等問題，同板差最大達到0.6 mm，曲面形貌與理論型面偏差最大甚至超過4 mm。此外，經敲擊按壓發現工件剛度較差。目前，大型薄壁曲面零件的加工，經歷了“化學銑削→數控銑削→鏡像銑削”3個技術階段。鏡像銑削解決了化學銑削的污染和能耗問題，同時解決了數控銑削裝夾困難、厚度控制難的問題，是未來大型薄壁曲面零件精密加工的主要解決方案。前期試驗發現，鏡像銑削薄尺寸零件時仍存在易產生切削振紋、接刀痕、壁厚差大且效率低等問題[4-5]。針對該工件進行鏡像銑削加工，一套較優的加工參數組合是保證高質量、高效率加工的保障，為此進行相關加工試驗研究[4-5]。

圖2 切削問題

2 試驗設計

經查，薄壁件加工產生加工問題的根源是變形，影響零件加工變形的因素很多，主要有材料內部殘余應力、切削力、切削熱、裝夾力等，該工件加工前安排進行一次時效處理以保證其內部應力盡量得到釋放。據查，加工過程中切削力是影響零件加工變形的重要因素之一。為找到適合該曲面零件銑削的低應力切削方案，特進行如下試驗研究。

2.1 分組正交試驗方案設計

刀具、刀軌、切削三要素是影響切削力大小的最主要因素，而三者又分別由多個分因素共同影響，將各個分因素統一納入正交試驗，需要開展的試驗數量過于龐大，難以進行。分組進行正交試驗，并根據試驗結果，將各組的最優選擇直接組合作為最佳切削參數，或選擇各組排名前三數據再次進行綜合正交試驗，最終確定最佳切削參數。

以銑切效率、振顫情況、粗糙度、壁厚精度作為評價標準，為便于量化評價，下文均在有效控制切削振顫，保證粗糙度、接刀痕及壁厚精度的前提下，比較銑切效率來評價實驗結果。

2.2 刀具選擇

1）刀具參數正交試驗設計。

刀具參數主要包括直徑、底角、刃數、材料，這些刀具參數對切削力、切削振動和切削變形有著重要的影響。實驗中使用正交實驗的方法，分別研究各個因素的變化對切削質量的影響，為便于量化指標，以在加工相同對象、保證加工質量的前提下加工時間為參考，時間越少越優。根據車間鋁合金加工經驗，考慮到實時超聲測厚的寬度限制（不低于8 mm），確定試驗因素水平表如表1所示，其四因素三水平實施方案如表2所示。

表1 刀具選擇試驗因素及水平

表2 刀具選擇四因素三水平試驗方案

2）刀具參數對切削質量（效率）的影響。

在正交試驗中，各影響因素對評價指標的作用程度的分析可通過計算每個因素的極差得到。上述極差指的是該因素各個水平的均值的最大與最小值之差，極差值大則表明該因素對評價指標影響較大，反之則影響小。

該極差分析法又簡稱R法，它包括計算與判斷兩步驟，其流程如圖3所示。圖中，Kjm為第j列元素m水平所對應的指標和，Kjm為Kjm的平均值。由Kjm的大小可以判斷出實驗條件下j元素的優水平與各元素的水平組合，即最優組合。按照正交實驗所得的數據，根據上述分析處理方法進行實驗結果分析。其中，Rj為第j列元素的極差。即第 j列元素各水平下平均指標值的最大值與最小值之差，其計算公式如下：

圖3 R法示意圖

根據實驗數據，按照上面的公式進行計算處理得到數據，如表3所示。

表3 刀具參數對切削質量（效率）影響的極差分析表

按照極差分析法，由表3可以看出，對加工質量（效率）影響的主次順序為直徑＞底角＞刃數＞材料。直徑對加工質量（效率）影響最大，刀具底角次之，二者綜合考慮即可以得到刀具真實切削直徑越大，排刀質量接近的情況下效率越高；刀具刃數試驗數據可知，在一定數量上限內，刃數越多，切削質量越好，經查閱相關資料及切削經驗可知，隨著齒數的增加，切削排屑及散熱等也會受到影響，因此并不是齒數無限增多的越多越好；從試驗的3種刀具材料可以看出，硬質合金刀具切削效果最好，綜上所述，在有效控制切削震顫，保證粗糙度、接刀痕、壁厚精度的前提下，φ20R0.1（3刃）硬質合金刀具切削效率較高。

2.3 刀軌選擇

銑削路徑是影響薄壁件變形的重要因素之一，分析銑削路徑也是為了得到平滑連續的刀具路徑[2-3]。在規劃銑削路徑時，應當盡可能縮短空行程時間，避免出現接刀痕跡，為保證其加工精度，更應該選擇合理的銑削路徑。

傳統的薄壁件采用逐層銑削的方式，主要是以下4種走刀路徑，如圖4所示。

圖4 傳統薄壁件銑削刀路路徑

箱底瓜瓣銑切的刀軌，主要受刀軌類型、壓刀量及厚度補償間隔距離3個因素共同影響，根據車間薄壁類產品加工經驗，考慮加工效率，確定試驗因素水平如表4所示。

表4 刀軌選擇試驗因素及水平

1）刀具參數正交試驗設計。

對刀軌相關影響切削質量（效率）的三因素四個水平進行試驗設計，其三因素四水平實施方案如表5所示。

表5 刀軌設計三因素四水平試驗方案

2）刀具參數對切削質量（效率）的影響。

由2.2節分析可知，在正交試驗中，各影響因素對評價指標的作用程度的分析可通過計算每個因素的極差得到。上述極差指的是該因素各個水平的均值的最大與最小值之差，極差值大則表明該因素對評價指標影響較大，反之則影響小。

按照極差分析法，由表6可以看出，在有效控制切削振顫，保證粗糙度、接刀痕、壁厚精度的前提下，壓刀量對切削效率影響較大，刀軌類型次之，厚度補償間隔影響最小，由實驗數據可知，加工時三因素最優的水平組合為刀路橫向往復，壓刀量為40%，厚度補償間隔為11 mm。

表6 刀軌對切削質量（效率）影響的極差分析表

2.4 切削三要素

切削三要素是指主軸轉速、進給速度和背吃刀量等3項對切削狀態影響最大的通用切削要素。切削三要素的確定受工件的實際裝夾狀態影響，根據車間薄壁類產品加工經驗，確定試驗因素水平表如表7所示，因壁厚較薄時背吃刀量無法設定較大梯度范圍，因此為驗證背吃刀量的真實影響，該試驗僅限于壁厚較厚情況下的粗加工。

表7 切削三因素四水平

1）切削三要素正交試驗設計。

刀具參數主要包括主軸轉速、進給速度和背吃刀量等3項，這些刀具參數對切削力、切削振動和切削變形有著重要的影響。實驗中使用正交實驗的方法，分別研究各個因素的變化對切削質量的影響，為便于量化指標，以在加工相同對象（幅面、深度相同）、保證加工質量的前提下加工時間為參考，時間越少越優。根據車間鋁合金加工經驗，考慮到實時超聲測厚的寬度限制（不低于8 mm），確定試驗其三因素四水平實施方案如表8所示。

2）切削三要素對切削質量（效率）的影響。

由上節分析可知，在正交試驗中，各影響因素對評價指標的作用程度的分析可通過計算每個因素的極差得到。上述極差指的是該因素各個水平的均值的最大與最小值之差，極差值大則表明該因素對評價指標影響較大，反之則影響小。

按照極差分析法，由表9可以看出，在有效控制切削振顫，保證粗糙度、接刀痕、壁厚精度的前提下，背吃刀量對切削效率影響較大，進給速度次之，主軸轉速影響最小，由實驗數據可知，粗加工時三因素最優的水平組合為：轉速為8000 r/min，進給速度為3000 mm/min，背吃刀量為3 mm。

表9 切削三要素對切削質量（效率）影響的極差分析表

3 優化后的試驗效果

使用鏡像銑削設備及上文所述的專用工裝，應用在線測量補償技術及驗證過的較優的低應力切削參數組合進行試驗，選擇某種特征的薄壁零件作為驗證對象，銑削加工后如圖5所示。

圖5 銑削加工后的零件

上述試件最薄下陷2.1 mm，加工后檢驗單一特征下陷的壁厚差控制在0.15 mm以內，優于設計要求，此外，振紋及接刀痕均得到較大改善。相比于化銑工藝，機械銑加工的單件零件分別減重0.092 kg和0.025 kg,單位零件減重雖有限，但積少成多，整個箭體減重較為可觀，經測算，所有箱底改機銑后可減重約15 kg。

4 結語

針對大型薄壁曲面零件鏡像銑削加工中存在的問題，進行了一系列正交試驗研究，分別得到了刀具、刀軌、切削三要素等方面的優水平組合，切削系統振動及工件變形得到了有效控制，極大改善了切削振紋及接刀痕，提高了切削效率。加工完成后工件表面質量及壁厚尺寸精度均滿足目標要求。為該類型零件后續機械銑削替代化學銑削的應用儲備了技術與經驗。