合理應(yīng)用刀具 實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品高速加工

昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“昌飛公司”)是我國(guó)直升機(jī)科研生產(chǎn)基地和航空工業(yè)骨干企業(yè)，具備研制和批量生產(chǎn)多品種、多系列、多型號(hào)直升機(jī)和航空零部件轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的能力。

“飛機(jī)中大型、復(fù)雜、薄壁整體結(jié)構(gòu)件的加工工時(shí)已占整機(jī)結(jié)構(gòu)件機(jī)加工工時(shí)的60％以上，且該技術(shù)呈現(xiàn)出在整個(gè)產(chǎn)品的應(yīng)用比例越來(lái)越大和尺寸更大、壁厚更薄、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的發(fā)展趨勢(shì)。”昌飛公司工程技術(shù)部副總工藝師林東告訴記者。為滿足以大型．復(fù)雜、薄壁為典型特點(diǎn)的弱剛性機(jī)身結(jié)構(gòu)件的加工需求，近年來(lái)高速加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域。通過(guò)大量的生產(chǎn)加工實(shí)踐，昌飛公司在刀具使用以及高速加工技術(shù)等方面總結(jié)出了不少經(jīng)驗(yàn)。

刀具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

由于實(shí)際生產(chǎn)加工的千差萬(wàn)別，高速刀具在應(yīng)用中總會(huì)面臨各種新的實(shí)際問(wèn)題，“我們感覺(jué)僅僅依靠刀具廠商提供的通用刀具是不夠的，有的時(shí)候必須要做一些改進(jìn)。”林東認(rèn)為刀具的應(yīng)用必須真正適合自己的生產(chǎn)實(shí)際。

在某部件的加工生產(chǎn)中，現(xiàn)場(chǎng)工人發(fā)現(xiàn)時(shí)常出現(xiàn)刀具柄部與工件發(fā)生摩擦的現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)，而且工件發(fā)生嚴(yán)重震顫，跳動(dòng)十分厲害；這就導(dǎo)致工件表面質(zhì)量無(wú)法保證，輕者超差，重者報(bào)廢。由于粗糙度差，不得不采用預(yù)留加工余量的辦法，經(jīng)機(jī)械加工之后再交由鉗工進(jìn)行修挫，以達(dá)到表面質(zhì)量要求。實(shí)際上，這顯然不是長(zhǎng)久之計(jì)，而且是與高速加工的初衷相違背的，加工效率很低。

圖1 原刀具使用前后對(duì)比

于是，林東和他的同事們開(kāi)始了試驗(yàn)摸索，尋找造成這種現(xiàn)象的原因。最終他們發(fā)現(xiàn)刀具結(jié)構(gòu)本身存在一些不適應(yīng)加工的問(wèn)題：切削刃直徑與夾持部位直徑一致，刀具是長(zhǎng)不足；切削刃、排屑槽過(guò)長(zhǎng)，刀具整體剛性弱。

針對(duì)這些問(wèn)題，他們對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)切削刃后部刀柄留有避空區(qū)域，避免摩擦；改為短切削刃、短排屑槽；以增強(qiáng)刀具整體剛性(見(jiàn)圖2)。改進(jìn)之后效果十分明顯，高筋側(cè)面加工，尺寸精度高，表面質(zhì)量好。

圖2 刀具結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

“改進(jìn)本身說(shuō)起來(lái)可能很簡(jiǎn)單；但確實(shí)是經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)摸索得出的結(jié)論。”林東強(qiáng)調(diào)說(shuō)。對(duì)于這一改進(jìn)；林東認(rèn)為有三方面值得注意：一是除夾持部位外，切削刃后部刀柄直徑應(yīng)略小于切削刃直徑，通常要小0.1～0.2mm——對(duì)于這一合理范圍的確定；林東一再?gòu)?qiáng)調(diào)它的來(lái)之不易；二是切削刃長(zhǎng)度要與切削刃直徑相當(dāng)，這與高速加工的小切深、大進(jìn)給策略相吻合，高速刀具的切深一般不應(yīng)超過(guò)切削刃直徑值；三是排屑槽長(zhǎng)度略長(zhǎng)于切削刃長(zhǎng)度即可；這樣可以保持刀具的整體剛性。

切削參數(shù)研究

除了合理選用刀具之外，能否合理選擇切削參數(shù)更是直接影響到加工質(zhì)量的好壞和加工效率的高低。盡管多數(shù)刀具廠家均能提供線速度Vc(轉(zhuǎn)速n)、每齒進(jìn)給量fz(進(jìn)給F)這兩項(xiàng)切削參數(shù)，但林東認(rèn)為刀具廠家所提供的切削參數(shù)無(wú)疑是有局限性的，因其多數(shù)是通過(guò)切削試驗(yàn)獲取的上限值，且切削試驗(yàn)時(shí)試件具有強(qiáng)剛性，“所以他們提供的切削參數(shù)特別適合工件具有強(qiáng)剛性時(shí)的粗加工階段，對(duì)于工件具有弱剛性的精加工階段，切削參數(shù)卻無(wú)法準(zhǔn)確確定。”顯然，這對(duì)主要呈現(xiàn)弱剛性特點(diǎn)的航空產(chǎn)品而言，問(wèn)題顯得更加突出。

“刀具廠家所提供的切削參數(shù)的局限性在于，沒(méi)有考慮機(jī)床、刀具夾持方式、刀具夾持后懸長(zhǎng)、工件特征等對(duì)切削參數(shù)的影響；核心問(wèn)題就是沒(méi)有將刀具、機(jī)床和工件作為整個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮對(duì)切削參數(shù)的影響。”林東指出，“一般情況下，我國(guó)高速加工機(jī)床的加工效率只有國(guó)外的1/10－1/4，有時(shí)甚至更低。對(duì)航空業(yè)而言，根本原因在于我國(guó)尚無(wú)適合航空產(chǎn)品特點(diǎn)的高速刀具切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。”于是，昌飛公司和北京航空航天大學(xué)共同進(jìn)行了《基于切削過(guò)程仿真的數(shù)控加工工藝優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用研究》的項(xiàng)目課題；旨在尋求一條快速獲取高速對(duì)具切削參數(shù)的新途徑，以取代傳統(tǒng)的“試切”方法，創(chuàng)建適用于航空產(chǎn)品加工的高速刀具切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

其基本原理在于通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真手段來(lái)獲取切削參數(shù)建立動(dòng)態(tài)切削力模型，通過(guò)理論計(jì)算確定切深和轉(zhuǎn)速，并利用震顫穩(wěn)定域圖形描述切深與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，最終通過(guò)優(yōu)化軟件；輸入相關(guān)條件，確定切削參數(shù)。

他們還在研究中總結(jié)出3種工件特征，用以描述多數(shù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征：平面特征、側(cè)面特征、轉(zhuǎn)角特征(見(jiàn)圖3、圖4)。其研究成果已在昌飛公司的多種機(jī)型結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用，對(duì)加工效率與質(zhì)量的提高效果十分顯著。

圖3 平面特征

圖4 轉(zhuǎn)角特征

“動(dòng)力學(xué)仿真手段對(duì)比傳統(tǒng)試切手段獲取切削參數(shù)；時(shí)間上減少了87%，且節(jié)省了大量的試切材料和試切機(jī)時(shí)，加工效率提高了 90%～180%，產(chǎn)品合格率提高了40%，數(shù)控車間生產(chǎn)能力提升了60%。”林東歷數(shù)這一研究所帶來(lái)的好處，“在大型．復(fù)雜、薄壁結(jié)構(gòu)件的加工中，效果尤其顯著——主要體現(xiàn)在加工效率和表面質(zhì)量上。”平面加工效率是優(yōu)化前的1.9倍，側(cè)面加工是3.84倍，轉(zhuǎn)角加工則是3倍。

林東最后指出，“生產(chǎn)企業(yè)有實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，研究院所有理論研究力量，刀具廠家有專業(yè)研究條件。以生產(chǎn)企業(yè)為應(yīng)用平臺(tái)；吸收研究院所、刀具廠商研究力量和條件；實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，才能真正提高切削刀具應(yīng)用水平。”