航空薄壁零件主要由側壁和腹板組成，其結構復雜、體積較大、相對剛度較低，故加工工藝性差。在切削力、裝夾力、切削振顫等因素作用下，易發生加工變形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工變形和加工效率問題成為薄壁零件加工的重要約束問題。目前，國內外的相關研究為薄壁件加工精度控制提供了一些理論指導。一些文獻從加工工藝系統的整體剛性角度考慮，提出了充分利用零件的整體剛性加工薄壁零件的思想；有的文獻從機床聯動主軸數方面著手，提出了平行雙主軸精度控制方案；有的文獻從裝夾系統方面考慮，提出了利用低融合金填充或使用真空夾具精加工薄壁零件的方法；有的文獻從切削用量方面考慮，提出了變進給加工的方法；有的文獻從有效補償加工變形的思想出發，提出了薄壁零件加工變形分析及控制方案，對如何進行銑削精度控制提出了一些建議。本文繼承了最后提及文獻的思想，即通過試驗設計，有限元分析去研究銑削過程中薄壁零件及刀具的傾斜機理；在其研究的基礎上，通過實驗手段，分析和驗證了刀具偏擺數控補償方案。實驗結果表明，刀具偏擺數控補償加工方案有效地控制了薄壁件的加工精度，提高了加工效率，是一種方便、高效的加工方法。
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圖1 立銑刀切削負載單元分布示意圖
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1 刀具偏擺數控補償方案
刀具偏擺數控補償技術，即是在有限元分析基礎上，根據模擬分析加工變形的大小，在數控編程時讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加連續偏擺，補償因變形而產生的讓刀量。通過刀具偏擺數控補償，可以將讓刀殘余材料切除，一次走刀即可保證薄壁件壁厚精度，從而達到高效、經濟、優質加工薄壁零件的目的。其基本思想即通過建立受力模型、變形模型及數控補償模型得到數控補償方案，從而保證薄壁件加工精度要求。因此，切削力模型和變形模型是精確實現刀具偏擺數控補償技術的基礎，而精確的變形分析又依賴于準確的載荷模型。因此必須通過切削力實驗，建立準確的銑削力模型；然后，在精確迭代分析加工變形的基礎上，實施有效的刀具偏擺數控補償加工。
- 切削力的計算
在實施刀具偏擺數控補償加工之前，首先要知道零件的加工變形量，即利用有限元技術對工件進行加工變形分析；而精確的變形分析又依賴于準確的載荷模型(切削力、裝夾力、定位約束等)，其中關鍵是切削力的計算。不同的刀具及加工方法，有不同的切削力計算方法。在航空薄壁零件的加工中，以螺旋立銑刀加工居多。而對于螺旋立銑刀的受力模型，以沿著刀具螺旋線作空間狀態分布的銑削力模型為最佳(如圖1)。
在加工薄壁零件過程中，通過理論分析及實驗檢驗，薄壁零件的加工變形主要由徑向切削力引起。本文采用前述文獻中的切削力模型來模擬計算銑削力大小及分布狀況。由此，可得到如圖2所示的瞬時徑向切削力空間分布圖。
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圖2 瞬時徑向切削力空間分布圖
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圖3 刀具和工件的有限元模型
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圖4 工件沿刀具軸線方向各節點變形
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(a)刀具不傾斜時
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圖6 試件沿刀具軸線方向加工誤差曲線
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(b)刀具傾斜時
圖5 刀具銑削示意圖
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加工變形模擬分析
本文選擇如圖3所示的薄壁結構作為研究試件。工件材料為7075-T6，楊氏模量E=77Gpa,泊松比g=0.33；刀具型號為F1832E.W.16.Z3.26.45.W
對于加工變形的精確計算，需要綜合考慮工件和刀具在切削過程中的加工變形大小。在建模過程中，可以將工件簡化為一個底端帶有固定約束的直側壁來進行分析；而將刀具簡化為一個懸臂梁。加載人切削力、約束以及輸人材料特性參數，并根據加工精度要求劃分單元網格(如圖3)。
在 ANSYS中對其模擬分析加工變形情況，理論計算結果與實際加工測量結果如圖4所示。顯然，理論分析計算結果與實驗結果基本吻合。
刀具偏擺數控補償
通過加工變形模擬分析，得到的工件在加工過程中的變形分布狀況和趨勢。由于加工變形產生讓刀誤差，其結果必然產生一定的尺寸誤差(如圖5(a))。為了有效補償這種因上件剛性不足而產生的加工變形，可以讓刀具偏擺一定的角度(如圖5(b))。刀具偏擺數控補償，即是根據模擬分析加工變形的大小，在數控編程時讓刀具在原有走刀軌跡中按變形程度附加連續偏擺，補償因變形而產生的讓刀量。通過刀具偏擺數控補償，可以將讓刀殘余材料基本切除，一次走刀即可保證薄壁件壁厚精度。
2 加工實例與結果
為了驗證刀具偏擺數控補償方案的可行性，故安排了一定的實驗工作。當由3mm壁厚加工出2mm壁厚時，根據實際加工要求和加工參數，通過理論計算，在數控編程時，將刀具傾斜0.05度。加工后，沿刀具軸線方向在薄壁上每隔2mm測量工件的壁厚(如圖6)。實驗研究結果表明，在刀具傾斜的情況下，零件的加工尺寸精度較高。
3 結論
從以上實驗可以看出，對于薄壁零件的加工，將刀具傾斜一定角度以后，通過一次走刀，可將試件的加工精度控制在允許范圍以內。對于不同的工件，可通過有限元模擬加工變形值的大小，實施刀具的連續數控偏擺補償，則可以補償因變形而產生的讓刀誤差，一次走刀即可保證薄壁件的加工精度，避免了多次空走刀和人工修整，從而達到高效、經濟、優質加工薄壁零件的目的。刀具偏擺數控補償方案是一種有效的提高薄壁零件數控加工質量和加工效率的加工方法。
