合理应用刀具 实现航空产品高速加工

昌河飞机工业（集团）有限责任公司(以下简称“昌飞公司”)是我国直升机科研生产基地和航空工业骨干企业，具备研制和批量生产多品种、多系列、多型号直升机和航空零部件转包生产的能力。

“飞机中大型、复杂、薄壁整体结构件的加工工时已占整机结构件机加工工时的60％以上，且该技术呈现出在整个产品的应用比例越来越大和尺寸更大、壁厚更薄、结构更为复杂的发展趋势。”昌飞公司工程技术部副总工艺师林东告诉记者。为满足以大型．复杂、薄壁为典型特点的弱刚性机身结构件的加工需求，近年来高速加工技术被广泛应用于航空制造领域。通过大量的生产加工实践，昌飞公司在刀具使用以及高速加工技术等方面总结出了不少经验。

刀具结构的改进

由于实际生产加工的千差万别，高速刀具在应用中总会面临各种新的实际问题，“我们感觉仅仅依靠刀具厂商提供的通用刀具是不够的，有的时候必须要做一些改进。”林东认为刀具的应用必须真正适合自己的生产实际。

在某部件的加工生产中，现场工人发现时常出现刀具柄部与工件发生摩擦的现象(见图1)，而且工件发生严重震颤，跳动十分厉害；这就导致工件表面质量无法保证，轻者超差，重者报废。由于粗糙度差，不得不采用预留加工余量的办法，经机械加工之后再交由钳工进行修挫，以达到表面质量要求。实际上，这显然不是长久之计，而且是与高速加工的初衷相违背的，加工效率很低。

图1 原刀具使用前后对比

于是，林东和他的同事们开始了试验摸索，寻找造成这种现象的原因。最终他们发现刀具结构本身存在一些不适应加工的问题：切削刃直径与夹持部位直径一致，刀具是长不足；切削刃、排屑槽过长，刀具整体刚性弱。

针对这些问题，他们对结构进行了相应改进切削刃后部刀柄留有避空区域，避免摩擦；改为短切削刃、短排屑槽；以增强刀具整体刚性(见图2)。改进之后效果十分明显，高筋侧面加工，尺寸精度高，表面质量好。

图2 刀具结构改进前后对比

“改进本身说起来可能很简单；但确实是经过了很长时间试验摸索得出的结论。”林东强调说。对于这一改进；林东认为有三方面值得注意：一是除夹持部位外，切削刃后部刀柄直径应略小于切削刃直径，通常要小0.1～0.2mm——对于这一合理范围的确定；林东一再强调它的来之不易；二是切削刃长度要与切削刃直径相当，这与高速加工的小切深、大进给策略相吻合，高速刀具的切深一般不应超过切削刃直径值；三是排屑槽长度略长于切削刃长度即可；这样可以保持刀具的整体刚性。

切削参数研究

除了合理选用刀具之外，能否合理选择切削参数更是直接影响到加工质量的好坏和加工效率的高低。尽管多数刀具厂家均能提供线速度Vc(转速n)、每齿进给量fz(进给F)这两项切削参数，但林东认为刀具厂家所提供的切削参数无疑是有局限性的，因其多数是通过切削试验获取的上限值，且切削试验时试件具有强刚性，“所以他们提供的切削参数特别适合工件具有强刚性时的粗加工阶段，对于工件具有弱刚性的精加工阶段，切削参数却无法准确确定。”显然，这对主要呈现弱刚性特点的航空产品而言，问题显得更加突出。

“刀具厂家所提供的切削参数的局限性在于，没有考虑机床、刀具夹持方式、刀具夹持后悬长、工件特征等对切削参数的影响；核心问题就是没有将刀具、机床和工件作为整个系统来考虑对切削参数的影响。”林东指出，“一般情况下，我国高速加工机床的加工效率只有国外的1/10－1/4，有时甚至更低。对航空业而言，根本原因在于我国尚无适合航空产品特点的高速刀具切削参数数据库。”于是，昌飞公司和北京航空航天大学共同进行了《基于切削过程仿真的数控加工工艺优化技术应用研究》的项目课题；旨在寻求一条快速获取高速对具切削参数的新途径，以取代传统的“试切”方法，创建适用于航空产品加工的高速刀具切削参数数据库。

其基本原理在于通过动力学仿真手段来获取切削参数建立动态切削力模型，通过理论计算确定切深和转速，并利用震颤稳定域图形描述切深与转速之间的关系，最终通过优化软件；输入相关条件，确定切削参数。

他们还在研究中总结出3种工件特征，用以描述多数飞机结构件的结构特征：平面特征、侧面特征、转角特征(见图3、图4)。其研究成果已在昌飞公司的多种机型结构件中应用，对加工效率与质量的提高效果十分显著。

图3 平面特征

图4 转角特征

“动力学仿真手段对比传统试切手段获取切削参数；时间上减少了87%，且节省了大量的试切材料和试切机时，加工效率提高了 90%～180%，产品合格率提高了40%，数控车间生产能力提升了60%。”林东历数这一研究所带来的好处，“在大型．复杂、薄壁结构件的加工中，效果尤其显著——主要体现在加工效率和表面质量上。”平面加工效率是优化前的1.9倍，侧面加工是3.84倍，转角加工则是3倍。

林东最后指出，“生产企业有实际应用环境，研究院所有理论研究力量，刀具厂家有专业研究条件。以生产企业为应用平台；吸收研究院所、刀具厂商研究力量和条件；实现产学研结合，才能真正提高切削刀具应用水平。”