高速切削参数优化加工技术的应用

    为满足现代飞机隐身、超声速巡航、超常规机动、高信息感知能力、长寿命、结构轻量化等方面的性能要求，设计中大量采用了新技术、新结构、新材料，结构件也日趋向尺寸大型化、结构复杂化、制造精确化发展[1]。结构件的发展趋势决定了其工艺特点：结构复杂，加工难度大；切削加工量大；薄壁，易变形；零件制造精度要求高等。对此类航空整体结构件实现高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面临的一个重要课题。随着高速切削技术的发展，高速切削加工以其加工效率高、切削力小、工件的热变形和热膨胀小、加工表面质量好、经济效益高及适宜加工复杂和细长薄壁件等独特优势，被广泛应用于航空航天整体结构件的加工中[2]。
    高速切削加工技术是在机床结构及材料、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、机床设计制造技术、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测试技术、高速切削加工理论、高速切削加工工艺等诸多相关硬件与软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的。它具有加工效率高、切削力小、加工精度和表面质量高等特点，已在航空、航天、汽车、模具和精密机械等行业得到了广泛应用，并取得了重大的经济效益。
    高速切削加工技术的核心是切削参数的仿真优化。高速切削参数的探索经历了从照搬普通切削加工参数( 加工效率低，薄壁加工表面质量差)，采用试切方法获取高速加工切削参数（能满足质量要求，效率有所提高，成本高，周期长）的过程。目前在国内，多数航空企业采用了基于动力学仿真技术优化切削参数的方法，改变了传统获取切削参数的方法。
    高速铣削加工动力学仿真
    高速切削加工要有高的主轴转速，一般主轴转速在10000~20000r/min以上的为高速切削；进给速度很高，通常达15~50m/min，最高可达90m/min。
    但是如果在加工中单纯地提高机床的主轴转速和进给速度后，就会带来铣切加工过程中刀具或工件的振动，即颤振现象。颤振是金属切削过程中刀具和工件之间产生的一种较为强烈的自激振动现象。颤振的出现会导致切削力峰值明显增加，使加工表面粗糙度和尺寸精度明显下降，严重时会使刀具破裂，主轴受损；此外通常会对加工环境造成一定污染[3]。
    如何解决上述问题成为高速切削研究的难题，于是北京航空航天大学通过对高速切削加工出现颤振的问题进行了研究，提出了基于动力学仿真的高速切削加工参数优化的理论，通过找到切削的颤振稳定域后，对切削参数进行优化，解决了高速切削带来的颤振问题。颤振稳定域即为在频域内对铣削过程颤振的稳定性进行计算，给出切削过程的稳定区域（主轴转速、切削深度）[3]。
    而基于动力学仿真的高速数控加工参数优化技术是通过对“主轴+刀具（几何、材料）+工件（材料）”构成的数控加工工艺系统进行系统模态参数测试和切削过程动力学仿真计算，获取切削力、切削扭矩、主轴功率、切削颤振稳定域等力学信息，并通过切削参数优化软件实现对高速数控加工切削参数的优化[4]。
    高速铣削加工动力学仿真主要是利用数控机床加工动力学特性测试分析系统（DynaCut软件）生成频响函数和模态参数，然后在铣削加工动力学仿真系统（SimutCut软件）中，结合频响函数和模态参数进行颤振稳定域和时域仿真，获取切削力/切削转矩/切削功率/切削厚度等时域信息和颤振稳定域曲线，并输出仿真数据表格文件，最后根据仿真数据表格文件选择优化的切削参数，使零件在加工过程中选取最佳的机床转速、切削深度等切削参数[5-8]。
    高速切削加工技术在大型复杂整体壁板上的应用
    1 整体壁板简介
    陕飞公司某型机整体壁板，采用了大尺寸、大厚度、变截面带长桁、带维修口框网格状设计，中央翼长度近4.6m，中外翼长度近10.8m，采用上三下五整体壁板分块布局，全机共有24壁板。