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【摘 要】薄壁零件因其刚性差、易变形，一直是机械加工中的难点问题。而大曲率薄壁曲面加工时不仅需考虑薄壁，对于曲面加工精度控制也是难题，在曲面为大曲率时，使用的的数控程序和加工方案均需适应性更改。因此研究大曲率薄壁曲面加工工艺方法，不仅能控制加工精度，还能增加加工效率，对一般的曲面加工和薄壁件零件加工均有良好的借鉴意义效果。
【关键词】大曲率;薄壁;曲面;数控加工
【Abstract】Thin-walled parts are always difficult problems in machining due to their poor rigidity and easy deformation.While the processing of large curvature thin wall surface not only needs to consider thin wall，for the surface machining precision control is also a problem，when the surface is large curvature，the use of CNC program and processing program need to be adapted to change.Therefore，the research on the processing method of thin-walled surface with large curvature can not only control the processing accuracy，but also increase the processing efficiency，which has a good reference to the general surface processing and thin-walled parts processing
【Key words】large curvature，thin-wall parts，surface，processing technology
1引言
随着时代的进步，航空、汽车、消费品等领域对产品表面美观、重量等要求越来越高，产品越来越多的使用了复杂曲面和薄壁设计，这使得大曲率曲面、薄壁类零件越来越多的出现在加工行业，给数控技术人员带来困扰。
随着计算机编程技术和机床的进步，曲面加工、薄壁加工作为传统难题，已经逐步解决，但当大曲率复杂曲面与薄壁构型同时出现，问题变得复杂。此时，除需要过硬的编程技术、稳定的机床外，还需要对数控加工原理，曲面几何形状解析进行研究，本文以某模型飞机小翼加工为例，对此类零件加工所需注意的一些基本事項和技巧进行探索和研究。
2.小翼数控加工技术研究
小翼（图1）材料为30CrMnSiA，抗拉强度σb=1080MPa，其展长213.37mm，弦向尺寸283.36mm，高度落差87.87mm。通过观察数模可知，零件在XY、XZ、YZ三个平面上均有转角，相对基准面小端的曲率远大于大端，壁厚分布不均匀，壁厚最薄处仅有0.163mm，加工此处时，大曲率和薄壁带来振刀等问题使精度下降。但零件的加工精度为±0.15mm，在曲面加工中属于较高要求。
2.1加工难点
该零件有以下加工难点：
（1）材料表面强度高，切削时切削力大，对装夹刚性要求高，但由于型面扭曲，且为悬臂结构，如采取常规的加工手段，缺乏装夹定位基准不谈，振刀问题无法消除;
（2）零件整体为薄壁件，装夹容易变形，造成切削时装夹力和切削力互相冲突，往往松开装夹时零件回弹造成表面精度失效;
（3）零件边缘壁厚极薄（仅为0.163mm），切削时易振颤，由于振刀严重影响表面粗糙度，使得表面粗糙度难以满足设计要求，严重时可能由于表面啃刀造成零件报废;
（4）型面表面曲率变化大（型面沿X轴呈10°夹角，Y轴夹角变化接近60°）坡度较陡，造成以下问题：切削时由于曲率变化大，造成吃刀量，实际进给量急剧变化，使得切削力急剧变化。加工时容易产生振刀、过切等问题。如图3为0.2mm步距下，20°斜面与50°斜面实际切削距离对比，表一列出了各项参数值。
可见随着斜面角度的增加，实际切削长度及切削面积不断增加。
2.2解决措施
针对以上难点，采取了下列解决措施：
1、选取合理的装夹方案
工件在机床上的装夹精度是影响加工精度的重要因素，20%-60%的加工误差是由装夹引起的。因此合理选择装夹方案是满足零件精度要求的重要前提。此零件几何形状较为复杂，型面沿不同轴线扭转，需要通过设置工艺夹头以达到装夹目的。设置原则如下：
（1）夹头应满足装夹最优化原理，在装夹便捷可靠的前提下以最少的装夹次数达到零件的加工要求，减少装夹时带来的误差，使装夹可靠，稳定性强;
（2）工艺夹头应符合统一基准要求，便于加工时反复测量，实时监控装夹变形和切削变形情况，便于加工参数微调和后续三坐标检测;
（3）该零件为薄壁件，夹头设置应增强薄壁处的刚性，减少装夹变形并作为零件辅助支撑点。
结合以上原则，及零件外形特征，决定在展长方向连接块及翘尖角处分别设置尺寸为δ20×95×300、δ20×30×77的工艺夹头（图4）。这种方法设置的夹头具有以下优点：
（1）以夹头为基准，便于操作时寻找加工原点，也便于后期三坐标检测，而且只需正反两次装夹即可完成零件加工;
（2）鉴于零件加工时极易变形，加工过程中需实时监控零件变形情况，不断修夹头基准以控制零件变形，采用此方案设置夹头，便于加工时精修基准，满足加工需求; （3）零件翼尖处加工时易卷边，容易向内侧收缩变形，该处设置夹头（图5），通过一道加强筋连接翼尖曲面和夹头凸台，可以增加此处强度，减少翼尖收缩趋势，减少翼尖变形;
（4）由于此处尺寸小，需要使用较小的铣刀加工，为方便刀具落刀，夹头不宜设置过高。
2、选择合理的铣削方案，编制加工程序
由于该零件表面硬度高（HRC37～40），最小壁厚薄，加工时易过切、振颤，薄壁处加工后容易变形甚至卷边。需因此采取合适的铣削方案、加工参数是解决问题的关键，拟采用的铣削方案如下：
（1）从半精铣开始，每次铣削完成进行三坐标测量，检查铣削变形量，验证铣削参数及方案的合理性;
（2）在热处理后，进行两次半精铣，摸索加工参数，表二列出了两次半精铣时的加工参数，以计算变形量：
经检测，零件变形量均集中在薄壁及翼尖部分，陡坡处也有少量变形，因此调整切削参数，将零件划分为缓坡区域（曲面切线与夹头平面≤20°）、陡坡区域（曲面切线与夹头平面>20°）、薄壁区域（壁厚小于2mm）、翼尖区域四部分（图6），针对性的采用不同切削参数，表三列出了四个区域在不同切削参数下的变形情况：
由表三知，在上述切削参数下零件符合型面要求（±0.15mm）。
（3）针对四个区域分别选用不用的加工参数及铣削方式：
缓坡区域：由于此处壁厚较厚，刚性好，坡度小，不易发生加工变形、振刀、过切等问题，采取爬面式铣削方案，步距设为0.15mm便能达到精度要求。
陡坡区域：由于其型面曲率变化大，刀具实际进给量大于设定值，型面末端切线与夹头平面成56°夹角，使步距增加76%，即步距0.15mm时，实际步距为0.26mm，使得加工时切削量增加，导致刀具振动甚至过切。经计算，陡坡区域步距设为0.08mm。
薄壁区域：由于其壁厚薄，易变形，并且连接整个缓坡区和陡坡区，加工曲率变化大。因此减少步距的同时，在爬面程序基础上，还需降低进给量。最终将步距调整为0.05mm，进给量设置为100mm/min。
翼尖区域：使用Φ6球头铣刀进行分层铣削，降低零件受到的轴向切削力，减少零件变形，以保证零件精度要求。
通过以上方案加工的零件，经三坐标检测，最终型面尺寸控制在±0.15mm以内，满足设计要求。
3结论
针对小翼的数控加工过程和结果进行分析，得出以下几点结论：
1、在加工前，应谨慎设置定位基准和装夹面，避免加工时产生振动，使得表面质量和加工精度下降;
2、加工时应考虑不同曲率下，数控编程所采取的不同的切削参数;
3、加工时应与三坐标曲面测量技术结合使用，通过反复测量加工结果，一步步自修正切削路径、参数，保证最优化;
参考文献：
[1]徐新胜.机械产品变异性控制及其若干关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2007.
[2]辛顺强，叶海潮，王聪康.航空薄壁件三维铣削过程的有限元仿真[J].制造技术与机床，2010.4
[3]胡志明，王仲奇，吴建军，楼文明.航空薄壁件铣削加工铣削力预测方法研究[J].机床与液压，2008，36（3）
[4]于金，杨贵武.航空薄壁件铣削有限元分析[J].机床与液压，2001，39（21）
[5]车发现.高强度铝合金航空薄壁件铣削加工变形控制的工艺研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.
[6]万敏，张卫红.薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究[J].航空学报，2005，26（5）
作者簡介：
易通（1984.11），男 汉族 江西景德镇人，本科，工程师，从事机械制造，数控编程。
（作者单位：1 中航工业直升机设计研究所）
【关键词】大曲率;薄壁;曲面;数控加工
【Abstract】Thin-walled parts are always difficult problems in machining due to their poor rigidity and easy deformation.While the processing of large curvature thin wall surface not only needs to consider thin wall，for the surface machining precision control is also a problem，when the surface is large curvature，the use of CNC program and processing program need to be adapted to change.Therefore，the research on the processing method of thin-walled surface with large curvature can not only control the processing accuracy，but also increase the processing efficiency，which has a good reference to the general surface processing and thin-walled parts processing
【Key words】large curvature，thin-wall parts，surface，processing technology
1引言
随着时代的进步，航空、汽车、消费品等领域对产品表面美观、重量等要求越来越高，产品越来越多的使用了复杂曲面和薄壁设计，这使得大曲率曲面、薄壁类零件越来越多的出现在加工行业，给数控技术人员带来困扰。
随着计算机编程技术和机床的进步，曲面加工、薄壁加工作为传统难题，已经逐步解决，但当大曲率复杂曲面与薄壁构型同时出现，问题变得复杂。此时，除需要过硬的编程技术、稳定的机床外，还需要对数控加工原理，曲面几何形状解析进行研究，本文以某模型飞机小翼加工为例，对此类零件加工所需注意的一些基本事項和技巧进行探索和研究。
2.小翼数控加工技术研究
小翼（图1）材料为30CrMnSiA，抗拉强度σb=1080MPa，其展长213.37mm，弦向尺寸283.36mm，高度落差87.87mm。通过观察数模可知，零件在XY、XZ、YZ三个平面上均有转角，相对基准面小端的曲率远大于大端，壁厚分布不均匀，壁厚最薄处仅有0.163mm，加工此处时，大曲率和薄壁带来振刀等问题使精度下降。但零件的加工精度为±0.15mm，在曲面加工中属于较高要求。
2.1加工难点
该零件有以下加工难点：
（1）材料表面强度高，切削时切削力大，对装夹刚性要求高，但由于型面扭曲，且为悬臂结构，如采取常规的加工手段，缺乏装夹定位基准不谈，振刀问题无法消除;
（2）零件整体为薄壁件，装夹容易变形，造成切削时装夹力和切削力互相冲突，往往松开装夹时零件回弹造成表面精度失效;
（3）零件边缘壁厚极薄（仅为0.163mm），切削时易振颤，由于振刀严重影响表面粗糙度，使得表面粗糙度难以满足设计要求，严重时可能由于表面啃刀造成零件报废;
（4）型面表面曲率变化大（型面沿X轴呈10°夹角，Y轴夹角变化接近60°）坡度较陡，造成以下问题：切削时由于曲率变化大，造成吃刀量，实际进给量急剧变化，使得切削力急剧变化。加工时容易产生振刀、过切等问题。如图3为0.2mm步距下，20°斜面与50°斜面实际切削距离对比，表一列出了各项参数值。
可见随着斜面角度的增加，实际切削长度及切削面积不断增加。
2.2解决措施
针对以上难点，采取了下列解决措施：
1、选取合理的装夹方案
工件在机床上的装夹精度是影响加工精度的重要因素，20%-60%的加工误差是由装夹引起的。因此合理选择装夹方案是满足零件精度要求的重要前提。此零件几何形状较为复杂，型面沿不同轴线扭转，需要通过设置工艺夹头以达到装夹目的。设置原则如下：
（1）夹头应满足装夹最优化原理，在装夹便捷可靠的前提下以最少的装夹次数达到零件的加工要求，减少装夹时带来的误差，使装夹可靠，稳定性强;
（2）工艺夹头应符合统一基准要求，便于加工时反复测量，实时监控装夹变形和切削变形情况，便于加工参数微调和后续三坐标检测;
（3）该零件为薄壁件，夹头设置应增强薄壁处的刚性，减少装夹变形并作为零件辅助支撑点。
结合以上原则，及零件外形特征，决定在展长方向连接块及翘尖角处分别设置尺寸为δ20×95×300、δ20×30×77的工艺夹头（图4）。这种方法设置的夹头具有以下优点：
（1）以夹头为基准，便于操作时寻找加工原点，也便于后期三坐标检测，而且只需正反两次装夹即可完成零件加工;
（2）鉴于零件加工时极易变形，加工过程中需实时监控零件变形情况，不断修夹头基准以控制零件变形，采用此方案设置夹头，便于加工时精修基准，满足加工需求; （3）零件翼尖处加工时易卷边，容易向内侧收缩变形，该处设置夹头（图5），通过一道加强筋连接翼尖曲面和夹头凸台，可以增加此处强度，减少翼尖收缩趋势，减少翼尖变形;
（4）由于此处尺寸小，需要使用较小的铣刀加工，为方便刀具落刀，夹头不宜设置过高。
2、选择合理的铣削方案，编制加工程序
由于该零件表面硬度高（HRC37～40），最小壁厚薄，加工时易过切、振颤，薄壁处加工后容易变形甚至卷边。需因此采取合适的铣削方案、加工参数是解决问题的关键，拟采用的铣削方案如下：
（1）从半精铣开始，每次铣削完成进行三坐标测量，检查铣削变形量，验证铣削参数及方案的合理性;
（2）在热处理后，进行两次半精铣，摸索加工参数，表二列出了两次半精铣时的加工参数，以计算变形量：
经检测，零件变形量均集中在薄壁及翼尖部分，陡坡处也有少量变形，因此调整切削参数，将零件划分为缓坡区域（曲面切线与夹头平面≤20°）、陡坡区域（曲面切线与夹头平面>20°）、薄壁区域（壁厚小于2mm）、翼尖区域四部分（图6），针对性的采用不同切削参数，表三列出了四个区域在不同切削参数下的变形情况：
由表三知，在上述切削参数下零件符合型面要求（±0.15mm）。
（3）针对四个区域分别选用不用的加工参数及铣削方式：
缓坡区域：由于此处壁厚较厚，刚性好，坡度小，不易发生加工变形、振刀、过切等问题，采取爬面式铣削方案，步距设为0.15mm便能达到精度要求。
陡坡区域：由于其型面曲率变化大，刀具实际进给量大于设定值，型面末端切线与夹头平面成56°夹角，使步距增加76%，即步距0.15mm时，实际步距为0.26mm，使得加工时切削量增加，导致刀具振动甚至过切。经计算，陡坡区域步距设为0.08mm。
薄壁区域：由于其壁厚薄，易变形，并且连接整个缓坡区和陡坡区，加工曲率变化大。因此减少步距的同时，在爬面程序基础上，还需降低进给量。最终将步距调整为0.05mm，进给量设置为100mm/min。
翼尖区域：使用Φ6球头铣刀进行分层铣削，降低零件受到的轴向切削力，减少零件变形，以保证零件精度要求。
通过以上方案加工的零件，经三坐标检测，最终型面尺寸控制在±0.15mm以内，满足设计要求。
3结论
针对小翼的数控加工过程和结果进行分析，得出以下几点结论：
1、在加工前，应谨慎设置定位基准和装夹面，避免加工时产生振动，使得表面质量和加工精度下降;
2、加工时应考虑不同曲率下，数控编程所采取的不同的切削参数;
3、加工时应与三坐标曲面测量技术结合使用，通过反复测量加工结果，一步步自修正切削路径、参数，保证最优化;
参考文献：
[1]徐新胜.机械产品变异性控制及其若干关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2007.
[2]辛顺强，叶海潮，王聪康.航空薄壁件三维铣削过程的有限元仿真[J].制造技术与机床，2010.4
[3]胡志明，王仲奇，吴建军，楼文明.航空薄壁件铣削加工铣削力预测方法研究[J].机床与液压，2008，36（3）
[4]于金，杨贵武.航空薄壁件铣削有限元分析[J].机床与液压，2001，39（21）
[5]车发现.高强度铝合金航空薄壁件铣削加工变形控制的工艺研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.
[6]万敏，张卫红.薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究[J].航空学报，2005，26（5）
作者簡介：
易通（1984.11），男 汉族 江西景德镇人，本科，工程师，从事机械制造，数控编程。
（作者单位：1 中航工业直升机设计研究所）