隨著高速切削加工機(jī)床和刀具的快速發(fā)展契吉，高速切削加工以其加工效率高漠其、切削力小躯肌、工件的熱變形和熱膨脹小者春、加工表面質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)效益高及適宜加工復(fù)雜和細(xì)長薄壁件等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)首先在航空航天整體結(jié)構(gòu)件的加工中得到了廣泛的應(yīng)用清女。本文分析和討論了高速切削加工整體結(jié)構(gòu)件中钱烟，影響加工質(zhì)量和加工效率的因素包括刀具選擇、切削加工參數(shù)嫡丙、走刀策略昆颇、裝夾方式等的問題。 

　　隨著現(xiàn)代飛機(jī)忠帝、航天器性能要求的不斷提高侣赘，許多骨架零件尤其是主承力結(jié)構(gòu)件（如飛機(jī)的大梁、隔框涝猩、壁板频澜；火箭的整流罩、艙體和戰(zhàn)略武器戰(zhàn)斗部殼體等）普遍采用由大型整塊毛坯直接“掏空”而加工成復(fù)雜槽腔期司、筋條试授、凸臺(tái)和減輕孔等整體結(jié)構(gòu)件。整體結(jié)構(gòu)件體積大闭廊、壁薄辈畜、剛度差、易變形典义、切削加工余量大洽腊，加工周期長，加工質(zhì)量和精度很難控制藕各，對(duì)此類航空整體結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)高精度池摧、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造業(yè)面臨的一個(gè)重要課題。

切削刀具的選擇

　　飛機(jī)機(jī)體的 60%～70%為加入Si激况、Cu作彤、Mn等合金元素的7075、7050誉碴、2024宦棺、6061類熱處理預(yù)拉伸變形鋁合金材料，物理和機(jī)械性能如表1所示。其硬度與熔點(diǎn)低代咸，具有極好的易切性蹈丸，但切削時(shí)容易粘刀、產(chǎn)生積屑瘤呐芥，降低了加工表面質(zhì)量逻杖。同時(shí)隨著鋁合金硅含量的增加，加工難度也增大思瘟。鈦合金具有比強(qiáng)度和熱強(qiáng)度高荸百、耐腐蝕性能好和低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)上的許多構(gòu)件上耻胖，如發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件债竖、骨架、緊固件肌顾、起落架姨猖、壁板等。鈦合金屬于難加工材料冕盅，其導(dǎo)熱性差漆逐、化學(xué)活性大、彈性模量小宇颊，在高速加工中有切削溫度很高撬替、單位面積上切削力大、加工冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重传悍、刀具易磨損等缺點(diǎn)梦柬。

　　基于航空鋁、鈦合金等材料的性能特點(diǎn)帕恩，選擇與之合理匹配的刀具材料和幾何參數(shù)是決定切削性能優(yōu)劣的關(guān)鍵谋旦。

刀具材料的選擇 

　　高速切削加工的刀具材料除了滿足高硬度剩失、耐磨性屈尼、強(qiáng)度、韌性拴孤、抗氧化性及抗粘結(jié)性脾歧、工藝性和經(jīng)濟(jì)性的要求外，還應(yīng)具備高的耐熱性演熟、抗熱沖擊性鞭执，良好的高溫力學(xué)性能和高可靠性。不同的刀具材料芒粹，適用加工的工件材料不同兄纺。PCD刀具耐磨性、導(dǎo)熱性、刀刃鋒利性好估脆，硬度高钦奋，是高速加工鋁合金最廣泛采用的刀具材料。鋁合金中含硅量不同疙赠，PCD刀片的粒度也不同付材。加工硅含量<12%的鋁合金，選擇PCD刀片的粒徑為8～9?m鼠废；而加工硅含量>12%的高硅鋁合金帜焰，PCD粒徑為10～25?m時(shí)加工效果最好。涂層硬質(zhì)合金和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具加工鋁合金也可達(dá)到很好的效果络蜘。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)件中常見鋁合金復(fù)雜型面的高速切削加工味爷，多采用整體超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金加工。一般不用氧化鋁基陶瓷刀具加工鋁合金与沪，因?yàn)殇X與氧化鋁基陶瓷的化學(xué)親和力易產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象稍呛。

　　選擇加工鈦合金刀具的材料時(shí)，應(yīng)從降低切削溫度和減少粘結(jié)磨損兩方面考慮吹对，選用紅硬性好邀曲、抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好暮戏、與鈦合金化學(xué)親和力差的材料撕拇。普通涂層刀具加工鈦合金磨損較為嚴(yán)重，天然金剛石刀具的加工效果很好垃散，但受成本制約豌熄，無法得到廣泛應(yīng)用。與普通硬質(zhì)合金刀具相比物咳，TiN涂層硬質(zhì)合金刀具锣险、PCD刀具高速切削加工鈦及鈦合金的效果較好。通常切削鈦及其合金選用的刀具材料以不含或少含TiC的硬質(zhì)合金刀具為主览闰。大量試驗(yàn)證明芯肤，YT（P）類硬質(zhì)合金加工時(shí)磨損嚴(yán)重。目前主要采用YG類硬質(zhì)合金刀具（YG8压鉴、YG3崖咨、YG6X等）和PCD切削鈦及合金，在乳化液冷卻的條件下油吭，切削速度可達(dá) 200m/min击蹲。對(duì)于加工鈦合金用的多刃、復(fù)雜刀具婉宰，可選用高速鋼類材料歌豺，如生產(chǎn)中常用的高釩高速鋼W12Cr4V4Mo推穷，鋁高速鋼 W6Mo5Cr4V2Al等。

幾何參數(shù)的選擇 

　　鋁合金的高速切削加工宁路，速度很高懊霹，刀具前刀面溫升高，前角比常規(guī)切削時(shí)的刀具前角約小10°踏旷，后角稍大約5°～8°凹田，主副切削刃連接處需修圓或?qū)Ы牵栽龃蟮都饨呛偷毒叩纳狍w積糜谒，防止刀尖處的熱磨損链坝，減少刀刃破損的概率。在PCD刀具超高速切削鋁合金時(shí)狸岁，切削厚度較小饿婴，屬于微量切削，后角及后刀面對(duì)加工質(zhì)量的影響較大泛滔，刀具最佳前角為12° ～15°腌馒，后角為13°～15°，以減小徑向切削力寡花。鈦合金塑性低掐划、切屑與前刀面的接觸長度短，應(yīng)選用小前角昼钻，以增加切屑與前刀面的接觸面積掸屡，改善散熱條件，加強(qiáng)切削刃然评，一般取g0=5°～15°仅财。從提高刀具壽命和切削加工的表面質(zhì)量考慮，鈦合金加工應(yīng)盡可能選用大后角a0=8°～15°碗淌。不同的刀具材料盏求，不同的加工質(zhì)量要求，刀具的最佳幾何參數(shù)也隨之變化亿眠。例如碎罚，硬質(zhì)合金刀具粗加工鈦合金時(shí)前角g0=-6°～6°效果最佳，精加工時(shí)g0=0～15°缕探；而高速鋼刀具加工時(shí)前角g0=5°～15°魂莫，后角a0則一般取12°左右还蹲。

切削參數(shù)與切削方式

　　高速切削加工整體結(jié)構(gòu)件時(shí)爹耗，一般采用順銑方式加工，刀具緩慢切入工件谜喊，以降低產(chǎn)生的熱量并減小徑向力劣秦。例如王菲，在銑削鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）時(shí)多采用不對(duì)稱順銑法，使刀齒前面遠(yuǎn)離刀尖部分首先接觸工件蔼邓，刀齒切離時(shí)的切屑很薄羽矮，不易粘結(jié)在切削刃上。而逆銑則相反侨懈，容易粘屑痪蚤，當(dāng)?shù)洱X再次切入時(shí)切屑被碰斷，造成刀具材料剝落崩刃凄系。其次穴肄，盡可能保持穩(wěn)定的切削負(fù)載，因?yàn)樨?fù)載的變化會(huì)引起刀具的偏斜量票，從而降低加工精度和表面質(zhì)量人度，并縮短刀具壽命。最后来讯，大去除量的整體結(jié)構(gòu)件加工（如大型件的槽加工）時(shí)拉氧，一般采用分層切削，小切深舶得，中進(jìn)給掰烟。在加工內(nèi)部型腔時(shí)，當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)到拐角處時(shí)沐批，采用擺線切削媚赖，可避免切削力突然增大，否則產(chǎn)生的熱量會(huì)破壞材料的性能珠插。

　　目前在航空制造業(yè)的高速加工中惧磺，鈦合金的切削速度可達(dá)到90m/min以上，鋁合金的切削速度達(dá)1500～6000m/min捻撑。在此速度范圍加工鋁合金時(shí)磨隘，切削溫度高于積屑瘤消失的相應(yīng)溫度，有效地避免了積屑瘤的產(chǎn)生顾患，提高了加工表面質(zhì)量番捂。同時(shí)，鋁合金含硅量越高江解，切削速度應(yīng)越低设预，加工高硅鋁合金時(shí)切削速度在300～1500m/min時(shí)加工效果較好。

　　通常采用的切削方案為：高切削速度废筒、中進(jìn)給量和小切削深度焦忌。但實(shí)際加工中，并不是切削速度越高棉挤，效果越好绳粮，要對(duì)工件跃躯、刀具以及設(shè)備綜合考慮制訂合理的加工方案。例如需天，某航空制造公司生產(chǎn)的某飛機(jī)機(jī)翼上零件（鋁合金7050）薄壁型腔內(nèi)唯久，有兩個(gè)凸臺(tái)孔，如圖1所示猩禀。采用硬質(zhì)合金立銑刀吕罩，切削速度v= 1300m/min，進(jìn)給量fz=0.5mm/z躯橡、切深ap=3～5mm浩淹，往復(fù)走刀越過凸臺(tái)孔方式加工，加工成本過高丈轻。經(jīng)工藝改進(jìn)后井辜，在A區(qū)域采用高速鋼刀具，切削速度v=800m/min左右管闷，大切深ap=10mm粥脚，粗加工后到凸臺(tái)孔位置，更換硬質(zhì)合金刀具對(duì)B區(qū)域進(jìn)行高速銑削加工包个，不僅可保證加工效率刷允、表面精度，且降低了成本碧囊。

走刀策略

　　航空結(jié)構(gòu)件加工的效率和工件變形很大程度上取決于加工的走刀路徑树灶。高速切削要保證刀位路徑的方向性，即盡可能簡化糯而，少轉(zhuǎn)折點(diǎn)天通，路徑盡量平滑，減少急速轉(zhuǎn)向熄驼。

　　在保證加工精度的前提下像寒，應(yīng)減少空走刀時(shí)間，盡可能增加切削時(shí)間在整個(gè)工件中的比例瓜贾，以提高加工效率会贝。國內(nèi)目前航空業(yè)的高速切削加工主要采用回路切削，通過不中斷切削過程和刀具路徑誊殊，減少刀具的切入和切出次數(shù)跺鬼，獲得穩(wěn)定、高效鱼练、高精度的切削過程墩沸。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)件中常見的薄壁框體零件，采用單一的環(huán)切伟铸、螺旋切削時(shí)迟书，腹板變形很難控制覆首，而采用分步環(huán)切法走刀后厘沉，通過零件未加工部分自身的剛性伴罢，可達(dá)到減小腹板變形的目的。 

　　另外护丢，在航空挚性、航天的大型復(fù)雜曲面高速切削加工中，曲面曲率變化大時(shí)砂沛，應(yīng)以最大曲率半徑方向作為最優(yōu)走刀方向烫扼，曲面曲率變化小時(shí)，曲率半徑對(duì)走刀方向的影響減弱碍庵，宜選擇單條刀軌平均長度最長的走刀方向映企。

裝夾方式

　　航空整體結(jié)構(gòu)件大多為表面由數(shù)個(gè)槽腔和孔組成的雙面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械加工時(shí)裝夾困難静浴、易產(chǎn)生加工變形堰氓、表面加工質(zhì)量很難控制。在實(shí)際裝夾時(shí)應(yīng)考慮滿足翻面加工時(shí)能提供較好的定位和支撐苹享、較薄的結(jié)構(gòu)能提供輔助支撐双絮、外輪廓加工時(shí)能連續(xù)進(jìn)行切削等要求。從壓緊調(diào)整得问、結(jié)構(gòu)調(diào)整囤攀、定位調(diào)整幾個(gè)方面考慮，目前航空制造業(yè)普遍采用的裝夾方式有機(jī)械宫纬、液壓可調(diào)夾具焚挠、真空吸附裝夾等幾種。

　　壓緊調(diào)整可利用液壓可調(diào)夾具漓骚，即壓板在零件加工過程中可以松開研矗，并可移出刀具加工區(qū)，保證刀具切削軌跡的連續(xù)性夷硅，刀具切過壓緊位置后芒浪，夾具系統(tǒng)再使壓板返回原來的壓緊位置静檬；結(jié)構(gòu)調(diào)整是利用改變或更換夾具的部分組件以適應(yīng)不同零件的加工裝夾要求痴颊，如可換基礎(chǔ)墊板、組合夾具等掺胖。實(shí)現(xiàn)良好的定位調(diào)整方式比較復(fù)雜价忙，國外的航空業(yè)正采用一種新的裝夾方式——電控永磁吸盤裝夾住建，水平與高度都可以移動(dòng)，加工時(shí)工件無需重復(fù)裝夾與定位皮围，很好的解決了定位調(diào)整的問題逆辐，但成本較高达快。

　　目前國內(nèi)航空結(jié)構(gòu)件的裝夾存在憑經(jīng)驗(yàn)來確定裝夾力大小、位置及作用順序唧尊，沒有考慮高速切削熱力耦合對(duì)工件變形的影響等問題甸胃，很難保證工件的加工精度，并給加工后的工件校形帶來很大的困難跪另。同時(shí)由于航空件自身結(jié)構(gòu)的特殊性拧抖，在實(shí)際裝夾中存在許多問題。例如免绿，大厚度（50mm以上）整體結(jié)構(gòu)件在機(jī)床上粗加工的裝夾唧席，若采用真空吸附方式，由于夾緊力小難以與夾具定位面緊密貼合嘲驾；若采用壓板壓緊淌哟，在基準(zhǔn)面加工時(shí)，零件的后續(xù)定位產(chǎn)生偏差辽故，產(chǎn)生整體加工變形徒仓；另外雙面結(jié)構(gòu)件在加工中，有些加工部位缺少支撐榕暇，容易產(chǎn)生局部加工變形而導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)厚度難于控制蓬衡；國內(nèi)常采用的預(yù)留工藝凸臺(tái)方法加工剛度差的薄壁件，造成材料的浪費(fèi)彤枢；若在零件內(nèi)部壓緊狰晚，被壓緊的薄壁部位可能對(duì)零件產(chǎn)生變形甚至損傷，很難達(dá)到理想效果须彼。在高速切削加工航空整體結(jié)構(gòu)件的裝夾方面乒萝，還需要做大量的研究工作。 

　　高速切削技術(shù)被廣泛應(yīng)用在航空制造業(yè)司箫，但整體件自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性想预，高速切削時(shí)刀具的選擇、切削參數(shù)的選用以及走刀策略和裝夾方式是高速切削加工成功應(yīng)用的關(guān)鍵绕众，本文通過對(duì)以上問題的分析和討論得到：①基于航空整體結(jié)構(gòu)件的常用材料的性能特點(diǎn)瞪卜，分析了高速切削加工航空整體結(jié)構(gòu)件刀具材料及幾何角度的選擇，給出了鋁合金姆已、鈦合金加工中合理的刀具材料和幾何角度畴文。②航空整體結(jié)構(gòu)件高速銑削時(shí)一般采用順銑加工方式，并保持切削負(fù)載穩(wěn)定急响，切削加工時(shí)綜合考慮切削速度删猿、進(jìn)給量和切削深度對(duì)切削效率和加工變形的影響，并不過分追求高的切削速度。③對(duì)于加工中的走刀策略進(jìn)行了分析隅本，討論了分布環(huán)切法以及對(duì)不同曲率的復(fù)雜曲面的最大曲率半徑方向或單條刀軌平均長度最長走刀实愚，通過合理的走刀策略，控制加工中的變形問題兔辅。④針對(duì)航空整體結(jié)構(gòu)件裝夾困難腊敲、易變形的現(xiàn)狀，從壓緊調(diào)整幢妄、結(jié)構(gòu)調(diào)整兔仰、定位調(diào)整的角度對(duì)目前的機(jī)械茫负、液壓蕉鸳、真空吸附等裝夾方式的優(yōu)劣進(jìn)行了分析，指出了現(xiàn)有裝夾方式在裝夾中普遍存在的問題忍法。

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