1引言
隨著現(xiàn)代飛機(jī)牛欢、航天器性能要求的不斷提高脂性，許多骨架零件尤其是主承力結(jié)構(gòu)件(如飛機(jī)的大梁尘是、隔框、壁板寂疏；火箭的整流罩场暮、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、筋條忱徙、凸臺(tái)和減輕孔等整體結(jié)構(gòu)件迁枪。整體結(jié)構(gòu)件體積大、壁薄缭慈、剛度差冲肖、易變形、切削加工余量大涯捻，加工周期長(zhǎng)浅妆，加工質(zhì)量和精度很難控制，對(duì)此類(lèi)航空整體結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)高精度障癌、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)重要課題凌外。
隨著高速切削加工機(jī)床和刀具的快速發(fā)展辩尊，高速切削加工以其加工效率高、切削力小趴乡、工件的熱變形和熱膨脹小对省、加工表面質(zhì)量好蝗拿、經(jīng)濟(jì)效益高及適宜加工復(fù)雜和細(xì)長(zhǎng)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)用晾捏。本文分析和討論了高速切削加工整體結(jié)構(gòu)件中，影響加工質(zhì)量和加工效率的因素包括刀具選擇哀托、切削加工參數(shù)惦辛、走刀策略、裝夾方式等的問(wèn)題仓手。
2 切削刀具的選擇
飛機(jī)機(jī)體的 60%～70%為加入Si胖齐、Cu、Mn等合金元素的7075董纺、7050茎冒、2024、6061類(lèi)熱處理預(yù)拉伸變形鋁合金材料吆律，物理和機(jī)械性能如表1所示宠璧。其硬度與熔點(diǎn)低，具有極好的易切性妈务，但切削時(shí)容易粘刀姊黍、產(chǎn)生積屑瘤，降低了加工表面質(zhì)量钓宗。同時(shí)隨著鋁合金硅含量的增加沃铣，加工難度也增大。鈦合金具有比強(qiáng)度和熱強(qiáng)度高构胰、耐腐蝕性能好和低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)暴彻，被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)上的許多構(gòu)件上，如發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件莱衍、骨架芋沽、緊固件、起落架七冲、壁板等痛倚。鈦合金屬于難加工材料，其導(dǎo)熱性差澜躺、化學(xué)活性大蝉稳、彈性模量小，在高速加工中有切削溫度很高掘鄙、單位面積上切削力大耘戚、加工冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重嗡髓、刀具易磨損等缺點(diǎn)。
基于航空鋁收津、鈦合金等材料的性能特點(diǎn)饿这，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。
表1 航空鋁合金材料的物理與機(jī)械性能
鋁合金
牌號(hào)及
狀態(tài) |
熱膨脹系
數(shù)(20～
100)℃ |
熔點(diǎn)范圍
(℃) |
電導(dǎo)率
(20℃) |
電阻率
(20℃) |
拉伸強(qiáng)度
(25℃MPa) |
屈服強(qiáng)度
(25℃MPa) |
| 7050-T7451 |
23.5 |
490-630 |
41 |
0.0415 |
510 |
455 |
| 7075-T651 |
23.6 |
475-635 |
33 |
0.0515 |
572 |
503 |
| 2024-T351 |
23.2 |
500-635 |
30 |
0.058 |
470 |
325 |
| 6061-T651 |
23.6 |
580-650 |
43 |
0.040 |
310 |
276 |
- 刀具材料的選擇
- 高速切削加工的刀具材料除了滿(mǎn)足高硬度撞秋、耐磨性长捧、強(qiáng)度、韌性吻贿、抗氧化性及抗粘結(jié)性秩纹、工藝性和經(jīng)濟(jì)性的要求外，還應(yīng)具備高的耐熱性萎丘、抗熱沖擊性园撵，良好的高溫力學(xué)性能和高可靠性。不同的刀具材料另款，適用加工的工件材料不同石沸。PCD刀具耐磨性、導(dǎo)熱性询嘹、刀刃鋒利性好庵动，硬度高，是高速加工鋁合金最廣泛采用的刀具材料悬坎。鋁合金中含硅量不同定桃，PCD刀片的粒度也不同。加工硅含量<12%的鋁合金伸义，選擇PCD刀片的粒徑為8～9μm何别；而加工硅含量>12%的高硅鋁合金，PCD粒徑為10～25μm時(shí)加工效果最好胯恤。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)到很好的效果挥萌。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)件中常見(jiàn)鋁合金復(fù)雜型面的高速切削加工，多采用整體超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金加工枉侧。一般不用氧化鋁基陶瓷刀具加工鋁合金引瀑，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。
- 選擇加工鈦合金刀具的材料時(shí)榨馁，應(yīng)從降低切削溫度和減少粘結(jié)磨損兩方面考慮憨栽，選用紅硬性好、抗彎強(qiáng)度高翼虫、導(dǎo)熱性能好屑柔、與鈦合金化學(xué)親和力差的材料。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掸宛，但受成本制約死陆，無(wú)法得到廣泛應(yīng)用。與普通硬質(zhì)合金刀具相比唧瘾，TiN涂層硬質(zhì)合金刀具措译、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)合金刀具為主禀丁。大量試驗(yàn)證明翼辱，YT(P)類(lèi)硬質(zhì)合金加工時(shí)磨損嚴(yán)重。目前主要采用YG類(lèi)硬質(zhì)合金刀具(YG8牌君、YG3捅腋、YG6X等)和PCD切削鈦及合金肯矾，在乳化液冷卻的條件下截剩，切削速度可達(dá) 200m/min。對(duì)于加工鈦合金用的多刃界赦、復(fù)雜刀具诬忱，可選用高速鋼類(lèi)材料，如生產(chǎn)中常用的高釩高速鋼W12Cr4V4Mo焰箩，鋁高速鋼 W6Mo5Cr4V2Al等疚编。
- 幾何參數(shù)的選擇
- 鋁合金的高速切削加工，速度很高影晋，刀具前刀面溫升高在膏，前角比常規(guī)切削時(shí)的刀具前角約小10°，后角稍大約5°～8°镜会，主副切削刃連接處需修圓或?qū)Ы敲始牛栽龃蟮都饨呛偷毒叩纳狍w積，防止刀尖處的熱磨損戳表，減少刀刃破損的概率桶至。在PCD刀具超高速切削鋁合金時(shí)，切削厚度較小匾旭，屬于微量切削镣屹，后角及后刀面對(duì)加工質(zhì)量的影響較大，刀具最佳前角為12° ～15°价涝，后角為13°～15°女蜈，以減小徑向切削力。鈦合金塑性低色瘩、切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度短伪窖，應(yīng)選用小前角，以增加切屑與前刀面的接觸面積泞遗，改善散熱條件惰许，加強(qiáng)切削刃席覆，一般取g0=5°～15°。從提高刀具壽命和切削加工的表面質(zhì)量考慮胜玖，鈦合金加工應(yīng)盡可能選用大后角a0=8°～15°袄优。不同的刀具材料，不同的加工質(zhì)量要求竿疫，刀具的最佳幾何參數(shù)也隨之變化紫掷。例如，硬質(zhì)合金刀具粗加工鈦合金時(shí)前角g0=-6°～6°效果最佳胃争，精加工時(shí)g0=0～15°伯梧；而高速鋼刀具加工時(shí)前角g0=5°～15°，后角a0則一般取12°左右所讶。
3 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)惊眠，一般采用順銑方式加工，刀具緩慢切入工件妄温，以降低產(chǎn)生的熱量并減小徑向力尖鲜。例如，在銑削鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)時(shí)多采用不對(duì)稱(chēng)順銑法瓷莽，使刀齒前面遠(yuǎn)離刀尖部分首先接觸工件宣璧，刀齒切離時(shí)的切屑很薄，不易粘結(jié)在切削刃上溃卡。而逆銑則相反溢豆，容易粘屑，當(dāng)?shù)洱X再次切入時(shí)切屑被碰斷瘸羡，造成刀具材料剝落崩刃漩仙。其次，盡可能保持穩(wěn)定的切削負(fù)載最铁，因?yàn)樨?fù)載的變化會(huì)引起刀具的偏斜讯赏，從而降低加工精度和表面質(zhì)量，并縮短刀具壽命冷尉。最后漱挎，大去除量的整體結(jié)構(gòu)件加工(如大型件的槽加工)時(shí)，一般采用分層切削雀哨，小切深磕谅，中進(jìn)給。在加工內(nèi)部型腔時(shí)雾棺，當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)到拐角處時(shí)膊夹，采用擺線(xiàn)切削，可避免切削力突然增大，否則產(chǎn)生的熱量會(huì)破壞材料的性能邀敲。
目前在航空制造業(yè)的高速加工中恰印，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珍媚。在此速度范圍加工鋁合金時(shí)瓢圈，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)生尼布，提高了加工表面質(zhì)量珊场。同時(shí)，鋁合金含硅量越高朦舟，切削速度應(yīng)越低逼酗，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：高切削速度投湿、中進(jìn)給量和小切削深度诽昨。但實(shí)際加工中，并不是切削速度越高褥民，效果越好季春，要對(duì)工件洗搂、刀具以及設(shè)備綜合考慮制訂合理的加工方案消返。例如，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)耘拇，有兩個(gè)凸臺(tái)孔撵颊，如圖1所示。采用硬質(zhì)合金立銑刀惫叛，切削速度v= 1300m/min倡勇，進(jìn)給量fz=0.5mm/z、切深ap=3～5mm嘉涌，往復(fù)走刀越過(guò)凸臺(tái)孔方式加工妻熊，加工成本過(guò)高。經(jīng)工藝改進(jìn)后仑最，在A區(qū)域采用高速鋼刀具扔役，切削速度v=800m/min左右，大切深ap=10mm警医，粗加工后到凸臺(tái)孔位置亿胸，更換硬質(zhì)合金刀具對(duì)B區(qū)域進(jìn)行高速銑削加工，不僅可保證加工效率酱晾、表面精度国产，且降低了成本。
4 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。高速切削要保證刀位路徑的方向性拼固，即盡可能簡(jiǎn)化雹纤，少轉(zhuǎn)折點(diǎn)，路徑盡量平滑今攀，減少急速轉(zhuǎn)向足沥。
在保證加工精度的前提下，應(yīng)減少空走刀時(shí)間妈削，盡可能增加切削時(shí)間在整個(gè)工件中的比例轿跌，以提高加工效率。國(guó)內(nèi)目前航空業(yè)的高速切削加工主要采用回路切削逮碾，通過(guò)不中斷切削過(guò)程和刀具路徑汪兢，減少刀具的切入和切出次數(shù)，獲得穩(wěn)定辞槐、高效掷漱、高精度的切削過(guò)程。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)件中常見(jiàn)的薄壁框體零件榄檬，采用單一的環(huán)切卜范、螺旋切削時(shí)，腹板變形很難控制鹿榜，而采用分步環(huán)切法走刀后海雪，通過(guò)零件未加工部分自身的剛性，可達(dá)到減小腹板變形的目的舱殿。
另外奥裸，在航空、航天的大型復(fù)雜曲面高速切削加工中沪袭，曲面曲率變化大時(shí)湾宙，應(yīng)以最大曲率半徑方向作為最優(yōu)走刀方向，如圖2a所示冈绊；曲面曲率變化小時(shí)侠鳄，曲率半徑對(duì)走刀方向的影響減弱，宜選擇單條刀軌平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)的走刀方向死宣，如圖2b所示枕捺。
5 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)裝夾困難散氧、易產(chǎn)生加工變形私闭、表面加工質(zhì)量很難控制。在實(shí)際裝夾時(shí)應(yīng)考慮滿(mǎn)足翻面加工時(shí)能提供較好的定位和支撐睬嘿、較薄的結(jié)構(gòu)能提供輔助支撐宽用、外輪廓加工時(shí)能連續(xù)進(jìn)行切削等要求闭榛。從壓緊調(diào)整、結(jié)構(gòu)調(diào)整跌缩、定位調(diào)整幾個(gè)方面考慮衍肥，目前航空制造業(yè)普遍采用的裝夾方式有機(jī)械、液壓可調(diào)夾具雀肠、真空吸附裝夾等幾種刀念。
壓緊調(diào)整可利用液壓可調(diào)夾具，即壓板在零件加工過(guò)程中可以松開(kāi)胁会，并可移出刀具加工區(qū)贺潜，保證刀具切削軌跡的連續(xù)性，刀具切過(guò)壓緊位置后施绎，夾具系統(tǒng)再使壓板返回原來(lái)的壓緊位置溯革；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，如可換基礎(chǔ)墊板谷醉、組合夾具等致稀。實(shí)現(xiàn)良好的定位調(diào)整方式比較復(fù)雜，國(guó)外的航空業(yè)正采用一種新的裝夾方式——電控永磁吸盤(pán)裝夾俱尼，水平與高度都可以移動(dòng)抖单，加工時(shí)工件無(wú)需重復(fù)裝夾與定位，很好的解決了定位調(diào)整的問(wèn)題遇八，但成本較高矛绘。
目前國(guó)內(nèi)航空結(jié)構(gòu)件的裝夾存在憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定裝夾力大小、位置及作用順序押蚤，沒(méi)有考慮高速切削熱力耦合對(duì)工件變形的影響等問(wèn)題蔑歌，很難保證工件的加工精度，并給加工后的工件校形帶來(lái)很大的困難［24］揽碘。同時(shí)由于航空件自身結(jié)構(gòu)的特殊性，在實(shí)際裝夾中存在許多問(wèn)題脆逊。例如稀掠，大厚度(50mm以上)整體結(jié)構(gòu)件在機(jī)床上粗加工的裝夾，若采用真空吸附方式棒鞍，由于夾緊力小難以與夾具定位面緊密貼合幽滤；若采用壓板壓緊，在基準(zhǔn)面加工時(shí)崖蟀，零件的后續(xù)定位產(chǎn)生偏差哼沃，產(chǎn)生整體加工變形；另外雙面結(jié)構(gòu)件在加工中吹迎，有些加工部位缺少支撐床候，容易產(chǎn)生局部加工變形而導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)厚度難于控制溃耸；國(guó)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)猩缺；若在零件內(nèi)部壓緊发惭，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)到理想效果泣爷。在高速切削加工航空整體結(jié)構(gòu)件的裝夾方面罩锐，還需要做大量的研究工作。
6 結(jié)語(yǔ)
高速切削技術(shù)被廣泛應(yīng)用在航空制造業(yè)卤唉，但整體件自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性涩惑，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)鍵桑驱，本文通過(guò)對(duì)以上問(wèn)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)境氢，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，給出了鋁合金碰纬、鈦合金加工中合理的刀具材料和幾何角度萍聊。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)定悦析，切削加工時(shí)綜合考慮切削速度寿桨、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(guò)分追求高的切削速度强戴。③對(duì)于加工中的走刀策略進(jìn)行了分析亭螟，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(zhǎng)度最長(zhǎng)走刀，通過(guò)合理的走刀策略骑歹，控制加工中的變形問(wèn)題预烙。④針對(duì)航空整體結(jié)構(gòu)件裝夾困難、易變形的現(xiàn)狀夜墓，從壓緊調(diào)整千荡、結(jié)構(gòu)調(diào)整、定位調(diào)整的角度對(duì)目前的機(jī)械泰锦、液壓绅踪、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(wèn)題诗实。
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