鈦合金航空零件銑削加工刀具

國(guó)際金屬加工網(wǎng)

　　新型波音787 Dream liner客機(jī)的設(shè)計(jì)廣泛地依賴于各種復(fù)合材料的應(yīng)用，這一點(diǎn)已理所當(dāng)然地受到人們的關(guān)注腻区。但是猩禀，大量應(yīng)用復(fù)合材料并不是這種飛機(jī)在材料上與眾不同的唯一原因——與其它商業(yè)客機(jī)相比，波音787還采用了更多的鈦合金零部件也拳。為了滿足對(duì)該型號(hào)飛機(jī)的訂貨芙掖，單單為了加工這些鈦合金零部件，波音公司在未來(lái)3～5 年內(nèi)將至少需要使用1000臺(tái)機(jī)床（主軸）绝迁。這一估計(jì)出自波音公司先進(jìn)制造技術(shù)研發(fā)集團(tuán)（密蘇里州圣路易斯市）的工程師兼科學(xué)家Keith Young伊镐。Young博士的工作任務(wù)之一就是幫助這些加工機(jī)床更加高效地為波音公司工作。加工航空鈦合金零件的挑戰(zhàn)在于：通過(guò)減薄零件的側(cè)壁和底座鹃栽，以及通過(guò)減少殘留在零件拐角處的毛坯附加重量躏率，使零件的重量更輕。Young博士及其研究小組通過(guò)試驗(yàn)民鼓，開(kāi)發(fā)了可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的加工技術(shù)薇芝。他們告訴波音公司的設(shè)計(jì)師：使加工后的鈦合金零部件具備上述特點(diǎn)是完全可能的；同時(shí)丰嘉，他們也指導(dǎo)加工提供商如何實(shí)現(xiàn)這種加工夯到。
　
　　某些鈦合金加工技術(shù)在生產(chǎn)軍用戰(zhàn)機(jī)的鈦合金零件時(shí)即已開(kāi)發(fā)成功。但是饮亏，商業(yè)客機(jī)在尺度規(guī)模上與軍用戰(zhàn)機(jī)有很大差異耍贾，客機(jī)的零件尺寸（尤其是凹腔深度）更大，如一種軍用戰(zhàn)機(jī)零件的凹腔深度為3英寸路幸，而波音787鈦合金零件的凹腔深度可達(dá)6英寸荐开。但是付翁，加工航空鈦合金零件所用傳統(tǒng)刀具的長(zhǎng)徑比通常為3∶1或4∶1，而加工這些新型零件要求刀具的長(zhǎng)徑比達(dá)到6∶1或8∶1誓焦。而且這些根本性的差異會(huì)影響到刀具系統(tǒng)的選擇胆敞。例如，機(jī)夾刀片式銑刀通撑虏可以采用鋼制刀柄酝梧，而更深型腔的加工則需要使用剛性更高的硬質(zhì)合金刀柄，以減小刀具撓曲變形和防止發(fā)生振顫簇寻。

　　Tom Talley也是波音公司先進(jìn)制造技術(shù)研發(fā)集團(tuán)的工程師兼科學(xué)家掸阶，他與Young博士一樣，非常了解如何選擇適合加工最新一代鈦合金零件的刀具系統(tǒng)市通，本文的內(nèi)容即是基于這兩位專家的推薦意見(jiàn)窟著。但是他們也指出，這些建議的有效程度需要驗(yàn)證苫瘾。雖然波音公司可能已對(duì)這些加工技術(shù)進(jìn)行了認(rèn)證危暇，但并未對(duì)刀具制造商進(jìn)行認(rèn)證。本文提到的一些刀具制造商湃彻，是因?yàn)閷＜艺J(rèn)為他們的產(chǎn)品是說(shuō)明適用刀具類型的清楚實(shí)例托祖。而在大多數(shù)情況下，其它刀具制造商也能提供類似產(chǎn)品短酵。對(duì)于某一特定的加工任務(wù)舟肉，也可能其它刀具是更有效的選擇。本文提到的刀具只是用于說(shuō)明適合零件加工特點(diǎn)（這些特點(diǎn)對(duì)于波音公司顯得日益重要）的刀具特性查库。

粗加工刀具

　　Weldon Crest-Kut刀具的特點(diǎn)是沿螺旋槽的幾何形狀呈不規(guī)則性路媚。這種不規(guī)則幾何形狀的重要作用在于消除振顫。在許多銑削加工中樊销，振顫都是一種限制性因素整慎，它在某一特定的切削深度會(huì)加劇，通常會(huì)限制刀具獲得在其它情況下刀具與主軸允許達(dá)到的更大切深围苫。振顫現(xiàn)象部分是由于刀具的規(guī)則幾何形狀復(fù)映到被加工表面的規(guī)則波形所引起的裤园。幾何形狀不規(guī)則的刀具螺旋槽不會(huì)產(chǎn)生這種規(guī)則波，因此可能提供振顫潛能的“信號(hào)”非常微弱够吩，從而使這種刀具能夠在可獲得很高金屬切除率的切削深度高效而平穩(wěn)地進(jìn)行切削比然。

　　為了在鈦合金加工中獲得高的金屬切除率丈氓，另一種完全不同的方法是采用插銑粗加工方式周循。對(duì)于鋁合金材料的航空零件，插銑加工的意義不大万俗，采用常規(guī)銑削方式就足夠快了湾笛。但對(duì)于鈦合金梭唆，插銑則可以提供一種以較低切削速度快速切除大量工件材料的加工手段。

　　插銑粗加工時(shí)蟋真，銑刀可以像鉆頭一樣進(jìn)給切入工件毛坯踱陡，材料通過(guò)多次重疊插銑被逐步切除，而每一次插銑都利用了機(jī)床在Z軸方向的固有剛性酷它。Iscar公司的中心切削刀具就是這種插銑刀的一個(gè)實(shí)例荸跃，它可通過(guò)Z軸進(jìn)給快速切除工件材料。

　　Yong博士指出悦阿，對(duì)于鈦合金加工柄露，在兩種情況下可以考慮采用Z軸插銑粗加工：①加工淺而寬的凹腔；②加工窄而深的凹腔丝板。

　　對(duì)于淺凹腔窒汤，深切削立銑刀（如Weldon刀具）可能無(wú)法獲得足夠的軸向深度來(lái)充分發(fā)揮其切削效能。但如果該凹腔具有足夠的寬度吓篙，適合用大直徑刀具進(jìn)行連續(xù)插銑加工杉硅，則采用插銑粗加工可能效率更高。另一方面深怕，對(duì)于窄而深的凹腔杏死，立銑刀可能需要花費(fèi)太多的時(shí)間走斜坡而不是進(jìn)行有效銑削，而插銑粗加工刀具則可利用每次進(jìn)刀的插銑深度實(shí)現(xiàn)對(duì)這種凹腔的高效加工佳遣。

　　無(wú)論選擇何種刀具和加工方法來(lái)快速切除大量毛坯材料识埋，但應(yīng)注意到很重要的一點(diǎn)，即并非所有的鈦合金零件都需要進(jìn)行粗加工零渐。近來(lái)窒舟，很多鈦合金零件都采用激光沉積近凈成形工件，只需對(duì)其進(jìn)行精加工即可诵盼。精加工也是通過(guò)加工出極富挑戰(zhàn)性的工件形貌從而實(shí)現(xiàn)零件使用價(jià)值的加工工序惠豺。因此，精加工刀具的選擇相對(duì)于粗加工刀具來(lái)說(shuō)顯得更為重要风宁。
底面和拐角精加工刀具

　　Data Flute公司的精加工立銑刀也采用了不規(guī)則的刀具幾何形狀（刀槽之間的夾角不為90°）以抑制振顫洁墙。4個(gè)刀槽的空間位置并不按90°對(duì)稱分布，而是稍有變化戒财。刀尖的這種不規(guī)則排列方式在精加工底面和拐角時(shí)可使刀尖處于適當(dāng)?shù)募庸の恢谩?

　　在精加工中热监，振顫的危害性比粗加工時(shí)更為嚴(yán)重。粗加工時(shí)饮寞，振顫只會(huì)影響加工效率悬占；但在精加工中，振顫則可能會(huì)對(duì)工件本身造成損害拜岂，因?yàn)檎耦澘赡苡绊懝ぜ木群凸鉂嵍鹊孙酰踔量赡芷茐墓ぜ木芡庑谓Y(jié)構(gòu)（如極薄的肋板和側(cè)壁）现碰。因此，無(wú)論是否采用不規(guī)則的幾何形狀轻江，用于精加工鈦合金零件的刀具通常都應(yīng)該具有較好的剛性现辑，以將振顫的影響減至最小。此外挤帕，較好的剛性可以減小刀具在深凹腔中加工時(shí)變形的危險(xiǎn)扳耘。

　　Ingersoll刀具公司的精插銑刀可以通過(guò)Z軸進(jìn)給在深凹腔中加工出小拐角半徑。Young博士指出贤泥，此類刀具可能需要用硬質(zhì)合金刀柄替代鋼制刀柄革睬，以盡可能增大刀具的剛性。

側(cè)壁和肋板精加工刀具

　　Data Flute公司用于加工鈦合金零件薄壁和肋板的10槽精銑刀腻喇，由于進(jìn)給率是刀具槽數(shù)和切屑負(fù)荷的函數(shù)竣康，因此該刀具即使在切屑負(fù)荷很小時(shí)也能快速橫切工件。該刀具的螺旋槽較淺瓢谢，有利于增加剛性畸写。由于刀具被設(shè)計(jì)用于小切深切削，正好需要較淺的槽深氓扛，其結(jié)果是刀具芯徑較大枯芬，剛度較高；較短的槽長(zhǎng)也有助于保持良好的剛性采郎。

　　該刀具還有另一個(gè)潛在的重要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)千所。Talley先生指出，用于精加工鈦合金零件側(cè)壁和肋板的刀具沿著螺旋槽應(yīng)具有偏心后角蒜埋，它可通過(guò)與已加工表面的相互作用起到減振作用淫痰，以抑制振顫。

　　經(jīng)常加工鋁合金航空零件薄壁結(jié)構(gòu)的加工車間可能已經(jīng)知道如何使用立銑刀加工鈦合金零件的薄壁結(jié)構(gòu)整份。刀具應(yīng)采用“吃水線加工”方式待错，從薄壁或肋板的兩側(cè)交互進(jìn)刀進(jìn)行切削，從而在工件成形過(guò)程中使薄壁或肋板可從兩側(cè)保留均衡的支撐作用烈评。

　　關(guān)于精加工刀具應(yīng)該切除多少材料余量的問(wèn)題火俄，Young博士說(shuō)，其實(shí)刀具本身就提供了解答這一問(wèn)題的線索该捎。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知娇歹，經(jīng)過(guò)粗加工后的工件半成品的高厚比（高度/厚度）應(yīng)該與精加工刀具的長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度/直徑）相互匹配。換句話說(shuō)枝扭，如果要用長(zhǎng)徑比L∶D＝6∶1的刀具精銑肋板劣屑，則粗銑后的肋板厚度大約應(yīng)為肋板長(zhǎng)度的1/6。當(dāng)然尉利，這只是一種經(jīng)驗(yàn)法則可丝，并未將刀具與工件材料彈性模量的差異考慮在內(nèi)。但根本的要點(diǎn)在于：由粗加工后留下的材料支撐著的薄壁或肋板應(yīng)與精加工刀具的剛度大致相當(dāng)汤顷，而不是更高氓愿。如果粗加工留下過(guò)多需由精加工刀具切除的材料余量，從而使薄壁或肋板剛度更高递促，將浪費(fèi)加工時(shí)間咪轩，影響刀具壽命。工件多余的剛度并無(wú)益處送魁，因?yàn)闊o(wú)論是刀具變形還是工件變形涉粘，其結(jié)果都一樣。如果已經(jīng)確定某一剛度對(duì)于刀具是適當(dāng)?shù)谋康欤敲赐瑯拥膭偠葘?duì)于刀具將要加工的工件材料也是適當(dāng)?shù)摹?/font>

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刀具機(jī)床加工刀片鈦合金

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