1引言

    隨著現(xiàn)代飛機、航天器性能要求的不斷提高，許多骨架零件尤其是主承力結構件(如飛機的大梁、隔框、壁板；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”而加工成復雜槽腔、筋條、凸臺和減輕孔等整體結構件。整體結構件體積大、壁薄、剛度差、易變形、切削加工余量大，加工周期長，加工質(zhì)量和精度很難控制，對此類航空整體結構件實現(xiàn)高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造業(yè)面臨的一個重要課題。

隨著高速切削加工機床和刀具的快速發(fā)展，高速切削加工以其加工效率高、切削力小、工件的熱變形和熱膨脹小、加工表面質(zhì)量好、經(jīng)濟效益高及適宜加工復雜和細長薄壁件等獨特優(yōu)勢首先在航空航天整體結構件的加工中得到了廣泛的應用。本文分析和討論了高速切削加工整體結構件中，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)、走刀策略、裝夾方式等的問題。

2 切削刀具的選擇

    飛機機體的 60%～70%為加入Si、Cu、Mn等合金元素的7075、7050、2024、6061類熱處理預拉伸變形鋁合金材料，物理和機械性能如表1所示。其硬度與熔點低，具有極好的易切性，但切削時容易粘刀、產(chǎn)生積屑瘤，降低了加工表面質(zhì)量。同時隨著鋁合金硅含量的增加，加工難度也增大。鈦合金具有比強度和熱強度高、耐腐蝕性能好和低溫性能好等優(yōu)點，被廣泛應用在飛機上的許多構件上，如發(fā)動機構件、骨架、緊固件、起落架、壁板等。鈦合金屬于難加工材料，其導熱性差、化學活性大、彈性模量小，在高速加工中有切削溫度很高、單位面積上切削力大、加工冷硬現(xiàn)象嚴重、刀具易磨損等缺點。

基于航空鋁、鈦合金等材料的性能特點，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)劣的關鍵。

表1 航空鋁合金材料的物理與機械性能 鋁合金

牌號及

狀態(tài) 熱膨脹系

數(shù)(20～

100)℃ 熔點范圍

(℃) 電導率

(20℃) 電阻率

(20℃) 拉伸強度

(25℃MPa) 屈服強度

(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足高硬度、耐磨性、強度、韌性、抗氧化性及抗粘結性、工藝性和經(jīng)濟性的要求外，還應具備高的耐熱性、抗熱沖擊性，良好的高溫力學性能和高可靠性。不同的刀具材料，適用加工的工件材料不同。PCD刀具耐磨性、導熱性、刀刃鋒利性好，硬度高，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，PCD刀片的粒度也不同。加工硅含量<12%的鋁合金，選擇PCD刀片的粒徑為8～9µm；而加工硅含量>12%的高硅鋁合金，PCD粒徑為10～25µm時加工效果最好。涂層硬質(zhì)合金和超細晶粒硬質(zhì)合金刀具加工鋁合金也可達到很好的效果。對于整體結構件中常見鋁合金復雜型面的高速切削加工，多采用整體超細晶粒硬質(zhì)合金加工。一般不用氧化鋁基陶瓷刀具加工鋁合金，因為鋁與氧化鋁基陶瓷的化學親和力易產(chǎn)生粘結現(xiàn)象。

選擇加工鈦合金刀具的材料時，應從降低切削溫度和減少粘結磨損兩方面考慮，選用紅硬性好、抗彎強度高、導熱性能好、與鈦合金化學親和力差的材料。普通涂層刀具加工鈦合金磨損較為嚴重，天然金剛石刀具的加工效果很好，但受成本制約，無法得到廣泛應用。與普通硬質(zhì)合金刀具相比，TiN涂層硬質(zhì)合金刀具、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。大量試驗證明，YT(P)類硬質(zhì)合金加工時磨損嚴重。目前主要采用YG類硬質(zhì)合金刀具(YG8、YG3、YG6X等)和PCD切削鈦及合金，在乳化液冷卻的條件下，切削速度可達 200m/min。對于加工鈦合金用的多刃、復雜刀具，可選用高速鋼類材料，如生產(chǎn)中常用的高釩高速鋼W12Cr4V4Mo，鋁高速鋼 W6Mo5Cr4V2Al等。

幾何參數(shù)的選擇

    鋁合金的高速切削加工，速度很高，刀具前刀面溫升高，前角比常規(guī)切削時的刀具前角約小10°，后角稍大約5°～8°，主副切削刃連接處需修圓或導角，以增大刀尖角和刀具的散熱體積，防止刀尖處的熱磨損，減少刀刃破損的概率。在PCD刀具超高速切削鋁合金時，切削厚度較小，屬于微量切削，后角及后刀面對加工質(zhì)量的影響較大，刀具最佳前角為12° ～15°，后角為13°～15°，以減小徑向切削力。鈦合金塑性低、切屑與前刀面的接觸長度短，應選用小前角，以增加切屑與前刀面的接觸面積，改善散熱條件，加強切削刃，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，鈦合金加工應盡可能選用大后角a0=8°～15°。不同的刀具材料，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。例如，硬質(zhì)合金刀具粗加工鈦合金時前角g0=-6°～6°效果最佳，精加工時g0=0～15°；而高速鋼刀具加工時前角g0=5°～15°，后角a0則一般取12°左右。

3 切削參數(shù)與切削方式

    高速切削加工整體結構件時，一般采用順銑方式加工，刀具緩慢切入工件，以降低產(chǎn)生的熱量并減小徑向力。例如，在銑削鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)時多采用不對稱順銑法，使刀齒前面遠離刀尖部分首先接觸工件，刀齒切離時的切屑很薄，不易粘結在切削刃上。而逆銑則相反，容易粘屑，當?shù)洱X再次切入時切屑被碰斷，造成刀具材料剝落崩刃。其次，盡可能保持穩(wěn)定的切削負載，因為負載的變化會引起刀具的偏斜，從而降低加工精度和表面質(zhì)量，并縮短刀具壽命。最后，大去除量的整體結構件加工(如大型件的槽加工)時，一般采用分層切削，小切深，中進給。在加工內(nèi)部型腔時，當?shù)毒哌M到拐角處時，采用擺線切削，可避免切削力突然增大，否則產(chǎn)生的熱量會破壞材料的性能。

目前在航空制造業(yè)的高速加工中，鈦合金的切削速度可達到90m/min以上，鋁合金的切削速度達1500～6000m/min。在此速度范圍加工鋁合金時，切削溫度高于積屑瘤消失的相應溫度，有效地避免了積屑瘤的產(chǎn)生，提高了加工表面質(zhì)量。同時，鋁合金含硅量越高，切削速度應越低，加工高硅鋁合金時切削速度在300～1500m/min時加工效果較好。

通常采用的切削方案為：高切削速度、中進給量和小切削深度。但實際加工中，并不是切削速度越高，效果越好，要對工件、刀具以及設備綜合考慮制訂合理的加工方案。例如，某航空制造公司生產(chǎn)的某飛機機翼上零件(鋁合金7050)薄壁型腔內(nèi)，有兩個凸臺孔，如圖1所示。采用硬質(zhì)合金立銑刀，切削速度v= 1300m/min，進給量fz=0.5mm/z、切深ap=3～5mm，往復走刀越過凸臺孔方式加工，加工成本過高。經(jīng)工藝改進后，在A區(qū)域采用高速鋼刀具，切削速度v=800m/min左右，大切深ap=10mm，粗加工后到凸臺孔位置，更換硬質(zhì)合金刀具對B區(qū)域進行高速銑削加工，不僅可保證加工效率、表面精度，且降低了成本。

4 走刀策略

    航空結構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，即盡可能簡化，少轉折點，路徑盡量平滑，減少急速轉向。

在保證加工精度的前提下，應減少空走刀時間，盡可能增加切削時間在整個工件中的比例，以提高加工效率。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，減少刀具的切入和切出次數(shù)，獲得穩(wěn)定、高效、高精度的切削過程。對于整體結構件中常見的薄壁框體零件，采用單一的環(huán)切、螺旋切削時，腹板變形很難控制，而采用分步環(huán)切法走刀后，通過零件未加工部分自身的剛性，可達到減小腹板變形的目的。

另外，在航空、航天的大型復雜曲面高速切削加工中，曲面曲率變化大時，應以最大曲率半徑方向作為最優(yōu)走刀方向，如圖2a所示；曲面曲率變化小時，曲率半徑對走刀方向的影響減弱，宜選擇單條刀軌平均長度最長的走刀方向。

5 裝夾方式

    航空整體結構件大多為表面由數(shù)個槽腔和孔組成的雙面結構設計，機械加工時裝夾困難、易產(chǎn)生加工變形、表面加工質(zhì)量很難控制。在實際裝夾時應考慮滿足翻面加工時能提供較好的定位和支撐、較薄的結構能提供輔助支撐、外輪廓加工時能連續(xù)進行切削等要求。從壓緊調(diào)整、結構調(diào)整、定位調(diào)整幾個方面考慮，目前航空制造業(yè)普遍采用的裝夾方式有機械、液壓可調(diào)夾具、真空吸附裝夾等幾種。

壓緊調(diào)整可利用液壓可調(diào)夾具，即壓板在零件加工過程中可以松開，并可移出刀具加工區(qū)，保證刀具切削軌跡的連續(xù)性，刀具切過壓緊位置后，夾具系統(tǒng)再使壓板返回原來的壓緊位置；結構調(diào)整是利用改變或更換夾具的部分組件以適應不同零件的加工裝夾要求，如可換基礎墊板、組合夾具等。實現(xiàn)良好的定位調(diào)整方式比較復雜，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，水平與高度都可以移動，加工時工件無需重復裝夾與定位，很好的解決了定位調(diào)整的問題，但成本較高。

目前國內(nèi)航空結構件的裝夾存在憑經(jīng)驗來確定裝夾力大小、位置及作用順序，沒有考慮高速切削熱力耦合對工件變形的影響等問題，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［24］。同時由于航空件自身結構的特殊性，在實際裝夾中存在許多問題。例如，大厚度(50mm以上)整體結構件在機床上粗加工的裝夾，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；若采用壓板壓緊，在基準面加工時，零件的后續(xù)定位產(chǎn)生偏差，產(chǎn)生整體加工變形；另外雙面結構件在加工中，有些加工部位缺少支撐，容易產(chǎn)生局部加工變形而導致零件結構厚度難于控制；國內(nèi)常采用的預留工藝凸臺方法加工剛度差的薄壁件，造成材料的浪費；若在零件內(nèi)部壓緊，被壓緊的薄壁部位可能對零件產(chǎn)生變形甚至損傷，很難達到理想效果。在高速切削加工航空整體結構件的裝夾方面，還需要做大量的研究工作。

6 結語

    高速切削技術被廣泛應用在航空制造業(yè)，但整體件自身結構的復雜性，高速切削時刀具的選擇、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用的關鍵，本文通過對以上問題的分析和討論得到：①基于航空整體結構件的常用材料的性能特點，分析了高速切削加工航空整體結構件刀具材料及幾何角度的選擇，給出了鋁合金、鈦合金加工中合理的刀具材料和幾何角度。②航空整體結構件高速銑削時一般采用順銑加工方式，并保持切削負載穩(wěn)定，切削加工時綜合考慮切削速度、進給量和切削深度對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對于加工中的走刀策略進行了分析，討論了分布環(huán)切法以及對不同曲率的復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，通過合理的走刀策略，控制加工中的變形問題。④針對航空整體結構件裝夾困難、易變形的現(xiàn)狀，從壓緊調(diào)整、結構調(diào)整、定位調(diào)整的角度對目前的機械、液壓、真空吸附等裝夾方式的優(yōu)劣進行了分析，指出了現(xiàn)有裝夾方式在裝夾中普遍存在的問題。