航空整体结构件的高速切削加工

航空整体结构件的高速切削加工

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引言

随着现代飞机、航天器性能要求的不断提高，许多骨架零件尤其是主承力结构件(如飞机的大梁、隔框、壁板；火箭的整流罩、舱体和战略武器战斗部壳体等，普遍采用由大型整块毛坯直接“掏空”而加工成复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔等整体结构件。

整体结构件体积大、壁薄、刚度差、易变形、切削加工余量大，加工周期长，加工质量和精度很难控制，对此类航空整体结构件实现高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面临的一个重要课题。

随着高速切削加工机床和刀具的快速发展，高速切削加工以其加工效率高、切削力小、工件的热变形和热膨胀小、加工表面质量好、经济效益高及适宜加工复杂和细长薄壁件等，独特优势首先在航空航天整体结构件的加工中得到了广泛的应用。本文分析和讨论了高速切削加工整体结构件中，影响加工质量和加工效率的因素包括刀具选择、切削加工参数、走刀策略、装夹方式等的问题。

2．切削刀具的选择

飞机机体的60%～70%为加入Si、Cu、Mn等合金元素的7075、7050、2024、6061类热处理预拉伸变形铝合金材料，物理和机械性能如表1所示。其硬度与熔点低，具有极好的易切性，但切削时容易粘刀、产生积屑瘤，降低了加工表面质量。同时随着铝合金硅含量的增加，加工难度也增大。钛合金具有比强度和热强度高、耐腐蚀性能好和低温性能好等优点，被广泛应用在飞机上的许多构件上，如发动机构件、骨架、紧固件、起落架、壁板等[7]。钛合金属于难加工材料，其导热性差、化学活性大、弹性模量小，在高速加工中有切削温度很高、单位面积上切削力大、加工冷硬现象严重、刀具易磨损等缺点。

基于航空铝、钛合金等材料的性能特点，选择与之合理匹配的刀具材料和几何参数是决定切削性能优劣的关键。

表1航空铝合金材料的物理与机械性能

2.1刀具材料的选择

高速切削加工的刀具材料除了满足高硬度、耐磨性、强度、韧性、抗氧化性及抗粘结性、工艺性和经济性的要求外，还应具备高的耐热性、抗热冲击性，良好的高温力学性能和高可靠性。不同的刀具材料，适用加工的工件材料不同。

PCD刀具耐磨性、导热性、刀刃锋利性好，硬度高，是高速加工铝合金最广泛采用的刀具材料。

铝合金中含硅量不同，PCD刀片的粒度也不同。加工硅含量<12%的铝合金，选择PCD刀片的粒径为8μm～9μm；而加工硅含量>12%的高硅铝合金，PCD粒径为10μm～25μm时加工效果最好。涂层硬质合金和超细晶粒硬质合金刀具加工铝合金也可达到很好的效果。对于整体结构件中常见铝合金复杂型面的高速切削加工，多采用整体超细晶粒硬质合金加工。

一般不用氧化铝基陶瓷刀具加工铝合金，因为铝与氧化铝基陶瓷的化学亲和力易产生粘结现象。

选择加工钛合金刀具的材料时，应从降低切削温度和减少粘结磨损两方面考虑，

选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金化学亲和力差的材料。普通涂层刀具加工钛合金磨损较为严重，天然金刚石刀具的加工效果很好，但受成本制约，无法得到广泛应用。与普通硬质合金刀具相比，TiN涂层硬质合金刀具、PCD刀具高速切削加工钛及钛合金的效果较好。通常切削钛及其合金选用的刀具材料以不含或少含TiC的硬质合金刀具为主。大量试验证明，YT(P)类硬质合金加工时磨损严重。目前主要采用YG类硬质合金刀具(YG8、YG3、YG6X等)和PCD切削钛及合金，在乳化液冷却的条件下，切削速度可达200mPmin。对于加工钛合金用的多刃、复杂刀具，可选用高速钢类材料，如生产中常用的高钒高速钢W12Cr4V4Mo，铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al等。

2.2几何参数的选择

铝合金的高速切削加工，速度很高，刀具前刀面温升高，前角比常规切削时的刀具前角约小10°，后角稍大约5°～8°，主副切削刃连接处需修圆或导角，以增大刀尖角和刀具的散热体积，防止刀尖处的热磨损，减少刀刃破损的概率。在PCD 刀具超高速切削铝合金时，切削厚度较小，属于微量切削，后角及后刀面对加工质量的影响较大，刀具最佳前角为12°～15°，后角为13°～15°，以减小径向切削。

钛合金塑性低、切屑与前刀面的接触长度短，应选用小前角，以增加切屑与前刀面的接触面积，改善散热条件，加强切削刃，一般取γ0=5°～15°。从提高刀具寿命和切削加工的表面质量考虑，钛合金加工应尽可能选用大后角α0=8°～15°。不同的刀具材料，不同的加工质量要求，刀具的最佳几何参数也随之变化。例如，硬质合金刀具粗加工钛合金时前角γ0=-6°～6°效果最佳，精加工时γ0=0～15°；而高速钢刀具加工时前角γ0=5°～15°，后角α0则一般取12°左右。

3．切削参数与切削方式

高速切削加工整体结构件时，一般采用顺铣方式加工，刀具缓慢切入工件，以降低产生的热量并减小径向力。例如，在铣削钛合金TC4(Ti26Al24V)时多采用不对

称顺铣法，使刀齿前面远离刀尖部分首先接触工件，刀齿切离时的切屑很薄，不易粘结在切削刃上。而逆铣则相反，容易粘屑，当刀齿再次切入时切屑被碰断，造成刀具材料剥落崩刃。

其次，尽可能保持稳定的切削负载，因为负载的变化会引起刀具的偏斜，从而降低加工精度和表面质量，并缩短刀具寿命。最后，大去除量的整体结构件加工(如大型件的槽加工)时，一般采用分层切削，小切深，中进给。在加工内部型腔时，当刀具进到拐角处时，采用摆线切削，可避免切削力突然增大，否则产生的热量会破坏材料的性能。

目前在航空制造业的高速加工中，钛合金的切削速度可达到90mPmin以上，铝合金的切削速度达1500mPmin～6000mPmin。在此速度范围加工铝合金时，切削温度高于积屑瘤消失的相应温度，有效地避免了积屑瘤的产生，提高了加工表面质量。同时，铝合金含硅量越高，切削速度应越低，加工高硅铝合金时切削速度在300mPmin～1500mPmin时加工效果较好。

通常采用的切削方案为：高切削速度、中进给量和小切削深度。但实际加工中，并不是切削速度越高，效果越好，要对工件、刀具以及设备综合考虑制订合理的加工方案。例如，某航空制造公司生产的某飞机机翼上零件(铝合金7050)薄壁型腔内，有两个凸台孔，如图1所示。采用硬质合金立铣刀，切削速度v=1300mPmin，进给量fz=015mmPz、切深ap=3～5mm，往复走刀越过凸台孔方式加工，加工成本过高。经工艺改进后，在A区域采用高速钢刀具，切削速度v=800mPmin

左右，大切深ap=10mm，粗加工后到凸台孔位置，更换硬质合金刀具对B区域进行高速铣削加工，不仅可保证加工效率、表面精度，且降低了成本。