航空整體結(jié)構(gòu)件的高速切削加工

1引言
    隨著現(xiàn)代飛機(jī)、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(jié)構(gòu)件(如飛機(jī)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(fù)雜槽腔、筋條、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、壁薄、剛度差、易變形、切削加工余量大，加工周期長(zhǎng)，加工質(zhì)量和精度很難控制，對(duì)此類航空整體結(jié)構(gòu)件實(shí)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(gè)重要課題。
隨著高速切削加工機(jī)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(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。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、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(jī)機(jī)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(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，具有極好的易切性，但切削時(shí)容易粘刀、產(chǎn)生積屑瘤，降低了加工表面質(zhì)量。同時(shí)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(qiáng)度和熱強(qiáng)度高、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，如發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、骨架、緊固件、起落架、壁板等。鈦合金屬于難加工材料，其導(dǎo)熱性差、化學(xué)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(yán)重、刀具易磨損等缺點(diǎn)。
基于航空鋁、鈦合金等材料的性能特點(diǎn)，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足高硬度、耐磨性、強(qiáng)度、韌性、抗氧化性及抗粘結(jié)性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性的要求外，還應(yīng)具備高的耐熱性、抗熱沖擊性，良好的高溫力學(xué)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(dǎo)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(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。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，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，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)，應(yīng)從降低切削溫度和減少粘結(jié)磨損兩方面考慮，選用紅硬性好、抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、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，但受成本制約，無法得到廣泛應(yīng)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(yàn)證明，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、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(dá) 200m/min。對(duì)于加工鈦合金用的多刃、復(fù)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(shí)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?qū)Ы牵�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(shí)，切削厚度較小，屬于微量切削，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°，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(zhǎng)度短，應(yīng)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(qiáng)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(yīng)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(shí)前角g0=-6°～6°效果最佳，精加工時(shí)g0=0～15°；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。
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)，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(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，刀齒切離時(shí)的切屑很薄，不易粘結(jié)在切削刃上。而逆銑則相反，容易粘屑，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。其次，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，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(jié)構(gòu)件加工(如大型件的槽加工)時(shí)，一般采用分層切削，小切深，中進(jìn)給。在加工內(nèi)部型腔時(shí)，當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)到拐角處時(shí)，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(huì)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(dá)到90m/min以上，鋁合金的切削速度達(dá)1500～6000m/min。在此速度范圍加工鋁合金時(shí)，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，提高了加工表面質(zhì)量。同時(shí)，鋁合金含硅量越高，切削速度應(yīng)越低，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、中進(jìn)給量和小切削深度。但實(shí)際加工中，并不是切削速度越高，效果越好，要對(duì)工件、刀具以及設(shè)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(jī)機(jī)翼上零件(鋁合金7050)薄壁型腔內(nèi)，有兩個(gè)凸臺(tái)孔，如圖1所示。采用硬質(zhì)合金立銑刀，切削速度v= 1300m/min，進(jìn)給量fz=0.5mm/z、切深ap=3～5mm，往復(fù)走刀越過凸臺(tái)孔方式加工，加工成本過高。經(jīng)工藝改進(jìn)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(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，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(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，即盡可能簡(jiǎn)化，少轉(zhuǎn)折點(diǎn)，路徑盡量平滑，減少急速轉(zhuǎn)向。
在保證加工精度的前提下，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，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，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(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、螺旋切削時(shí)，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(dá)到減小腹板變形的目的。
另外，在航空、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)，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；曲面曲率變化小時(shí)，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。
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、易產(chǎn)生加工變形、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、較薄的結(jié)構(gòu)能提供輔助支撐、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、結(jié)構(gòu)調(diào)整、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、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(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、組合夾具等。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——電控永磁吸盤裝夾，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，很好的解決了定位調(diào)整的問題，但成本較高。
目前國(guó)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，沒有考慮高速切削熱力耦合對(duì)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(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題。例如，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，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(zhǔn)面加工時(shí)，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(jié)構(gòu)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(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)厚度難于控制；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)；若在零件內(nèi)部壓緊，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。在高速切削加工航空整體結(jié)構(gòu)件的裝夾方面，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)，但整體件自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，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，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)，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、鈦合金加工中合理的刀具材料和幾何角度。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，切削加工時(shí)綜合考慮切削速度、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，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，通過合理的走刀策略，控制加工中的變形問題。④針對(duì)航空整體結(jié)構(gòu)件裝夾困難、易變形的現(xiàn)狀，從壓緊調(diào)整、結(jié)構(gòu)調(diào)整、定位調(diào)整的角度對(duì)目前的機(jī)械、液壓、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。