航空整体结构件的高速切削加工方法研究

第 1 页 共 9 页 航空整体结构件的高速切削加工方法研究 摘要：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。 主题词：数控技术 刀具 高速切削 装夹

1 引言 数控高速切削制造技术促进了机械冷加工制造业的飞速发展，革新了产品设计概念，通过采用整体件加工取代零部件的分项制造装配，提高了加工效率和产品质量，缩短了产品制造周期。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。 目前，现代飞行器设计性能要求不断提高，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。 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 高速铣削工艺技术 高速铣削机床的特点，采用主轴运动结构实现载荷的平稳，减小工作台由于运动的惯性，尤其是当工作台承载较大时，工作台本身和工件的运动载荷对高速切削极容易引起冲击，机床结构的新颖性对高速切削有着重要的影响，传统机床依靠工作台移动实现 第 2 页 共 9 页

机床的XY方向的移动不是很适合高速切削。一般情况下，高速切削其切削速度比常规速度高出5～10倍，其材料的去除率是常规切削的3～5倍以上。对于铝合金铣削可达到1100m/min以上，铸铁可到700m/min，钢材可到380m/min以上，钻削200～1200m/min，磨削150～360m/min。 高速铣削因其切削速度高、切削稳定、切削力小，特别适用于加工易产生热变形的产品。在众多的薄壁件产品中，一般的加工铣削方法，零件变形大、形位公差不易保证，多采取增加时效或多次反复加工的方式，但仍然很难保证产品质量，且工序较长，加工周期长。高速切削的切削深度和切削力小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，适合于加工薄壁件。高速铣削具有以下工艺特点： 1）高速铣平面度可达到0.02mm以上，一般平面加工可以取代磨大面的工序； 2）薄壁件的加工装夹很重要，一般挤压式比上压式变形小； 3）粗加工是追求单位时间内的最大切除量，对表面质量和精度要求不高，重要的是让机床平衡工作，避免切削方向的急剧变化； 4）半精加工是为了把前道工序加工后的残留变得平滑，余量均匀。因此半精加工应沿着粗加工后的轮廓铣削，切入过程稳定，切削连续； 5）精加工轨迹应紧贴零件表面，圆滑平稳，沿剧烈的方向变化。 高速切削编程质量直接影响产品的质量，编程要注意： 1）尽可能减少程序块，提高程序处理速度； 2）一般采用顺铣，顺铣可产生较少的切削热，降低刀具负载，获得较好的表面质量； 3）减少速度的急剧变化和刀具的急剧换向，使轨迹光顺； 4）减少刀具的切入切出，获得稳定的切削过程； 5）减少铣削负荷变化，使用权加工余量控制均匀； 6）对于五轴加工，空间曲面加工涉及的内容比较多，涉及加工导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等技术内容。加工轨迹设计的关键在于通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个 第 3 页 共 9 页

角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量变化控制一般有如下几种方式（如图1所示）。从刀具轴的矢量控制方式来看，五轴数控铣削加工的切削方式可以根据实际产品的加工来进行合理的刀具轨迹设计规划。

图1 刀具轴的矢量变化控制方式 3 高速切削刀具的选择 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。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。 第 4 页 共 9 页

表1 航空铝合金材料的物理与机械性能 牌号及状态 热膨胀系数 （20～100）℃ 熔点范围 （℃） 电导率 （20℃） 电阻率 （20℃） 拉伸强度 （25℃MPa） 屈服强度（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

3.1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8～9um；而加工硅含量>12%的高硅铝合金，PCD粒径为10～25um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。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 200m/min。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。 3.2几何参数的选择 第 5 页 共 9 页

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°，以减小径向切削力。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g0=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a0=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g0=-6°～6°效果最佳，精加工时g0=0～15°；而高速钢刀具加工时前角g0=5°～15°，后角a0则一般取12°左右。

4 高速铣削刀柄 由于高速切削时，主轴、刀柄及刀具在高速旋转情况下，较小的偏心就会产生较大的离心力，由振动引起产品的质量、降低主轴和刀具的使用寿命。常规的刀具刀柄系统难以满足高速切削时的切削刚度和精度要求。现阶段比较流行常用的高速刀柄系统主要有德国的HSK刀柄、美国KM刀柄、日本NC5刀柄。HSK刀柄及KM刀柄均为1:10的锥度，采用主轴锥孔和刀柄端面过定位的方式，实现刀具的定位夹紧，其重复定位精度在传统7:24的锥度刀柄±2.5μm提高到±1μm，采用这种刀柄系统可以提高主轴刚度、由于其契形效果好，能提高刀具的抗扭能力，且转速越高其锁紧力越大。但这种刀柄价格较贵，一般为常规刀柄的1.5～2倍，其最低转速小于KM刀柄。一般情况下，高速铣削时，刀具刀柄的不平衡力小于切削力时，不影响刀具的使用寿命和切削效率。 根据高速切削的动平衡规定，主轴转速至少要达到8000 r/min以上。其进给速度至少大于20m/min。50柄转速达到10000～20000 r/min，40柄以及HSK刀柄20000～40000 r/min，KM刀柄达到35000 r/min以上。由于高速铣削动平衡的要求，在配置高速铣削刀柄刀具时优先配置经过动平衡测试的刀具系统，其次用户可以自行采用动平衡机及调整系统进行动平衡调节，但其使用非常麻烦。美国Kennametal公司推出了一种通过调节主轴系统的自动平衡刀柄系统TABS刀柄，但目前应用还不广泛。为有效发挥高速切