沈盼捷

　　飞机结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的主要部件，功能重要。高速铣削是该类零件机械加工的最主要方法。高速数控加工中心和高速铣床已在航空制造企业中广泛应用。有关飞机结构件及航空铝合金的高速数控加工工艺，工艺人员及研究者已多有论述。本文总结归纳其中的若干关键问题，并评述其发展动态。
　　
　　高速铣削优越性

　　飞机结构件的材料主要有3类：航空铝合金、钛合金和复合材料，其中航空铝合金所占比重最大[1]。铝合金切削性能好，但切削时容易粘刀、产生积屑瘤。随着铝合金硅含量的增加，加工难度在增大。钛合金切削性能差：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。
　　
　　从结构上看，飞机结构件壁薄、尺寸大、加工余量大、相对刚度较低。图1所示零件为壁板。为了减轻重量，进行等强度设计，往往在结构件上形成各种复杂槽腔、筋、凸台和减轻孔等要素。整体结构件尺寸更大，结构更复杂壁薄、易变形，零件槽间距离可能仅为2~5mm，腹板厚度也仅有2~4mm， 筋顶形状复杂，切削时很容易产生变形。
　　
　　飞机结构件（尤其是整体结构件）的复杂型腔是用数控铣削方法由整块毛坯件逐步挖制而成。图1所示零件的加工工艺过程为：下料→铣平面→粗铣槽→精铣槽→加工孔→铣外轮廓→去毛刺。切削加工时间占飞机结构件的总加工时间的比例最大。常规速度切削时，加工效率非常低下。大型整体结构件（如整体壁板）的切削加工需要几天时间。切削加工时的材料利用率也非常低，整体结构件平均只有2%~10%。
　　
　　切削效率低和切削易变形是制约铝合金结构件加工的主要问题[2]。钛合金结构件的主要问题是切削温度高，刀具磨损严重。高速铣削可以较好地解决这些问题[3]。
　　
　　首先，由于高的切削速度，单位时间内的材料切除率（切削速度、进给量和背吃刀量的乘积，v×f×ap）增加，切削加工时间减少，切削效率大幅度提高，从而加工成本也降低。
　　同时，在高切削速度范围内，切削力降低，减少了切削变形引起的加工误差，从而有利于薄壁件或刚性差零件的切削加工。
　　
　　此外，高速切削时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热。切削速度提高愈大，带走的热量愈多（大约在90％以上），传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的内力和热变形，提高加工精度。
　　
　　高速切削时，工作平稳、振动小，零件的加工表面质量高。原因有2个方面：高速切削时，机床的激振频率高，远离了工艺系统的固有频率，避免了颤振；切削力是切削过程中的主要激励源，高速切削时切削力降低，使得激励源减小。
　　
　　高速切削也可有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。
　　
　　高速切削的理论基础与常规速度的切削有很大不同，有关高速切削的理论最早源自于萨洛蒙假说，相关理论目前仍在探索完善中。
　　
　　刀具及刀具材料

　　1刀具材料

　　高速铣削刀具应具有高耐磨性、高抗弯强度和冲击韧性、良好的耐热冲击性能，同时要求刀具表面的粗糙度低，以减小与铝合金的摩擦和粘结。
　　
　　目前，航空结构件高速切削中普遍采用超细晶粒的硬质合金刀具、涂层的硬质合金刀具[4]，精加工时也常采用聚晶金刚石（PCD）刀具，但成本高。
　　
　　超细晶粒硬质合金的含钴量在10%~12%左右，WC晶粒的平均粒度在0.2~0.5μm之间。具有高硬度、高强度和高韧性。刀尖可以刃磨得非常锋利，能够降低切削力和振动。对于表面粗糙度要求不超过Ra3.2、尺寸精度在0.2mm左右的航空结构件具有良好的适应性。
　　
　　硬质合金涂层刀具基体采用硬质合金材料，表面采用先进的涂层材料。既具有高强度、高韧性及抗冲击能力，又具有更高的硬度、耐磨性和抗月牙洼磨损的能力，摩擦系数小，抗粘结和抗扩散能力强。应用于切削铝合金的刀具涂层材料有TiC、TiN、TiCN、TiAlN、DLC、CrAlN、TiB2等。
　　
　　根据刀具直径和加工部位的不同， 可分别选用可转位式铣刀和整体式铣刀。整体式硬质合金刀具有良好的刚性和切削稳定性，加工效果好，应用广。但由于制造难度大，对材质要求高，整体式硬质合金铣刀目前主要依赖进口。国外品牌有Fraisa、Hanita、Sandvik、SGS等。正在努力实现国产化的厂家有厦门金鹭特种合金有限公司、自贡硬质合金有限公司等。
　　
　　可转位刀具一般为大直径（≥φ25）刀具，刀片与刀体的连接方式正在由单螺钉式向双螺钉式演化，从而提高了连接刚度。未来，可转位刀具所占比重将会提高。
　　
　　PCD刀具耐磨性、导热性及刀刃锋利性均较好，硬度高，非常适合于高速加工铝合金。根据铝合金中含硅量的不同，选用不同粒度的PCD刀片。加工硅含量
12%的高硅铝合金，PCD 粒径为10~25μm时效果最好。
　　
　　PCD材料在铝合金高速、高精度切削中的应用在扩大，同时，随着钛合金材料在结构件中比例的提高，PCD刀具也已开始应用于高速切削钛合金。PCD也是干式绿色高速切削的理想材料[5]。
　　
　　需要特别指出的是，正如不用金刚石刀具加工铁基材料一样，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强，易产生粘结现象。
　　
　　2刀具角度

　　对高速铣削质量和成本影响较大的刀具角度有前角、后角和螺旋角等。
　　
　　刀具前角决定切削刃的锋利程度和强度。增大前角，能够减小切屑变形和切削力，降低切削温度，抑制积屑瘤的产生，提高刀具的寿命，但前角过大会使楔角减小，降低刀刃强度，造成崩刃，致使切削温度升高，刀具寿命下降。研究表明，刀具前角是影响高速切削铝合金刀具寿命的主要因素。高速铣削铝合金时，刀具前刀面温升高，一般，前角应比常规切削时的前角小约10°，一般来讲，高速铣削航空铝合金时的前角范围在12°~25°[3]。
　　
　　刀具材料的抗弯强度和冲击韧性大，前角可以取得大些。如超细晶粒硬质合金比普通硬质合金的前角大。粗加工时，切削力比较大，切削温度高，冲击载荷大，应适当减小前角以提高刀具寿命。精加工时，切削力比较小，为使切削刃锋利，减小工件变形或得到较高的表面质量，前角可以取大一些。
　　
　　后角主要影响表面粗糙度。增大后角可以减少后刀面与过渡表面之间的接触面积，减少摩擦，并使刃口锋利而减轻刃口对金属的挤压，有利于提高刀具的寿命和加工表面质量。若后角过大，刃口强度和散热条件变差，反而会降低刀具寿命。如果后角过小，摩擦严重，刀刃变钝，切削温度升高。
　　
　　后角的选择主要按轴向切深与径向切深比值（ap /ae）选取，ap /ae的值越大，切削力大，切削温度也高，则后角减小。一般高速铣削刀具的后角在6°~18°之间[4]。
　　
　　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[4]。
　　
　　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°[3]。当然，具体的角度值与刀具材料有关。
　　
　　整体式铣刀的螺旋角对刀具的切削性能和寿命有一定的影响。当螺旋角较大时，刀具参加切削的刃较长，作用在单位切削刃上的切削力减小，刀具的切入切出比较平稳，有利于提高刀具寿命。粗加工时选用较小的螺旋角，有利于排屑；精加工时选用较大的螺旋角，可提高表面加工质量。
　　
　　薄壁腹板铣削加工时应尽量选择刀具圆角半径为零、小螺旋角、齿数少的刀具。
　　
　　此外，刀尖圆弧半径的选择应适当，圆弧半径过大或过小都会降低刀具使用寿命。刀齿不能太密， 刀齿较密，刀具容屑空间小，切削易堵塞，限制了进给量的提高，容易产生冷作硬化层，加剧刀具的磨损。
　　
　　3刀具破损、刀具寿命与切屑

　　高速切削时，刀具在比普通切削加工更为恶劣的条件下工作，具有不同的失效机理，切削温度及热应力对刀具磨损破损的影响最为显著。
　　
　　高速铣削航空铝合金时，在刀具磨损初期以刀具微崩刃为主，后期以前刀面的片状剥落为主。粘结磨损和扩散磨损是高速铣削航空铝合金时的主要失效机理[3]。
　　
　　相比普通铣削，高速铣削时刀具的破损更加严重。这是因为，高速铣削时刀具承受更高的切削温度和热应力冲击，热疲劳造成热裂纹，而高周循环的机械载荷使裂纹扩展，造成刀具的崩刃与剥落。
　　
　　切屑形态对切屑排出和断屑、刀具磨损方式有直接的影响。工件材料及其热力学性能对切屑形成的形态起着决定性作用。航空铝合金在很大的切削速度范围内容易形成连续带状切屑，而钛合金更容易产生集中剪切滑移(或绝热剪切)，从而产生锯齿状切屑。
　　
　　铣削参数与铣削方式

　　1铣削参数

　　高速铣削参数主要包括铣削速度、铣削深度（包括轴向铣削深度和侧面铣削深度）、进给速度（每齿进给量）以及铣削刀具的悬伸长度等。影响高速铣削参数的因素非常多，其中最主要的是工件材料和铣刀材料的匹配关系。选择合理的切削用量可以提高刀具的寿命，发挥刀具的最佳潜能。一直有相当多的研究者在关注高速切削用量的选择问题[6]。
　　
　　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。
　　
　　（1）铣削速度。
　　
　　高速切削铝合金的速度范围一般为1000~7000m/min。这一速度值越过了萨洛蒙曲线的波峰，能获得高速切削的效益，即切削力和切削温度降低或不显著升高，避开了机床颤振区。
　　工件和刀具性能的不同，切削速度也不同。使用涂层硬质合金刀具时，高速切削铝合金的切削速度范围一般在1000~5000m/min。铝合金含硅量越高，切削速度越低，加工高硅铝合金时切削速度在300~1500m/min时效果较好。
　　
　　（2）径向切深和轴向切深。
　　
　　从切削力、残余应力、切削温度等方面考虑，采用较小的轴向切深和较大的径向切深是有利的。通常粗加工时，轴向切深ap=（0.1~1）D，径向切深ae

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