如何加工钛合金航空零件
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航空工业制造商已经掌握了以相对稳定的径向切深精密切削铝合金的技术,可以采用很大的切深量,高效加工出侧壁或肋板。但钛合金的加工却完全不同。铣削钛合金凹腔时,很慢的切削速度意味着,为了有效去除大量工件材料,仍然需要分别进行粗加工和精加工。其结果是,高效加工钛合金零件包括一系列不连续的加工步骤,而每道工序都需要采用不同的、经过验证的加工技术。

引言

新型飞机的设计采用了更多的复合材料,同时也采用了更多的钛合金。在装配飞机时,与铝合金相比,钛合金与复合材料的兼容性更好。因此,波音787梦幻客机采用了50%的复合材料(按重量计),同时也采用了15%的钛合金。与以前的波音777相比,波音787的钛合金使用量大幅增加。

图1 钛合金飞机零件的加工

图2 典型的钛合金飞机零件
获得足够的钛合金材料,以满足新一代飞机的需求,是一种困难的挑战。随着需求的增加,钛金属的价格不断上涨,新的钛合金生产能力也在不断形成。但是,迄今为止,钛合金零件的切削加工问题尚未很好解决。尽管没有人能够提供确切的数据,但目前的钛合金加工能力似乎不太可能满足正源源不断推向市场的各种新型飞机的需求,这些飞机使用钛合金材料的比例普遍较高。无论如何,航空工业供应链必须努力提高钛合金加工能力。市场需求要求加工车间以更快的速度,加工比以往更多的钛合金航空零件。
波音研究与技术团队(BR&T)是研究如何加工钛合金的领军团队之一。该团队的研究人员开发了各种高效加工钛合金的技术,然后将其转让给波音公司的零部件供应商。
图2所示为一种典型是钛合金飞机零件。飞机的大型结构件通常由许多凹腔构成,结构件的加工主要是加工凹腔,包括铣削各种侧壁和肋板。用于新型客机(如波音787)的这种凹腔特别深,因为一些深凹腔铝合金零件已被钛合金零件所取代。因此,钛合金零件的凹腔加工具有更大的挑战性。
加工铝合金时,对于特定形状的凹腔(如图2所示零件),可能并不需要分别进行粗加工和精加工。航空工业制造商已经掌握了以相对稳定的径向切深精密切削铝合金的技术,可以采用很大的切深量,高效加工出侧壁或肋板。但钛合金的加工却完全不同。铣削钛合金凹腔时,很慢的切削速度意味着,为了有效去除大量工件材料,仍然需要分别进行粗加工和精加工。其结果是,高效加工钛合金零件包括一系列不连续的加工步骤,而每道工序都需要采用不同的、经过验证的加工技术。
BR&T以及刀具供应商已经开发出了一些钛合金加工技术。应用结果表明,高效加工钛合金飞机零件并不一定需要新型机床乃至特定类型的机床。而且,并不一定需要很高的加工成本。这些加工技术可以单独应用,但如果将其集成到一起,就可以形成一种截然不同的钛合金铣削工艺,它不仅可以缩短加工时间,而且还能显著节省加工成本。

精加工侧壁和肋板的8:1准则

多刃立铣刀是高效铣削钛合金飞机零件最基本的刀具。BR&T的研究人员解释说,该团队确定的“8:1准则”,是决定如何使用多刃立铣刀的基本指导原则之一。
在精加工中,多刃立铣刀能获得很高的金属去除率。对于钛合金零件,要求粗加工和精加工分步进行。铝合金零件的加工则与此不同。铣削铝合金时,允许采用的切削速度和切屑负荷可以获得很高的金属去除率,即便多刃立铣刀适用于精加工。但在加工钛合金时,实际采用的最大切削速度和切屑负荷要低得多。因此,为了达到足够高的金属去除率,就必须采用其他一些加工策略,如采用大切深进行粗加工。精加工时,由于粗加工后侧壁或肋板已变得相当薄,以至于必须减小切削力,因此不再可能采用大切深。提高精加工生产率唯一可行的策略是提高进给率。采用具有足够多切削刃的立铣刀就可以做到这一点,因为这种刀具可以通过少量增加切屑负荷而获得很高的金属去除率。
多少切削刃比较合适?答案是:越多越好。现在,许多刀具制造商都能提供10刃立铣刀(图3)。一把直径25.4mm的10刃立铣刀以122m/min的表面切削速度和0.076mm/齿的切屑负荷进行加工时,其进给率可以达到1168mm/min。BR&T能以这种切削速度和进给率,实现钛合金的常规精铣加工,并正在对一种45刃立铣刀(图4)进行试验。

图3 这种10刃硬质合金立铣刀是精加工钛合金肋板的基本刀具之一,可获得很高的金属去除率

图4 与10刃或20刃立铣刀相比,这种正在试验的45刃立铣刀可获得更高的金属去除率
这些多刃精加工刀具的缺点是排屑性能不佳,这主要是由于切削刃之间空间狭窄造成的。为了弥补这一缺陷,切屑负荷一般必须保持在0.076mm/齿,为了留出足够的排屑空间,直径25.4mm的10刃铣刀的径向切深必须不超过0.89-1.27mm。
至于轴向切深,正是8:1准则要解决的问题。由于该准则是根据被加工肋板与其最终尺寸的接近程度来确定切深量的,因此,它在本质上确定了铣削钛合金凹腔时,粗加工与精加工走刀量之间的区别。

图5 这两块肋板用于测试8:1准则的有效性。在铣削其中的厚肋板时,工件的任何偏差都可假定为是由刀具变形引起的。而在8:1的切深铣削薄肋板时,总的厚度偏差甚至比铣削厚肋板时更小,完全符合切削稳定性要求

图6 铣削两块不同厚度肋板的尺寸偏差对比

图7 以全切深一次走刀铣削凹腔壁(左)需要花费更长切削时间,且容易引起薄壁振动。而以8:1的切深。逐次向下进刀铣削(右),则是一种加工速度更快、质量更稳定的凹腔精加工方式

(1)8:1准则的定义

8:1准则可以表述为:最大轴向切深不应大于邻近切削处的侧壁或肋板剩余厚度的8倍。
例如:要求将一个凹腔的侧壁厚度加工到1.27mm。粗加工预留了足够大的壁厚余量,即经过粗加工后,仍有3.18mm的壁厚尺寸。侧壁加工到该厚度时,在邻近侧壁处铣削进刀可以采用最大为壁厚尺寸8倍的轴向切深量——即25.4mm。(波音公司表示,25.4mm也是对应于前面提到的122m/min切削速度的最大轴向切深量。)沿着侧壁进刀精铣,然后达到最终壁厚尺寸1.27mm。这些进刀深度也可以小于剩余壁厚尺寸的8倍。在这种情况下,最大切深为10.16mm(1.27mm的8倍)。
采用这一倍率的原因,是为了避免变形引起的加工偏差。BR&T通过实验来确定一种选择切削深度的指导原则,该准则能统一适用于波音飞机零部件可能要求的侧壁和肋板高度与厚度的整个尺寸范围。图5所示为该实验所用的两块肋板时间。其中较厚的肋板厚度达到6.35mm,因此可认为,在工件上测得的任何厚度偏差都是由刀具磨损变形引起的。因此,该试件为了解刀具变形的单独影响提供了基准。与之相比,按照8:1准则,以6.35mm的轴向切深(倍率为8.35:1)铣削厚度为0.76mm的薄肋板时,刀具和工件的变形都可能引起厚度偏差。但是测量结果表明,其加工尺寸非常稳定(图6)。对于这块薄肋板来说,其总的厚度偏差实际上小于仅仅由刀具本身变形造成的基准偏差。
BR&T的研究人员解释说,铣削钛合金时之所以要采用8:1的切深,是因为钛是一种粘性很大的金属材料。如果将同样的准则应用于铣削铝合金,其倍率应为4:1。

(2)以多次向下进刀方式精铣凹腔

以这种方式限制切深意味着,精铣深凹腔的侧壁时,必须采用连续递增的多次进刀方式。这与通常采用的凹腔壁加工方式有很大的不同。通常情况下,这种加工是通过在凹腔的全深度上一次走刀来完成的。有时,这种加工方式被认为不仅效率更高,而且有利于提高凹腔表面质量,因为它能消除各次进刀之间形成的进给刀痕。但波音公司认为,这两种说法都不正确。
一般来说,以全切深一次走刀进行铣削要求采用很小的进给率(25-75mm/min),相应的金属去除率约为2.5mm3/min。与之相比,以1,168mm/min的进给率,按8:1的切深多次进刀进行铣削,可以达到50mm3/min的金属切除率。虽然这代表加工效率提高了20倍,但还仅仅是提高生产率的开始。无支撑的侧壁和肋板在全深度走刀铣削时通常会产生振动,因此需要通过重复走刀(“浮动”走刀),来清除因工件振动位移而未能切除的残留余量。由于这个原因,这种振动往往会导致厚度尺寸难以控制,而且,为了去除加工表面留下的振纹(它与通常无害的进给刀痕不同),必须增加手工修磨工序。8:1加工方式不仅能提高凹腔铣削速度,而且可以避免这些附加工序(图7)。
但是,振动仍然是一种威胁。为了在从毛坯逐渐铣削出凹腔的加工过程中尽量减小振动,应该从侧壁或肋板的两侧交替连续进刀铣削(图8)。图8中的数字表示精加工肋板时,将要依次切除的工件材料区域的顺序。在以较大的轴向切深进行粗铣走刀后,接着以较小的轴向切深进行精铣走刀。加工中,肋板的剩余部分始终受到未切除材料的支撑,随着这些区域的工件材料按照图示顺序被依次切除,肋板逐渐形成。事实上,这种交替进行粗铣和精铣的加工方法可以最大限度地为肋板提供支撑,以减小振动。这种肋板成形方式意味着,在每一个连续切削层,刀具无需再次接触肋板,因为刀具已经下降到凹腔的下一个切削层。

图8 8:1准则不仅可应用于垂直向下铣削,还可应用于粗铣与精铣交替进刀

(3)45刃立铣刀

为了进一步提高精铣凹腔的生产率,BR&T一直在进行试验,探究在立铣刀圆周上有可能排列多少切削刃。图4所示的45刃立铣刀直径为50.8mm,为了提高刀具制造的成本效益,该立铣刀采用了空心刀体,以减少硬质合金材料使用量。这种45刃立铣刀可在表面切削速度120m/min、每齿进给量0.076mm时,采用大于2,540mm/min的进给率。
不过,仍然存在一些有待解决的难题。在这种切屑负荷下,较大的刀具直径使径跳误差变化量增大到难以接受的水平。波音公司研究人员仍在试验如何使这种刀具设计更具实用性,以便能将其应用于生产之中。该刀具代表了在精加工钛合金时,多切削刃(45刃)立铣刀目前可能达到的加工速度水平。

快速去除凹腔材料

8:1准则是关于如何用多刃立铣刀快速精铣钛合金凹腔。而钛合金凹腔的粗铣加工需要考虑哪些问题呢?如果飞机零部件是用整件毛坯加工而成,那么,在可以应用8:1加工方法进行精铣之前,首先必须对毛坯进行粗铣,去除凹腔部位的大量工件材料。
刀具供应商山特维克可乐满公司有一个致力于航空零部件切削加工的研究团队。该团队正在努力开发和评估一些高效切削钛合金飞机结构零部件的加工技术。该公司的研究人员表示,粗铣加工时,为了去除钛合金凹腔的工件材料,基本上有三种可选加工方式:①钻削和成形铣削;②以递增切深进行斜坡铣削;③钻削和插铣。一般来说,在这三种加工方法中,第一种方法加工效率最高,而其他两种方法则能加工形状比较复杂的凹腔。

(1)钻削和成形铣削

这种加工方法是:首先在凹腔部位钻削一个大直径的起始孔。为了便于清除切屑,所钻的孔应该尽可能大一些,至少不小于用于粗铣凹腔其余部分的铣刀直径的1.3或1.4倍。然后,将粗铣刀伸入孔中,但伸入的深度应该小于孔深——要为后续的底部精加工留出大约5mm的余量。铣刀从预钻孔中开始向外铣削,通过连续走刀加工出凹腔深度。
对于钛合金工件凹腔的粗铣加工,这种加工方式的材料去除率最高。不过,它要求凹腔的形状比较简单,对于任何在加工时需要换刀,或者凹腔的某些部分需要逐次分层加工的廓形或特征,都不适合采用这种加工方法。该方法还要求工艺稳定性好,即凹腔应该比较浅,刀具的悬伸长度不应超过其直径的4倍。如果被加工凹腔较深,或者因为其他原因导致工艺刚性不足时,选择其他两种加工方式之一可能效果更好。

(2)斜坡铣削和插补铣削

这种加工方式不需要预钻孔。它只需使用一种刀具。这种铣刀以坡走方式切入工件材料,并插补铣削去除凹腔的一层材料,然后坡走切入下一层材料。由于切深较小,因此这种加工方法最适合刚性较差的机床(如某些40锥度的机床)。该加工方法可用于大进给铣削,但采用圆形刀片的铣刀可以更大的切削参数进行斜坡铣削。
对于因轮廓形状导致各处深度不同的凹腔,这种加工方法比上述钻削和仿形铣削加工方法效率更高。

(3)钻削和插铣

这种加工方法可以解决许多加工难题。与第一种方法一样,首先也需要钻一个预孔。不过,此后机床本质上一直是在进行钻削操作——用一把插铣刀或一支能胜任这种加工的钻头进行重叠插铣或插钻。对于任何加工中心来说,Z轴通常具有最好的刚性,因此,采用该方法,能在刚性较差的机床上加工钛合金凹腔。对于要求刀具悬伸长度达到4倍直径以上的深凹腔加工,这种方法也非常适合。
当然,这种方法也有一个缺点,就是在沿着凹腔轮廓线插铣时,各次走刀之间的交叠处会留下廓形尖点,必须通过单独的工序予以去除。

(4)转角问题

上述前两种加工方法——钻削和成形铣削,以及斜坡和插补铣削——都共同面临转角的问题。采用直角转向方式来加工内转角,会大大增加径向切深,可能会导致刀具磨损加剧、破损几率增大,或在转角处产生不受欢迎的颤振纹路——更不用说还会增加工艺的不可预测性,使其难以实现无人值守的自动化加工。因此,山特维克可乐满专家推荐的加工方案几乎完全无需转角。具体地说,铣刀并不是平行于凹腔壁走刀铣削,而是以圆形刀轨向外铣削(图9、图10),直至凹腔壁确实不得不用直线刀轨加工时为止。

图9 圆形刀轨可使刀具负荷处处保持恒定

图10 图中的刀轨转向有很多是不必要的,在刀具实际加工到凹腔壁之前,刀轨并不需要与凹腔形状保持一致

图11通过“逐层清角”,用一把小直径铣刀,进行一系列圆弧逐次缩短的走刀,可以初步去除凹腔转角的工件材料
采用圆弧半径恒定的刀轨可使切屑负荷和径向切深最大化,因为在这种螺旋线刀轨的每一处,作用于刀具上的切削负荷都始终保持稳定。当铣刀到达凹腔壁时,为了适应刀轨方向更急剧的变化,可能需要改变进给率——但即便在此处,铣刀刀轨也应该采用能完全避开内转角的大直径圆弧。
那么,在转角处残留的粗加工余量应该如何去除呢?专家建议采用一种称为“逐层清角”的加工方法——它也可以用于去除前述3种凹腔加工方法之一加工后在转角处残留的工件材料。

(5)逐层清角

逐层清角是一种半精加工方法,它是用一把小直径铣刀,通过一系列越来越短的圆弧刀轨,向下铣出越来越小的转角半径,逐层清除转角处的工件材料。
如图11所示,每一段圆弧都代表一次径向切深很小的走刀。这种小切深走刀可采用相对较高的进给率。不过,随着铣刀越来越接近转角,径向切深逐渐加大,因此,进给率也应该相应降低。最终,将加工出一个比刀具半径略大的转角半径。由于“逐层清角”只是对转角的半精加工,因此还需要采用插铣和刮削方法对转角进行后续精加工(见下节)。
逐层清角加工方法不仅适用于铣削直角转角,而且也适合加工锐角转角。只是在铣削锐角转角时,为了清除粗加工留下的额外余量,需要进行更多次逐层走刀。

图12 凹腔底部应预留较大余量,并采用中心向外扩展的螺旋刀轨进行加工

(6)底部加工

在去除钛合金凹腔材料时,还有一个需要考虑的重要问题是凹腔底部的加工。与凹腔侧壁的加工不同,凹腔底部可以直接铣削至其最终尺寸。虽然精铣底部需要去除更多的余量,但许多加工车间仍习惯于将其视为精加工的一部分。
加工专家认为,铣削钛合金航空零件时,在凹腔底部预留5-6.35mm的余量是一种正确的做法。较大的余量有利于对很薄的底部起到支撑作用,减小切除工件材料过程中产生的振动。
为确保切削的稳定性,应采用从预钻孔中心向外环状扩展的螺旋刀轨,将凹腔底部加工至精加工深度(图12)。这样,在切除余量的旁边总有尚未切除的余量在提供支撑作用——一直向外加工到由相邻的侧壁提供支撑的位置,随后,或许将采用前述的8:1准则对侧壁本身进行精铣加工。

转角的精加工——插铣和清根


图13 此图说明了为何要在精铣凹腔侧壁之前精铣转角。如果不先切除转角处的工件材料,当铣刀进入转角时,径向切深就会显著增大,除了会影响刀具寿命外,工件表面粗糙度可能也会恶化
虽然“逐层清角”加工可有效去除凹腔转角的大部分工件材料,但如何实现内转角的高效精加工,并获得良好的表面光洁度和尺寸精度,也必须予以认真考虑。如果直接采用与精加工凹腔侧壁相同的铣刀对转角进行精加工,可能很难满足上述要求。
精铣钛合金凹腔时,必须将转角加工看作一项完全独立的工序,通常在精铣侧壁之前进行。这是因为,以很小的径向切深进行切削的铣刀一旦进入转角处,与工件的接触面积(吃刀量)就会显著增大(图13),在这一区域,即使刀具没有因切削负荷增大而损坏,也可能会发生颤振和挠曲。
要单独、安全地精铣钛合金凹腔转角,可以采用两种加工方法,一种是慢速侧铣,另一种是插铣。这两种方法可能都要采用大长径比的铣刀,因为该铣刀不能大于内转角的规定半径。在对这两种加工方法(所用铣刀的长径比最大达到5.5)进行评估后,波音公司研究和技术团队(BR&T)最终确定了插铣与侧铣相结合的转角加工工艺。
插铣转角具有加工更稳定的先天优势。切削试验也证明了这一点。与侧铣相比,插铣可以减小刀具挠曲,并显著改善加工表面光洁度,同时,可以大幅缩短加工循环时间。不过,单独采用插铣也有其不足之处。为了从转角处清除足够多的工件材料,为侧壁精加工刀具留出充分的走刀空间,波音工程师推荐采用一种称为“插铣和清根”的加工方法,即在插铣转角后,通过侧铣清除邻近插铣区域的多余工件材料。

图14 在插铣和清根加工中,切削刃上的棱带对插铣加工有益,但对清根加工不利,因此可用同一种铣刀(图右)的“有棱带”和“无棱带”型式分别进行加工
在刀具的长径比不大于4的情况下,插铣和侧铣可以采用同一把铣刀。如果长径比大于4,就只能分别采用两种十分类似的铣刀。当插铣刀插入凹腔深处铣削时,容易发生颤振。为了克服这一缺点,BR&T的工程师在插铣刀在每一个切削刃上都制备了一条宽度约为0.1mm的棱带。该棱带与工件材料发生摩擦,其作用就像一个支承面一样,可以从根本上提高切削的稳定性。但由于同样的摩擦作用会降低侧铣加工的生产率,因此清根加工需要采用单独的刀具。实际上,除了有无棱带以外,分别使用的插铣刀和清根铣刀可以完全一样(图14)。唯一的缺点是,这两种铣刀很容易相互混淆,因为刀刃上的棱带很不容易看清楚。因此,进行插铣和清根加工的车间可能更愿意采用刃数不同的铣刀分别进行不同的加工——只是为了能容易地区分这两种刀具。
插铣和清根加工还有一个优势:它使扩大清根加工范围——为使用比内转角半径大得多的铣刀进行侧壁精加工腾出空间——成为可能。或许正如前述的45刃立铣刀最好表明的那样,直径较大的铣刀能容纳更多的切削刃,从而能以更高的进给率进行精铣加工。以这种方式,在精铣凹腔侧壁之前先清除转角处的工件材料,最终能大大提高整个精加工的生产率。

考虑整个加工成本而不只是刀具成本

加工钛合金飞机零件时,除了要考虑刀具路径以外,还需要考虑另一个重要问题——选择刀具对加工经济性的影响。波音公司研究和技术团队(BR&T)的研究人员表示,价格最便宜的刀具可能是——但也可能不是——加工成本最低的选择方案。例如,由于高速钢刀具具有良好的抗冲击性能,常常被用于钛合金的加工。高速钢刀具的金属去除率有可能达到与典型的硬质合金刀具最佳去除率相当的水平。在这种情况下,比较便宜的高速钢刀具可以提供更好的加工经济性。
然而,许多加工车间有潜力在现有水平上大幅提高铣削钛合金的切削速度。加工车间可以通过采用性能更好的刀具(如10刃或20刃硬质合金立铣刀),显著提高加工效益。由于提高工件加工速度可以降低分摊到每件工件上的一般管理费用,因此生产率的提高很容易就能抵消增加的刀具费用——即使这种刀具相当昂贵。这就意味着,仅仅根据刀具售价来选购刀具,可能并不能达到降低成本的目的。即使刀具完全免费,总的加工成本也可能更高,因为刀具本身的性能会限制加工性能的提高。
表1所示的刀具加工经济性对比证明了这种观点。用6刃高速钢铣刀和4刃硬质合金铣刀以相同的金属去除率精铣钛合金肋板时,价格较低廉的高速钢刀具的每平方英寸加工成本也较低(精加工时,用加工的面积来衡量加工成本较为恰当;粗加工时,则应采用切除材料的体积来衡量加工成本)。然而,用10刃硬质合金铣刀进行加工时,情况则有很大不同,由于金属去除率大幅提高,虽然刀具价格更贵,但加工总成本反而显著下降。
表1 3种刀具的加工经济性对比
 精加工钛合金肋板Ø31.7mm6刃
高速钢铣刀
Ø25.4mm4刃
硬质合金铣刀
Ø25.4mm10刃
硬质合金铣刀
一般管理费用投入机床费率(美元/h)100100100
换刀时间(min)151515
换刀费率(美元/h)505050
加工费用投入刀具费用(美元)100150250
平均切深(mm)502525
进给率(mm/min)751521170
金属去除率(cm3/min)9898754
刀具寿命(min)909090
产出每把刀具加工总面积(cm2)3484348426710
加工成本(美元/cm2)0.0760.0900.016
刀具的价格与价值之间可能存在很大差异。因此,重要的不是比较刀具成本,而是比较加工成本,否则,加工车间很可能会为了节省刀具费用而错误选择既慢又贵的加工方式。为了选择成本效益更好的加工方式,波音公司在加工钛合金航空零件时,用以下公式来比较粗加工(用体积去除率来衡量)或精加工(用面积去除率来衡量)的成本:
每立方(或平方)英寸加工成本=(TC/TL+Rm/60+RLT/60TL)/MRR
式中:T——换刀时间(分钟)
TC——刀具成本(美元)
TL——刀具寿命(分钟)
Rm——机床费率(美元/小时)
RL——劳动力费率(美元/小时)
MRR——金属去除率(立方或平方英寸/分钟)。
本文作者:张宪(译)
原载:《工具展望》2010年第3期
上载于:2013-2-25 16:39:36

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