航空整体结构件的高速切削加工
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摘要:针对航空整体结构件的形状复杂、壁薄、体积大等结构特性和材料去除率高、难加工、易变形的工艺特征,结合高速切削加工的技术和经济优势的特点,分析和讨论了航空整体结构件高速切削加工过程中涉及到的刀具材料、切削参数、走刀策略和装夹方式等对加工质量和加工效率产生的影响。

1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。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
    铝合金
    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-T745123.5490-630410.0415510455
    7075-T65123.6475-635330.0515572503
    2024-T35123.2500-635300.058470325
    6061-T65123.6580-650430.040310276
  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8~9µm;而加工硅含量>12%的高硅铝合金,PCD粒径为10~25µm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。
  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。

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(Ti-6Al-4V)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90m/min以上,铝合金的切削速度达1500~6000m/min。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300~1500m/min时加工效果较好。

图1 某飞机机翼零件
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=1300m/min,进给量fz=0.5mm/z、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=800m/min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。

4 走刀策略

航空结构件加工的效率和工件变形很大程度上取决于加工的走刀路径。高速切削要保证刀位路径的方向性,即尽可能简化,少转折点,路径尽量平滑,减少急速转向。

图2 不同的曲面走刀路径
在保证加工精度的前提下,应减少空走刀时间,尽可能增加切削时间在整个工件中的比例,以提高加工效率。国内目前航空业的高速切削加工主要采用回路切削,通过不中断切削过程和刀具路径,减少刀具的切入和切出次数,获得稳定、高效、高精度的切削过程。对于整体结构件中常见的薄壁框体零件,采用单一的环切、螺旋切削时,腹板变形很难控制,而采用分步环切法走刀后,通过零件未加工部分自身的刚性,可达到减小腹板变形的目的。
另外,在航空、航天的大型复杂曲面高速切削加工中,曲面曲率变化大时,应以最大曲率半径方向作为最优走刀方向,如图2a所示;曲面曲率变化小时,曲率半径对走刀方向的影响减弱,宜选择单条刀轨平均长度最长的走刀方向,如图2b所示。

5 装夹方式

航空整体结构件大多为表面由数个槽腔和孔组成的双面结构设计,机械加工时装夹困难、易产生加工变形、表面加工质量很难控制。在实际装夹时应考虑满足翻面加工时能提供较好的定位和支撑、较薄的结构能提供辅助支撑、外轮廓加工时能连续进行切削等要求。从压紧调整、结构调整、定位调整几个方面考虑,目前航空制造业普遍采用的装夹方式有机械、液压可调夹具、真空吸附装夹等几种。
压紧调整可利用液压可调夹具,即压板在零件加工过程中可以松开,并可移出刀具加工区,保证刀具切削轨迹的连续性,刀具切过压紧位置后,夹具系统再使压板返回原来的压紧位置;结构调整是利用改变或更换夹具的部分组件以适应不同零件的加工装夹要求,如可换基础垫板、组合夹具等。实现良好的定位调整方式比较复杂,国外的航空业正采用一种新的装夹方式——电控永磁吸盘装夹,水平与高度都可以移动,加工时工件无需重复装夹与定位,很好的解决了定位调整的问题,但成本较高。
目前国内航空结构件的装夹存在凭经验来确定装夹力大小、位置及作用顺序,没有考虑高速切削热力耦合对工件变形的影响等问题,很难保证工件的加工精度,并给加工后的工件校形带来很大的困难[24]。同时由于航空件自身结构的特殊性,在实际装夹中存在许多问题。例如,大厚度(50mm以上)整体结构件在机床上粗加工的装夹,若采用真空吸附方式,由于夹紧力小难以与夹具定位面紧密贴合;若采用压板压紧,在基准面加工时,零件的后续定位产生偏差,产生整体加工变形;另外双面结构件在加工中,有些加工部位缺少支撑,容易产生局部加工变形而导致零件结构厚度难于控制;国内常采用的预留工艺凸台方法加工刚度差的薄壁件,造成材料的浪费;若在零件内部压紧,被压紧的薄壁部位可能对零件产生变形甚至损伤,很难达到理想效果。在高速切削加工航空整体结构件的装夹方面,还需要做大量的研究工作。

6 结语

高速切削技术被广泛应用在航空制造业,但整体件自身结构的复杂性,高速切削时刀具的选择、切削参数的选用以及走刀策略和装夹方式是高速切削加工成功应用的关键,本文通过对以上问题的分析和讨论得到:①基于航空整体结构件的常用材料的性能特点,分析了高速切削加工航空整体结构件刀具材料及几何角度的选择,给出了铝合金、钛合金加工中合理的刀具材料和几何角度。②航空整体结构件高速铣削时一般采用顺铣加工方式,并保持切削负载稳定,切削加工时综合考虑切削速度、进给量和切削深度对切削效率和加工变形的影响,并不过分追求高的切削速度。③对于加工中的走刀策略进行了分析,讨论了分布环切法以及对不同曲率的复杂曲面的最大曲率半径方向或单条刀轨平均长度最长走刀,通过合理的走刀策略,控制加工中的变形问题。④针对航空整体结构件装夹困难、易变形的现状,从压紧调整、结构调整、定位调整的角度对目前的机械、液压、真空吸附等装夹方式的优劣进行了分析,指出了现有装夹方式在装夹中普遍存在的问题。
本文作者:山东大学 付秀丽 艾兴 张松 潘永智
原载:《工具技术》2006年第3期
上载于:2006-12-18 5:11:33

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