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。

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
本文作者:山东大学 付秀丽 艾兴 张松 潘永智
原载:《工具技术》2008年第3期
上载于:2009-5-25 11:19:45

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