高速切削技术在航空制造业中的应用

高速切削技术在航空制造业中的应用

摘要：高速切削是一个相对概念，它包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣（绝大部分应用是高速铣削）等不同的加工方式，根据被加工材料的不同及加工方式的不同，其切削速度范围也不同。由于高速切削产生的热量少，切削力小，零件的变形小，因此高速切削非高速常适用于轻合金加工，特别适合以轻合金为主的航空制造。航空制造业是最早采用高速铣削的行业。高速切削技术能提高切削效率，能整体高速加工零部件，对难加工材料进行高速切削以及采用整体制造法制造零件。在航空制造业的应用，主要集中在飞机整体结构件和航空发动机高硬合金零件（主要为叶片）的高速切削上。

关键词：高速切削技术；航空制造；高速加工

1、高速切削技术

高速切削理论最早是由德国物理学家Carl.J.Salomon 在1931年4月提出。并发表了著名的Salomon曲线。主要内容是：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。

目前高速切削技术比较普及的定义是根据1992年国际生产工程研究会(CIRP) 年会主题报告的定义：高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5 －10 倍的切削加工。机床主轴转速在10000-20000r/min以上，进给速度通常达15-50m/min，最高可达90m/min。

我国对于高速切削技术的研究起步较晚,一些高校和科研院所陆续开始对高速切削机理和实践进行应用研究。南京航空航天大学对高速切削高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料进行了试验研究,发现切削变形为集中剪切滑移,且滑移区很窄,形成锯齿状不连续切屑,其变形机理完全不同于连续性切屑。山东大学比

较系统地研究了Al

2O

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基陶瓷刀具高速硬切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破

损、加工表面质量等,建立了有关切削力、切削温度模型及刀具磨损与破损的理论。哈尔滨工业大学等用PCBN刀具对干式切削不同硬度轴承钢的切削力、切削温度、已加工表面完整性进行了切削试验研究,发现存在区分普通切削与硬态切削的临界硬度。在临界硬度附近切削时,刀具的磨损严重,加工表面质量最差。北京理工大学较为系统地研究了软钢、高强度装甲钢的高速铣削和淬硬钢、钨合金和硅铁的高速切削机理（刀具磨破损及刀具可靠性、切削力和表面粗糙度）。天津大学和大连理工大学也都对高速硬切削机理进行了研究。

在航空制造业及其他一些行业中，为了最大限度地减轻重量和满足其他一些要求，许多机械零件采用薄壁、细筋结构。由于刚度差，不允许有较大的吃刀深度，因此，提高生产率的唯一途径就是提高切削速度和进给速度。高速切削主要用于铣削高强度铝合金整体构件、薄壁类零件。飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大（一般在70%以上，有的高达98%），成品壁厚只有1mm。采用高速切削可以大大缩短切削时间，又保证了零件的质量。另外，飞机的蜂窝结构件必须采用高速铣削技术才能保证质量。

由于飞机上的零件对于重量要求比较苛刻，同时也为了提高可靠性和降低成本，将原来由多个饭金件铆接或焊接而成的组件，改为采用整体实心材料制造，此即“整体制造法”。在整块毛坯上切除大量材料后，形成高精度的铝合金或铁合金的复杂构件，其切削工时占整个零件制造总工时的比例很大。同时，普通的切削速度会使零件产生较大的热变形。采用超高速切削，可大幅度提高生产率和产品质量，降低制造成本，这是促使飞机制造行业开发和应用高速切削技术的主要原因。高速铣削材料的切除率可达每千瓦功率100~150cm3/min ，比传统的加工工艺工效提高 3 倍以上。

2、高速切削技术在航空制造业中的应用

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。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。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。。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。

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。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。

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，）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。

对于航空发动机叶片来说，由于叶片身型面是由基元叶型按一定的积叠规律积叠而成的空间曲面，形状复杂，因此其精密铸模和锻模的型腔曲面也是复杂的自由曲面。型腔曲面宜采用数控多轴高速铣削方法进行加工。高速铣削除了提高切削效率之外，还会带来如下优点：（1）加工费用低。高速铣削取代电火花加工，可直接加工淬硬后的模具型腔。这样既省去了电极材料、电极加工编程和加工，又节省了电极加工过程所需费用。材料去除率可与电火花加工相媲美 , 甚至更优 , 可获得更好的表面质量。例如，某锻模材料硬度高达 HRC54，型腔精加工若全部由高速切削来完成 , 加工时间为 88 min。如果按照以前的工艺 , 从生产电极、电火花加工到抛光大约需17h。（2）模具寿命延长。高速切削避免了电火花加工在加工表面留下白硬层（重铸层）的缺陷。白硬层对模具寿命，特别是在压铸和锻造等高应力状态下使用的模具是十分有害的。模具寿命的提高还有另外一个原因，在传统的加工工艺中，电火花加工去除的型腔余量较大。模具材料的淬透性较差，模具心部与外表的硬度相差较大，当加工的余量较大时，模具心部硬度较低处就成了加工后的外表面，导致该处强度与硬度下降，使用寿命下降。（3）减少了手工休整工作量。由于高速铣削切削量减小，可以使用更小直径的铣刀对小的圆角半径和模具结构的细节进行加工，节省了部分加工和手工钳修工作。手工修整时间的减少和生产工艺简化对缩短生产周期的贡献甚至超过了高速切削速度提高带来的价值。获得的表面粗糙度可以达到 Ra0.5，可以与