钛合金薄壁类零件高效切削技术及应用
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机和大飞机的研制奠定基础。
四、课题预期目标、主要技术和经济指标
可获得专利等知识产权及人才培养情况：
（1） 预计获得发明专利或软件著作权登记2项以上；
（2）发表SCI或EI文章8篇以上；
（3）预计培养博士研究生6人，硕士研究生8人；培养年轻教 师和技术人员8人。
七、研究任务分配及进度安排—任务分配
八、研究基础和条件—切屑形貌研究
切削速度对绝热剪切带的影响图 切屑自由表面结构特征 （f:0.08mm/tooth, ap:1.5mm, ae:4mm） (f: 0.08 mm/tooth, ap: 1.5 mm, ae: 4 mm)
八、研究基础和条件—新型刀具结构研究
不等齿间角分布对切削力 频谱的影响 刃口钝化刀具和刃口非钝化刀具对 比实验研究
等齿间角螺旋立铣刀铣削力及其频谱分布
切削速度对铣削力影响规律
不等齿间角螺旋立铣刀铣削力及其频谱分布
加工工艺参数对表面粗糙度的影响规律
八、研究基础和条件—装夹与切削稳定性研究
利用有限元仿真技术研究了航空薄壁件装夹引起的加工变形 随壁厚变化的规律
不同装夹方式对模态特性的影响
钛合金框类薄壁加工工件装夹示意图
锯齿状切屑形成机理研究—绝热剪切和应变积聚
切屑-刀具-工件界面作用机理研究—粘结区的摩擦特性难以确定 刀具磨损破损机理—破损机理研究较少 基于有限元数值技术切削加工过程动态物理仿真—计算精度有待提高
（3）冷却润滑技术研究
液氮冷却技术—成本较高 最小微量润滑技术—受切屑阻挡作用
不同装夹方式对系统第1阶固有频率的影响
八、研究基础和条件
4.近年来发表30余篇钛合金加工的相关论文
[J1] J. Sun, Y.B. Guo, 2008, “A Comprehensive Experimental Study on Surface Integrity by End Milling
通过山东大学、成都飞机工业（集团）有限责任公司、浙江 大学三方的充分协商，根据各自的工作基础和学科优势，对研究 内容进行了分配，具体方案如下：
山东大学
（1）负责高速切削过程刀具-切屑-材料界面作用机理； （2）刀具结构、材料、涂层和刃口强化等对切屑变形、刀 具磨损、和加工表面质量的影响规律；
（3）弱刚性工艺系统加工颤振控制研究；
装夹与切削稳定性研究；
钛合金切削加工材料力学行为研究； 钛合金整体结构件变形预测研究。
八、研究基础和条件—刀具磨损机理及刀具寿命
进行了钛合金高速切削试验，发现钛合金高 速铣削加工过程中刀具发生严重的磨损，刀 具在多种磨损形式的综合作用下发生失效。 进行了正交试验，拟合出不同冷却润 滑条件下涂层刀具和非涂层刀具的高 速铣削寿命公式，为生产实际提供基 础数据。 未涂层刀具干切削：
国家高技术研究发展计划（863计划）
项目名称：钛合金薄壁类零件高速切削技术及应用
申请单位: 山东大学
成都飞机工业（集团）有限责任公司
浙江大学
负 责 人：
2008年12月19日
主要汇报内容
一、课题简介
二、主要研究内容
三、拟解决的技术难点和创新点 四、预期目标、主要技术和经济指标 五、技术路线及可行性分析 六、预期研究成果及应用前景分析
一、课题简介
4. 研究意义
通过钛合金高速加工基础理论研究，以及基于切削稳定性新 型刀具设计理论及工艺参数优化研究，结合薄壁类弱刚性零件变 形预测与控制工艺理论研究，为航空制造业提供一整套钛合金 薄壁类弱刚性零件高速高效加工的工艺理论和方法，突破制约
我国先进战机批生产和下一代战机研制瓶颈，为我国下一代战
切屑流出方向 磨粒磨损区
T=14618v-2.35f-2.06ap-1.51ae-1.05
涂层刀具干切削：
T=2421748v-3.25f-1.87ap-1.7ae-1.22 未涂层刀具切削液切削：
粘结磨损区
T=442413v-2.98f-2.11ap-1.37ae-1.34
涂层刀具切削液切削： T=14618v-3.6f-1.8ap-1.41ae-1.41
九、项目管理及保障措施
课题组达成了由山东大学牵头，成都飞机工业（集团）有限责任公司、 浙江大学密切配合的共识，通过强强联合、优势互补为项目的顺利完成提 供了可靠的技术保证，为确保高起点、高质量地完成科研任务，拟采取以 下保障措施： （1）成立项目协调小组； （2）建立定期交流机制； （3）成立专家技术组； （4）严格按照科技部有关项目管理办法认真组织实施。
国家高技术研究发展计划（863计划）
课题经费预算
经费预算汇报内容
一、支撑条件说明
二、经费安排说明
三、科目支出说明
四、配套经费说明
一、支撑条件说明
1.山东大学机械工程学院：
（1）良好的科研软件环境，拥有： 985科技创新平台：高效精密制造技术与装备科技创新平台； 国家重点学科：机械制造及其自动化 ； 省级重点实验室：精密制造与装备 。 （2）硬件环境 五轴高速加工中心、三轴高速加工中心、数控车削中心等优良的实验设备； 残余应力测试仪、高温摩擦试验机、真空高温加热炉、B&K振动测试分析系 统等先进实验仪器与测试系统。 （3）人才与技术支持
（4）抑制切削颤振钛合金加工新型刀具设计理论研究； （5）典型零件高速切削数据库框架构建。
Baidu Nhomakorabea 七、研究任务分配及进度安排—任务分配
成都飞机工业（集团）有限责任公司
（1）负责刀具的切削实验及切削效果评定；
（2）负责建立典型零件加工工艺参数优化及切削参数数据库
等应用平台； （3）典型零件切削路径轨迹规划试验研究； （4）研究成果的工程应用。
八、研究基础和条件
4. 实验仪器设备
项目申请单位在切削加工和CAD/CAE/CAM等方面具有良好的理论 研究基础和丰富的应用技术积累，实验仪器和设备配套完整，互为 补充，具备了承担本项目的良好硬件和软件条件，主要仪器设备如 下表所示：
（1）DMU-70V五轴联动数控高速加工 中心； （2）KISTLER 9257B 测力仪； （3）NT9300光学轮廓仪； （4）XStress3000残余应力测试仪； （5）UMT-2 高温摩擦磨损试验机； （6）真空高温加热炉；
浙江大学
（1）弱刚性工艺系统切削加工变形控制；
（2）刀具及切削工艺参数优化； （3）切削路径轨迹规划。
八、研究基础和条件
1. 与本课题相关的研究基础 刀具材料/钛合金高温氧化扩散； 钛合金加工刀具磨损机理及刀具寿命； 冷却润滑方法研究；
切屑形貌研究；
钛合金加工新型刀具结构研究； 表面质量完整性研究；
[J4] J. Sun, Y.B. Guo, 2007, “Material Flow Stress and Failure in Machining Biomedical Titanium Alloy
Ti-6Al-4V,” Int. J. of Advanced Manufacturing Technology, 38, pp. 1-9. [J5]S.Zhang, J.F.Li, J.X..Deng, et al, “ Investigation on diffusion wear during high-speed machining Ti6Al-4V alloy with straight tungsten carbide tools,” Int. J. Adv. Manuf. Technol.
一、课题简介
3. 国内外研究现状
（4）钛合金加工新型刀具研究
刀具材料与涂层技术研究—发展快 抑制切削颤振新型刀具结构—缺乏系列理论研究 刀具刃口强化技术—近年来引起关注
（5）加工工艺参数优化研究
以成本、刀具寿命、表面质量等为目标进行优化—缺乏基于切削稳定性工艺 参数优化研究
（6）表面质量完整性研究
两条柔性生产线（FMS）。 具有足够的能力进行研究经费匹配。 （2）技术支持 在 歼十、枭龙等项目中钛合金零件的加工中积累了丰富的经验。 （3）人才支持
歼十、枭龙项目培养了一大批科技人员和高素质的操作工人队伍，为本项目顺
利实施提供了很好的人才支持；
一、支撑条件说明
3.浙江大学机械与能源工程学院：
Ti-6Al-4V,” J. of Mater. Proc. Tech. (in press).
[J2] J. Sun, Y.B. Guo, 2008, “A New Multi-view Approach to Characterize 3D Chip Morphology and Properties in End Milling Titanium Alloy Ti-6Al-4V” Int. J. Machine Tools and Manufacture, 48 (2008): 1486-1494 [J3] J. Sun, Y.B. Guo, 2008, “Characteristics of 3D Chip Morphology and Properties in End Milling Titanium Alloy Ti-6Al-4V,” Trans. of NAMRI/SME, 36, pp. 373-380(Feature Article, Manufacturing Engineering Magazine, July/2007)
加工表面残余应力 表层与前表层金相组织变化 表层与前表层微硬度变化 表面形貌变化
一、课题简介
3. 国内外研究现状
（7）薄壁件加工变形控制研究
基于弹性变形模型的腹板、侧壁等薄壁件局部加工变形预测与控制研究 基于有限元方法的框、梁等整体结构件加工变形预测、分析与控制研究 航空薄壁结构件装夹布局优化研究 航空薄壁结构件高速加工试验研究
一、支撑条件说明
4. 可能科技条件资源和成果的社会共享方案
从事过多项与钛合金加工相关工艺理论研究，积累了丰富的经验 ；
掌握了国际、国内钛合金加工的大量文献资料； 与多位国际著名制造专家保持这学术交流。
一、支撑条件说明
2.成都飞机工业（集团）有限责任公司：
（1）硬件环境： 面积约20000平米的可实现加工现场恒温控制的现代化厂房；
拥有世界先进大型数控加工中心数十台，65%以上为五坐标加工机床；
（1）良好的科研软件环境，拥有： 985科技创新平台：浙江大学“985”先进制造技术与装备科技创新平台；
国家重点学科：机械制造及其自动化； 省级重点实验室：先进制造工程研究所。
（2）硬件环境 Hs664FEDIA五轴高速加工中心、Kistler测力仪、LEICA激光跟踪仪、光动 激光干涉仪、三坐标测量机等大量高端实验设备； （3）人才与技术支持 先进制造工程研究所现有16名教授，18名副教授，为项目顺利开展奠定了人 才基础； 长期与成飞公司合作，围绕整体结构件加工变形机理、薄壁件加工工艺等积 累了丰富的经验。
[J6]Y.L.Ke, H.Y.Dong, G.Liu. “Study on the use of nitrogen gas in high-speed milling of Ti-6Al-4V,”
Transactions of Nonferrous Metals Society of China (Accepted)
七、研究任务分配及进度安排
八、研究基础和条件 九、项目管理及保障措施
一、课题简介
3. 国内外研究现状
（1）钛合金高速切削加工力学行为研究
基于Hopkinson压缩实验钛合金材料本构关系模型—应变率比实际值偏低 基于正交切削实验获得材料本构关系模型—受刀具刃口半径等误差影响
（2）钛合金加工切削机理研究
（7）丹麦B&K公司PLUSE振动采集分
析系统测；
（8）25T SHIMADZU电子万能试验机； （9）自然热电偶车、铣切削温度测量仪 器各1套； （10）NEC TH5104R 红外测温仪 （11）高性能Dell计算机工作站2台； （12）Brown＆Sharpe三坐标测量机； （13）有限元软件ABAQUS、ANSYS。 （14）扫描电子显微镜； （15）硬度计、显微硬度计； （16）台式、便携式表面粗糙度仪； （17）镶嵌机、抛光机。
四、课题预期目标、主要技术和经济指标
可获得专利等知识产权及人才培养情况：
（1） 预计获得发明专利或软件著作权登记2项以上；
（2）发表SCI或EI文章8篇以上；
（3）预计培养博士研究生6人，硕士研究生8人；培养年轻教 师和技术人员8人。
七、研究任务分配及进度安排—任务分配
八、研究基础和条件—切屑形貌研究
切削速度对绝热剪切带的影响图 切屑自由表面结构特征 （f:0.08mm/tooth, ap:1.5mm, ae:4mm） (f: 0.08 mm/tooth, ap: 1.5 mm, ae: 4 mm)
八、研究基础和条件—新型刀具结构研究
不等齿间角分布对切削力 频谱的影响 刃口钝化刀具和刃口非钝化刀具对 比实验研究
等齿间角螺旋立铣刀铣削力及其频谱分布
切削速度对铣削力影响规律
不等齿间角螺旋立铣刀铣削力及其频谱分布
加工工艺参数对表面粗糙度的影响规律
八、研究基础和条件—装夹与切削稳定性研究
利用有限元仿真技术研究了航空薄壁件装夹引起的加工变形 随壁厚变化的规律
不同装夹方式对模态特性的影响
钛合金框类薄壁加工工件装夹示意图
锯齿状切屑形成机理研究—绝热剪切和应变积聚
切屑-刀具-工件界面作用机理研究—粘结区的摩擦特性难以确定 刀具磨损破损机理—破损机理研究较少 基于有限元数值技术切削加工过程动态物理仿真—计算精度有待提高
（3）冷却润滑技术研究
液氮冷却技术—成本较高 最小微量润滑技术—受切屑阻挡作用
不同装夹方式对系统第1阶固有频率的影响
八、研究基础和条件
4.近年来发表30余篇钛合金加工的相关论文
[J1] J. Sun, Y.B. Guo, 2008, “A Comprehensive Experimental Study on Surface Integrity by End Milling
通过山东大学、成都飞机工业（集团）有限责任公司、浙江 大学三方的充分协商，根据各自的工作基础和学科优势，对研究 内容进行了分配，具体方案如下：
山东大学
（1）负责高速切削过程刀具-切屑-材料界面作用机理； （2）刀具结构、材料、涂层和刃口强化等对切屑变形、刀 具磨损、和加工表面质量的影响规律；
（3）弱刚性工艺系统加工颤振控制研究；
装夹与切削稳定性研究；
钛合金切削加工材料力学行为研究； 钛合金整体结构件变形预测研究。
八、研究基础和条件—刀具磨损机理及刀具寿命
进行了钛合金高速切削试验，发现钛合金高 速铣削加工过程中刀具发生严重的磨损，刀 具在多种磨损形式的综合作用下发生失效。 进行了正交试验，拟合出不同冷却润 滑条件下涂层刀具和非涂层刀具的高 速铣削寿命公式，为生产实际提供基 础数据。 未涂层刀具干切削：
国家高技术研究发展计划（863计划）
项目名称：钛合金薄壁类零件高速切削技术及应用
申请单位: 山东大学
成都飞机工业（集团）有限责任公司
浙江大学
负 责 人：
2008年12月19日
主要汇报内容
一、课题简介
二、主要研究内容
三、拟解决的技术难点和创新点 四、预期目标、主要技术和经济指标 五、技术路线及可行性分析 六、预期研究成果及应用前景分析
一、课题简介
4. 研究意义
通过钛合金高速加工基础理论研究，以及基于切削稳定性新 型刀具设计理论及工艺参数优化研究，结合薄壁类弱刚性零件变 形预测与控制工艺理论研究，为航空制造业提供一整套钛合金 薄壁类弱刚性零件高速高效加工的工艺理论和方法，突破制约
我国先进战机批生产和下一代战机研制瓶颈，为我国下一代战
切屑流出方向 磨粒磨损区
T=14618v-2.35f-2.06ap-1.51ae-1.05
涂层刀具干切削：
T=2421748v-3.25f-1.87ap-1.7ae-1.22 未涂层刀具切削液切削：
粘结磨损区
T=442413v-2.98f-2.11ap-1.37ae-1.34
涂层刀具切削液切削： T=14618v-3.6f-1.8ap-1.41ae-1.41
九、项目管理及保障措施
课题组达成了由山东大学牵头，成都飞机工业（集团）有限责任公司、 浙江大学密切配合的共识，通过强强联合、优势互补为项目的顺利完成提 供了可靠的技术保证，为确保高起点、高质量地完成科研任务，拟采取以 下保障措施： （1）成立项目协调小组； （2）建立定期交流机制； （3）成立专家技术组； （4）严格按照科技部有关项目管理办法认真组织实施。
国家高技术研究发展计划（863计划）
课题经费预算
经费预算汇报内容
一、支撑条件说明
二、经费安排说明
三、科目支出说明
四、配套经费说明
一、支撑条件说明
1.山东大学机械工程学院：
（1）良好的科研软件环境，拥有： 985科技创新平台：高效精密制造技术与装备科技创新平台； 国家重点学科：机械制造及其自动化 ； 省级重点实验室：精密制造与装备 。 （2）硬件环境 五轴高速加工中心、三轴高速加工中心、数控车削中心等优良的实验设备； 残余应力测试仪、高温摩擦试验机、真空高温加热炉、B&K振动测试分析系 统等先进实验仪器与测试系统。 （3）人才与技术支持
（4）抑制切削颤振钛合金加工新型刀具设计理论研究； （5）典型零件高速切削数据库框架构建。
Baidu Nhomakorabea 七、研究任务分配及进度安排—任务分配
成都飞机工业（集团）有限责任公司
（1）负责刀具的切削实验及切削效果评定；
（2）负责建立典型零件加工工艺参数优化及切削参数数据库
等应用平台； （3）典型零件切削路径轨迹规划试验研究； （4）研究成果的工程应用。
八、研究基础和条件
4. 实验仪器设备
项目申请单位在切削加工和CAD/CAE/CAM等方面具有良好的理论 研究基础和丰富的应用技术积累，实验仪器和设备配套完整，互为 补充，具备了承担本项目的良好硬件和软件条件，主要仪器设备如 下表所示：
（1）DMU-70V五轴联动数控高速加工 中心； （2）KISTLER 9257B 测力仪； （3）NT9300光学轮廓仪； （4）XStress3000残余应力测试仪； （5）UMT-2 高温摩擦磨损试验机； （6）真空高温加热炉；
浙江大学
（1）弱刚性工艺系统切削加工变形控制；
（2）刀具及切削工艺参数优化； （3）切削路径轨迹规划。
八、研究基础和条件
1. 与本课题相关的研究基础 刀具材料/钛合金高温氧化扩散； 钛合金加工刀具磨损机理及刀具寿命； 冷却润滑方法研究；
切屑形貌研究；
钛合金加工新型刀具结构研究； 表面质量完整性研究；
[J4] J. Sun, Y.B. Guo, 2007, “Material Flow Stress and Failure in Machining Biomedical Titanium Alloy
Ti-6Al-4V,” Int. J. of Advanced Manufacturing Technology, 38, pp. 1-9. [J5]S.Zhang, J.F.Li, J.X..Deng, et al, “ Investigation on diffusion wear during high-speed machining Ti6Al-4V alloy with straight tungsten carbide tools,” Int. J. Adv. Manuf. Technol.
一、课题简介
3. 国内外研究现状
（4）钛合金加工新型刀具研究
刀具材料与涂层技术研究—发展快 抑制切削颤振新型刀具结构—缺乏系列理论研究 刀具刃口强化技术—近年来引起关注
（5）加工工艺参数优化研究
以成本、刀具寿命、表面质量等为目标进行优化—缺乏基于切削稳定性工艺 参数优化研究
（6）表面质量完整性研究
两条柔性生产线（FMS）。 具有足够的能力进行研究经费匹配。 （2）技术支持 在 歼十、枭龙等项目中钛合金零件的加工中积累了丰富的经验。 （3）人才支持
歼十、枭龙项目培养了一大批科技人员和高素质的操作工人队伍，为本项目顺
利实施提供了很好的人才支持；
一、支撑条件说明
3.浙江大学机械与能源工程学院：
Ti-6Al-4V,” J. of Mater. Proc. Tech. (in press).
[J2] J. Sun, Y.B. Guo, 2008, “A New Multi-view Approach to Characterize 3D Chip Morphology and Properties in End Milling Titanium Alloy Ti-6Al-4V” Int. J. Machine Tools and Manufacture, 48 (2008): 1486-1494 [J3] J. Sun, Y.B. Guo, 2008, “Characteristics of 3D Chip Morphology and Properties in End Milling Titanium Alloy Ti-6Al-4V,” Trans. of NAMRI/SME, 36, pp. 373-380(Feature Article, Manufacturing Engineering Magazine, July/2007)
加工表面残余应力 表层与前表层金相组织变化 表层与前表层微硬度变化 表面形貌变化
一、课题简介
3. 国内外研究现状
（7）薄壁件加工变形控制研究
基于弹性变形模型的腹板、侧壁等薄壁件局部加工变形预测与控制研究 基于有限元方法的框、梁等整体结构件加工变形预测、分析与控制研究 航空薄壁结构件装夹布局优化研究 航空薄壁结构件高速加工试验研究
一、支撑条件说明
4. 可能科技条件资源和成果的社会共享方案
从事过多项与钛合金加工相关工艺理论研究，积累了丰富的经验 ；
掌握了国际、国内钛合金加工的大量文献资料； 与多位国际著名制造专家保持这学术交流。
一、支撑条件说明
2.成都飞机工业（集团）有限责任公司：
（1）硬件环境： 面积约20000平米的可实现加工现场恒温控制的现代化厂房；
拥有世界先进大型数控加工中心数十台，65%以上为五坐标加工机床；
（1）良好的科研软件环境，拥有： 985科技创新平台：浙江大学“985”先进制造技术与装备科技创新平台；
国家重点学科：机械制造及其自动化； 省级重点实验室：先进制造工程研究所。
（2）硬件环境 Hs664FEDIA五轴高速加工中心、Kistler测力仪、LEICA激光跟踪仪、光动 激光干涉仪、三坐标测量机等大量高端实验设备； （3）人才与技术支持 先进制造工程研究所现有16名教授，18名副教授，为项目顺利开展奠定了人 才基础； 长期与成飞公司合作，围绕整体结构件加工变形机理、薄壁件加工工艺等积 累了丰富的经验。
[J6]Y.L.Ke, H.Y.Dong, G.Liu. “Study on the use of nitrogen gas in high-speed milling of Ti-6Al-4V,”
Transactions of Nonferrous Metals Society of China (Accepted)
七、研究任务分配及进度安排
八、研究基础和条件 九、项目管理及保障措施
一、课题简介
3. 国内外研究现状
（1）钛合金高速切削加工力学行为研究
基于Hopkinson压缩实验钛合金材料本构关系模型—应变率比实际值偏低 基于正交切削实验获得材料本构关系模型—受刀具刃口半径等误差影响
（2）钛合金加工切削机理研究
（7）丹麦B&K公司PLUSE振动采集分
析系统测；
（8）25T SHIMADZU电子万能试验机； （9）自然热电偶车、铣切削温度测量仪 器各1套； （10）NEC TH5104R 红外测温仪 （11）高性能Dell计算机工作站2台； （12）Brown＆Sharpe三坐标测量机； （13）有限元软件ABAQUS、ANSYS。 （14）扫描电子显微镜； （15）硬度计、显微硬度计； （16）台式、便携式表面粗糙度仪； （17）镶嵌机、抛光机。