高速切削技术及其在飞机结构件加工中的应用

方 案 Ａ适合 “ 面” 构 简单 ，正 面 ” 加 ＿ 后 ， 正 结 “ 精 ［
对 “ 面” 工 的 装夹 定 位没 有 影 响 的零 件 ， 壁板 ； 反 加 如
切 入切 出过 程 的温 度变 化 ， 生热 疲 劳 。 产 降低 刀具 寿
命 和可 靠性 。
或 “ 面 ” 构 复杂 ， 反 结 没有 合适 定位 面的零 件 。 方 案 Ｂ适 合 正反 两 面结 构 相 似 ，切 削量 相 近 的
数量 和飞机 重 量 。 高 了生产 的柔性 。 提
４ 难 加工 材料 的高速 切削 ） 航 空 和动 力 部 门还 大 量 采 用 镍 基合 金 （ ｉ． 如 ｎ
ｃｎ ｌ１ ） ｏ ｅ７ ８ 和钛 合 金 （ Ｔ６ １Ｖ） 如 ｉＡ ４ 制造 飞机 和 发 动 机 零 件 。这些 材料 强度 大 、 硬度 高 、 冲击 ， 工 中容 易 耐 加 硬 化 ， 削温 度 高 ， 切 刀具 磨 损严 重 ， 于难 加 工 材料 ， 属
一
剪切 区 （ｒ ｒ ｈ ａ ｏ ｅ 。材 料达 到强 度点 时 ， Ｐｉ ｙＳ ｅｒ ｎ ） ｍａ Ｚ
切 屑 就会 从母 体 材料 断 开 而沿着 第 一 剪切 平 面产 生 滑移 ，切 屑 从 刀 刃 的前 面 排 出 。第 二 剪 切 区（ｅ． Ｓｃ ｏ ｄ ｒ ｈ ａ ｏ ｅ产 生在 刀刃 的表 面 ， ｎ ａ Ｓ ｅ ｒ ｎ） ｙ Ｚ 当切 屑沿 着 刀
的 固定 ：
７ 尽 可 能选 择短 切刃 ， ） 减少 振动 ；
些具 有 双面结 构 的零 件 ， 以下两 种典 型工 艺路 线 ： 有 Ａ 正 面粗加 工 一 面精 加 工一 面一 面 粗加 工一 ． 正 翻 反
反面 精加 丁 Ｂ 正 面粗 加工 一 面一 ． 翻 反面 粗加 工一 面精 加 工一 反
翻面一 面精 加工 正
８ ）选用 耐 用 隔热镀 层 ，如 ＴＡＮ） 高 耐磨性 ； （ ｉＩ ， 提
２１ ．． ４高速切 削冷却 润 滑技 术
在 高 速 铣 削 时 由 于金 属 去 除 率 和 切 削 热 的 增 加 ， 削介 质必 须 具 备将 切 屑快 速 冲离 工件 、 切 降低 切 削热 和增 加 切 削界 面润 滑 的 能力 。 常规 的切 削 液及 加 注方 式 很 难进 入 加工 区域 ，反 而会 加 大铣 刀 刃在
键 因素 。正是 由于 高速切 削机 理 尚不 明确 ， 响 了难 影
加 工 材料 高 速 切 削 技 术 与工 具 技 术 的进 一 步 发 展 。 这是 高速 、 高速切 削技术 两大 国际性难 题 。 超 高速 铣 削 的过 程和 其他 过 程一 样 。但 切 削 的原 理差 别较 大 。在高 速切 削过程 中 ， 切屑 是 由材 料 的快 速 变形 产 生 的 ，当刀 具切 人 材料 时 就会 在 材料 的断 面和切 削 刃 的前 部产 生 高温 和应 力 ，当温度 和应 力 达 到 一 定值 时 ， 件 材料 就 会 产 生塑 性 变形 ， 成 第 工 形
少 刀 具磨损 ， 高零件 的表 面质 量 。 提 高速 切削 加 工技 术 具有 不 同 于传 统 切 削加 工 技 术 的加 工机 理 和应 用优 势 ．相 对 常 规切 削速 度 下 数 控加 工 来说 是 整个 工 艺观 念 的转 变 ，不 能 简单 化 地 更 改 切 削参 数 来实 现 。根 据航 空 产 品 的材料 和结 构 特点 ， 要实 现 高速加 工 ， 须考 虑下 列关 键技术 ： 必 １ 高 速 切 削机 床 具有 高 主轴 转 速 、 ） 高动 态 的进 给驱 动 ， 的功 率 ， 轴 和床 身 良好 的刚 性 ， 良 的 大 主 优 吸振 特性 和隔 热性能 ， 速 的 Ｃ Ｃ控 制性 能 ， 快 Ｎ 可靠 的
Ｉ
●设 计 与 工 艺
对 于 单 面 结 构 的零 件 ， 艺 路 线 比较 简 单 ， ： 工 即 粗加 工一 精加 工 （ 半 可省 略 ） 精 加工 。 一 航 空产 品 中 ， 多数 零 件 都具 有 双 面 结构 ， 大 对这
６ 对 镶 齿刀具 ，必须要 有 高精 度刀Leabharlann Baidu片座 和 可靠 ）
一
细筋 结 构 刚度 差 ，要求 尽 量减 少 加工 中的径 向切 削 力 和热 变形 ，只有 采用 高 速切 削 加工 才 能满 足 这 些
要求。
３ 采 用 高 速 加 工 。 以 用 整 体 结构 件 代 替 原 来 ） 可 由多个 钣金 件 铆接 或 焊接 成 的组 件 ，从 而减 少 零 件
零 件 。先 进 行 正反 两 面粗 加 工 ， 以有 效 释 放应 力 。 可
现 在 广 泛 采 用 的 微 量 油雾 冷 却方 式 ， 方 面 可 一
以减 小 “ 刀具 一 切 屑一 工件 ” 间 的摩 擦 ， 一 方 面 之 另 细 小 的油 雾 粒 子 在 接 触 到 刀 具 表 面 时快 速 气 化 的 换 热 效 果 较 冷 却 液 热 传 导 的换 热 效 果 方 式 能 带 走 更 多 的热 量 ， 量 油 雾 润 滑 目前 已成 为高 速 切 削 首 微
软切 削 、 高速 硬 切 削 、 高速 干切 削 、 进 给切 削等 ， 大 高
速切 削 将成 为 切 削加 工 的 主流 。高 速 切削 的七 大优 点可 归 纳如下 ： １ ）大大 提高金 属 去除率 ； ２ ）提高 加工 精度 ；
术 日渐成 熟 ， 已经 在 制造 领域 创造 了惊 人 的效益 。
５ ）可进 行硬 切削 ： ６ 减 少 毛边 ： ）
和 大棵 中广泛 地 采 用高 速 切 削技 术 ，使 生 产效 率 和
７ 改 善切 屑处 理 。 ）
教练机 ２ １ ．Ｏ． Ｉ２ ０ １Ｎ ２ ５
目前 。国际上 在 高速 切 削理 论 研究 方 面 虽取 得
１ 在 航 空 航 天 中 。 了最 大 限度 地 减 重 和 满 足 ） 为
刃 的表面移 动 时 ， 摩擦 会在 这个 区域 产生 高温 。第 三 剪切 ￣（ｈｒ ｈ ａ ｏ ｅ由于材 料 的反 弹 ， 生 于 刀 Ｔ ｉ Ｓ ｅｒ ｎ） ｄ Ｚ 产
具 的底部 。
般 采用 很低 的切 削速 度 进行 加 工 。如采 用 高 速 切
削， 不但 可 以大 幅度 提 高 生产 率 ， 且可 以有效 地 减 而
中航工 业 洪 都公 司 为 提高 经 济 效益 和飞 机 制造 技 术水 平 ，多 年来 一直 致 力 于 高速 铣 削 的研究 和 在 生产 中 的推广 与应 用 ，特 别是 在 加 工 的飞 机 薄 壁件
３ ）降低 表 面粗 糙 度和变 质层 ；
４ ）减少 加工 变形 ， 提高 薄壁 件加 工质量 ；
共 识 。一 般认 为切 削 速度 超 过 普 通 切 削 的 ５倍 一 ０ １ 倍 。通 常 将 主轴 转 速在 １ ， ０／ ｉ～ ００ ０／ ｉ ００ ｒｍ ｎ ２ ， ｒｍ ｎ以 ０ ０ 上定 为 高速切 削 。 高 速切 削 技术 是 先进 的制造 技 术 ，它 包 括 高速
低 了零 件加 工 的辅 助时 间 ， 大 地提 高 了生产 率 。在 极 机 械零 件 加 工 的 总工 时 中 。 助时 间 缩短 ， 削 所 占 辅 切
选方式 。
这 种方 案普 遍应 用 在整 体框 、 梁类 零 件 的加工 中。
由于 高速 加 工技 术 的特性 ，不再 需 要 普 通 数 控
加 工 方 案 中半 精 加 工 、 正 、 校 时效 等 中 间 工 序 ， 而 从
的零件 ， 要 去 除大量 金 属 材料 ， 削 时 问 占用零 件 需 切
度 已 比普 通 加 工 的切削 速 度提 高 了数 倍 ，但 刀 具磨
损依 然 是制 约 难加 工 材料 切削 速 度进 一 步提 高 的关
总生 产 时间 比例 相 当大 ，因此 提 高生 产率 的唯 一途
径 就是 采用 高速切 削加 工 。 ２ 飞机 零 件 的结 构 复 杂 、 度 高 ； 件 的薄 壁 、 ） 精 零
● 设 计 与 工 艺
高速切削技术及其在飞机结构件加工中的应用
随着 科学 技 术 的进 步 ，机 械加 工 技 术 发生 着 突 飞 猛进 的变 化 。数控 机 床 的发 明和推 广应 用 ， 大大 降
１ 高速切削 的概念 、 特点及切 削原理
高 速切 削 是 一个 相对 概 念 ， 如何 定 义 ， 目前 尚无
１ ８ ％的热量来 源 于切屑 生成 时 的力学变 形 。 ）０
２ １ ％的 热量 来 源 于第 二 剪 切 区 切 屑和 刀 具 的 ）８
接触 面 。
安全 防护 等等 。
２ 高速 切 削刀具 具 有 良好 的耐磨 性 和高 的 强度 ） 韧性 的先进 刀 具材 料 ， 良的刀 具涂 层 技术 ， 理 的 优 合 几何 结 构参 数 。 度动 平衡 的刀具 系统 ， 全可 靠 的 高 安 夹紧 方式 ， 同心度 的刀 刃精度 质量 等等 。 高
２ 高速切削在航 空工业 中的应用技术
在 航空 工业 中高 速切 削被 大 量应 用 ，主要 有 以 下 几个 原 因 ：
适合 高 速切 削 的航 空 零件 主 要 有 ：壁 板 、整 体 框 、 、 等结 构件 ， 毛坯 为轻合 金预 拉伸 板材 。 梁 肋 其
２ １ ６ 教练机 ２ １ ． Ｏ． ０ １Ｎ ２
了许 多研 究 成 果 ， 总 体 上落 后 于工 业实 践 ， 没有 但 还
公 认 的理 论 能 够解 释高 速 切削 中的许 多特 性 ，这是 问题 之一 。问题 之 二是 虽然 难 加工 材 料 高速 切 削速
其 他 一 些要 求 ， 多 结构 件 、 板 等 采 用 “ 许 壁 整体 制 造 法 ” 即在 大块 毛 坯上 去 除余 量 ， 成薄 壁 、 筋结 构 ， 形 细
３ 高速 切 削工 艺 优化 的高 速加 工 参 数 ， 适 高 ） 合
速 切 削 的加 工 走 刀 方式 ，专 门 的 Ｃ Ｄ Ｃ Ｍ 编 程 策 Ａ ／Ａ 略． 充分冷 却润 滑并具 有 环保特 性 的冷却 方式 等等 。
２１高 速切 削的 工艺技 术 ．
２１１工 艺 方 案 的 制 订 ．．
高 速 切 削原 理 的另 一 个 关 键 因素 就 是 热 量 ， 高
速会 产 生 热量 ，进入 工件 的能量 越 多则 生成 的热 量 越 多 。高 温有 利 于在 第一 剪 切 区 的塑性 变形 处 生 成
切 削 ，由于塑 性 流动 增大 ，高速 切 削 时 的切 削力 减
小， 这是 高速切 削采取小 扭矩 的根 本原 因 。 研究 表 明在高 速切 削时 ， 量 的生成 情况 如下 ： 热
的时 间 比例 就 相应 增 大 ，要 想 进一 步 提 高机 床 的生 产率 ， 只有 大 幅度 降低 切 削 工 时 。 就 是 必须 大 幅 度 也 提 高切 削速 度 ， 包括 主轴 转速 和进 给速 度 。这 就是 近 几 十年来 高 速切 削技 术 得 以迅 速 发展 的根 本原 因 。 六 十年 代 以后 ， 国、 国等 国家 对 高速 切 削 技 美 德 术 做 了深 入 的研 究 和应 用 。近 年来 ， 随着 高 强度 、 高 熔 点 刀具 材 料 和高 速 加工 机 床 的发 展 ，高速 切 削 技
３２ ）％的热量来 源 于刀尖 。 在 高速切 削 时 ， 热量 扩散 方式 如下 ：
１ ７ ％的热量 随切 屑带走 。 ）５
２５ ）％的热量被 工件 吸收 。
３ ２ ％的热量 传递 到刀具 上 。 ）０
由此可 见 ， 速切 削 可 以减少 切 削力 和热 变形 ， 高 非 常有 利于切 削 薄壁零 件 。