有了“金刚钻”才干“航空活”：一目了然飞机结构件的高速铣削工艺

典型飞机结构件

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。

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。

高速铣削优越性

（1）由于高的切削速度，单位时间内的材料切除率增加，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。

（2）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。

（3）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。

（4）高速切削时，工作平稳、振动小，零件的加工表面质量高。

刀具及刀具材料

目前，航空结构件高速切削中普遍采用超细晶粒的硬质合金刀具、涂层的硬质合金刀具，精加工时也常采用聚晶金刚石（PCD）刀具，但成本高。

超细晶粒硬质合金的含钴量在10%~12%左右，WC晶粒的平均粒度在0.2~0.5μm之间。具有高硬度、高强度和高韧性。刀尖可以刃磨得非常锋利，能够降低切削力和振动。对于表面粗糙度要求不超过Ra3.2、尺寸精度在0.2mm左右的航空结构件具有良好的适应性。

硬质合金涂层刀具基体采用硬质合金材料，表面采用先进的涂层材料。既具有高强度、高韧性及抗冲击能力，又具有更高的硬度、耐磨性和抗月牙洼磨损的能力，摩擦系数小，抗粘结和抗扩散能力强。应用于切削铝合金的刀具涂层材料有TiC、TiN、TiCN、TiAlN、DLC、CrAlN、TiB2等。

根据刀具直径和加工部位的不同， 可分别选用可转位式铣刀和整体式铣刀。整体式硬质合金刀具有良好的刚性和切削稳定性，加工效果好，应用广。但由于制造难度大，对材质要求高，整体式硬质合金铣刀目前主要依赖进口。国外品牌有Fraisa、Hanita、Sandvik、SGS等。正在努力实现国产化的厂家有厦门金鹭特种合金有限公司、自贡硬质合金有限公司等。

可转位刀具一般为大直径（≥φ25）刀具，刀片与刀体的连接方式正在由单螺钉式向双螺钉式演化，从而提高了连接刚度。未来，可转位刀具所占比重将会提高。

PCD刀具耐磨性、导热性及刀刃锋利性均较好，硬度高，非常适合于高速加工铝合金。根据铝合金中含硅量的不同，选用不同粒度的PCD刀片。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时效果最好。

PCD材料在铝合金高速、高精度切削中的应用在扩大，同时，随着钛合金材料在结构件中比例的提高，PCD刀具也已开始应用于高速切削钛合金。PCD也是干式绿色高速切削的理想材料。

需要特别指出的是，正如不用金刚石刀具加工铁基材料一样，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强，易产生粘结现象。

铣削参数与铣削方式

1　铣削参数

高速铣削参数主要包括铣削速度、铣削深度（包括轴向铣削深度和侧面铣削深度）、进给速度（每齿进给量）以及铣削刀具的悬伸长度等。影响高速铣削参数的因素非常多，其中最主要的是工件材料和铣刀材料的匹配关系。

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。

（1）铣削速度。高速切削铝合金的速度范围一般为1000~7000m/min。这一速度值越过了萨洛蒙曲线的波峰，能获得高速切削的效益，即切削力和切削温度降低或不显著升高，避开了机床颤振区。

工件和刀具性能的不同，切削速度也不同。使用涂层硬质合金刀具时，高速切削铝合金的切削速度范围一般在1000~5000m/min。铝合金含硅量越高，切削速度越低，加工高硅铝合金时切削速度在300~1500m/min时效果较好。

（2）径向切深和轴向切深。从切削力、残余应力、切削温度等方面考虑，采用较小的轴向切深和较大的径向切深是有利的。通常粗加工时，轴向切深ap=（0.1~1）D，径向切深ae<>

（3）每齿进给量。一般，在粗加工时取0.3~0.5mm，精加工时取0.1~0.2mm。

2　铣削方式

一般采用顺铣方式铣削。刀具缓慢切入工件，以降低切削热并减小径向力。大切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。

在铣削钛合金结构件时可采用不对称顺铣法，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，造成刀具材料的剥落崩刃。 

装夹方式

飞机结构件大多为表面由数个槽腔和孔组成的双面结构，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。在夹具设计时应考虑到如下要求：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。

目前，普遍采用的装夹方式有机械、液压可调夹具、真空吸附装夹、电控永磁吸盘等几种。

夹具元件可能会与走刀路径干涉。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。

由于结构件大多是薄壁件，确定夹紧力非常重要。目前大多还是采用经验法来确定装夹力大小、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。理论计算法（例如采用有限元方法）仍存在很多困难，计算结果也并不一定符合实际。

结束语

切削效率高和切削变形小是飞机结构件采用高速铣削方法并取得较好效益的主要原因。在刀具材料、刀具几何角度、铣削参数、铣削方式、走刀路径以及夹具设计等各方面，虽然各航空厂积累了丰富的经验，但仍然存在较多问题需要解决。目前，面临的主要问题包括减小加工变形、夹具柔性化、切削参数优化、刀具材料国产化等。