钛合金航空零件铣削加工刀具

　　新型波音787 Dream liner客机的设计广泛地依赖于各种复合材料的应用，这一点已理所当然地受到人们的关注。但是，大量应用复合材料并不是这种飞机在材料上与众不同的唯一原因——与其它商业客机相比，波音787还采用了更多的钛合金零部件。为了满足对该型号飞机的订货，单单为了加工这些钛合金零部件，波音公司在未来3～5年内将至少需要使用1000台机床（主轴）。这一估计出自波音公司先进制造技术研发集团（密苏里州圣路易斯市）的工程师兼科学家Keith Young。Young博士的工作任务之一就是帮助这些加工机床更加高效地为波音公司工作。加工航空钛合金零件的挑战在于：通过减薄零件的侧壁和底座，以及通过减少残留在零件拐角处的毛坯附加重量，使零件的重量更轻。Young博士及其研究小组通过试验，开发了可实现这一目标的加工技术。他们告诉波音公司的设计师：使加工后的钛合金零部件具备上述特点是完全可能的；同时，他们也指导加工提供商如何实现这种加工。

　　某些钛合金加工技术在生产军用战机的钛合金零件时即已开发成功。但是，商业客机在尺度规模上与军用战机有很大差异，客机的零件尺寸（尤其是凹腔深度）更大，如一种军用战机零件的凹腔深度为3英寸，而波音787钛合金零件的凹腔深度可达6英寸。但是，加工航空钛合金零件所用传统刀具的长径比通常为3∶1或4∶1，而加工这些新型零件要求刀具的长径比达到6∶1或8∶1。而且这些根本性的差异会影响到刀具系统的选择。例如，机夹刀片式铣刀通常可以采用钢制刀柄，而更深型腔的加工则需要使用刚性更高的硬质合金刀柄，以减小刀具挠曲变形和防止发生振颤。

　　Tom Talley也是波音公司先进制造技术研发集团的工程师兼科学家，他与Young博士一样，非常了解如何选择适合加工最新一代钛合金零件的刀具系统，本文的内容即是基于这两位专家的推荐意见。但是他们也指出，这些建议的有效程度需要验证。虽然波音公司可能已对这些加工技术进行了认证，但并未对刀具制造商进行认证。本文提到的一些刀具制造商，是因为专家认为他们的产品是说明适用刀具类型的清楚实例。而在大多数情况下，其它刀具制造商也能提供类似产品。对于某一特定的加工任务，也可能其它刀具是更有效的选择。本文提到的刀具只是用于说明适合零件加工特点（这些特点对于波音公司显得日益重要）的刀具特性。

　　粗加工刀具

　　Weldon Crest-Kut刀具的特点是沿螺旋槽的几何形状呈不规则性。这种不规则几何形状的重要作用在于消除振颤。在许多铣削加工中，振颤都是一种限制性因素，它在某一特定的切削深度会加剧，通常会限制刀具获得在其它情况下刀具与主轴允许达到的更大切深。振颤现象部分是由于刀具的规则几何形状复映到被加工表面的规则波形所引起的。几何形状不规则的刀具螺旋槽不会产生这种规则波，因此可能提供振颤潜能的“信号”非常微弱，从而使这种刀具能够在可获得很高金属切除率的切削深度高效而平稳地进行切削。

　　为了在钛合金加工中获得高的金属切除率，另一种完全不同的方法是采用插铣粗加工方式。对于铝合金材料的航空零件，插铣加工的意义不大，采用常规铣削方式就足够快了。但对于钛合金，插铣则可以提供一种以较低切削速度快速切除大量工件材料的加工手段。

　　插铣粗加工时，铣刀可以像钻头一样进给切入工件毛坯，材料通过多次重叠插铣被逐步切除，而每一次插铣都利用了机床在Z轴方向的固有刚性。Iscar公司的中心切削刀具就是这种插铣刀的一个实例，它可通过Z轴进给快速切除工件材料。

　　Yong博士指出，对于钛合金加工，在两种情况下可以考虑采用Z轴插铣粗加工：①加工浅而宽的凹腔；②加工窄而深的凹腔。

　　对于浅凹腔，深切削立铣刀（如Weldon刀具）可能无法获得足够的轴向深度来充分发挥其切削效能。但如果该凹腔具有足够的宽度，适合用大直径刀具进行连续插铣加工，则采用插铣粗加工可能效率更高。另一方面，对于窄而深的凹腔，立铣刀可能需要花费太多的时间走斜坡而不是进行有效铣削，而插铣粗加工刀具则可利用每次进刀的插铣深度实现对这种凹腔的高效加工。

　　无论选择何种刀具和加工方法来快速切除大量毛坯材料，但应注意到很重要的一点，即并非所有的钛合金零件都需要进行粗加工。近来，很多钛合金零件都采用激光沉积近净成形工件，只需对其进行精加工即可。精加工也是通过加工出极富挑战性的工件形貌从而实现零件使用价值的加工工序。因此，精加工刀具的选择相对于粗加工刀具来说显得更为重要。

　　底面和拐角精加工刀具

　　Data Flute公司的精加工立铣刀也采用了不规则的刀具几何形状（刀槽之间的夹角不为90°）以抑制振颤。4个刀槽的空间位置并不按90°对称分布，而是稍有变化。刀尖的这种不规则排列方式在精加工底面和拐角时可使刀尖处于适当的加工位置。

　　在精加工中，振颤的危害性比粗加工时更为严重。粗加工时，振颤只会影响加工效率；但在精加工中，振颤则可能会对工件本身造成损害，因为振颤可能影响工件的精度和光洁度，甚至可能破坏工件的精密外形结构（如极薄的肋板和侧壁）。因此，无论是否采用不规则的几何形状，用于精加工钛合金零件的刀具通常都应该具有较好的刚性，以将振颤的影响减至最小。此外，较好的刚性可以减小刀具在深凹腔中加工时变形的危险。

　　Ingersoll刀具公司的精插铣刀可以通过Z轴进给在深凹腔中加工出小拐角半径。Young博士指出，此类刀具可能需要用硬质合金刀柄替代钢制刀柄，以尽可能增大刀具的刚性。

　　侧壁和肋板精加工刀具

　　Data Flute公司用于加工钛合金零件薄壁和肋板的10槽精铣刀，由于进给率是刀具槽数和切屑负荷的函数，因此该刀具即使在切屑负荷很小时也能快速横切工件。该刀具的螺旋槽较浅，有利于增加刚性。由于刀具被设计用于小切深切削，正好需要较浅的槽深，其结果是刀具芯径较大，刚度较高；较短的槽长也有助于保持良好的刚性。

　　该刀具还有另一个潜在的重要结构特点。Talley先生指出，用于精加工钛合金零件侧壁和肋板的刀具沿着螺旋槽应具有偏心后角，它可通过与已加工表面的相互作用起到减振作用，以抑制振颤。

　　经常加工铝合金航空零件薄壁结构的加工车间可能已经知道如何使用立铣刀加工钛合金零件的薄壁结构。刀具应采用“吃水线加工”方式，从薄壁或肋板的两侧交互进刀进行切削，从而在工件成形过程中使薄壁或肋板可从两侧保留均衡的支撑作用。

　　关于精加工刀具应该切除多少材料余量的问题，Young博士说，其实刀具本身就提供了解答这一问题的线索。根据经验可知，经过粗加工后的工件半成品的高厚比（高度/厚度）应该与精加工刀具的长径比（长度/直径）相互匹配。换句话说，如果要用长径比L∶D＝6∶1的刀具精铣肋板，则粗铣后的肋板厚度大约应为肋板长度的1/6。当然，这只是一种经验法则，并未将刀具与工件材料弹性模量的差异考虑在内。但根本的要点在于：由粗加工后留下的材料支撑着的薄壁或肋板应与精加工刀具的刚度大致相当，而不是更高。如果粗加工留下过多需由精加工刀具切除的材料余量，从而使薄壁或肋板刚度更高，将浪费加工时间，影响刀具寿命。工件多余的刚度并无益处，因为无论是刀具变形还是工件变形，其结果都一样。如果已经确定某一刚度对于刀具是适当的，那么同样的刚度对于刀具将要加工的工件材料也是适当的。

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