航空领域难加工材料解决方案

钛合金零件的大余量铣削

由于比普通合金钢的加工更为困难，因此通常认为钛合金属于难加工材料。典型钛合金的金属去除率仅为大多数普通钢或不锈钢的25%左右，因此加工一个钛合金工件需要花费的时间约为加工钢件的4倍，按照现有加工水平，零件的加工制造周期进一步延长，完全不能满足现在航空工业的新机型推出日新月异的要求。因此，制造商需要增加生产能力，因此需要更好地理解钛合金加工策略的有效性。典型的钛合金工件的加工是从锻造开始的，直到约80%的材料被去除而获得最终的工件外形。

由于这些工件通常是由新型合金制成，因此需要改变加工方式和刀具材料。以典型的钛合金零件代表——飞机起落架为例，来阐述刀具改进对加工效率的提高和降低加工成本的有效性。由新型钛合金材料制成的起落架，加工难度非常大，传统刀具加工一件零件大概需要1个月左右，而且由于零件难加工，导致刀具磨损非常快，刀具一个切削刃仅能加工不到1h，导致用户加工此类零件的刀具消耗非常大，刀具成本居高不下。在这种状况下，用户急于寻求一种既能大幅度提高加工效率又能降低加工成本或者不提高加工成本的刀具。

针对这种需求，伊斯卡提出大进给铣刀解决方案。FTP铣刀是伊斯卡公司在HTP插齿刀基础上开发出来的一款新型刀具，可同时满足插铣和大进给铣削两种铣削方式的要求，而且切削轻快。FTP铣刀具有以下特点：首先，定位方式更加可靠，由于刀片正反面均带切削刃，刀片进行了加厚处理，定位面被分成了几个小平面，位于刀片侧面并与前刀面形成燕尾槽结构，使得刀片装入刀体时更加地牢固，增加了刀具刚性，可以承受更大的切削力，实现更大的进给，同时减小切削振动对刀具寿命的影响。其次，刀片经济性更好，相比于传统的带2个切削刃的APKT刀片，FTP铣刀片每刀片带4个大进给切削刃更经济；刀片及切削刃槽形的特殊设计，大幅提高了刀片定位强度及刀片自身强度；切削过程更平稳，切削力更小，刀具在实际切削过程中产生的切削热更少，大幅提高了刀具切削刃的正常使用寿命，每切削刃的使用寿命达到竞争对手的3倍左右，从而有效降低了刀具的成本。

机匣类零件解决方案

涡轮机匣零件，从工件材料上分析，大量采用了变形高温合金、铸造高温合金等难加工材料。这些难加工材料导热系数小，比强度大，切削温度高，易产生加工硬化。切削时刀具磨损快，刀具寿命短，刀具消耗量大。从工件结构上来看，壁薄、刚性差，难加工。加工零件凸起部分时，刀具系统容易与零件、夹具干涉。刀具悬伸需要适当加长，增加了振刀的风险。所以必须对刀具路径进行优化，如采用插铣和快速走刀加工代替正常的侧面铣削，使刀具在加工中的的受力状态发生了改变，有原来刀具主要承受的侧向力变成了主要承受轴向力，使刀具的刚性大大增加，有效减少了刀具在切削过程当中出现振刀的可能，使切削参数选择的空间更大，提高了加工效率。从机床的选择上来说，涡轮机匣需要在大功率的加工中心上加工。从加工工序上分析，机匣需要经过粗加工、半精加工、精加工。为了节省刀具费用，在制造这类零件时，粗加工，半精加工和精加工时采用不同的有针对性的刀具，可显著提高生产效率。从加工经济性方面上来说，刀具配置方案需要不断改进，尽量采用刀具商最新研发的产品。

针对用户需加工零件状态结合机床条件，铣削加工是这个零件的关键加工工序。零件材料为镍基高温合金，铣削加工难度非常大，加工余量大，加工时间长，刀具费用居高不下（此处略去车削加工方案）。

针对这个零件的铣加工特点，伊斯卡制定了完整的粗加工和精加工方案。在粗加工阶段尽量采用伊斯卡新型的大进给刀具，选用针对高温合金材料铣削的合适刀具槽形，当前最先进的针对高温合金的刀片牌号。充分利用用户现有机床的潜力，尽一切可能提高加工效率，降低刀具消耗成本。在精加工阶段，考虑零件实际型面及零件最终刚性，合理选取适合的刀具规格，选用合适的刀具结构及刀具牌号，尽量在保证刀具高效切削的前提下，降低刀具消耗成本，为此伊斯卡推荐使用变形金刚（MULTI-MASTER）系列铣刀。

与传统整体硬质合金刀具相比，变形金刚立铣刀具有明显的优势：降低单件工件刀具成本；可实现在机床上直接换刀，且不需要重新对刀，节省了辅助时间；由于刀具自身特点，使刀具的整体强度优于普通杆状刀具，使刀具的切削性能表现非常优秀。

盘轴类零件解决方案

在航空发动机的制造中，盘环件及轴类零件均是关键件或重要件。此类旋转零件，在发动机正常运行时处于相对恶劣的运转环境，对保障发动机正常运转甚至飞机正常飞行起到了至关重要的作用。因此，必须保障此类零件具有高的可靠性，高的安全裕度，同时还要尽量减轻零件的重量。基于以上诉求，首先从选材上就要求盘轴类零件具有耐高温、耐腐蚀、比重轻等特点，目前主要采用各类高温合金及钛合金。加工难点在于，一方面被加工材料的机械加工难度非常大；另一方面，此类零件具有型面复杂、薄壁、易变形等典型特点。

针对航空类难加工复杂盘轴类零件的加工，伊斯卡公司大量标准的ISO车刀及各类切槽刀基本可以满足各种类型的零件加工。

铝合金框架结构件解决方案

飞机零件中有大量的薄壁零件，如翼肋、长桁、框等，它们有很薄的壁和筋，特点是大量采用整体薄壁结构，尺寸趋向大型化、结构趋向复杂化、制造趋向精确化发展，加工难度大，切削加工量大，薄壁，易变，零件制造精度要求高等。随着高速切削技术的发展，高速切削加工以其加工效率高、切削力小、工件的热变形和热膨胀小、加工表面质量好、经济效益高及适宜加工复杂和细长薄壁件等独特优势，被广泛应用于航空航天整体结构件的加工中。

高速切削加工要求整个刀具系统十分可靠，这其中不仅要求刀具材料本身可靠，还要求组成刀具系统各零件如刀片、刀柄、刀夹、刀垫和紧固螺钉等可靠。除零件结构可靠外，还要求夹紧可靠，以提高刀具整体结构可靠性。其中，刀片可靠度和夹紧可靠度起主要作用。

高速切削加工用回转刀具按刀片固定方式可分为整体结构、带有固定刀片座结构和可调刀片座结构三种。高速铣削刀具系统常在10000~30000r/min旋转速度下工作，因此，如何实现机夹刀具可转位刀片的有效装卡，对于高速切削刀具的安全性至关重要。对于高速刀具可转位刀片的装夹，首先要保证刀体与刀片之间的选择连接配合要封闭，刀片夹紧机构要有足够的夹紧力。通常不允许采用摩擦力夹紧，可转位刀片应有中心螺钉孔或有可卡住的空刀窝用螺丝钉夹紧，保证刀具精确定位和高速旋转时可靠。例如，一种可转位的刀片，刀片底面有一个圆的空刀窝，可与刀体上的凸起相配合，对作用在夹紧螺钉上的离心力起卸载的作用，或用特殊设计的刀具结构以防止刀片甩飞。此外，刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致。刀片中心孔相对螺钉孔的偏心量、刀片中心孔和螺钉的形状等，决定了螺钉在静止状态下夹紧刀片时所受的预应力大小，必须控制螺钉的预应力，过大预应力甚至能使螺钉产生变形过载而提前受损。刀片的夹紧力应施加规定的扭矩，并使用合格的螺钉。螺钉应定期检查和更换。

动平衡性能是高速切削刀具系统优劣的一个重要指标。在高速切削条件下刀具系统的不平衡将会产生较大的惯性离心力，从而使机床主轴—刀具系统产生振动，给切削加工过程的稳定性与安全性带来不利的影响，不仅会加剧主轴轴承及刀具的磨损，同时会影响工件的加工质量，如造成各刀齿的负载不均衡，工件局部过切、工件形状发生变形，表面出现振纹等。所以，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到规定的平衡质量等级的要求。

在高速铣削过程中，常采用整体式刀具系统，以提高刀具系统的整体刚度、动平衡精度及抗振性等。

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