数控加工刀具对航空航天制造业发展分析

我国航空航天制造业发展迅速，对主要航空零部件加工制造质量的要求也越来越高，特别是高温合金、钛合金及复合材料在主要航空零部件生产加工制造中的应用，对航空零部件加工制造质量控制提出了更新、更高的要求，如发动机框架、整体叶盘、风扇机匣、叶轮及起落架等主要航空零部件使用钛合金较多；轴涡轮盘、盘轴、燃烧套管和ISOS孔等航空零部件使用高温合金较多；而机翼、中央翼盒和垂直尾翼等航空零部件，使用复合材料较多。对这些新型材料零部件的加工制造进行必要的质量控制必要而重要。

1主要航空零部件及其加工制造特点

第一，内部结构复杂主要航空零部件的一个共同特点是内部结构复杂，如：深内凹腔加工使用的刀具悬伸较长，在加工过程较容易发生振动，且伴随排屑困难问题，加工制造难度大。

第二，薄壁结构影响在进行主要航空零部件加工刀具选择时，需要考虑到切削力对加工件变形程度的影响；切削刀多是薄壁结构，加之使用的新型材料的弹性模量较小，在巨大切削力作用下，加工件很容易发生变形。

第三，刀具磨损率大新型材料的化学活性普遍较大且亲和性大，其在高温状态下会形成硬化层，而由于亲和性大，加工过程中很容易与刀具表面摩擦粘附现象，加之导热性差，加速了刀具磨损，刀具使用寿命普遍较短。

2主要航空零部件的加工制造质量控制

2.1盘轴的加工制造质量控制

盘轴部件的加工难度大、技术要求高，主要表现为深内腔和燕尾槽。在盘轴加工150mm深内腔时，都不可避免地需要使用细长刀具，使用细长刀具带来的问题是容易发生振动，且需要将凹槽中产生的切屑及时去除，因此，为保证加工制造质量有必要使用有防振功能的刀板来缓解或者解决该问题。

防振刀板加工盘轴的优点在于：（1）椭圆截面齿纹接口保证了盘轴加工过程中良好的可达性和稳定性。100mm防振刀板就能较好保证切削液供应，并且排屑良好；（2）对于4倍宽度的较长刀板，可以加装专门防振装置，与加装防振装置前相比，其背吃刀量可以提高4倍；（3）防振刀板的使用有效减少走刀次数；（4）可以实现可靠的工艺安全性以及大幅提高生产效率。

对盘轴叶根槽的加工，可以采用弯头刀片进行，弯头刀片更适合航空发动机零件的车削，新型弯头刀片的T形及45°、90°设计可以保证刀片满足更多生产需求；另外，较适于精加工刀片还如RCMX车削刀片，RCMX车削刀片能够装在陶瓷的刀片凹窝上，从而缩短安装时间及减少加工刀具使用数量，另RCMX槽形设计产生的切削力更小，一定程度上保证了刀具的优异断削性能。

2.2ISOS孔的加工制造质量控制

关于航空发动机主要零部件加工，最重要的莫过于保证加工零部件表面的完整性。其中ISOS孔加工就是最为重要的加工工序之一，其高度影响着加工零部件的可靠性和安全性，是衡量是否是高质量零部件的重要标准。可以从以下三个方面来尝试保证ISOS孔的加工质量。

2.2.1高质量铰削。铰削复杂、精巧的航空零件，零部件的高公差要求、孔直线度和孔质量都是不可缺少的控制要素。可以使用具有专用槽形的新型加工刀具，与传统刀具不同在于其切削刃和最佳切削液分布设计，可以确保顶级水准的孔加工质量。

2.2.2安全攻螺纹。使用新型攻丝刀具平稳的切削可以有效降低崩刃发生风险，同时对孔表面加工质量改进也有重要作用。

2.2.3高可达性镗削。可以尝试使用大悬伸下镗削小孔来获得较小公差，目前新型刀具几乎可以直接进行微米级的直径调整，可以有效保证表面粗糙度。

2.3起落架的加工制造质量控制

以飞机起落架这一重要航空零部件加工制造为例，加工刀具的改进可以有效提高加工质量和效率及降低加工成本。飞机起落架零部件使用的材料多为钛合金材料，该类材料加工起来难度更大，如果使用传统刀具进行加工，加工周期至少需要一个月，并且刀具磨损大，导致该类零部件加工成本居高不下。该情况下，急需一种能大幅度提高加工效率，又能降低加工成本的刀具。

受到现实需求的影响，著名的切削刀具生产制造商伊斯卡提出了大进给铣刀解决方案，其在HTP插齿刀基础上开发出了一种更为新型的刀具，可以同时满足插铣、大进给铣削两种铣削方式要求，并且具有切削快特点。

大进给铣刀的优点主要表现在以下两个方面：第一，刀片经济性好。相比于传统两个切削刃的APKT刀片，大进给铣刀片每个刀片带有四个切削刃，刀片设计更经济；刀片及切削刃的槽形设计，在提高刀片定位精度同时也提高了刀片自身强度，使切削过程中刀片更加平稳，能够降低刀具磨损程度，提高了刀具切削刃使用寿命。第二，定位方式可靠。刀片正反两面均带有切削刃，刀片同时进行加厚处理，定位面被分成若干个小平面，位于刀片侧面并与前刀面形成的燕尾槽结构能够对装入刀体的刀片起到加固作用，使刀片可以承受更大的切削力，大幅提高定位方式的可靠性。

2.4垂直尾翼的加工制造质量控制

垂直尾翼零部件的加工所面临的主要挑战是孔加工、修边等的处理。

2.4.1CFRP的孔加工。

工况及应用需求：

（1）数控加工；

（2）高纤维含量的碳纤维增强复合材料；

（3）高表面质量和尺寸精度的控制；

（4）较少的纤维碎裂现象。

加工解决方案：

（1）使用6.35mm钻尖；

（2）保证较好的金刚石涂层。

 切削参数：

（1）VC=150m/min；

（2）FN=0.06mm/r。

可以很好地保证孔的质量以及较少的纤维碎裂，且刀具使用寿命较长，能保证800个孔。

2.4.2碳纤维的修边加工。

 工况及应用要求：

（1）较高的表面质量，Ra=1.25m；

（2）碳纤维蒙皮；

（3）较少的纤维碎裂现象。

加工解决方案：

（1）金刚石涂层硬质合金刀具工具；

（2）PCD焊接刀具工具；

（3）刀具直径为10mm，不少于2个切削刃。

切削参数：

（1）转速10000r/min，工作台进给速度为VF=3200mm/min；

（2）粗加工，每齿进给0.03～0.08mm；

（3）精加工，每齿进给0.02～0.04mm。

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