典型飛機結(jié)構(gòu)件

飛機結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機機體骨架和氣動外形的主要部件，功能重要。高速銑削是該類零件機械加工的最主要方法。高速數(shù)控加工中心和高速銑床已在航空制造企業(yè)中廣泛應用。

高速切削的理論基礎與常規(guī)速度的切削有很大不同，有關(guān)高速切削的理論最早源自于薩洛蒙假說，相關(guān)理論目前仍在探索完善中。

（1）由于高的切削速度，單位時間內(nèi)的材料切除率增加，切削加工時間減少，切削效率大幅度提高，從而加工成本也降低。

（2）在高切削速度范圍內(nèi)，切削力降低，減少了切削變形引起的加工誤差，從而有利于薄壁件或剛性差零件的切削加工。

（3）高速切削時，切屑以很高的速度排出，帶走大量的切削熱。切削速度提高愈大，帶走的熱量愈多（大約在90％以上），傳給工件的熱量大幅度減少，有利于減少加工零件的內(nèi)力和熱變形，提高加工精度。

（4）高速切削時，工作平穩(wěn)、振動小，零件的加工表面質(zhì)量高。

目前，航空結(jié)構(gòu)件高速切削中普遍采用超細晶粒的硬質(zhì)合金刀具、涂層的硬質(zhì)合金刀具，精加工時也常采用聚晶金剛石（PCD）刀具，但成本高。

超細晶粒硬質(zhì)合金的含鈷量在10%~12%左右，WC晶粒的平均粒度在0.2~0.5μm之間。具有高硬度、高強度和高韌性。刀尖可以刃磨得非常鋒利，能夠降低切削力和振動。對于表面粗糙度要求不超過Ra3.2、尺寸精度在0.2mm左右的航空結(jié)構(gòu)件具有良好的適應性。

硬質(zhì)合金涂層刀具基體采用硬質(zhì)合金材料，表面采用先進的涂層材料。既具有高強度、高韌性及抗沖擊能力，又具有更高的硬度、耐磨性和抗月牙洼磨損的能力，摩擦系數(shù)小，抗粘結(jié)和抗擴散能力強。應用于切削鋁合金的刀具涂層材料有TiC、TiN、TiCN、TiAlN、DLC、CrAlN、TiB2等。

根據(jù)刀具直徑和加工部位的不同， 可分別選用可轉(zhuǎn)位式銑刀和整體式銑刀。整體式硬質(zhì)合金刀具有良好的剛性和切削穩(wěn)定性，加工效果好，應用廣。但由于制造難度大，對材質(zhì)要求高，整體式硬質(zhì)合金銑刀目前主要依賴進口。國外品牌有Fraisa、Hanita、Sandvik、SGS等。正在努力實現(xiàn)國產(chǎn)化的廠家有廈門金鷺特種合金有限公司、自貢硬質(zhì)合金有限公司等。

可轉(zhuǎn)位刀具一般為大直徑（≥φ25）刀具，刀片與刀體的連接方式正在由單螺釘式向雙螺釘式演化，從而提高了連接剛度。未來，可轉(zhuǎn)位刀具所占比重將會提高。

PCD刀具耐磨性、導熱性及刀刃鋒利性均較好，硬度高，非常適合于高速加工鋁合金。根據(jù)鋁合金中含硅量的不同，選用不同粒度的PCD刀片。加工硅含量< 12%的鋁合金，選擇pcd刀片的粒徑為8~9μm；而加工硅含量="">12%的高硅鋁合金，PCD 粒徑為10~25μm時效果最好。

PCD材料在鋁合金高速、高精度切削中的應用在擴大，同時，隨著鈦合金材料在結(jié)構(gòu)件中比例的提高，PCD刀具也已開始應用于高速切削鈦合金。PCD也是干式綠色高速切削的理想材料。

需要特別指出的是，正如不用金剛石刀具加工鐵基材料一樣，一般不用氧化鋁基陶瓷刀具加工鋁合金，因為鋁與氧化鋁基陶瓷的化學親和力強，易產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象。

高速銑削參數(shù)主要包括銑削速度、銑削深度（包括軸向銑削深度和側(cè)面銑削深度）、進給速度（每齒進給量）以及銑削刀具的懸伸長度等。影響高速銑削參數(shù)的因素非常多，其中最主要的是工件材料和銑刀材料的匹配關(guān)系。

通常采用的切削方案為：高切削速度、中進給量和小切削深度。但實際加工中，并不是切削速度越高，效果越好，要對工件、刀具以及設備綜合考慮，制訂合理的加工方案。

（1）銑削速度。高速切削鋁合金的速度范圍一般為1000~7000m/min。這一速度值越過了薩洛蒙曲線的波峰，能獲得高速切削的效益，即切削力和切削溫度降低或不顯著升高，避開了機床顫振區(qū)。

工件和刀具性能的不同，切削速度也不同。使用涂層硬質(zhì)合金刀具時，高速切削鋁合金的切削速度范圍一般在1000~5000m/min。鋁合金含硅量越高，切削速度越低，加工高硅鋁合金時切削速度在300~1500m/min時效果較好。

（2）徑向切深和軸向切深。從切削力、殘余應力、切削溫度等方面考慮，采用較小的軸向切深和較大的徑向切深是有利的。通常粗加工時，軸向切深ap=（0.1~1）D，徑向切深ae<>

（3）每齒進給量。一般，在粗加工時取0.3~0.5mm，精加工時取0.1~0.2mm。

一般采用順銑方式銑削。刀具緩慢切入工件，以降低切削熱并減小徑向力。大切除量的整體結(jié)構(gòu)件加工(如大型件的槽加工) 時，一般采用分層切削、小切深、中進給。在加工內(nèi)部型腔時，當?shù)毒哌M到拐角處時，采用擺線切削，可避免切削力突然增大，否則產(chǎn)生的熱量會破壞材料的性能。

在銑削鈦合金結(jié)構(gòu)件時可采用不對稱順銑法，使刀齒前面遠離刀尖部分首先接觸工件，刀齒切離時的切屑很薄，不易粘結(jié)在切削刃上。而逆銑則相反，容易粘屑，當?shù)洱X再次切入時切屑被碰斷，造成刀具材料的剝落崩刃。 

飛機結(jié)構(gòu)件大多為表面由數(shù)個槽腔和孔組成的雙面結(jié)構(gòu)，機械加工時裝夾困難，易產(chǎn)生加工變形，表面加工質(zhì)量很難控制。在夾具設計時應考慮到如下要求：翻面加工時能提供較好的定位和支撐、較薄的結(jié)構(gòu)能提供輔助支撐、外輪廓加工時能連續(xù)進行切削。

目前，普遍采用的裝夾方式有機械、液壓可調(diào)夾具、真空吸附裝夾、電控永磁吸盤等幾種。

夾具元件可能會與走刀路徑干涉。利用液壓可調(diào)夾具，即壓板在零件加工過程中可以松開，并可移出刀具加工區(qū)，保證刀具切削軌跡的連續(xù)性。刀具切過壓緊位置后，夾具系統(tǒng)再使壓板返回原來的壓緊位置。

由于結(jié)構(gòu)件大多是薄壁件，確定夾緊力非常重要。目前大多還是采用經(jīng)驗法來確定裝夾力大小、位置及作用順序，沒有考慮高速切削熱力耦合對工件變形的影響等問題，很難保證工件的加工精度，并給加工后的工件校形帶來很大的困難。理論計算法（例如采用有限元方法）仍存在很多困難，計算結(jié)果也并不一定符合實際。

切削效率高和切削變形小是飛機結(jié)構(gòu)件采用高速銑削方法并取得較好效益的主要原因。在刀具材料、刀具幾何角度、銑削參數(shù)、銑削方式、走刀路徑以及夾具設計等各方面，雖然各航空廠積累了豐富的經(jīng)驗，但仍然存在較多問題需要解決。目前，面臨的主要問題包括減小加工變形、夾具柔性化、切削參數(shù)優(yōu)化、刀具材料國產(chǎn)化等。