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      獲得足夠的鈦合金材料，以滿足新一代飛機(jī)的需求，是一種困難的挑戰(zhàn)。隨著需求的增加，鈦金屬的價(jià)格不斷上漲，新的鈦合金生產(chǎn)能力也在不斷形成。但是，迄今為止，鈦合金零件的切削加工問題尚未很好解決。盡管沒有人能夠提供確切的數(shù)據(jù)，但目前的鈦合金加工能力似乎不太可能滿足正源源不斷推向市場的各種新型飛機(jī)的需求，這些飛機(jī)使用鈦合金材料的比例普遍較高。無論如何，航空工業(yè)供應(yīng)鏈必須努力提高鈦合金加工能力。市場需求要求加工車間以更快的速度，加工比以往更多的鈦合金航空零件。

  
      波音研究與技術(shù)團(tuán)隊(duì)(BR&T)是研究如何加工鈦合金的領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)之一。該團(tuán)隊(duì)的研究人員開發(fā)了各種高效加工鈦合金的技術(shù)，然后將其轉(zhuǎn)讓給波音公司的零部件供應(yīng)商。

  
      圖2所示為一種典型是鈦合金飛機(jī)零件。飛機(jī)的大型結(jié)構(gòu)件通常由許多凹腔構(gòu)成，結(jié)構(gòu)件的加工主要是加工凹腔，包括銑削各種側(cè)壁和肋板。用于新型客機(jī)(如波音787)的這種凹腔特別深，因?yàn)橐恍┥畎记讳X合金零件已被鈦合金零件所取代。因此，鈦合金零件的凹腔加工具有更大的挑戰(zhàn)性。

  
      加工鋁合金時(shí)，對(duì)于特定形狀的凹腔(如圖2所示零件)，可能并不需要分別進(jìn)行粗加工和精加工。航空工業(yè)制造商已經(jīng)掌握了以相對(duì)穩(wěn)定的徑向切深精密切削鋁合金的技術(shù)，可以采用很大的切深量，高效加工出側(cè)壁或肋板。但鈦合金的加工卻完全不同。銑削鈦合金凹腔時(shí)，很慢的切削速度意味著，為了有效去除大量工件材料，仍然需要分別進(jìn)行粗加工和精加工。其結(jié)果是，高效加工鈦合金零件包括一系列不連續(xù)的加工步驟，而每道工序都需要采用不同的、經(jīng)過驗(yàn)證的加工技術(shù)。

  
      BR&T以及刀具供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出了一些鈦合金加工技術(shù)。應(yīng)用結(jié)果表明，高效加工鈦合金飛機(jī)零件并不一定需要新型機(jī)床乃至特定類型的機(jī)床。而且，并不一定需要很高的加工成本。這些加工技術(shù)可以單獨(dú)應(yīng)用，但如果將其集成到一起，就可以形成一種截然不同的鈦合金銑削工藝，它不僅可以縮短加工時(shí)間，而且還能顯著節(jié)省加工成本。

      精加工側(cè)壁和肋板的8:1準(zhǔn)則

  
      多刃立銑刀是高效銑削鈦合金飛機(jī)零件最基本的刀具。BR&T的研究人員解釋說，該團(tuán)隊(duì)確定的“8:1準(zhǔn)則”，是決定如何使用多刃立銑刀的基本指導(dǎo)原則之一。

  
      在精加工中，多刃立銑刀能獲得很高的金屬去除率。對(duì)于鈦合金零件，要求粗加工和精加工分步進(jìn)行。鋁合金零件的加工則與此不同。銑削鋁合金時(shí)，允許采用的切削速度和切屑負(fù)荷可以獲得很高的金屬去除率，即便多刃立銑刀適用于精加工。但在加工鈦合金時(shí)，實(shí)際采用的最大切削速度和切屑負(fù)荷要低得多。因此，為了達(dá)到足夠高的金屬去除率，就必須采用其他一些加工策略，如采用大切深進(jìn)行粗加工。精加工時(shí)，由于粗加工后側(cè)壁或肋板已變得相當(dāng)薄，以至于必須減小切削力，因此不再可能采用大切深。提高精加工生產(chǎn)率唯一可行的策略是提高進(jìn)給率。采用具有足夠多切削刃的立銑刀就可以做到這一點(diǎn)，因?yàn)檫@種刀具可以通過少量增加切屑負(fù)荷而獲得很高的金屬去除率。

      多少切削刃比較合適？答案是：越多越好?，F(xiàn)在，許多刀具制造商都能提供10刃立銑刀(圖3)。一把直徑25.4mm的10刃立銑刀以122m/min的表面切削速度和0.076mm/齒的切屑負(fù)荷進(jìn)行加工時(shí)，其進(jìn)給率可以達(dá)到1168mm/min。BR&T能以這種切削速度和進(jìn)給率，實(shí)現(xiàn)鈦合金的常規(guī)精銑加工，并正在對(duì)一種45刃立銑刀(圖4)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 這種10刃硬質(zhì)合金立銑刀是精加工鈦合金肋板的基本刀具之一，可獲得很高的金屬去除率

圖4 與10刃或20刃立銑刀相比，這種正在試驗(yàn)的45刃立銑刀可獲得更高的金屬去除率

這些多刃精加工刀具的缺點(diǎn)是排屑性能不佳，這主要是由于切削刃之間空間狹窄造成的。為了彌補(bǔ)這一缺陷，切屑負(fù)荷一般必須保持在0.076mm/齒，為了留出足夠的排屑空間，直徑25.4mm的10刃銑刀的徑向切深必須不超過0.89－1.27mm。

      至于軸向切深，正是8:1準(zhǔn)則要解決的問題。由于該準(zhǔn)則是根據(jù)被加工肋板與其最終尺寸的接近程度來確定切深量的，因此，它在本質(zhì)上確定了銑削鈦合金凹腔時(shí)，粗加工與精加工走刀量之間的區(qū)別。

      (1)8:1準(zhǔn)則的定義

8:1準(zhǔn)則可以表述為：最大軸向切深不應(yīng)大于鄰近切削處的側(cè)壁或肋板剩余厚度的8倍。例如：要求將一個(gè)凹腔的側(cè)壁厚度加工到1.27mm。粗加工預(yù)留了足夠大的壁厚余量，即經(jīng)過粗加工后，仍有3.18mm的壁厚尺寸。側(cè)壁加工到該厚度時(shí)，在鄰近側(cè)壁處銑削進(jìn)刀可以采用最大為壁厚尺寸8倍的軸向切深量——即25.4mm。(波音公司表示，25.4mm也是對(duì)應(yīng)于前面提到的122m/min切削速度的最大軸向切深量。)沿著側(cè)壁進(jìn)刀精銑，然后達(dá)到最終壁厚尺寸1.27mm。這些進(jìn)刀深度也可以小于剩余壁厚尺寸的8倍。在這種情況下，最大切深為10.16mm(1.27mm的8倍)。

      采用這一倍率的原因，是為了避免變形引起的加工偏差。BR&T通過實(shí)驗(yàn)來確定一種選擇切削深度的指導(dǎo)原則，該準(zhǔn)則能統(tǒng)一適用于波音飛機(jī)零部件可能要求的側(cè)壁和肋板高度與厚度的整個(gè)尺寸范圍。圖5所示為該實(shí)驗(yàn)所用的兩塊肋板時(shí)間。其中較厚的肋板厚度達(dá)到6.35mm，因此可認(rèn)為，在工件上測得的任何厚度偏差都是由刀具磨損變形引起的。因此，該試件為了解刀具變形的單獨(dú)影響提供了基準(zhǔn)。與之相比，按照8:1準(zhǔn)則，以6.35mm的軸向切深(倍率為8.35:1)銑削厚度為0.76mm的薄肋板時(shí)，刀具和工件的變形都可能引起厚度偏差。但是測量結(jié)果表明，其加工尺寸非常穩(wěn)定(圖6)。對(duì)于這塊薄肋板來說，其總的厚度偏差實(shí)際上小于僅僅由刀具本身變形造成的基準(zhǔn)偏差。BR&T的研究人員解釋說，銑削鈦合金時(shí)之所以要采用8:1的切深，是因?yàn)殁伿且环N粘性很大的金屬材料。如果將同樣的準(zhǔn)則應(yīng)用于銑削鋁合金，其倍率應(yīng)為4:1。

      (2)以多次向下進(jìn)刀方式精銑凹腔

      以這種方式限制切深意味著，精銑深凹腔的側(cè)壁時(shí)，必須采用連續(xù)遞增的多次進(jìn)刀方式。這與通常采用的凹腔壁加工方式有很大的不同。通常情況下，這種加工是通過在凹腔的全深度上一次走刀來完成的。有時(shí)，這種加工方式被認(rèn)為不僅效率更高，而且有利于提高凹腔表面質(zhì)量，因?yàn)樗芟鞔芜M(jìn)刀之間形成的進(jìn)給刀痕。但波音公司認(rèn)為，這兩種說法都不正確。

      一般來說，以全切深一次走刀進(jìn)行銑削要求采用很小的進(jìn)給率(25－75mm/min)，相應(yīng)的金屬去除率約為2.5mm3/min。與之相比，以1,168mm/min的進(jìn)給率，按8:1的切深多次進(jìn)刀進(jìn)行銑削，可以達(dá)到50mm3/min的金屬切除率。雖然這代表加工效率提高了20倍，但還僅僅是提高生產(chǎn)率的開始。無支撐的側(cè)壁和肋板在全深度走刀銑削時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此需要通過重復(fù)走刀(“浮動(dòng)”走刀)，來清除因工件振動(dòng)位移而未能切除的殘留余量。由于這個(gè)原因，這種振動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致厚度尺寸難以控制，而且，為了去除加工表面留下的振紋(它與通常無害的進(jìn)給刀痕不同)，必須增加手工修磨工序。8:1加工方式不僅能提高凹腔銑削速度，而且可以避免這些附加工序(圖7)。

      但是，振動(dòng)仍然是一種威脅。為了在從毛坯逐漸銑削出凹腔的加工過程中盡量減小振動(dòng)，應(yīng)該從側(cè)壁或肋板的兩側(cè)交替連續(xù)進(jìn)刀銑削(圖8)。圖8中的數(shù)字表示精加工肋板時(shí)，將要依次切除的工件材料區(qū)域的順序。在以較大的軸向切深進(jìn)行粗銑走刀后，接著以較小的軸向切深進(jìn)行精銑走刀。加工中，肋板的剩余部分始終受到未切除材料的支撐，隨著這些區(qū)域的工件材料按照?qǐng)D示順序被依次切除，肋板逐漸形成。事實(shí)上，這種交替進(jìn)行粗銑和精銑的加工方法可以最大限度地為肋板提供支撐，以減小振動(dòng)。這種肋板成形方式意味著，在每一個(gè)連續(xù)切削層，刀具無需再次接觸肋板，因?yàn)榈毒咭呀?jīng)下降到凹腔的下一個(gè)切削層。

圖5 這兩塊肋板用于測試8:1準(zhǔn)則的有效性。在銑削其中的厚肋板時(shí)，工件的任何偏差都可假定為是由刀具變形引起的。而在8:1的切深銑削薄肋板時(shí)，總的厚度偏差甚至比銑削厚肋板時(shí)更小，完全符合切削穩(wěn)定性要求

圖6 銑削兩塊不同厚度肋板的尺寸偏差對(duì)比

圖7 以全切深一次走刀銑削凹腔壁(左)需要花費(fèi)更長切削時(shí)間，且容易引起薄壁振動(dòng)。而以8:1的切深。逐次向下進(jìn)刀銑削(右)，則是一種加工速度更快、質(zhì)量更穩(wěn)定的凹腔精加工方式

圖8 8:1準(zhǔn)則不僅可應(yīng)用于垂直向下銑削，還可應(yīng)用于粗銑與精銑交替進(jìn)刀

      (3)45刃立銑刀

      為了進(jìn)一步提高精銑凹腔的生產(chǎn)率，BR&T一直在進(jìn)行試驗(yàn)，探究在立銑刀圓周上有可能排列多少切削刃。圖4所示的45刃立銑刀直徑為50.8mm，為了提高刀具制造的成本效益，該立銑刀采用了空心刀體，以減少硬質(zhì)合金材料使用量。這種45刃立銑刀可在表面切削速度120m/min、每齒進(jìn)給量0.076mm時(shí)，采用大于2,540mm/min的進(jìn)給率。
不過，仍然存在一些有待解決的難題。在這種切屑負(fù)荷下，較大的刀具直徑使徑跳誤差變化量增大到難以接受的水平。波音公司研究人員仍在試驗(yàn)如何使這種刀具設(shè)計(jì)更具實(shí)用性，以便能將其應(yīng)用于生產(chǎn)之中。該刀具代表了在精加工鈦合金時(shí)，多切削刃(45刃)立銑刀目前可能達(dá)到的加工速度水平。

      快速去除凹腔材料

      8:1準(zhǔn)則是關(guān)于如何用多刃立銑刀快速精銑鈦合金凹腔。而鈦合金凹腔的粗銑加工需要考慮哪些問題呢？如果飛機(jī)零部件是用整件毛坯加工而成，那么，在可以應(yīng)用8:1加工方法進(jìn)行精銑之前，首先必須對(duì)毛坯進(jìn)行粗銑，去除凹腔部位的大量工件材料。

  
      刀具供應(yīng)商山特維克可樂滿公司有一個(gè)致力于航空零部件切削加工的研究團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)正在努力開發(fā)和評(píng)估一些高效切削鈦合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)零部件的加工技術(shù)。該公司的研究人員表示，粗銑加工時(shí)，為了去除鈦合金凹腔的工件材料，基本上有三種可選加工方式：①鉆削和成形銑削；②以遞增切深進(jìn)行斜坡銑削；③鉆削和插銑。一般來說，在這三種加工方法中，第一種方法加工效率最高，而其他兩種方法則能加工形狀比較復(fù)雜的凹腔。

  
      (1)鉆削和成形銑削

  
      這種加工方法是：首先在凹腔部位鉆削一個(gè)大直徑的起始孔。為了便于清除切屑，所鉆的孔應(yīng)該盡可能大一些，至少不小于用于粗銑凹腔其余部分的銑刀直徑的1.3或1.4倍。然后，將粗銑刀伸入孔中，但伸入的深度應(yīng)該小于孔深——要為后續(xù)的底部精加工留出大約5mm的余量。銑刀從預(yù)鉆孔中開始向外銑削，通過連續(xù)走刀加工出凹腔深度。對(duì)于鈦合金工件凹腔的粗銑加工，這種加工方式的材料去除率最高。不過，它要求凹腔的形狀比較簡單，對(duì)于任何在加工時(shí)需要換刀，或者凹腔的某些部分需要逐次分層加工的廓形或特征，都不適合采用這種加工方法。該方法還要求工藝穩(wěn)定性好，即凹腔應(yīng)該比較淺，刀具的懸伸長度不應(yīng)超過其直徑的4倍。如果被加工凹腔較深，或者因?yàn)槠渌驅(qū)е鹿に噭傂圆蛔銜r(shí)，選擇其他兩種加工方式之一可能效果更好。

  
      (2)斜坡銑削和插補(bǔ)銑削

      這種加工方式不需要預(yù)鉆孔。它只需使用一種刀具。這種銑刀以坡走方式切入工件材料，并插補(bǔ)銑削去除凹腔的一層材料，然后坡走切入下一層材料。由于切深較小，因此這種加工方法最適合剛性較差的機(jī)床(如某些40錐度的機(jī)床)。該加工方法可用于大進(jìn)給銑削，但采用圓形刀片的銑刀可以更大的切削參數(shù)進(jìn)行斜坡銑削。對(duì)于因輪廓形狀導(dǎo)致各處深度不同的凹腔，這種加工方法比上述鉆削和仿形銑削加工方法效率更高。

  
      (3)鉆削和插銑

  
      這種加工方法可以解決許多加工難題。與第一種方法一樣，首先也需要鉆一個(gè)預(yù)孔。不過，此后機(jī)床本質(zhì)上一直是在進(jìn)行鉆削操作——用一把插銑刀或一支能勝任這種加工的鉆頭進(jìn)行重疊插銑或插鉆。對(duì)于任何加工中心來說，Z軸通常具有最好的剛性，因此，采用該方法，能在剛性較差的機(jī)床上加工鈦合金凹腔。對(duì)于要求刀具懸伸長度達(dá)到4倍直徑以上的深凹腔加工，這種方法也非常適合。

  
      當(dāng)然，這種方法也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是在沿著凹腔輪廓線插銑時(shí)，各次走刀之間的交疊處會(huì)留下廓形尖點(diǎn)，必須通過單獨(dú)的工序予以去除。

  
      (4)轉(zhuǎn)角問題

  
      上述前兩種加工方法——鉆削和成形銑削，以及斜坡和插補(bǔ)銑削——都共同面臨轉(zhuǎn)角的問題。采用直角轉(zhuǎn)向方式來加工內(nèi)轉(zhuǎn)角，會(huì)大大增加徑向切深，可能會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加劇、破損幾率增大，或在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生不受歡迎的顫振紋路——更不用說還會(huì)增加工藝的不可預(yù)測性，使其難以實(shí)現(xiàn)無人值守的自動(dòng)化加工。因此，山特維克可樂滿專家推薦的加工方案幾乎完全無需轉(zhuǎn)角。具體地說，銑刀并不是平行于凹腔壁走刀銑削，而是以圓形刀軌向外銑削(圖9、圖10)，直至凹腔壁確實(shí)不得不用直線刀軌加工時(shí)為止。

圖9 圓形刀軌可使刀具負(fù)荷處處保持恒定

圖10 圖中的刀軌轉(zhuǎn)向有很多是不必要的，在刀具實(shí)際加工到凹腔壁之前，刀軌并不需要與凹腔形狀保持一致

圖12 凹腔底部應(yīng)預(yù)留較大余量，并采用中心向外擴(kuò)展的螺旋刀軌進(jìn)行加工

      圖13 此圖說明了為何要在精銑凹腔側(cè)壁之前精銑轉(zhuǎn)角。如果不先切除轉(zhuǎn)角處的工件材料，當(dāng)銑刀進(jìn)入轉(zhuǎn)角時(shí)，徑向切深就會(huì)顯著增大，除了會(huì)影響刀具壽命外，工件表面粗糙度可能也會(huì)惡化圖14 在插銑和清根加工中，切削刃上的棱帶對(duì)插銑加工有益，但對(duì)清根加工不利，因此可用同一種銑刀(圖右)的“有棱帶”和“無棱帶”型式分別進(jìn)行加工
轉(zhuǎn)角的精加工——插銑和清根

式中：T——換刀時(shí)間(分鐘)

TC——刀具成本(美元)

TL——刀具壽命(分鐘)

Rm——機(jī)床費(fèi)率(美元/小時(shí))

RL——勞動(dòng)力費(fèi)率(美元/小時(shí))

MRR——金屬去除率(立方或平方英寸/分鐘)。