航空殼體類零件主要應(yīng)用于航空產(chǎn)品的液壓傳動(dòng)及機(jī)械傳動(dòng)裝置，是產(chǎn)品的核心零部件。其不僅是產(chǎn)品裝配 母 體，更是產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的樞紐部位。該零件的復(fù) 合 程 度 高，殼體材料多以鋁合金為主。其按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可劃分為作動(dòng)類殼體、薄壁類殼體、液壓類殼體及其他類殼體。由于大多數(shù)航空殼體具有料去除率高、單道工序加工時(shí)間長和所采用的刀具種類多等特點(diǎn)，因而殼體類零件適合采用高速切削，以提高加工效率。

刀具以及相關(guān)系統(tǒng)對(duì)于高速切削有著重要的影響。本文對(duì)刀具幾何參數(shù)、刀具夾持系統(tǒng)以及加工工藝等影響因素進(jìn)行研究分析。

1、 高速切削

高速切削(HSM 或 HSC)是20世紀(jì)90年代迅速走向?qū)嶋H應(yīng)用的先進(jìn)加工技術(shù)，通常指在高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給情況下進(jìn)行切削。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)提出，高 速 切 削 的 切 削 線 速 度 為 500——7000 m/min[1]。在模具 加 工 中，高 速 切 削 可 加 工 淬 火 硬 度>50HRC的鋼件。高速切削是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)，從刀具材 料、刀


　2 、刀具對(duì)高速切削的影響分析

2.1 刀具幾何參數(shù)

目前，高速切削鋁合金刀具多采用硬質(zhì)合金刀具，粗加工刀具具有良好的強(qiáng)度及排屑性能，適用于大余量去除材料;精加工刀具具有良好的刃口鋒利性和較小的徑向力，適用于減少加工變形，降低表面粗糙度。刀具主要參數(shù)為前、后角和螺旋角，高速切削刀具與普通刀具幾何參數(shù)的區(qū)別主要為柄部公差、螺旋角和刀具跳動(dòng)(見表1)。


2.2 刀具材料

按照刀具材料硬度大小排列如下：金剛石 PCD>立方氮 化 硼 PCBN> 陶瓷 > 硬 質(zhì) 合 金 > 高 速 鋼HSS;按照抗彎強(qiáng)度大小排列如下：高速鋼 HSS>硬質(zhì)合金>陶瓷>金剛石PCD>立方氮化硼 PCBN;按照斷裂韌性大小排列如下：高速鋼 HSS>硬質(zhì)合金>立方氮化硼 PCBN>金剛石 PCD>陶瓷。根據(jù)切削

材料以及刀具成本等方面綜合考慮，現(xiàn)階段航空企業(yè)高速切削鋁合金多以硬質(zhì)合金材料為主。

硬質(zhì)合金刀具種類按照化學(xué)成分不同，可分為碳化鎢基硬質(zhì)合金和碳化鈦基硬質(zhì)合金;按照晶粒大小區(qū)分，可分為普通硬質(zhì)合金、細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金顆粒的大小影響到合金材料的強(qiáng)度，普通硬質(zhì)合金晶粒度為3——5μm;一般細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的晶粒度約為1.5μm;亞微細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的晶粒度為0.5——1μm;超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金 WC 的晶粒度<0.5μm。晶粒細(xì)化后 可 以 提高合金的硬度、耐磨性、抗彎強(qiáng)度和抗崩刃性。K 類和 M 類硬質(zhì)合金具有較高的硬度、耐 用 度、抗 彎 強(qiáng)度和韌度，細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金中由于硬質(zhì)相和粘結(jié)相高度分散，可減少切削時(shí)產(chǎn)生的崩刃情況，適合于高速切削鋁合金[7]。適合高速切 削 的 硬質(zhì)合金材料見表2。


2.3 刀柄結(jié)構(gòu)

刀具的夾持系統(tǒng)為刀柄，按照與機(jī)床連接方式，刀柄分為7∶24和1∶10等2種。在傳 統(tǒng) 的 加 工中，通常使用的是7∶24的刀柄。這種刀柄端面與主軸端面之間存在間隙，在主軸高速旋轉(zhuǎn)和切削力的作用下，主軸的大端孔徑膨脹，造成刀具軸向和徑向定位精 度 下 降。高速切削通常推薦 HSK 刀柄。HSK 是一種小錐度(1∶10)的空心短錐柄，使用時(shí)端面和錐面同時(shí)接觸，從而形成高的接觸剛度，高轉(zhuǎn)速對(duì)接口的連接剛度影響不大。在高速切削中，刀柄對(duì)刀具的夾持力的大小和夾持精度的高低具有十分重要的作用。當(dāng)機(jī)床轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min時(shí)，應(yīng)采用夾持可靠的刀柄。目前，加工中常用的刀柄為側(cè)固刀柄、卡簧刀柄、液壓刀柄和熱脹刀柄等，側(cè)固式刀柄難以保證刀具的動(dòng)平衡，不適用于高速切削;卡簧刀柄采用彈性夾緊方式，刀柄與刀具中間存在彈性夾頭的過渡，會(huì)影響刀具的跳動(dòng)和動(dòng)平衡，不適用于高速切削;液壓刀柄采用兩點(diǎn)夾持的一體型構(gòu)造，具有很高的夾持力和夾持精度，且減小了夾頭質(zhì)量;熱脹刀柄利用刀柄裝刀孔熱脹冷縮使刀具夾緊可靠，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)稱、夾緊力大。可見，液壓刀柄和熱脹刀柄適用于高速切削。

2.4 刀具的動(dòng)平衡及安全性

高速切削設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速一般可達(dá)到15000——24000r/min。刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)存在的殘余不平衡量會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系的離心力，這種動(dòng)態(tài)負(fù)載會(huì)激起刀具和機(jī)床的振動(dòng)，從而導(dǎo)致加工表面質(zhì)量、刀具壽命和主軸軸承壽命下降。刀具系統(tǒng)不平衡的主要因素如下：1)刀具制造尺寸精度偏差導(dǎo)致不平衡;2)非對(duì)稱式刀具、刀柄以及連接件導(dǎo)致不平衡;3)刀具使用時(shí)產(chǎn)生偏移導(dǎo)致不平衡;4)非整體式刀具系統(tǒng)裝配時(shí)的累積誤差導(dǎo)致不平衡;5)刀具裝夾誤差導(dǎo)致不平衡。

為減小或限制這種由殘余不平衡量產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)載的影響，應(yīng)對(duì)主軸及刀具系統(tǒng)進(jìn)行必要的動(dòng)平衡調(diào)整。刀具動(dòng)平衡分為機(jī)外平衡和機(jī)上平衡，機(jī)上動(dòng)平衡利用機(jī)床主軸提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其余與機(jī)外動(dòng)平衡機(jī)相同。現(xiàn)階段動(dòng)平衡檢查主要以機(jī)外平衡為主。機(jī)外動(dòng)平衡需通過專用機(jī)外動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量出不平衡的質(zhì)量和相位，再通過技術(shù)手段進(jìn)行調(diào)整，使刀具系統(tǒng)達(dá)到平衡標(biāo)準(zhǔn)要求。動(dòng)平衡調(diào)整過程通常須經(jīng)過多次反復(fù)，調(diào)整到最佳平衡量，以減小振動(dòng)負(fù)載，并盡可能將較高的精度傳遞到刀具的切削刃。

2.5 切削路徑

采取不同的切削路徑能得到不同的切削效果。優(yōu)化切削路徑可提高刀具耐用度和切削效率，獲得最小的加工變形，充分發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢(shì)。本文從進(jìn)、退刀加工和刀具軌跡2個(gè)方面進(jìn)行分析。

1)進(jìn)、退刀加工。在加工進(jìn)刀時(shí)，應(yīng)避免刀具垂直插入工件，采用傾斜下刀方式或者螺旋式下刀，以降低刀具載荷。在加工平面或輪廓時(shí)，應(yīng)盡量從工件外部下刀，然后水平切入工件。在水平退刀時(shí)，應(yīng)盡量保持加工進(jìn)給速度，當(dāng)?shù)毒叽怪蓖顺鰰r(shí)可采用最大位移速度。

2)刀具軌跡。在高速切削時(shí)應(yīng)保證刀具軌跡盡可能簡(jiǎn)化，減少轉(zhuǎn)折點(diǎn)和急速轉(zhuǎn)向，保證刀具軌跡的平滑過渡。螺旋曲線走刀是高速切削加工中一種較為有效的走刀方式。另外，應(yīng)通過不中斷切削過程和刀具路徑，減少刀具的切入和切出次數(shù)，以獲得穩(wěn)定、高效和高精度的切削過程[8]。

2.6 切削參數(shù)

切削參數(shù)是高速切削中重要的指標(biāo)之一，切削參數(shù)選擇是否合理將直接影響最終的加工效率、加工表面質(zhì)量以及加工成本。

切削速度取決于機(jī)床的性能，采用較高的切削速度可以減少加工過程中的積屑瘤，提高表面加工質(zhì)量;但是過高的切削速度會(huì)加劇刀具磨損，降低刀具壽命。所以在零件切削過程中需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的加工環(huán)境選擇合適的切削速度。

進(jìn)給量是影響加工效率的主要因素，在粗加工過程中，選用較高的進(jìn)給量能夠獲得較大的材料去除率。進(jìn)給量與刀具的直徑相關(guān)，每齒進(jìn)給量隨直徑增 大 而 增 加。粗加工時(shí)每齒進(jìn)給量推薦 0.1——0.3mm;精加工時(shí)每齒進(jìn)給量推薦0.04——0.1mm。軸向切深和徑向切寬在粗加工時(shí)根據(jù)刀具直徑和機(jī)床的剛度所決定。一般在選用刀尖圓弧半徑較大的刀具時(shí)，軸向切深不宜大于刀具半徑;徑向切深與被加工材料相關(guān)，對(duì)于鋁合金等輕合金材料可以選擇較大的徑向切深，甚至滿刀切削。

　3 、某葉輪加工應(yīng)用實(shí)例

3.1 葉輪結(jié)構(gòu)

葉輪類零件屬于薄壁、易變形類零件，一般壁≤4mm。本次試加工葉輪為離心壓縮機(jī)中應(yīng)用的非直紋面葉輪(見圖2)，其共有14片葉片，直徑 為60mm，高度為18mm。葉片厚度為1mm，葉片間距最小為1mm。葉輪材料為7A04。


由于受體積限制，葉輪采用小直徑、大扭角的結(jié)構(gòu)，這給葉片的加工帶來了更高的難度：整體葉輪加工流道窄，葉片相對(duì)長，葉片間距最小處≤1.5mm，一般需要采用小刀具直徑加工，加工過程中易造成刀具斷裂。

3.2 刀具切削參數(shù)的選用

選用SECO 的極 小 徑 系 列 刀 具，選 用4和2mm 刀具進(jìn)行粗加工;1.2mm 刀具進(jìn)行半精加工留余量0.1mm;1mm 刀具 進(jìn) 行 精 加 工。精 加 工刀具為錐桿結(jié)構(gòu)，切削刃末端為縮頸，該結(jié)構(gòu)在讓開干涉的同時(shí)最大限度地提高了刀具強(qiáng)度，保證了加工穩(wěn) 定 性。刀 柄 采 用 HSK——A63 熱脹 刀 柄 夾 持。切削參數(shù)見表3。


3.3 走刀過程

本次加工使用 CATIA 軟件編制加工程序。粗加工采用插銑加工方法，刀具沿葉片各角度的切線方向?qū)θ~輪進(jìn)行插銑加工。插銑粗加工的優(yōu)點(diǎn)如下：1)由于切削力為軸向力，可采用大懸伸避免干涉;2)可減小工件變形;3)提高加工效率。粗加工插銑采用 定 軸3+2方式 進(jìn) 行 分 層 加 工(見 圖 3)。在 CATIA 軟件中 選 擇 等 高 降 層 粗 銑 策 略，以 流 道輪廓為限制線，兩側(cè)葉頂為干涉面，刀軸方向以一次策略為單位多次旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到讓開干涉，去除大余量的目的。


精加工中，流道底部按照3個(gè)區(qū)域分別拾取加工面，使用曲面等參數(shù)線加工策略，選擇插補(bǔ)軸的多軸方式，以區(qū)域邊界多個(gè)驅(qū)動(dòng)軸為刀軸方向，通過手動(dòng)設(shè)置適應(yīng) 曲 率 變 化，形 成 整 齊、穩(wěn)定和高效的刀路。主葉片吸力面、主葉片壓力面、分流葉片吸力面和分流葉片壓力面分別采用同樣的策略，以無干涉、無跳刀和加工完整為目的，以區(qū)域邊界的25個(gè)驅(qū)動(dòng)軸為刀軸方向，通過手動(dòng)設(shè)置來適應(yīng)劇烈的曲率變化，生成整齊可靠的刀路(見圖4)。


4、 結(jié)語

高速切削已經(jīng)在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，本文從刀具結(jié)構(gòu)、刀具幾何參數(shù)、刀具夾持系統(tǒng)以及加工工藝等影響因素進(jìn)行分析，并結(jié)合航空殼體零件在實(shí)際加工中的應(yīng)用實(shí)例，進(jìn)一步掌握刀具在高速切削中的影響，從而提升高速切削的應(yīng)用效果，降低加工成本。

柄、機(jī)床、控制系統(tǒng)和加工工藝等方面均與常規(guī)加工有很大區(qū)別。由于不同的加工方式、不同的工件材料有不同的高速切削范圍，因而應(yīng)根據(jù)不同的加工材料，結(jié) 合 實(shí) 際 生 產(chǎn) 情 況，確 定 合 理 的 高 速 切 削 范圍[2——6]。高速切削的速度范圍與被加工材料的關(guān)系如圖1所示。