高速切削技术在航空航天中的应用.docx

高速切削技术在航空航天中的应用机自02班刘高禹20100130141 高速切削概述1.1 高速切削技术定义高速切削定义众多，例如高切削速度切削、高主轴速度切削、高进给切削、高速和高进给切削、高生产率切削等。高速切削加工技术中的“高速”，通常用切削线速度进行界定，是一个相对的概念，不能简单地定义为某一具体的切削速度。如图1-1所示，给出了高速加工的速度范围与加工材料的关系。由于不同的加工方式、不同的工件材料有不同的高速加工范围，因而应根据不同的加工材料，结合实际生产情况，确定不同的高速加工速度范围。国际生产工程学会（the international academy for production engineering, cirp）提出，切削线速度5007000m/min为高速切削加工。有德国达姆施塔特工业大学生产工程与机床研究所（ptw）提出，高禹普通切削速度510倍的切削加工为高速切削加工，并提出按主轴最高转速与最高移动速度构成的相应范围，划分出传统切削、高去除率切削（hvm）和高速切削（hsm）三个加工区域。一般认为高速加工是采用较硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。与常规切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其主要特点包括：（1）加工效率高。材料去除率有了较大提高，适合材料去除率大的场合。（2）切削力小。切削力较常规切削降低，径向力降低更明显。工件受力变形小，适于加工弱刚性的薄壁细长件。（3）切削热小。加工过程迅速，绝大多数切削热被切削带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件，可提高加工精度。（4）动力学特性好。刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又由于切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量。（5）工序集约化。可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，在一点 条件下，还可对硬表面进行加工，从而使工序集约化。这对于模具加工具有特别意义。（6）环保。可实现“干切”和“准干切”，避免冷却液污染。（7）刀具寿命受影响。随着切削速度的增加，刀具寿命会相应的降低。图1-1 不同加工材料大致的切削速度范围总而言之，高速切削的最终目的是提高加工效率和降低成本，这是因为单位时间材料切除率高（正比于切削速度进给量切削深度），切削加工时间减少，成本降低。1.2 高速切削发展历程 高速切削加工发展可分为五个阶段1）设想和理论探索阶段（19241957年）19241931年，salomon进行了大量高速切削实验，最终于1931年4月向德国专利局申请了专利。1949年，美国工程师willian coomly发现切削功率岁转速下降的现象。2）高速切削机理和理论研究阶段（19581971年）20世纪50年代后期，洛克希德飞机公司的r.l.vaughn受钻井速度较高的影响，激发了对高速切削加工金属进行深入研究的想法，奠定了第二阶段的开始。1958年，r.l.vaughn进行了切削速度范围较广的切削试验，得出切削速度的提高有助于表面加工质量的改善的结论（尤其是对铝合金）。1964年，法国首先对钢与铸铁进行了高速 切削加工试验，证明铸铁的高速切削加工是可行的。3）高速切削应用探索阶段（19721978年）20世纪70年代，r.i.king研究小组对高速切削加工在铝合金和镍铝铜合金中使用的生产模式进行了研究，在试验和应用研究领域取得了积极的进展，试制出转速达18000r/min、功率为25马力的卧式高速加工中心。4）高速切削技术进入应用阶段（19791989年）1979年，美国国防部组织了现代加工技术（amrp）研究计划，焦点包括激光辅助加工和高速切削加工（高速切削机理、刀具、工艺方案研究）。其中高速切削加工的研究十分全面，切削速度范围高达7600m/min和73000m/min（使用弹道试验法）；切削的材料包括钢、铸铁、铅、黄铜、铝合金等；切削用的刀具材料包括碳素工具钢、高速钢、金属碳化物、氧化物系列材料等。5）高速切削技术逐渐成熟阶段（1990年至今）高速切削相关技术设备的研究投入加大、发展迅速、成果不断。随着高速高性能机床、超硬耐磨和耐热刀具材料等关键技术的进步，高速切削技术作为一项高新技术得到了迅速发展。近年，国内众多高校和科技工作者也致力于高速切削的研究，并取得了一定的成果，其中各项关键技术也取得了一些进展。然而由于实际生产中缺乏相应的高速切削机理、工艺技术的基础研究作为基础和缺乏稳定可靠的技术指导，使得多数高速切削机床主轴转速偏低，不少应用工艺中仍然采用传统的切削用量进行切削，从而远未发挥高速切削技术所固有的潜在优势，造成机床利用率低、生产成本高。因此，结合生产实际，进行高速切削机理及工艺基础的深入基础和应用研究，对我过的金属加工业意义重大。1.3 高速切削技术应用现状 高速切削技术具有随切削速度提高，切削力降低、切削温度的增加逐渐变缓、加工表面质量和生产效率提高、制造成本减少、产品开发周期缩短等优势。高速高性能机床、超硬耐磨和耐热刀具材料等关键技术的进步，促进了高速切削技术迅速发展。高速切削加工可在大幅提高加工效率的同时获得良好的加工表面质量，打破了传统额加工效率与精度之间的矛盾，可满足航空航天、汽车、发电装备等行业精密复杂等零部件的优质、高效、低成本、环保的加工需求。在航空航天行业中，现代飞机大量采用扎制的厚铝板作毛坯直接整体加工成形的构件，整体构件材料去除率可以高达98%。国外在高速切削加工时，采用小切削量、高切削速度代替传统大切削量、低切削速度，提高了加工效率和加工精度，加工时间约减少80%，而尺寸精度和表面质量都大幅度提高。在汽车行业中，大批量生产的汽车行业面临产品快速更新换代而形成的多品种生产，柔性生产线代替了组合机床生产线，高速加工中心则将柔性生产线的效率提高到组合机床生产线水平，如美国ingersoll公司的hvm800高速卧式加工中心。而近年来，利用高速切削技术加工难加工材料取得了一些显著的成效，尤其是在模具加工行业。在模具行业中，采用典型高转速、多速进给、低切深的加工方法，在淬硬钢模具加工方面取得了令人满意的效果。采用高速切削技术加工模具可以取代传统的磨削、电火花加工，在减少加工准备时间、缩短工艺流程、缩短制造周期、提高生产效率方面都具有极大的优势。高速铣削模具可提高加工精度和表面质量、缩短生产周期、降低环境污染，已成为模具制造业的发展趋势。高速高效切削加工技术因其突出的优点，已进入难加工材料加工领域。目前，我国航空航天、汽车、模具等工业部门已引进了相当数量的高速切削设备用于难加工材料的加工，根据美国gardner出版公司公布的数据，我国已成为世界第一机床消费大国，但是由于缺乏对难加工材料的高速切削机理及工艺技术的基础研究，使得高速切削生产中缺乏稳定可靠的技术指导，导致多数高速切削加工设备使用转速偏低，机床利用率低、生产成本高。关于难加工材料高速切削的研究，对推动我国金属加工业、机床和刀具制造业的发展具有重要意义。2 航空合金的高速加工工艺2.1 概述目前，高性能、轻量化、精密化、高效化、可靠性、经济性和环保性成为21世纪航空航天产品的发展趋势，航空航天产品必须采用先进航空材料和结构设计来满足用户对产品性能不断提升的要求。先进航空材料是航空产品实现所期望的技术性能、使用寿命和可靠性的技术基础，具有高比强度和比刚度、低密度、良好的耐腐蚀性能和优越的抗疲劳性能等特点。铝合金仍然是飞机结构件中的主要材料，以低密度和高强度为主要发展方向，空中客车a380客机采用铝合金材料约占整个机体结构重量的61%，主要采用了7055、7085等新型高强度铝合金和2099、2195等低密度铝锂合金制造飞机机翼梁、地板梁等承力部件。随着材料制备技术和先进制造技术的不断发展，突破了成本和加工对于钛合金在航空结构件中应用的制约，钛合金在飞机结构件中的用量不断提高。钛合金具有高比强度、良好的高温性能、优越的抗疲劳性能和耐腐蚀性能，可以大幅度减轻航空产品的结构重量，提高结构强度和损伤容限，使航空结构件的服役性能大幅提升。从20世纪50年代开始，已经在航空制造领域获得了广泛应用，当代先进大型飞机为了大幅减轻结构重量大量采用复合材料，钛合金与复合材料的强度、刚度匹配较好，由于两者电位比较接近，不易产生电偶腐蚀，因此相应部位的结构件和紧固件也均需采用钛合金。在钛合金等先进航空材料广泛应用的同时，以最大限度提高结构效率为主要目标的飞机结构设计整体化、轻量化和模块化成为新一代大型客机结构发展趋势，已经成为先进大型飞机结构设计领域的重要标志。大型客机机翼梁、长桁、椽条、框肋、大型带肋壁板、接头和骨架等主承力构件均采用整体结构设计。结构整体化是新一代大型客机的发展趋势，已成为现代先进大型飞机设计制造领域的一个重要标志，对研发周期、生产效率和制造成本等具有非常重要的影响。2.2 航空铝合金高速切削关键策略2.2.1 航空铝合金高速切削刀具选择根据航空铝合金切削加工性较好的特点，一般情况下采用高速切削技术进行加工。加工航空铝合金目前已普遍采用硬质合金刀具。高性能刀具呈现高效、高精度、高可靠性和专用化技术特点。不同制造行业对刀具的要求差异较大，航空航天领域铝合金大型整体薄壁结构件加工中要求粗加工刀具具有良好的强度和柔性及排屑性能以便于减少加工变形并降低加工表面粗糙度。航空航天领域钛合金和超高强度钢结构件实现高速高效加工对刀具的强度、耐热性和刃口质量的稳定性要求高，因而对刀具基体材料、涂层材料、刀具几何结构与刃口微观尺寸之间关系进行优化成为关键。刀具相关参数选用总结分析如下：1）前角 前角大小直接影响刀具前刀面积屑瘤的形成。前角增大时，刀屑接触面积减少，积屑瘤和刀尖黏附现象减小。因此航空铝合金加工时，应选用较大的刀具前角，推荐前角15。20。2）后角 由于航空铝合金弹性模量较小，已加工回弹较大，后角较小会加剧后刀面和已加工表面的摩擦和挤压，使大量切屑黏附在后刀面上，加剧后刀面磨损。因此，加工航空铝合金时应选用较大的后角，推荐使用10。15。3）螺旋角 铣削航空铝合金由于切削用量较大，刀具需要较大的容屑空间，选用螺旋角30。40。有利于排屑和保证刀具切削刃强度。2.2.2 航空铝合金整体结构件高速切削参数选择1）切削速度 由于航空铝合金非常适合采用高速切削加工，因此，加工航空铝合金整体结构件时，切削速度是没有限制的，只取决于机床性能。采用较高的切削速度，可以提高生产效率，减少加工过程中积屑瘤的形成，提高表面加工质量。当然，较高的切削速度回加剧刀具磨损，降低刀具寿命。在航空整体薄壁零件加工过程中，选择较高的切削速度有利于降低切削力，减小加工变形，并获得较大的进给速度，有利于切削热的迅速释放，降低工件温度，控制加工热变形。2）进给量 在粗加工过程中，为了获得较大的材料去除率，应选用较大的每齿进给量，可选择fz=0.20.3mm/z；在精加工过程中，为了获得良好的表面粗糙度，可选择fz=0.10.2mm/z。3）轴向切深ap和径向切深ae 在切削加工系统刚性较弱的情况下，轴向切深ap和径向切深ae的选取要满足加工稳定性的约束。2.2.3 航空铝合金整体结构件高速切削走刀方式航空铝合金整体结构件高速切削一般采用小切深、大进给的走刀方式，特别在加工弱刚性肋板时，必须采用对称或非对称分层加工的走刀方式，减小加工变形，控制加工精度。在加工弱刚性腹板时，应采用螺旋下刀，由内向外分层环切的方法，并在最后一刀采用较大轴向切深，保证腹板刚性。2.3 航空钛合金高速切削关键策略2.3.1 航空钛合金材料组织结构对加工工艺的影响钛合金高温强度高、热导率小、弹性模量低和化学活性高，使其切削加工性较差，加工非常困难。切削钛合金材料切削力大，切削温度高，刀具黏结磨损严重，耐用度低。航空钛合金是一种典型的难加工材料，其高效加工要求刀具材料的高温硬度高、刀具韧性好、切削刃锋利，并采用抗高温和黏结磨损的涂层材料。钛合金性质对切削加工性能的影响及对刀具要求如图2-1所示。图2-1 钛合金性质对切削加工性能的影响及对刀具要求2.3.2 航空钛合金高速切削刀具选择钛合金高速切削所用刀具目前一般采用高性能高速钢和硬质合金材料。高速钢刀具因其良好的韧性多用于弱刚性加工系统调节下的钛合金铣削加工，选用含co量较高的高性能高速钢如m42（w2mo10cr4co8）等，可以实现钛合金低速大余量加工。硬质合金刀具具有优良的耐高温性能和较高的强度，是加工钛合金应用最为广泛的刀具材料。k系列硬质合金（钨钴类）常用于钛合金的高速切削，一般情况下选用含co量6%，wc粒度为0.51m的超细晶粒硬质合金材料。为了防止切削温度过高造成的刀具快速磨损，在粗加工时应选用cvd涂层，如ticn或al2o3，具有较强的结合强度；在精加工时应选用厚度较薄的pvd涂层，如tialn或alcrn，具有优越的耐高温性能。根据钛合金特有的物理性质，钛合金加工刀具几何参数的选用总结分析如下：1）后角 铣削钛合金时，刀具后角选择非常关键。钛合金弹性模量小，适当增大后角，可以减小摩擦和后刀面磨损，提高铣刀的耐用度。但是过大的后角将使切削刃的强度降低，因此加工钛合金时刀具后角一般选用15。左右。2）前角 加工钛合金时，前刀面刀屑接触长度短，切削加工应力集中在刀尖，因此应选取略小的前角（10。），提高刀尖韧性。3）螺旋角 铣削钛合金时，粗加工切削刃上单位载荷较大，应选用较小的螺旋角增加刀刃强度，可取螺旋角30。38。；精加工切削刃上单位载荷较小，采用较大的螺旋角可以减小径向切削力，可取螺旋角40。45。4）主偏角 铣削钛合金时主偏角（r）的选取非常关键。采用较小的主偏角可以减小有效未变形切屑厚度he(he=fzsinr)，获得较小的切削力，可以在相同的有效未变形切屑厚度he下，采用较大的每齿进给量fz，实现钛合金大进给铣削加工。除了上述基本几何参数的选用外，要实现钛合金的高速切削加工，还必须合理优化刀具结构。德国weldon公司采用具有crest-kut刃形设计的m42高速钢刀具（图2-2）对钛合金进行粗加工，该刀具特殊的波纹刃形设计，实现切削刃具有可变的前角、后角、螺旋角，具有优越的断屑排屑性能，非常适合于钛合金大余量加工。在钛合金粗加工时可选用刀具直径25mm，切削速度20m/min，切深25mm，切宽25mm，刀具寿命为90min。美国mag公司设计的无涂层多刃整天硬质合金铣刀（图2-3），在考虑钛合金精加工切削余量小的条件下，在直径25mm刀具上分布20切削刃，切削速度达到120m/min，可以实现进给速度2300mm/min，可大幅提高钛合金精加工效率。图2-2 m42高速钢铣刀crest-kut波纹刃形图2-3 mag公司设计的无涂层多刃整体硬质合金铣刀2.3.3 航空钛合金高速切削参数选择由于钛合金切削加工具有较大的切削力，需要消耗较大的功率，因此在加工参数选择时必须考虑机床性能，即机床主轴功率转矩性能约束。加工参数选用总结分析如下：1）切削速度 钛合金粗加工时必须考虑机床主轴功率和转矩，如图2-4所示某机床的转速-功率-转矩曲线，在主轴转速1000r/min时可以获得较大主轴功率的同时保持较高的转矩，在考虑刀具寿命的情况下应选用该区域的主轴转速。钛合金精加工时由于切削余量小，在考虑刀具寿命和生产节拍的条件下，可选用切削速度80120m/min。图2-4 机床转速-功率-转矩图2）进给量 钛合金粗加工时一般采用每齿进给量fz=0.100.15mm/z.如果采用较小的主偏角的刀具进行钛合金粗加工，可选用较大的每齿进给量，如选用主偏角10。的可转位铣刀，可实现每齿进给量fz=0.50.8mm/z、切深ap=0.81.0mm的高进给铣削。钛合金精加工时一般采用fz=0.060.08mm/z，可以获得良好的表面加工精度，同时也避免fz过小造成挤压和耕犁效应取代切削，避开钛合金的加工硬化层，防止产生大量切削热，加剧刀具磨损，影响加工精度。3）轴向切深ap和径向切深ae 在切削加工系统刚性较弱的情况下，应该采用较小ap，例如采用圆形刀片或小主偏角可转位铣刀进行大进给小切深。同时，轴向切深ap和径向切深ae的选取要满足加工稳定性的约束。2.3.4 航空钛合金高速切削走刀路径选择走刀路径选择对于航空钛合金整体机构件高速切削的实现具有极其重要的作用。航空钛合金整体结构框体的粗加工中，必须采用适合的加工路径才能实现高速切削，走刀路径的主要策略总结分析如下：（1）在较浅的大型腔加工过程中，钻削和铣削相结合的方法可以获得最有效的材料去除率，应用于型腔轮廓特征较简单，在腔体加工过程中可以实现一层层材料连续去除的零件。首先在型腔中部钻削一个尽可能大的起始孔，然后用铣刀去除剩余的材料。在铣削过程中，走刀路径以圆弧走刀路径为主，可以获得平稳的切削力。只有在加工到型腔侧壁时，才需要采用直刀走刀。每次走刀到转角部位切削刃所受到的载荷突然增大，需要减小进给50%。（2）在加工复杂外型腔是，特别是需要加工的型腔深度变化较大时，采用坡铣和插铣的方式可以获得较高的加工效率。这种加工策略不需要钻孔，采用一把小主偏角的高进给可转位铣刀，进行小切深大进给快速走刀加工，也可以采用插铣轴向进刀的方式进行深腔体侧壁加工。系统刚性不足时，由于切削力主要分布到轴向，采用这种加工方式可获得较高的稳定性。（3）在加工深槽、小槽宽和深腔体型腔时，应采用钻削或插铣的方式。这种策略采用部分重叠插铣，走刀路径以z向进给为主，充分利用机床的轴向刚度好这一特点，避免加工中产生振动，特别适合于刀具悬长大于直径4倍的大悬长加工。在两次插铣走刀之间留下尖端，需要用另一把立铣刀清除。（4）在精加工腹板和侧壁的过程中，由于整体结构件绝大部分肋板和侧壁都具有薄壁弱刚性的特征，应按照金属切削颤振理论，构建稳定性极限图，在满足无颤振稳定切削的条件下合理安排走刀路径。采用分层对称加工的走刀路径，可以使加工变形相互抵消，残余应力均匀对称释放，获得良好的加工精度，在精加工过程中，常常需要处理大量设计要求的圆角特征。这些特征切削余量小，但是对刀具几何尺寸要求较高，一般要求刀具具有大悬伸、小直径，甚至要求刀具具有锥度。在圆角加工过程中，由于刀具与工件接触长度大，切削力比正常加工侧壁要大得多，正常加工时需要减少进给速度。为了避免加工过程中改变进给速度，保持加工过程的平稳，可以先处理圆角部位，即采用插铣方式，在加工侧壁之前对圆角部位进行精加工，然后通过侧铣扫除剩余材料。这种方法特别适合于大悬伸、小直径刀具。3 高温合金航空发动机整体叶轮高速加工工艺3.1 概述图3-1 整体叶轮机图整体叶轮（图3-1）是航空航天发动机的关键部件，发动机的快速发展，对叶轮叶片提出了更高要求：转速更高、压力更大。这就要求叶轮从几何结构、材料到加工精度进行大幅提升才能满足发动机的要求。现代整体叶轮多采用钛合金、高温合金等难加工材料制作而成，以保证发动机运转的稳定性，然而这一类材料切削性能差；整体叶轮通常流道窄而深、开敞性很差，叶片薄、曲面扭曲打，曲面渐变微形貌，叶片长厚比大，易发生切削变形和振动，已加工表面不允许裂纹和缺陷，这些特点给生产制造过程带来严峻的挑战，使得加工过程困难重重。由于构型复杂，基本上都是有难加工材料制成，具有薄型叶片、复杂结构的整体叶轮用数控铣削、精密铸造方法加工时就更困难，甚至不能加工，如带冠整体叶轮。此时高速切削方法便显示出其突出的优越性。3.2 整体叶轮的材料特点随着飞机发动机的推升比进一步提高，作为发动机核心工作部件的航空整体叶轮相应地承受更高的工作温度，这就对叶轮的材料提出了更高的高温工作性能。第一次世界大战以来，有最早的水冷式发动机30年代的气冷式发动机涡扇式发动机涡轮喷气式发动机超声速的冲压发动机，伴随发动机革新的历程，其工作温度有最初的15031565011001900。由此可见，发动机性能的提高必然要求其材料耐高温性能越来越好。作为航空整体叶轮的合适材料，高温合金能够在高达1000的环境下保持较高的强度与硬度，且具有良好的抗氧化性与耐腐蚀性能。与此同时，具有以上性能的材料往往切削过程中切削力大，温度高，刀具磨损严重，通常称这类材料为难加工材料。镍基高温合金作为难加工材料，其加工困难主要表现在一下几个方面：1）塑性变形很大2）切削力较大3）切削温度高4）刀具易磨损5）加工硬化现象严重6）加工表面质量和精度不易保证3.3 整体叶轮的工艺难点高温合金航空整体叶轮是航空制造领域一类典型的难加工零件，其难加工特征主要表现在两个方面：一是高温合金材料本身的难加工属性；二是整体叶轮具有薄壁、深槽、复杂曲面等难加工的几何特征。镍基高温合金材料高温下的强度高，切削力大，整体叶轮的叶片间通道深而窄，常使用大长径比的刀具，叶片薄、叶展长，这就造成了在高温合金航空整体叶轮切削加工过程中工艺系统的弱刚性和输入的强激励之间的矛盾，易产生振动和切削不稳定。因研究高温合金整体叶轮加工工艺系统的切削动力学模型、动态响应特性和稳定性条件是十分必要的。3.4 整体叶轮的典型加工工艺策略这里所研究针对的航空整体叶轮为半开式离心叶轮，流道为大、小叶片结构。采用插铣与侧铣结合的方法代替传统的槽铣与点铣。高速切削典型工序如下所述：3.4.1 插铣粗加工航空整体叶轮材料去除率高，其中绝大部分是在粗加工阶段去除的。本节所研究的整天叶轮在粗加工阶段采用了插铣加工方式。插铣法又称为z轴铣削法，其典型特征为进给运动方向沿z轴，主切削力为进给力，方向沿z方向，如图3-2所示。对于难加工材料的曲面加工以及刀具悬深较长的加工，插铣能够有效降低径向力，改变主切削力的方向使得切削力最大分量沿z向，因而能够有效地减小加工过程中刀具与工件的变形，特别是镍基高温合金整天叶轮切削力比普通材料要大很多，采用插铣加工方式能够大幅提高加工效率，图3-3所示为采用插铣进行叶轮的流道开槽粗加工。图3-2 插铣法示意图图3-3 叶轮流道插铣粗加工3.4.2 叶片侧铣半精加工与传统加工方法类似，叶片的半精加工通常采用侧铣的加工方式对粗加工进行余量均匀化加工处理，如图3-4所示。而在这里所提出的高温合金整体叶轮的高效工艺中，叶片的半精侧铣需要特别注意加工表面的完整性控制