石曉飛

(慶安集團有限公司，陜西 西安 710077)

刀具在航空殼體高速切削中的影響研究

石曉飛

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高速切削作為一種高效切削的加工方法在航空領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用。影響高速切削的因素非常多，其中刀具對于高速切削有著重要的影響，刀具自身的結(jié)構(gòu)、材料和幾何參數(shù)，刀具的夾持系統(tǒng)以及加工工藝等直接影響高速切削的效率。通過對刀具自身相關(guān)參數(shù)及與刀具相關(guān)的因素進行分析，結(jié)合航空殼體零件在實際加工中的應(yīng)用實例，進一步掌握刀具在高速切削中的影響，從而提升高速切削在實際應(yīng)用中的效果，降低企業(yè)的加工成本。

高速切削；刀具；刀具夾持系統(tǒng)；航空殼體

航空殼體類零件主要應(yīng)用于航空產(chǎn)品的液壓傳動及機械傳動裝置，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)特點可劃分為作動類殼體、薄壁類殼體、液壓類殼體及其他類殼體。由于大多數(shù)航空殼體具有材料去除率高、單道工序加工時間長和所采用的刀具種類多等特點，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)對于高速切削有著重要的影響。本文對刀具幾何參數(shù)、刀具夾持系統(tǒng)以及加工工藝等影響因素進行研究分析。

1 高速切削

高速切削(HSM或HSC)是20世紀90年代迅速走向?qū)嶋H應(yīng)用的先進加工技術(shù)，通常指在高主軸轉(zhuǎn)速和高進給情況下進行切削。國際生產(chǎn)工程學(xué)會提出，高速切削的切削線速度為500～7 000 m/min[1]。在模具加工中，高速切削可加工淬火硬度>50 HRC的鋼件。

高速切削是一項系統(tǒng)技術(shù)，從刀具材料、刀柄、機床、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。

圖1 不同加工材料大致的切削速度范圍

2 刀具對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(見表1)。

表1 不同加工材料的刀具幾何參數(shù)

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、細晶粒硬質(zhì)合金和超細晶粒硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金顆粒的大小影響到合金材料的強度，普通硬質(zhì)合金晶粒度為3～5 μm；一般細晶粒硬質(zhì)合金的晶粒度約為1.5 μm；亞微細晶粒硬質(zhì)合金的晶粒度為0.5～1 μm；超細晶粒硬質(zhì)合金WC的晶粒度<0.5 μm。晶粒細化后可以提高合金的硬度、耐磨性、抗彎強度和抗崩刃性。K類和M類硬質(zhì)合金具有較高的硬度、耐用度、抗彎強度和韌度，細晶粒和超細晶粒硬質(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。

表2 適合高速切削的硬質(zhì)合金材料

2.3 刀柄結(jié)構(gòu)

刀具的夾持系統(tǒng)為刀柄，按照與機床連接方式，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，使用時端面和錐面同時接觸，從而形成高的接觸剛度，高轉(zhuǎn)速對接口的連接剛度影響不大。

在高速切削中，刀柄對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。當機床轉(zhuǎn)速達到10 000 r/min時，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，會影響刀具的跳動和動平衡，不適用于高速切削；液壓刀柄采用兩點夾持的一體型構(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)簡單對稱、夾緊力大?？梢姡簤旱侗蜔崦浀侗m用于高速切削。

2.4 刀具的動平衡及安全性

高速切削設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速一般可達到15 000～24 000 r/min。刀具在高速旋轉(zhuǎn)時存在的殘余不平衡量會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系的離心力，這種動態(tài)負載會激起刀具和機床的振動，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)非對稱式刀具、刀柄以及連接件導(dǎo)致不平衡；3)刀具使用時產(chǎn)生偏移導(dǎo)致不平衡；4)非整體式刀具系統(tǒng)裝配時的累積誤差導(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)生的動態(tài)負載的影響，應(yīng)對主軸及刀具系統(tǒng)進行必要的動平衡調(diào)整。刀具動平衡分為機外平衡和機上平衡，機上動平衡利用機床主軸提供旋轉(zhuǎn)運動，其余與機外動平衡機相同?，F(xiàn)階段動平衡檢查主要以機外平衡為主。機外動平衡需通過專用機外動平衡機測量出不平衡的質(zhì)量和相位，再通過技術(shù)手段進行調(diào)整，使刀具系統(tǒng)達到平衡標準要求。動平衡調(diào)整過程通常須經(jīng)過多次反復(fù)，調(diào)整到最佳平衡量，以減小振動負載，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。本文從進、退刀加工和刀具軌跡2個方面進行分析。

1)進、退刀加工。在加工進刀時，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，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，應(yīng)盡量保持加工進給速度，當?shù)毒叽怪蓖顺鰰r可采用最大位移速度。

2)刀具軌跡。在高速切削時應(yīng)保證刀具軌跡盡可能簡化，減少轉(zhuǎn)折點和急速轉(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)場的加工環(huán)境選擇合適的切削速度。

進給量是影響加工效率的主要因素，在粗加工過程中，選用較高的進給量能夠獲得較大的材料去除率。進給量與刀具的直徑相關(guān)，每齒進給量隨直徑增大而增加。粗加工時每齒進給量推薦0.1～0.3 mm；精加工時每齒進給量推薦0.04～0.1 mm。

軸向切深和徑向切寬在粗加工時根據(jù)刀具直徑和機床的剛度所決定。一般在選用刀尖圓弧半徑較大的刀具時，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，一般壁厚≤4 mm。本次試加工葉輪為離心壓縮機中應(yīng)用的非直紋面葉輪(見圖2)，其共有14片葉片，直徑為60 mm，高度為18 mm。葉片厚度為1 mm，葉片間距最小為1 mm。葉輪材料為7A04。

圖2 某葉輪系列模型

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，葉片相對長，葉片間距最小處≤1.5 mm，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φ4和φ2 mm刀具進行粗加工；φ1.2 mm刀具進行半精加工留余量0.1 mm；φ1 mm刀具進行精加工。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)在讓開干涉的同時最大限度地提高了刀具強度，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。

表3 切削參數(shù)

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~輪進行插銑加工。插銑粗加工的優(yōu)點如下：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)，以達到讓開干涉，去除大余量的目的。

圖3 粗加工示意圖

精加工中，流道底部按照3個區(qū)域分別拾取加工面，使用曲面等參數(shù)線加工策略，選擇插補軸的多軸方式，以區(qū)域邊界多個驅(qū)動軸為刀軸方向，通過手動設(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個驅(qū)動軸為刀軸方向，通過手動設(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)。

圖4 精加工示意圖

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行分析，并結(jié)合航空殼體零件在實際加工中的應(yīng)用實例，進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。

[1] 陳明，安慶龍，劉志強.高速切削技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2012．

[2] Kahles J F, Field M, Harvey S M. High speed machining possibilities and needs[J]. CIRP Annals, 1978, 27(2):551-558.

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[8] 蹇悅，楊葉，郭國強.航天鋁合金薄壁零件高效加工策略[J].航空制造技術(shù)，2015(6):54-58.

責(zé)任編輯 鄭練

Research on the Influence of Cutting Tool in High Speed Cutting of Aviation House

SHI Xiaofei

(AVIC Qing’an Group Co., Ltd., Xi’an 710077, China)

The high speed machining, as a kind of high efficiency machining method, has been widely used in the aviation field. There are many factors affect the high-speed cutting. As an important part of high speed cutting, the cutting tool has the important influence on high speed machining. From the structure, material and geometric parameters of the tool, the clamping system and the machining process of the cutter directly affect the efficiency of the high speed machining. By the analysis of the factors related to tool parameters and cutting tool, combined with aero shell parts application examples in actual processing, further understand the influence of tools in high speed cutting, so as to enhance the quick cutting effect in the practical application, and reduce the processing cost of the enterprise.

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V 19

A

石曉飛(1984-)，男，工程師，主要從事數(shù)字化制造等方面的研究。

2016-08-16