（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司數(shù)控加工技術(shù)研究實驗室，成都 610092）

航空鈦合金結(jié)構(gòu)件在向整體化、大型化轉(zhuǎn)變，作為主要承力部件，不但要滿足與其他零件的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系，還要保證自身的結(jié)構(gòu)尺寸精度、零件質(zhì)量等方面的要求。在零件尺寸變大的同時，零件加工的尺寸精度反而提高，緣條厚度、腹板厚度更薄，轉(zhuǎn)角半徑、底角半徑更小，槽腔深度、緣條高度更大，造成零件制造精度和制造難度大為提高。腹板、緣條、轉(zhuǎn)角等結(jié)構(gòu)特征的增多顯著增加了鈦合金結(jié)構(gòu)件精加工時間，如圖1所示。大型整體結(jié)構(gòu)件和焊接組件中零件的尺寸對比如表1中所示。

通過表1中數(shù)據(jù)對比可以看到，單個零件的表面積擴(kuò)大了6.98倍；毛坯價值增加了10.4倍，生產(chǎn)周期顯著增加，依靠現(xiàn)有技術(shù)水平無法滿足客戶需求，因此，突破超大型鈦合金整體結(jié)構(gòu)件加工效率，實現(xiàn)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的高速高效加工是亟需解決的問題。

目前國內(nèi)外主要航空制造企業(yè)，包括波音、空客等，在鈦合金零件加工中成熟應(yīng)用的切削速度在80～120m/min，切削速度受到目前加工技術(shù)水平的極大限制。無論是針對精加工采用的傳統(tǒng)整體硬質(zhì)合金刀具與可轉(zhuǎn)位刀具，還是面向半精加工的焊接銑刀與大進(jìn)給銑刀，如果實現(xiàn)切削速度的進(jìn)一步突破，將大大提高鈦合金材料的加工效率。

圖1 精加工特征占比時間Fig.1 Machining time proportion of finishing features

雖然國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金高速切削加工進(jìn)行了大量研究，取得了多方面成果，集中在鈦合金加工中的切屑形成、刀具磨損機(jī)理、刀具壽命、切削溫度、切削穩(wěn)定性、加工表面質(zhì)量完整性等方面，但是研究方式以理論分析、仿真分析和試驗研究為主，缺乏研究成果向工程應(yīng)用領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化。如何將鈦合金高速切削的理論研究成果應(yīng)用到航空鈦合金結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)實踐中，具有十分重要的意義。目前，鈦合金高速切削（＞120m/min）的工程應(yīng)用缺乏基礎(chǔ)技術(shù)研究。首先，關(guān)于鈦合金高速切削有效冷卻方式、工程條件下切削速度及冷卻方式對刀具壽命的影響規(guī)律等研究較少；其次，現(xiàn)有仿真技術(shù)及優(yōu)化技術(shù)無法解決程序中存在的大量切削力不均勻點(diǎn)的問題（見圖2），給刀具壽命控制帶來不利影響，嚴(yán)重制約了切削速度的進(jìn)一步提升。

為了提高鈦合金結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)效率，本文基于生產(chǎn)實踐，以鈦合金切削冷卻方式、切削力均衡優(yōu)化以及刀具軌跡質(zhì)量穩(wěn)定性控制作為突破口，進(jìn)行詳細(xì)闡述分析，并將研究成果在鈦合金結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程中加以應(yīng)用，為鈦合金高速高效加工的工程應(yīng)用積累經(jīng)驗，提供參考。

表1 航空鈦合金結(jié)構(gòu)件零件對比

鈦合金高速高效加工冷卻方式研究

鈦合金是典型的難加工材料，其導(dǎo)熱系數(shù)小，切削產(chǎn)生的熱量不易散出，集中在刀屑接觸區(qū)，導(dǎo)致很高的切削溫度；鈦合金切屑與前刀面接觸面積小，單位面積上切削力大；鈦合金彈性模量小，已加工表面和后刀面摩擦嚴(yán)重。如果采用干切削的方式，高切削溫度和大切削力會加劇刀具磨損，因此實施干切削對刀具技術(shù)提出了極高的要求。而在傳統(tǒng)加工中，最常用的方式是澆注式冷卻，即向切削區(qū)域噴射大量切削液，以達(dá)到冷卻潤滑效果。但是切削液的使用、排放和處理會消耗大量的能量和資源，并且對車間工作人員身體健康有一定危害，不符合綠色制造理念；并且大量噴射切削液的方式在高速切削條件下冷卻潤滑效果不明顯，因為在刀具高速旋轉(zhuǎn)時，切削液難以到達(dá)刀-屑接觸區(qū)和刀-工接觸區(qū)。為了實現(xiàn)高速高效加工，很多先進(jìn)的冷卻技術(shù)得以研究應(yīng)用。

1 已有冷卻技術(shù)

（1）低溫冷風(fēng)射流技術(shù)。該技術(shù)是將壓縮空氣冷卻，然后以射流沖擊的形式?jīng)_刷加工區(qū)的冷卻方式。Rahman[1]和Kaminski等[2]對低溫冷風(fēng)技術(shù)進(jìn)行了全面的試驗研究，結(jié)果表明，它可以顯著降低加工區(qū)、刀具和工件溫度，有效抑制刀具磨損。甘建水[3]在干切削、切削液和冷風(fēng)條件下對鈦合金、45鋼等材料進(jìn)行了切削試驗，結(jié)果表明，在冷風(fēng)條件下刀具磨損量最小。但是，低溫冷風(fēng)射流技術(shù)沒有潤滑作用，需要配合潤滑性能好的刀具使用。

（2）氮?dú)饫鋮s技術(shù)。該技術(shù)使用氮?dú)庠谇邢骷庸^(qū)域形成低溫或者超低溫的綠色冷卻方式。因為液氮沸點(diǎn)低，當(dāng)液氮到達(dá)加工區(qū)域時會吸熱蒸發(fā)，降低切削溫度，有利于減少刀具磨損，并且氮?dú)饪梢园l(fā)揮一定的氣體保護(hù)作用，減弱刀具和工件的氧化反應(yīng)，提高刀具使用壽命。孟春等[4]利用氮?dú)饫鋮s方法進(jìn)行了鈦合金TC4車削試驗，測量刀具磨損、切削力和表面粗糙度，結(jié)果表明，與干切削試驗相比，低溫液氮條件有助于改善表面質(zhì)量并減少刀具磨損。

（3）MQL技術(shù)。MQL即微量潤滑技術(shù)，是將極微量的潤滑油與具有一定壓力的壓縮空氣混合，經(jīng)過霧化后噴射至切削加工區(qū)域。MQL既可以對刀具與工件接觸界面進(jìn)行有效潤滑，減少摩擦和防止切屑粘結(jié)，又可以冷卻加工區(qū)域，從而改善切削加工條件?；诘蜏貙W(xué)和MQL發(fā)展起來的低溫MQL技術(shù)可以達(dá)到更好的潤滑效果。南京航空航天大學(xué)何寧等[5-7]基于微量潤滑機(jī)理研究，研發(fā)了新型低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置，與MQL結(jié)合使用，得到了推廣應(yīng)用。蘇宇等[8]設(shè)計了低溫MQL冷卻潤滑裝置，并進(jìn)行了銑削鈦合金試驗，結(jié)果表明低溫MQL可以減少切削力，改善刀具與工件摩擦狀態(tài)。

（4）內(nèi)冷刀具技術(shù)。該技術(shù)可以不考慮刀具所在位置、加工條件，使切削液通過內(nèi)冷主軸和刀柄直接到達(dá)切削區(qū)域，發(fā)揮冷卻潤滑作用[9]。雖然關(guān)于內(nèi)冷刀具和刀柄已經(jīng)有一定研究，但該技術(shù)尚未得到廣泛應(yīng)用，存在的主要問題是內(nèi)冷刀具和MQL結(jié)合使用的潤滑冷卻機(jī)理缺乏深入研究。

圖2 切削力曲線Fig.2 Curve of cutting force

2 不同冷卻方法試驗研究

有關(guān)鈦合金高速高效加工冷卻方式的研究以試驗研究為主，而對各種先進(jìn)冷卻方式在具有復(fù)雜工況特征的鈦合金結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用可靠性尚缺乏了解。將切削液、MQL和氮?dú)饫鋮s分別應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場，并跟蹤記錄刀具壽命情況進(jìn)行分析，試驗設(shè)備和冷卻方式如表2所示，切削參數(shù)如表3所示。

首先，測量了不同冷卻介質(zhì)條件、不同切削速度條件下的切削力，計算最大切削力平均值（見圖3）。

分析圖3（a）中切削力變化趨勢可知，除氮?dú)饫鋮s外，其他冷卻介質(zhì)下3方向切削力呈現(xiàn)徑向切削力Fx大于進(jìn)給切削力Fy大于軸向切削力Fz；而氮?dú)鈼l件下，進(jìn)給方向切削力Fy大于其他兩方向力，與其他介質(zhì)相比，其徑向切削力Fx最小，而進(jìn)給向Fy及軸向Fz均顯著大于其他冷卻介質(zhì)。對比切削液及MQL發(fā)現(xiàn)，在較低的切削速度下，切削液良好的熱擴(kuò)散性對切削溫度及切削力的控制具有較明顯的效果。

圖3（b）中顯示的切削力趨勢與圖3（a）相一致，說明切削速度由80m/min提高至120m/min，各種冷卻介質(zhì)對切削區(qū)域的熱擴(kuò)散及潤滑作用機(jī)理沒發(fā)生改變，故在120m/min切削速度下，水基切削液同樣為較適合的冷卻介質(zhì)。

圖3（c）顯示的160m/min切削速度下各冷卻介質(zhì)對切削力影響區(qū)域與圖 3（a）、（b）基本一致，但切削液條件下進(jìn)給方向切削力Fy超過了MQL條件下的進(jìn)給切削力Fy，此微小變化說明，切削液的冷卻潤滑作用相比較MQL在下降。綜合考慮，切削液的冷卻效果仍然較其他介質(zhì)突出。

圖3（d）中所示，當(dāng)速度達(dá)到200m/min時，MQL冷卻下的徑向切削力Fx急劇增加，甚至超過干切削徑向力，在此速度下MQL的冷卻潤滑作用迅速失效，無法將切削區(qū)域的熱量及時傳遞出來，造成切削區(qū)域環(huán)境惡化，刀具切削能力降低，切削阻力增大。切削液良好的空氣隔絕作用和冷卻作用，使其對刀具切削能力的保持作用最為明顯。

綜合以上分析，在不同切削速度下，切削液對切削過程的影響是最穩(wěn)定的，切削液的冷卻潤滑作用隨速度提高略有下降，但仍可以發(fā)揮明顯作用。液氮冷卻可以有效減少切削分力Fx，其作用受切削速度影響較小。MQL在80～120m/min時的冷卻潤滑效果與切削液相當(dāng)，但在200m/min時出現(xiàn)失效現(xiàn)象，如何在高速下發(fā)揮MQL作用存在一定困難。為了更直觀地表示各種冷卻方式對刀具使用壽命的影響，對不同切削速度、不同冷卻方式下的立銑刀刀具壽命進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計，如圖4所示。

表2 試驗設(shè)備和冷卻方式

表3 切削參數(shù)

圖3 不同切削速度下冷卻介質(zhì)對切削力影響Fg.3 Influence of different cooling media on cutting force at different cutting speeds

由圖4可知，干切削不利于刀具壽命的控制，在此條件下的刀具壽命均明顯低于其他冷卻條件。切削速度在80m/min時，切削液、MQL和氮?dú)鈼l件下的刀具壽命比較接近，壽命均超過130min；當(dāng)切削速度提高到120m/min時，切削液、MQL和氮?dú)鈼l件下的刀具壽命均有所下降，切削液條件下壽命下降較少；當(dāng)切削速度提高到160～200m/min時，切削液條件下的刀具壽命明顯優(yōu)于MQL和氮?dú)鈼l件下的刀具壽命，且使用切削液冷卻，可以使刀具在此速度范圍內(nèi)保持40min以上的刀具壽命。

以刀具壽命作為評價標(biāo)準(zhǔn)，在切削速度小于120m/min的情況下，MQL和氮?dú)饫鋮s可以得到接近甚至高于切削液冷卻的刀具壽命，可以在生產(chǎn)時間中推廣使用。當(dāng)切削速度大于120m/min時，MQL和氮?dú)饫鋮s的作用明顯下降，說明在高速切削應(yīng)用過程中，MQL和氮?dú)鈼l件要發(fā)揮冷卻潤滑作用面臨一定的困難，相應(yīng)的冷卻潤滑機(jī)理和裝置需要進(jìn)一步研究開發(fā)。

圖4 不同冷卻條件下切削速度對刀具壽命影響Fig.4 Influence of cutting speed on tool life under different cooling conditions

切削力均衡優(yōu)化技術(shù)

切削力是切削加工中的一個非常重要的物理現(xiàn)象，對切削過程有著重要影響，切削力的大小將直接影響切削功率、切削熱和加工變形。對切削力的研究常用的方法有試驗研究和理論分析及預(yù)測研究。

1 已有技術(shù)介紹

（1）試驗研究。Narutaki等[10]對車削和銑削鈦合金Ti-6Al-4V的切削力進(jìn)行了全面的試驗研究，在切削速度20～200m/min范圍內(nèi)，車削Ti-6Al-4V 的切削力幾乎不隨速度升高而變化，其大小約為同樣條件下車削45鋼的70%，切削力并不是導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重的主要因素。滿忠雷等[11]對鈦合金TC4在干切削、空氣油霧和氮?dú)庥挽F介質(zhì)下高速銑削時銑削用量（徑向切深、軸向切深、每齒進(jìn)給量和銑削速度）對銑削各分力和銑削合力的影響進(jìn)行了研究，試驗表明，切削速度在200～300m/min的范圍內(nèi)，切削力隨切削速度的增加而單調(diào)上升。

（2）切削力預(yù)測研究。通過切削力的精確預(yù)測，有助于優(yōu)化加工工藝參數(shù)、控制加工變形，同時還能夠為夾具設(shè)計以及刀具磨損實時監(jiān)測等提供重要參考。百余年來，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都試圖深入探究切削力的本質(zhì)，以期能對其進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，在切削過程中減少或避免因切削力造成的負(fù)面影響。目前，常用的切削力模型主要包括基于試驗的經(jīng)驗公式模型、基于單位切削系數(shù)的力學(xué)模型、基于切削機(jī)理的物理模型以及基于人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。

關(guān)于基于單位切削力系數(shù)的力學(xué)模型，如何精確確定單位切削力系數(shù)是影響切削力模型預(yù)測精度的關(guān)鍵因素，有關(guān)研究中將切削力系數(shù)表達(dá)為常數(shù)[12-14]、平均切屑厚度的指數(shù)函數(shù)[15-17]、瞬時銑削層厚度的指數(shù)函數(shù)[18-20]、切削參數(shù)的多項式函數(shù)等形式，然后使用線性回歸和最小二乘法擬合試驗數(shù)據(jù)得到切削系數(shù)。

Armarego[21]、 Budak[22]、 Li[23]、Song[24]、 Han[25]等沿刀具軸線方向?qū)⑶邢魅械乳g隔離散成有限個微小的切削刃，每個微元切削刃的切削過程等效為一個簡單的斜角切削過程，進(jìn)而基于Oxley[26]切削模型從斜角切削機(jī)理的角度構(gòu)建物理模型預(yù)測切削力。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以有效處理大量工藝參數(shù)之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，是一種新的切削力建模方法和途徑。Szecsi等[27]利用前反饋三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于誤差反向傳播訓(xùn)練法建立切削力預(yù)測模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是由權(quán)重矩陣網(wǎng)絡(luò)表示的隱式模型，需要大量的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，建模成本比較高，建模理論也有待進(jìn)一步完善。

此外，有限元模擬方法在金屬切削領(lǐng)域得到很大發(fā)展，通過仿真分析與試驗研究結(jié)合可以更準(zhǔn)確直觀地研究切削過程的本質(zhì)。青島理工大學(xué)楊勇等[28]提出了主、副切削刃同時進(jìn)行切削的螺旋齒雙刃切削有限元模型，在一定切削速度條件下對鈦合金 Ti6Al4V進(jìn)行了銑削加工切削力的三維數(shù)值模擬研究，總結(jié)了一個周期內(nèi)切削力的變化規(guī)律。山東大學(xué)陳建嶺等[29]建立了鈦合金銑削加工中考慮刃口犁耕效應(yīng)的三維銑削力學(xué)模型，建立了適合高速銑削范圍的銑削力系數(shù)經(jīng)驗預(yù)測模型。

鈦合金切削力的研究為鈦合金高速高效加工提供了理論指導(dǎo)，但是由于鈦合金結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜性，在生產(chǎn)過程中，切削力特征與理論模型和試驗數(shù)據(jù)相比具有更大的波動性。一般來說，零件的內(nèi)外形程序中存在大量的切削力不均勻點(diǎn)，尤其是轉(zhuǎn)角部位，這些不均勻點(diǎn)會導(dǎo)致加工過程中切削力發(fā)生突變，當(dāng)這種突變發(fā)生在高速加工過程中時，切削力突變會造成刀具的非正常破損概率，進(jìn)而影響加工過程穩(wěn)定性，存在一定的質(zhì)量風(fēng)險。

2 切削力均衡試驗研究

為了進(jìn)一步穩(wěn)定鈦合金零件加工質(zhì)量，同時提高加工效率，需要對所加工零件特征部位的切削力進(jìn)行預(yù)判及控制，尤其是加工轉(zhuǎn)角處的切削力，在通過預(yù)測切削力的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)加工過程中切削力的均衡穩(wěn)定。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，本文首先通過切削力建模實現(xiàn)對不同參數(shù)下切削力的預(yù)測，然后對所加工的一般或轉(zhuǎn)角處的幾何特征進(jìn)行分析，提出切削力預(yù)測方法，通過控制加工刀具的每齒進(jìn)給量實現(xiàn)對切削力的控制，從而保證整個加工程序中切削力的均衡優(yōu)化，如圖5所示。

對一典型鈦合金結(jié)構(gòu)件型腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工編程，并對加工過程中的切削力進(jìn)行仿真和優(yōu)化，工藝參數(shù)參照表4。優(yōu)化前及優(yōu)化后切削力仿真示意圖如圖6所示。

從圖6所示優(yōu)化前后對比情況可以看出，優(yōu)化前切削力大小不均勻且切削力變化幅度較大，優(yōu)化后切削力得以均衡，增強(qiáng)了切削加工過程的穩(wěn)定性。

面向鈦合金結(jié)構(gòu)件高速高效加工的快速程編技術(shù)

鈦合金高速高效加工的影響因素眾多，包括工件裝夾方式、刀具材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)、機(jī)床性能等，如圖7所示?；阝伜辖鸺庸ぜ夹g(shù)研究，許多鈦合金切削數(shù)據(jù)庫得以建立和完善，但是，由于航空結(jié)構(gòu)零件加工特征較多，包含大量自由曲面、相交特征和特殊加工區(qū)域，如理論外形曲面、槽腔、高低筋、轉(zhuǎn)角等。如何將鈦合金切削最優(yōu)工藝應(yīng)用于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件加工過程存在較大難度。面向鈦合金加工的快速程編技術(shù)是將鈦合金高速高效加工研究成果轉(zhuǎn)向工程生產(chǎn)質(zhì)量和效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

一般數(shù)控程編主要通過程編員在CAD/CAM軟件上對特征進(jìn)行選取后再采用不同的加工策略進(jìn)行加工程序編制，重復(fù)性工作多，程編嚴(yán)重依賴個人水平和經(jīng)驗，編程質(zhì)量因人而異，穩(wěn)定性難以保證。為了解決人工編程差異性大的問題，通過建立針對不同特征的程編規(guī)范，并將規(guī)范進(jìn)行軟件工具化，構(gòu)建快速程編系統(tǒng)使鈦合金高速高效加工中走刀軌跡的統(tǒng)一性得到有效改善，從而保證加工過程的穩(wěn)定性是可預(yù)測的。

為了驗證對快速程編系統(tǒng)的有效性，以轉(zhuǎn)角加工為例，分別使用快速程編系統(tǒng)和一般水平程編員依據(jù)規(guī)范在CAM軟件中編制的程序進(jìn)行切削加工。其中快速程編系統(tǒng)集成了針對轉(zhuǎn)角特征的程編規(guī)范，進(jìn)行了刀具軌跡優(yōu)化。個人編制和快速編程編制的程序及加工效果對比如表5所示。

表4 某鈦合金型腔結(jié)構(gòu)加工參數(shù)

表5 個人編制和快速程編編制的程序及加工效果對比

圖5 切削力均衡化流程圖Fig.5 Flowchart of cutting force equalization

圖6 切削力均勻優(yōu)化效果Fig.6 Optimal results of cutting force equalization

圖7 工藝信息、程序編制與生產(chǎn)質(zhì)量和效率的關(guān)系Fig.7 Relationship of process information,programming, production quality and efficiency

在切削過程中采集切削力和振動信號，對程序進(jìn)行評價。不同程序加工的切削力曲線如圖8所示，通過快速程編的實現(xiàn)，X、Y、Z3個方向的切削力分別降低了160N、200N、130N。切削振動曲線如圖9所示，X、Y、Z3個方向的切削振動分別降低了 0.28g、0.02g、0.1g。由圖 8和圖9可知，快速程編系統(tǒng)使切削力均勻化，且抑制了振動，與人工編程相比具有更高的可靠性。

對工件表面粗糙度和刀具磨損量進(jìn)行測量，如表5所示?？焖俪叹幖庸ず蠊ぜ谋砻娲植诙葹?.09μm，小于個人程編加工后的1.24μm?？焖俪叹幖庸ず蟮毒吣p量為0.17mm，小于個人程編加工后的0.26mm。

圖8 不同程序加工的切削力對比Fig.8 Cutting force comparison of different machining programs

圖9 不同程序加工的切削振動對比Fig.9 Cutting vibration comparison of different machining programs

結(jié)論

（1）在鈦合金切削常規(guī)速度范圍內(nèi)，MQL和氮?dú)饫鋮s可以得到接近甚至高于切削液冷卻的刀具壽命，可以在生產(chǎn)時間中推廣使用。MQL和氮?dú)饫鋮s在高速范圍（＞120m/min）的冷卻軟化作用減弱，要實現(xiàn)在鈦合金高速高效加工中的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步研究相應(yīng)的冷卻潤滑機(jī)理和開發(fā)相關(guān)裝置。

（2）針對航空鈦合金結(jié)構(gòu)件復(fù)雜性導(dǎo)致的大量切削力不均勻點(diǎn)，使用切削力均衡優(yōu)化技術(shù)，增強(qiáng)切削過程穩(wěn)定性，為實現(xiàn)鈦合金高速高效加工奠定基礎(chǔ)。

（3）針對人工編程質(zhì)量差異的問題，建立針對不同特征的程編規(guī)范，并將規(guī)范進(jìn)行軟件工具化，開發(fā)了面向鈦合金結(jié)構(gòu)件高速高效加工的快速程編系統(tǒng)，提高了結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)質(zhì)量和加工效率。

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