（西安外事學院，陜西西安 710077）

鈦合金以其強度較高、機械性能良好、抗腐蝕性強等優(yōu)勢特性，是航空構(gòu)件生產(chǎn)制造選用主要材料，同時也是難加工材料。隨著高性能涂層材料與刀具衍生，航空鈦合金加工技術(shù)也得以優(yōu)化提高。然而，在鈦合金材料性能提升與結(jié)構(gòu)日益復雜的趨勢下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工面臨著加工效率、刀具使用壽命、表層質(zhì)量等各式各樣的問題。與此同時，碳纖維增強復合材料在航空領(lǐng)域中的應用愈發(fā)廣泛[1]。為切實避免航空構(gòu)件銑削與鉆削加工缺陷，本文面向碳纖維增強復合材料與鈦合金材料相互膠合，基于加工特性，有效解決了切削加工共性問題，克服了粘刀、層間剝離、刀具壽命等技術(shù)難題，以刀具結(jié)構(gòu)與涂層材料優(yōu)化，實現(xiàn)了構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計，滿足了批量生產(chǎn)需求。

1 加工機理

1.1 銑削

碳纖維增強復合材料切削加工機理不同于金屬材料，在切削材料去除時，碳纖維符合增強復合材料并不會出現(xiàn)金屬材料切削的塑性變形與剪切流動材料變形，材料去除一般是在擠壓、剪切與拉伸作用下，出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象，這是由碳纖維材料屬性所導致，碳纖維在出現(xiàn)小程度變形時，便會發(fā)生脆性斷裂。而碳纖維增強復合材料銑削時，纖維方向明確為刀具進給速度方向，沿逆時針與纖維方向構(gòu)成的夾角，纖維切削角明確為刃口切削速度方向沿著逆時針與纖維方向構(gòu)成的夾角，而切削角則主要是由纖維方向角與刀具旋轉(zhuǎn)角共同作用所決定。

在不同纖維方向上，碳纖維增強復合材料加工機理存在顯著差異，因為纖維切削角存在，材料表面加工效率與質(zhì)量具備一定方向性，表層形貌與輪廓會在纖維切削角影響下，出現(xiàn)相關(guān)變化。沿著纖維方向切削加工，碳纖維增強復合材料表層加工質(zhì)量良好，表層輪廓光滑平整。而纖維相反方向切削加工，碳纖維增強復合材料表層質(zhì)量較差，存在周期波動性表層輪廓，且沿著纖維向朝著構(gòu)件基體內(nèi)擴展裂縫[2]。

1.2 鉆削

在構(gòu)件螺栓或者鉚接裝配之前，需進行鉆孔。在碳纖維增強復合材料鉆孔時，經(jīng)常出現(xiàn)材料層離、刀具磨損、孔內(nèi)表層加工質(zhì)量等相關(guān)問題。其中切削參數(shù)、鉆頭形狀、切削力等與分層現(xiàn)象、表層質(zhì)量息息相關(guān)。有學者通過研究明確了分層因子，即損傷區(qū)域最大直徑與孔直徑比率，以此進行分層現(xiàn)象分析，其中因子越大，代表分層現(xiàn)象更加嚴重；同時，基于試驗得知，切削力與分層因素之間密切相關(guān)，可通過切削力代表分層程序。就相同鉆孔材料，切削速度對于切削力的影響并不顯著，因此適度降低出口進給速度，可促使分層因子縮小[3]。

2 航空構(gòu)件

航空構(gòu)件選擇碳纖維增強復合材料與鈦合金相膠合構(gòu)成的材料，即1300mm×440mm×567mm，由于成型工藝限制，首次成型尺寸超出了設(shè)計尺寸。在構(gòu)件底部、后部、頂部等層面需要進行數(shù)控加工，其中后部還需與R2mm 圓角相對接，從而滿足設(shè)計需求。構(gòu)件還需在指定位置取樣，以確保符合拉伸、壓彎、疲勞、孔隙率等不同試件多元化需求[4]。

3 復合加工優(yōu)化

3.1 涂層材料

通過鈦合金加工中極易出現(xiàn)的粘刀問題，刀具操作選擇鋁、鉻、氮類涂層，涂層膜表層經(jīng)過平滑處理分析，可有效減小切削阻力。通過測試分析，常規(guī)刀具的切削阻力控制在750N～1100N，而經(jīng)過復合加工處理后，刀具切削阻力控制于620N～770N 之間，整體上下降了大約40%[5]。

3.2 刀具結(jié)構(gòu)

就碳纖維增強復合材料加工而言，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計原則即，降低甚至抵消軸向切削力。就銑削加工來講，刀具包含小螺旋角銑刀、直槽銑刀、Burr 銑刀等。針對小螺旋角銑刀，螺旋角較小可促使軸向切削力減少；直槽銑刀銑削不會生成軸向力，所以可在一定程度上減少表面分層；Burr 銑刀齒形相互交錯，可有效分散軸向力，減小加工缺陷，提升表層加工效率與質(zhì)量。

不同于常規(guī)材料數(shù)控加工刀具，復合材料加工刀具結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化改進，即基于復合材料加工特征，制定了不等角螺旋升角與非對稱分屑槽。其中不等角螺旋升角結(jié)構(gòu)，可避免高頻率振動，特別是大切削量的功效更突出。通過切削試驗件證明，不等角螺旋升角加工穩(wěn)定性相對更高。

基于航空部件外觀特征，加工時不論如何與工裝面相貼合，由于需要加工周圍輪廓工序，根本不能避免大懸臂特性。就大懸伸量加工環(huán)境為載體，選擇非對稱分屑槽設(shè)計，構(gòu)建位置相互交錯的良好形態(tài)[6]，具體如圖1所示，可有效分散分屑槽頂點負載，從而顯著提升耐破損性，還能保障刀具使用壽命。

圖1 非對稱分屑槽設(shè)計的位置相互交錯形態(tài)Fig.1 The position of the asymmetric chip-dividing groove design is staggered with each other

4 大扭角構(gòu)件加工

根據(jù)航空部件構(gòu)件特性，針對前后大扭角演變形態(tài)，造成空間狀態(tài)急劇改變，重心不穩(wěn)，自由形勢下，快速下滑，裝夾難度較大，所以需據(jù)此制定科學有效的裝夾方案，以滿足裝夾力超出切削力的相關(guān)標準。航空構(gòu)件為全形加工范圍，需在加工時逐步移動壓板，為避免多次移動，需優(yōu)化設(shè)計輔助工裝壓緊模式。此外，在進行試驗時，還需充分考慮批量生產(chǎn)需求。

4.1 制備工裝

所謂工裝制備主要包括設(shè)計、制作、下料、粘料、固化、加工、清根、檢測等多個環(huán)節(jié)。通過數(shù)控加工工藝設(shè)計模型，依據(jù)六點定位原理進行定位模式合理規(guī)劃[7]，具體如圖2 所示。著重注意工裝壓緊模式，即小壓板均布結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，壓點位置、壓緊力、壓彎角度計算等等。

圖2 扭角部件工裝Fig.2 Twisted corner parts tooling

制備輔助壓板主要包括具體位置如何選擇、三維設(shè)計、加工、機加等等。通過輔助壓板全形加工，選擇小壓板均布模式，結(jié)構(gòu)簡潔，壓緊可靠性與穩(wěn)定性較高，且具備柔性，角度可實時轉(zhuǎn)變，為構(gòu)件改形加工保留壓緊的具體位置。通過輔助壓板加工底部，需要將底部面積覆蓋超出1/3。此時要求加工精確度最高，所以選擇此方案，可提供最穩(wěn)定壓點，且能滿足粗加工切削標準。

4.2 建標

根據(jù)航空構(gòu)件理論數(shù)據(jù)點合理規(guī)劃制作工裝主型面，使用工裝建標時，將構(gòu)件貼模面覆蓋于主型面區(qū)域，依據(jù)基礎(chǔ)理論科學設(shè)計位置壓緊，實時監(jiān)測構(gòu)件三向數(shù)據(jù)變化形勢。選擇R&R 計算方式，發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律，尤其是需明確懸空點，以此為參考改進工裝。同時根據(jù)剛性建標理論原理，促使壓緊位置演變?yōu)橛颤c，一共包含九個位置。在建標時，應全程觀察所有坐標點的變化，其直接影響著航空構(gòu)件加工的精確度[8]。

4.3 加工

4.3.1 底部

粗加工需保證有效性與及時性，為了避免鈦合金材料出現(xiàn)過切現(xiàn)象，可先行測試鈦合金材料包邊具體位置，設(shè)置底部粗加工余量，選用三軸型腔銑模式將底部材料去除清理，余量即3mm。選擇五軸型腔銑模式將底部兩側(cè)材料去除清理，設(shè)置相同余量。同時，底部精加工過程中，需測試鈦合金材料詳細位置，并合理設(shè)置余量，同時選擇五軸腔銑進行全形清掃，余量即0.05mm。

4.3.2 后部

粗加工過程中，選擇五軸輪廓銑進行材料去除清理，余量即1mm。精加工過程中，選用五軸輪廓銑進行全形去除清理，余量即0.05mm。加工時還需要與R 角順接，其加工成功的關(guān)鍵在于構(gòu)件工件坐標系設(shè)置的精確性。加工時，需要全過程實時關(guān)注壓板具體位置，以保障其與數(shù)控程序位置相同，還需要切實注重加工時的振動現(xiàn)象，并密切關(guān)注壓緊裝置的科學有效性。

4.3.3 頂部

粗加工過程中，需要對鈦合金材料詳細位置進行測試，并合理設(shè)置余量，選擇五軸輪廓銑進行材料去除清理，余量即3mm。精加工過程中，依舊需要對鈦合金材料詳細位置進行測試，并合理設(shè)置余量，以五軸輪廓銑進行材料去除清理，余量即0.05mm[9]。

4.4 取樣

航空構(gòu)件基于掃描、建標、工裝、夾持取樣，關(guān)鍵在于取樣最后一刀控制與后續(xù)加工。所謂最后一刀即有效保障取樣精確度與安全性，實際上是對壓緊方向進行有效控制。設(shè)定最后一刀明確于左側(cè)，就需要在左側(cè)高度向保留余量，把其他部位進行全方位加工。而構(gòu)件右側(cè)則搭接壓板，然后進行左側(cè)剩余部分加工即可。其中需注重的是在更換壓板時，不可全部松懈，需交替性更換，且實時檢查更換之后的整體變化狀況，在全部明確后開始動刀操作[10]。

5 結(jié)論

綜上所述，選擇鈦合金包覆碳纖維或者與碳纖維相互鑲嵌的混合材料構(gòu)件，以涂層材料與刀具齒形結(jié)構(gòu)改變，進行大扭角裝夾與工裝夾具優(yōu)化設(shè)計，且充分考慮了批量生產(chǎn)需求。同時，以三坐標方式全尺寸測量構(gòu)件，結(jié)果表明檢測數(shù)據(jù)信息與規(guī)定技術(shù)要求明確相符。