航空航天領域典型零部件的高效加工

■哈爾濱理工大學 (黑龍江 150000) 蔡春彬 岳彩旭 劉獻禮

目前，航空航天行業發展迅速，對材料性能要求越來越高，進而使得諸如鈦合金、高溫合金及復合材料等難加工材料應用越來越廣泛，如：鈦合金主要應用在整體葉盤、發動機框架、風扇機匣、葉輪及起落架等零部件；高溫合金主要應用在軸、盤軸、渦輪盤、燃燒套管、ISO S孔等方面；復合材料主要應用在中央翼盒、垂直尾翼及機翼等方面。

這些都屬于典型難加工結構件，具有以下典型特征：①內部結構復雜，如深內凹腔，其刀具異形，懸伸長，加工時易引起振動，排屑困難，在編制加工程序時需要充分考慮刀具與工件之間的安全間隙，還有鴿尾形葉根槽及其他可達性很差的凹槽等。②薄壁結構，在選擇刀具時需要充分考慮切削力對工件變形程度的影響。③尺寸精度要求高。

航空航天各種零部件結構復雜，加工精度要求高，本來就難加工，再加上其材質多為高溫合金和鈦合金等典型難加工材料，使得加工難度更上一層，該類材料具備以下特征：①化學活性大，高溫時會形成很高的硬化層；親和性也大，易與摩擦表面發生粘附現象。②導熱性差，切削過程散熱差，致使刀具切削刃的溫度大幅上升，刀具磨損加快，壽命縮短。③彈性模量小，在切削力作用下，容易產生變形，同時已加工表面回彈，使刀具后刀面與已加工表面發生劇烈摩擦。

航空航天零部件結構的復雜性、加工要求的嚴格性以及材料的難加工性，對刀具企業提出了更高的產品及服務要求。國內外的一些刀具企業經過多年的發展，為該行業提供了許多高效的加工方案。

1.盤軸的加工

盤軸結構如圖1所示。盤軸的加工有兩項極具挑戰性的特性：深內腔和燕尾槽。

山特維克可樂滿提供的以下方案可安全可靠地完成這極具挑戰性的特征加工。

采用帶山特維克可樂滿Capto?接口的防振刀板。加工至150 mm深的內腔時，采用細長的刀具，但是刀具容易產生振動，而且需要從凹槽中去除加工時產生的切屑。帶山特維克可樂滿Capto?接口的防振刀板（見圖2）可以有效地解決振動問題。

采用該防振刀板進行加工具有以下顯著優點：①橢圓截面的齒紋接口提供了良好的穩定性和可達性。100 mm高的刀板能實現最佳的切削液供應，有助于排屑。②對于較長的刀板（4倍寬度），在設計時就會采用專利的防振裝置，與未加防振裝置時相比，其背吃刀量可高出4倍。③擺線車削技術與材質C C6060的陶瓷刀片相結合，減少了走刀次數。④實現可靠的工藝安全性，且生產效率提高1倍以上。

圖1 盤軸

圖2 帶山特維克可樂滿Capto? 接口的防振刀板

采用彎頭刀片加工葉根槽。彎頭刀片特別適合航空發動機零件車削。作為標準的CoroCut90°刀片產品系列的補充，山特維克可樂滿推出了90°、45°和T形半成品以滿足更多特殊的需求（見圖3）。

采用適合精加工的RCMX車削刀片，如圖4所示，該類刀片具有以下特點：①RCMX硬質合金刀片可裝在相應的陶瓷刀片所用的刀片凹窩上，這既減少了刀具的數量，又縮短了安裝時間。②RCMX的槽形產生的切削力較小，斷削性能優異。

2.渦輪盤加工

這種零件的材料（如Inconel 718、Waspalloy和Udimet 720等）通常都比較難加工，難加工特征通常為型腔的輪廓加工，而且還要避免各種各樣的干涉問題。株洲鉆石給出以下具體解決方案：

（1）刀桿實現復雜凹腔的加工（見圖5）。

（2）異形刀桿實現鴿尾槽的加工（見圖6）。

3.ISO S孔加工

關鍵航空發動機零件加工時，表面完整性至關重要。ISO S孔加工是最終工序之一，這使得可靠性和安全性對交付高質量的零件而言非常重要。山特維克可樂滿提供的以下孔加工解決方案，能很好地滿足ISO S孔加工方面的要求。

（1）鉆削要求苛刻的孔。孔的尺寸和位置對第二道工序影響很大，CoroDrill?R846（見圖7）獨特的微槽形可滿足這一要求。

（2）高質量鉸削。鉸削復雜而精巧的航空零件時，高公差要求、孔直線度和孔質量是必不可少的要素。CoroReamer?835（見圖8）具有專用的槽形，與眾不同的切削刃設計和最佳的切削液分布可確保頂級水準的孔加工，與CoroChuck?930刀柄組合使用可獲得最佳的結果。

（3）安全攻螺紋。Coro Tap?200 SD（見圖9）專為ISO S材料的通孔工序進行了優化，新的攻絲刀具可以提供平穩的切削作用，并能夠降低崩刃風險和改進表面質量。

（4）高可達性鏜削。鏜削ISO S材料的小直徑孔需要極高的加工安全性。采用新型CoroBore?824XS（見圖10）能夠在大懸伸下鏜削小孔并獲得小公差，由于能夠進行微米級直徑調整，因此表面粗糙度質量極佳。

4.起落架加工

圖3 90°、45°彎頭刀片

圖4 RCMX車削刀片

圖5 加工復雜凹腔

圖6 加工鴿尾槽

圖7 CoroDrill? R846

圖8 CoroReamer? 835

圖9 CoroTap? 200 SD

圖10 CoroBore? 824 XS

圖11 飛機起落架

以飛機起落架（見圖11）為例來說明加工刀具的改進對加工效率提高和加工成本降低的有效性。起落架零件材料為鈦合金，加工難度非常大，傳統刀具加工一件零件大概需要1個月左右，而且由于零件難加工，導致刀具磨損非常快，刀具一個切削刃壽命不到1 h，導致加工此類零件的刀具消耗非常大，刀具成本居高不下。在這種狀況下，急于尋求一種既能大幅度提高加工效率，又能降低加工成本或者不提高加工成本的刀具。

針對加工的現實需求，伊斯卡提出了大進給銑刀解決方案。FTP銑刀是伊斯卡公司在HTP插齒刀基礎上開發出來的一種新型刀具，可同時滿足插銑和大進給銑削兩種銑削方式的要求，而且切削輕快。針對航空難加工材料的加工，伊斯卡開發了E R槽形及更適合加工鈦合金等難加工材料的I C830硬質合金涂層牌號。

采用63 mm的FTP大進給銑刀，共6個有效齒，每個刀片4個切削刃。刀具可以實現平面銑和坡走銑，能在銑削余量不大于1.8 mm的情況下實現快速走刀，每齒進給量最大可達到1.5～2.0 mm。采用的刀具型號為：刀體FTP D063-6-27-R-LN10；刀片FTP LNHT 1006 ERIC830，如圖12所示。

FTP銑刀具有以下優點：

圖12 FTP大進給銑刀示意圖

（1）定位方式可靠。刀片正反面均帶切削刃，刀片進行了加厚處理，定位面被分成幾個小平面，位于刀片側面并與前刀面形成燕尾槽結構，使得刀片裝入刀體時更加牢固，增加了刀具剛性，可以承受更大的切削力，實現更大的進給，同時減小切削振動對刀具壽命的影響。

（2）刀片經濟性好。相比于傳統的帶2個切削刃的APKT刀片，FTP銑刀片每刀片帶4個大進給切削刃，更經濟；刀片及切削刃槽形的特殊設計，大幅提高了刀片定位強度及刀片自身強度；切削過程更平穩，切削力更小，刀具在實際切削過程中產生的切削熱更少，大幅提高了刀具切削刃的使用壽命，每切削刃的使用壽命可提高3倍左右，有效降低了刀具的成本。

5.垂直尾翼的加工

垂直尾翼結構如圖13所示，加工此類型結構零件的主要挑戰是孔加工、修邊等。

（1）CFRP的孔加工如圖14所示。工況以及應用需求：①高纖維含量的碳纖維增強復合材料-單向帶材料。②纖維碎裂現象最少。③高表面質量和尺寸精度。④數控加工中心。

圖13 垂直尾翼

圖14 CFRP的孔加工

加工解決方案：①CoroDrill?854 鉆尖，6.35 mm。②N20C金剛石涂層。

切削參數：①vc=150 m/min。②fn=0.06 mm/r。

特點：①孔質量良好，無纖維碎裂現象。②刀具壽命為800個孔。

（2）碳纖維的修邊加工如圖15所示。

圖15 碳纖維的修邊加工

工況以及應用需求：①碳纖維蒙皮。②纖維碎裂現象最少。③高表面質量：Ra=1.25m。

加工解決方案：①Coro Mill?Plura訂制加工解決方案。②方案1：采用金剛石涂層硬質合金刀具。③方案2：PCD焊接刀具。④刀具直徑為10 mm，帶2個切削刃。

切削參數：①轉速n=10000 r/min，工作臺進給速度vf=3200 mm/min。②粗加工：fz=0.03～0.08 mm/z。③精加工：fz=0.02～0.04 mm/z。

未來刀具的設計和使用應考慮刀具材料與工件材料的性能匹配，刀具材料要適應加工對象的需要，特別要適應難加工材料的加工需要，針對不同的工件材料和加工條件確定合理的刀具材料和結構形式。高速、高效及高精度切削加工要求刀具具有多種優異性能，高韌性高強度基體+高硬度高耐磨性刃部是未來刀具的主要發展方向。