西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡稱西飛）是中國大中型民用飛機(jī)的重要研制基地，不僅承擔(dān)著國內(nèi)大型飛機(jī)整機(jī)或部件的研制生產(chǎn)任務(wù)，還承攬了波音737-700飛機(jī)垂尾和空客A319飛機(jī)翼盒等國際合作轉(zhuǎn)包項(xiàng)目。西飛數(shù)控中心是西飛大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的專業(yè)生產(chǎn)廠，加工的主要產(chǎn)品有：機(jī)翼大梁、壁板、梁間肋、框、大型支撐接頭和對(duì)接接頭，產(chǎn)品材料多為2000系列和7000系列超硬鋁合金，也有少量的TC4、TC6鈦合金和30CrMnSiA、300M的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，毛坯類型主要是預(yù)拉伸板材和自由鍛件。

　　西飛數(shù)控中心加工的航空結(jié)構(gòu)件除具有槽腔多、壁厚薄、精度高，需要滿足飛機(jī)變斜角理論曲面等飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的通常特性以外，還具有零件輪廓尺寸大、槽腔深和基準(zhǔn)平面輪廓度要求嚴(yán)等特性。由于原材料通常去除率達(dá)到了90%～95%，最高的達(dá)到了97%，且槽腔深度多為80mm左右，最深的達(dá)到了200mm以上，切削刀具懸伸量大、剛性差，這些均極易導(dǎo)致出現(xiàn)零件切削周期長、表面質(zhì)量不好、加工變形量大、加工效率低等問題，這對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工藝技術(shù)和高效切削工裝工具提出了更高的要求。

　　飛機(jī)機(jī)翼大梁、壁板和梁間肋零件原材料為Cs狀態(tài)的超硬鋁合金，由于鋁合金強(qiáng)度（超硬鋁合金Cs狀態(tài)）σb為0.48MPa、布氏硬度為156HBS、延伸率δs為5%、熱導(dǎo)率1000℃為142W/（m·k），強(qiáng)度和硬度較低、塑性較小，對(duì)刀具磨損小，且由于熱導(dǎo)率比銅合金高一些，使切削溫度更低，加之超硬鋁合金由于生成脆性化合物CuAl2分布于固溶體晶粒界面上，使韌性和塑性降低，故具有良好的切削加工性能。所以鋁合金機(jī)翼大梁、壁板和梁間肋非常適合高速切削。

　　鋁合金大型支撐接頭和對(duì)接接頭毛坯為自由鍛件或模鍛件，原材料為退火狀態(tài)，主要加工工藝流程為粗加工、強(qiáng)化熱處理和精加工。由于鋁合金熔點(diǎn)較低，溫度升高后塑性增大，在高溫高壓作用下，切屑界面摩擦很大，容易粘刀形成積屑瘤，特別是退火狀態(tài)的鋁合金不易獲得好的表面質(zhì)量。加之這類接頭多為深槽腔、高耳片結(jié)構(gòu)，切削刀具懸伸量大、剛性差，極易產(chǎn)生顫動(dòng)，切削效率也很低。

　　由于鈦合金比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度與密度之比）高達(dá)23～29，且在300℃～500℃時(shí)仍能保持高比強(qiáng)度，對(duì)堿、酸等介質(zhì)有良好的抗蝕性能。目前，鈦合金材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中所占的比重越來越大，特殊關(guān)鍵部位的輪廓尺寸大于1000mm的大型承力框、大于400mm的大型對(duì)接接頭也越來越多地采用鈦合金材料。但由于鈦合金與氧、氮、氫、碳易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬度高或脆性大的表層，且導(dǎo)熱性差（45#鋼的1/5～1/7），造成切削加工鈦合金零件時(shí)，切削刃負(fù)載重、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重。

　　國內(nèi)航空制造業(yè)經(jīng)過多年的積累，特別是通過國家“九五”、“十五”和近年專項(xiàng)的技術(shù)改造，先后從歐洲、美國和日本引進(jìn)了大量的高精尖數(shù)控加工設(shè)備，這些數(shù)控設(shè)備具有轉(zhuǎn)速高、功率大、移動(dòng)速度快、精度及精度保持性高等特點(diǎn)，緩解了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造設(shè)備能力長期不足的被動(dòng)局面。但隨之暴露出了加工工藝技術(shù)落后，工藝裝備特別是刀柄、刀具性能低、質(zhì)量差的問題，嚴(yán)重制約了數(shù)控設(shè)備效能的正常發(fā)揮。為此，2000年以來，各航空制造廠通過技術(shù)總結(jié)和學(xué)習(xí)引進(jìn)，特別是通過采用高效切削工具，以高速高效切削為代表的數(shù)控切削加工技術(shù)得到了快速發(fā)展，產(chǎn)品表面加工質(zhì)量和加工效率均有所提高，各種典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過程中長期存在的問題得到了初步解決。

新工藝、新刀具的推廣應(yīng)用

1 深槽腔的表面加工質(zhì)量得到改善

　　深槽腔是飛機(jī)大梁和接頭的典型工藝結(jié)構(gòu)特征，也是導(dǎo)致零件表面質(zhì)量不好、局部啃刀、加工效率低的重要原因。當(dāng)?shù)毒哂芍边呥\(yùn)行至槽腔轉(zhuǎn)角處時(shí)，由于切削量的變化，會(huì)引起刀具載荷的大小和方向均發(fā)生極大的變化，造成刀具顫動(dòng)，極易發(fā)生轉(zhuǎn)角啃刀，導(dǎo)致零件表面質(zhì)量和幾何尺寸的超差，這種超差隨著進(jìn)給速度越來快會(huì)變得越來越嚴(yán)重，隨著槽腔深度越深也越容易發(fā)生。這一難題通過幾年前采用插銑新工藝和插銑刀等新式刀具得到了解決，例如對(duì)半徑較小的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，利用多層行切、鉛筆頭形銑刀和五坐標(biāo)編程等方法取得了很好的加工效果。此項(xiàng)新工藝和新刀具的應(yīng)用，不但解決了槽腔轉(zhuǎn)角易超差的技術(shù)難題，同時(shí)也解決了加工效率低的問題，經(jīng)過測(cè)算和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，飛機(jī)大梁和接頭類零件的數(shù)控機(jī)床切削周期縮短了10%以上。

2 單位時(shí)間的材料去除率和加工面積大幅度提高

　　粗加工是大量去除切削余量的工藝環(huán)節(jié)，半精加工和精加工工藝環(huán)節(jié)主要是通過刀具切削達(dá)到工藝要求的幾何尺寸精度和表面質(zhì)量的工藝環(huán)節(jié)。針對(duì)不同的工藝環(huán)節(jié)，除盡可能充分利用主軸輸出功率外，高速高效技術(shù)在新工藝、新刀具上還有不同的側(cè)重點(diǎn)。　　粗加工時(shí)，在機(jī)床轉(zhuǎn)速足夠高、輸出功率足夠大的條件下，采用波紋齒銑刀可減少切削刃與材料的接觸長度，降低刀具切削載荷，通過提高每齒進(jìn)給量，從而提高材料切削去除率；采用大直徑端銑刀，結(jié)合坡走下刀、螺旋線下刀編程、轉(zhuǎn)角插銑等技術(shù)，通過加大刀具徑向切削量ae，達(dá)到提高材料去除率的目的；采用整體式銑刀選用軸向大切深、且軸向切削力小的菱形硬質(zhì)合金刀片，結(jié)合層優(yōu)先對(duì)稱加工編程策略和較高的機(jī)床轉(zhuǎn)速，通過加大刀具軸向切削量ap，在提高材料去除率方面也同樣能取得很好的效果。

　　精加工時(shí)，在保證加工質(zhì)量的前提下，主要是通過提高單位時(shí)間的切削面積得到高的加工效率。由于目前大量地使用預(yù)先動(dòng)平衡調(diào)試過的刀具系統(tǒng)、耐磨損的粉末冶金高速鋼或硬質(zhì)合金材料的刀具以及硬度高、耐磨性好的刀具涂層、更加可靠的Big-plus BBT、HSK的強(qiáng)力液壓和熱裝式刀柄，使得刀具和刀柄、刀柄和機(jī)床的連接更加精確，剛性也更好，加工時(shí)，機(jī)床轉(zhuǎn)速可以達(dá)到20000～30000r/min，進(jìn)給移動(dòng)速度達(dá)到10000mm/min以上。

3 新式結(jié)構(gòu)的刀具系統(tǒng)拓展了數(shù)控機(jī)床加工能力

　　飛機(jī)結(jié)構(gòu)件例如支撐接頭和對(duì)接接頭，主要由槽腔、耳片、耳片上精度高并且直徑較大的裝配定位孔、外形輪廓等結(jié)構(gòu)特征組成。傳統(tǒng)的工藝方法是在數(shù)控銑床上加工槽腔、耳片、外形輪廓等結(jié)構(gòu)后，加工轉(zhuǎn)移到鏜床上，利用專用的鏜具裝夾定位零件，從而最終加工出圖紙要求的孔。而飛機(jī)的梁、框和梁間肋等結(jié)構(gòu)件，在零件腹板一般設(shè)計(jì)有位置度要求較高并且直徑較小的精度定位孔，在緣板上設(shè)計(jì)有用于裝配連接用的鉚釘位置初孔，在未采用U鉆、超精鉆和高速鉸刀等新工具以前，這些孔一般都是采用數(shù)控機(jī)床鉆初孔、利用鉆?；蜚@孔樣板裝夾定位零件，在鉆床上或手工鉆孔鉸孔的方法進(jìn)行加工。

　　然而以上的制孔方法，由于需要進(jìn)行再次裝夾，不但導(dǎo)致加工位置精度的降低，也因?yàn)樵黾恿斯に嚵鞒?，延長了零件的制造周期。由于在近幾年引進(jìn)了預(yù)調(diào)簡單、操作可靠的數(shù)控機(jī)床用高精度鏜刀，使得在一次裝夾下完成精銑、鏜孔的鏜銑復(fù)合技術(shù)得以應(yīng)用推廣。這一技術(shù)的應(yīng)用不但減少了新型飛機(jī)研制時(shí)對(duì)鏜孔夾具的需求，節(jié)約了研制成本，而且大幅度地減少了零件的研制周期。同時(shí)，因?yàn)樵擃愮M刀預(yù)調(diào)精確簡單可靠，在零件批生產(chǎn)中依舊可保證極高的加工精度、穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

　　對(duì)于腹板和緣板上較小直徑的孔，由于使用了U鉆、超精鉆和高速鉸刀等新式精度孔制孔工具，同時(shí)使用角度銑頭，在三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床或五坐標(biāo)機(jī)床主軸擺動(dòng)很小角度的狀態(tài)下，就可完成這些部位精度孔和零件側(cè)壁凹槽的加工。由于采用了新工具，數(shù)控制孔工藝技術(shù)得到了發(fā)展，使得在數(shù)控機(jī)床上通過一兩次裝夾就能夠完成零件所有工藝結(jié)構(gòu)的全部加工，這種工序集中、工種復(fù)合的加工技術(shù)已成為現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的發(fā)展方向。

4 加工變形控制和鈦合金的高速切削技術(shù)得到了發(fā)展

　　在零件加工變形控制方面，除采用分層、對(duì)稱去除余量、設(shè)計(jì)合理的走刀軌跡、選取合適的工藝切削參數(shù)等措施以外，在具有主軸內(nèi)冷功能的數(shù)控機(jī)床上，利用刀具中心高壓冷卻方式，也是保證深槽腔加工時(shí)零件充分冷卻，減少因切削熱產(chǎn)生加工變形的有效方法。

　　在鈦合金零件的切削加工方面，由于大量的選用鎢鈷類硬質(zhì)合金材料的整體硬質(zhì)合金刀具、整體硬質(zhì)合金的鉆頭和鉸刀、鑲齒焊接刀具和可轉(zhuǎn)位刀具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鈷高速鋼材料的刀具，使得刀具切削刃更加鋒利，同時(shí)提高了切削刃的強(qiáng)度和抗崩損能力，加工鈦合金時(shí)刀具的被嚴(yán)重磨損的情況有所減輕。采用合適的切寬ae、切深ap和進(jìn)給量，通過提高切削速度，提高了鈦合金零件的加工效率。由于采用了新刀具，切削鈦合金的切削速度已由傳統(tǒng)的20～30m/min，提高至90～110m/min，飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件的切削加工能力得到了大幅提升。

結(jié)束語

　　高效切削工具的引進(jìn)和推廣，助推了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工技術(shù)的又一次快速發(fā)展，縮短了我們與國外同行的技術(shù)差距。但目前國內(nèi)使用的高精度刀柄、高性能的高速切削刀具、高精度的制孔工具等很大程度上依賴國外進(jìn)口，采購周期長，購置費(fèi)用高，而且刀具的高精度重復(fù)刃磨和重復(fù)涂層無法得到保證，刀具重復(fù)利用率低。這些導(dǎo)致了目前國內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造過程中刀具成本居高不下，因交貨不及時(shí)影響零件生產(chǎn)的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，在一定程度上制約了新刀具的使用和新技術(shù)的推廣，因此，高效切削工具國產(chǎn)化需求日益迫切。同時(shí)，目前國內(nèi)在切削刀具的全壽命監(jiān)控和管理方面剛剛處于起步階段，在未來一定時(shí)期內(nèi)，自行設(shè)計(jì)、制造和使用好高效切削工具，促進(jìn)我國早日實(shí)現(xiàn)從制造大國向創(chuàng)造大國的飛躍，無論對(duì)于中國的切削工具制造業(yè)還是航空制造業(yè)，都是必須面對(duì)和盡快解決的問題。