新型波音787 Dream liner客機的設(shè)計廣泛地依賴于各種復(fù)合材料的應(yīng)用，這一點已理所當(dāng)然地受到人們的關(guān)注。但是，大量應(yīng)用復(fù)合材料并不是這種飛機在材料上與眾不同的唯一原因——與其它商業(yè)客機相比，波音787還采用了更多的鈦合金零部件。為了滿足對該型號飛機的訂貨，單單為了加工這些鈦合金零部件，波音公司在未來3～5年內(nèi)將至少需要使用1000臺機床（主軸）。這一估計出自波音公司先進制造技術(shù)研發(fā)集團（密蘇里州圣路易斯市）的工程師兼科學(xué)家Keith Young。Young博士的工作任務(wù)之一就是幫助這些加工機床更加高效地為波音公司工作。加工航空鈦合金零件的挑戰(zhàn)在于：通過減薄零件的側(cè)壁和底座，以及通過減少殘留在零件拐角處的毛坯附加重量，使零件的重量更輕。Young博士及其研究小組通過試驗，開發(fā)了可實現(xiàn)這一目標(biāo)的加工技術(shù)。他們告訴波音公司的設(shè)計師：使加工后的鈦合金零部件具備上述特點是完全可能的；同時，他們也指導(dǎo)加工提供商如何實現(xiàn)這種加工。
某些鈦合金加工技術(shù)在生產(chǎn)軍用戰(zhàn)機的鈦合金零件時即已開發(fā)成功。但是，商業(yè)客機在尺度規(guī)模上與軍用戰(zhàn)機有很大差異，客機的零件尺寸（尤其是凹腔深度）更大，如一種軍用戰(zhàn)機零件的凹腔深度為3英寸，而波音787鈦合金零件的凹腔深度可達6英寸。但是，加工航空鈦合金零件所用傳統(tǒng)刀具的長徑比通常為3∶1或4∶1，而加工這些新型零件要求刀具的長徑比達到6∶1或8∶1。而且這些根本性的差異會影響到刀具系統(tǒng)的選擇。例如，機夾刀片式銑刀通常可以采用鋼制刀柄，而更深型腔的加工則需要使用剛性更高的硬質(zhì)合金刀柄，以減小刀具撓曲變形和防止發(fā)生振顫。
Tom Talley也是波音公司先進制造技術(shù)研發(fā)集團的工程師兼科學(xué)家，他與Young博士一樣，非常了解如何選擇適合加工最新一代鈦合金零件的刀具系統(tǒng)，本文的內(nèi)容即是基于這兩位專家的推薦意見。但是他們也指出，這些建議的有效程度需要驗證。雖然波音公司可能已對這些加工技術(shù)進行了認(rèn)證，但并未對刀具制造商進行認(rèn)證。本文提到的一些刀具制造商，是因為專家認(rèn)為他們的產(chǎn)品是說明適用刀具類型的清楚實例。而在大多數(shù)情況下，其它刀具制造商也能提供類似產(chǎn)品。對于某一特定的加工任務(wù)，也可能其它刀具是更有效的選擇。本文提到的刀具只是用于說明適合零件加工特點（這些特點對于波音公司顯得日益重要）的刀具特性。
粗加工刀具
Weldon Crest-Kut刀具的特點是沿螺旋槽的幾何形狀呈不規(guī)則性。這種不規(guī)則幾何形狀的重要作用在于消除振顫。在許多銑削加工中，振顫都是一種限制性因素，它在某一特定的切削深度會加劇，通常會限制刀具獲得在其它情況下刀具與主軸允許達到的更大切深。振顫現(xiàn)象部分是由于刀具的規(guī)則幾何形狀復(fù)映到被加工表面的規(guī)則波形所引起的。幾何形狀不規(guī)則的刀具螺旋槽不會產(chǎn)生這種規(guī)則波，因此可能提供振顫潛能的“信號”非常微弱，從而使這種刀具能夠在可獲得很高金屬切除率的切削深度高效而平穩(wěn)地進行切削。
為了在鈦合金加工中獲得高的金屬切除率，另一種完全不同的方法是采用插銑粗加工方式。對于鋁合金材料的航空零件，插銑加工的意義不大，采用常規(guī)銑削方式就足夠快了。但對于鈦合金，插銑則可以提供一種以較低切削速度快速切除大量工件材料的加工手段。
插銑粗加工時，銑刀可以像鉆頭一樣進給切入工件毛坯，材料通過多次重疊插銑被逐步切除，而每一次插銑都利用了機床在Z軸方向的固有剛性。Iscar公司的中心切削刀具就是這種插銑刀的一個實例，它可通過Z軸進給快速切除工件材料。
Yong博士指出，對于鈦合金加工，在兩種情況下可以考慮采用Z軸插銑粗加工：①加工淺而寬的凹腔；②加工窄而深的凹腔。
對于淺凹腔，深切削立銑刀（如Weldon刀具）可能無法獲得足夠的軸向深度來充分發(fā)揮其切削效能。但如果該凹腔具有足夠的寬度，適合用大直徑刀具進行連續(xù)插銑加工，則采用插銑粗加工可能效率更高。另一方面，對于窄而深的凹腔，立銑刀可能需要花費太多的時間走斜坡而不是進行有效銑削，而插銑粗加工刀具則可利用每次進刀的插銑深度實現(xiàn)對這種凹腔的高效加工。
無論選擇何種刀具和加工方法來快速切除大量毛坯材料，但應(yīng)注意到很重要的一點，即并非所有的鈦合金零件都需要進行粗加工。近來，很多鈦合金零件都采用激光沉積近凈成形工件，只需對其進行精加工即可。精加工也是通過加工出極富挑戰(zhàn)性的工件形貌從而實現(xiàn)零件使用價值的加工工序。因此，精加工刀具的選擇相對于粗加工刀具來說顯得更為重要。
底面和拐角精加工刀具
Data Flute公司的精加工立銑刀也采用了不規(guī)則的刀具幾何形狀（刀槽之間的夾角不為90°）以抑制振顫。4個刀槽的空間位置并不按90°對稱分布，而是稍有變化。刀尖的這種不規(guī)則排列方式在精加工底面和拐角時可使刀尖處于適當(dāng)?shù)募庸の恢谩?BR> 在精加工中，振顫的危害性比粗加工時更為嚴(yán)重。粗加工時，振顫只會影響加工效率；但在精加工中，振顫則可能會對工件本身造成損害，因為振顫可能影響工件的精度和光潔度，甚至可能破壞工件的精密外形結(jié)構(gòu)（如極薄的肋板和側(cè)壁）。因此，無論是否采用不規(guī)則的幾何形狀，用于精加工鈦合金零件的刀具通常都應(yīng)該具有較好的剛性，以將振顫的影響減至最小。此外，較好的剛性可以減小刀具在深凹腔中加工時變形的危險。
Ingersoll刀具公司的精插銑刀可以通過Z軸進給在深凹腔中加工出小拐角半徑。Young博士指出，此類刀具可能需要用硬質(zhì)合金刀柄替代鋼制刀柄，以盡可能增大刀具的剛性。
側(cè)壁和肋板精加工刀具
Data Flute公司用于加工鈦合金零件薄壁和肋板的10槽精銑刀，由于進給率是刀具槽數(shù)和切屑負(fù)荷的函數(shù)，因此該刀具即使在切屑負(fù)荷很小時也能快速橫切工件。該刀具的螺旋槽較淺，有利于增加剛性。由于刀具被設(shè)計用于小切深切削，正好需要較淺的槽深，其結(jié)果是刀具芯徑較大，剛度較高；較短的槽長也有助于保持良好的剛性。
該刀具還有另一個潛在的重要結(jié)構(gòu)特點。Talley先生指出，用于精加工鈦合金零件側(cè)壁和肋板的刀具沿著螺旋槽應(yīng)具有偏心后角，它可通過與已加工表面的相互作用起到減振作用，以抑制振顫。
經(jīng)常加工鋁合金航空零件薄壁結(jié)構(gòu)的加工車間可能已經(jīng)知道如何使用立銑刀加工鈦合金零件的薄壁結(jié)構(gòu)。刀具應(yīng)采用“吃水線加工”方式，從薄壁或肋板的兩側(cè)交互進刀進行切削，從而在工件成形過程中使薄壁或肋板可從兩側(cè)保留均衡的支撐作用。
關(guān)于精加工刀具應(yīng)該切除多少材料余量的問題，Young博士說，其實刀具本身就提供了解答這一問題的線索。根據(jù)經(jīng)驗可知，經(jīng)過粗加工后的工件半成品的高厚比（高度/厚度）應(yīng)該與精加工刀具的長徑比（長度/直徑）相互匹配。換句話說，如果要用長徑比L∶D＝6∶1的刀具精銑肋板，則粗銑后的肋板厚度大約應(yīng)為肋板長度的1/6。當(dāng)然，這只是一種經(jīng)驗法則，并未將刀具與工件材料彈性模量的差異考慮在內(nèi)。但根本的要點在于：由粗加工后留下的材料支撐著的薄壁或肋板應(yīng)與精加工刀具的剛度大致相當(dāng)，而不是更高。如果粗加工留下過多需由精加工刀具切除的材料余量，從而使薄壁或肋板剛度更高，將浪費加工時間，影響刀具壽命。工件多余的剛度并無益處，因為無論是刀具變形還是工件變形，其結(jié)果都一樣。如果已經(jīng)確定某一剛度對于刀具是適當(dāng)?shù)模敲赐瑯拥膭偠葘τ诘毒邔⒁庸さ墓ぜ牧弦彩沁m當(dāng)?shù)摹?/DIV> |
