摘要：车铣加工作为一种可以适用于航空零部件的高效精密加工技术，其加工机理和加工稳定性分析一直都是制约其高效精密加工的关键因素。本文进行了航空材料和结构特征对车铣加工技术的需求分析，分析了车铣加工技术在航空难加工材料典型零部件加工中的应用。
关键词：航空；车铣加工；难加工材料；典型结构
1、车铣加工技术在航空零部件中的应用
车铣加工按铣刀与工件的相对位置分为轴向、正切和正交车铣3类常用的加工方法，它们分别有各自的特点：轴向车铣由于受到刀具长度的限制，所以加工行程不长；正切车铣由于受到刀具长度的限制，所以一般适合于直径较小的细长轴类零件的加工；正交车铣的铣刀回转轴线与工件的回转轴线相互垂直，是加工大型回转体和细长轴类零件的一种高效方法。其中，正交车铣可根据铣刀轴线和工件轴线的距离和方位分为无偏心、上偏心和下偏心3种加工方式。
2、难加工材料的车铣加工
2.1高强度钢的车铣加
在车铣加工技术领域具有开创性的代表人物是Schulz，他在首先提出车铣加工概念的同时，采用硬质合金P20/30（对应于我国的YT14/5牌号）、CBN和复合陶瓷涂层（Al2O3+TiC）刀具对轴承钢100Cr6（HRC≥62）进行轴向车铣加工，进行了刀具磨损、表面粗糙度、表面形貌试验，结果表明车铣加工可以在工件低速旋转条件下实现高速切削，且断屑容易；其表面粗糙度值远小于车削，加工表面粗糙度Ra小于0.5μm，Rz小于2μm，可媲美磨削。Schulz的研究成果提供了一种新的可替代车削的加工方式，尤其适用于车削后需要磨削的零件。同时，其研究成果也为车铣加工技术在难加工材料、大型回转类零件以及薄壁类等零部件加工上的应用提供了思路和借鉴。
我国学者对于不同刀具材料、不同切削条件下车铣加工高强度钢的刀具磨损规律和机理进行了大量的试验研究工作。结论如下：
（1）对于涂层刀具来说，采用干切削的刀具耐用度大大高于采用水溶乳化液冷却的刀具耐用度。这是由于水溶乳化液冷却时高频交变热应力较大，涂层剥落较快；干式切削时，高频交变热应力较小，虽在涂层表面有微裂纹产生，但涂层不易剥落，刀具耐磨性较好。例如采用TiN涂层刀具高速正交车铣D60钢时，干切削的刀具耐用度是185min，而水溶性冷却的刀具耐用度只有35min；采用金属陶瓷刀具高速车铣 D60钢时，干切削的刀具耐用度是160min，而水溶性冷却的刀具耐用度只有18min。
（2）正交车铣高强度钢时，刀具磨损规律与铣刀速度有很大关系，刀具磨损随铣刀速度的提高而加剧。例如，在水溶性冷却液浇注冷却条件下，采用陶瓷刀片高速正交车铣D60钢，当铣刀速度v=392. 5m/min时，后刀面磨损可经历初期磨损、正常磨损和剧烈磨损3个阶段，而当v=785m/min时，刀具只经过很短时间便迅速磨损。同时，高速正交车铣高强度钢时，不论湿式切削还是干式切削，刀具的主要磨损形态是后刀面磨损。
（3）正交车铣的刀具磨损机理与铣刀速度、刀具材料、工件材料和冷却条件有很大关系。例如在水溶性冷却液浇注冷却条件下，采用TiN涂层刀具高速正交车铣 D60钢时，在较低的切削速度下车铣复合加工高强度钢的刀具磨损机理主要以粘结磨损为主，在此基础上也伴随疲劳—剥落磨损和磨料磨损等；而在较高的切削速度下以疲劳—剥落磨损和扩散磨损为主，并伴随粘结磨损和磨料磨损等，各种磨损机理在不同的切削条件下相互影响，相互作用。
2.2钛合金的车铣加工
对采用TiAlN涂层硬质合金刀具对钛合金TC4的轴向车铣研究表明：顺铣的刀具耐用度要高于逆铣，刀具磨损速度随着切削速度的增大而增大，且磨损主要发生在刀尖刃口与后刀面处，刀具磨损形式以粘结磨损为主；切削速度在50~150m/min范围内对已加工表而粗糙度没有明显的影响，每齿进给量从0.05mm 增加到0.15mm，已加工表而粗糙度明显增大。
对比了无涂层和TiAlN涂层硬质合金刀具正交车TC4的刀具耐用度情况，表明逆铣时刀具和工件摩擦、挤压严重，切削刃处容易积累大量切削热，加上刀具的切入和切出，使刀片承受交变载荷，从而在切削液的作用下产生微裂纹，而采用无涂层硬质合金刀具在顺铣干切条件下可以延缓刀具磨损，提高刀具耐用度。
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在建立正交车铣已加工表面粗糙度理论模型的基础上，对钛合金TC9进行试验验证，通过增大转速比和偏心量以及降低轴向进给量，可以保证表面粗糙度Ra控制在1μm以内，这表明正交车铣完全可以实现钛合金的精密加工。
2.3镍基高温合金的车铣加工
着重考察了冷却润滑方式对车铣加工难加工材料的切削加工性的影响。采用硬质合金刀具，对比了常规浇注冷却车削、干式正交车铣、常规浇注冷却正交车铣、微量润滑技术（MQL）正交车铣4种方式下加工镍基高温合金Inconel718的刀具磨损过程。试验结果表明刀具耐用度大小的关系是：MQL正交车铣>常规浇注冷却正交车铣>干式正交车铣>常规浇注冷却车削，且MQL正交车铣的刀具耐用度约是常规浇注冷却车削的3.5倍。研究结果表明，由于车铣加工断续切削的方式更利于排屑和降温，有利于降低切削温度，减缓刀具的磨损；同时配合合适的冷却方式，可以大幅度提高刀具耐用度。该研究为车铣加工在导热率低、切削温度高的钛合金、高温合金等难加工材料上的应用提供了参考。
3、细长轴零件的车铣加工
通常称长径比大于25的轴为细长轴。细长轴零件的加工特点是径向刚度低，加工过程中容易产生径向振动。同时，航空等行业中所需的细长轴零件的径向尺寸和形状精度及表面粗糙度的要求又很高，故其加工一直是机械加工中的难点之一。
为解决以上问题，跟刀架车削法、夹拉车削法、反向车削法、砂带磨削、双刀车削法等工艺方法和自动控制理论被用于加工细长轴零件，但是依然无法很好地解决细长轴零件高效精密加工的问题。
根据不同的材料确保合适的切削速度是保证工件加工质量的有效方法，但是对于细长轴类零件来说，由于其直径很小，采用车削加工的方法会造成工件转速很高，造成离心力和振动增大。例如加工直径1mm的铝合金细长轴，按照铝合金推荐的最低切削速度500m/min计算，工件转速需达到159235r/min，这在实际生产中根本无法实现；而采用车铣加工的方式，可以在工件转速很低的情况下实现高速加工。例如上述的工件，在工件转速2r/min的条件下，采用直径5mm的铣刀和推荐的参数，铣刀转速需达到31847r/min，这在实际生产中是可以实现的。
现阶段，通过切削力、颤振和强迫振动仿真与分析，以及各种加工质量预测与优化方法研究，为进一步提高车铣加工细长轴零件的加工质量提供了强有力的技术支撑，从而促使车铣加工技术更加广泛地应用于细长轴零件的实际生产。目前，车铣加工技术在细长轴零件的应用主要包括常规细长轴（简称细长轴）和微小型细长轴。
3.1细长轴的车铣加工
现有的试验研究表明，细长轴的加工采用车铣加工方式比车削具有更小的表面粗糙度值和更高的加工精度。细长轴的车铣加工过程中，强迫振动是影响加工过程的稳定性从而降低刀具耐用度和恶化加工表面质量的重要因素。对于细长轴的正交车铣和轴向车铣的强迫振动的产生和抑制进行了分析和研究。在正交车铣加工细长轴方面，采用matlab软件通过对等截面梁横向振动理论建立的模型进行仿真，表明振动系统对强迫振动可起到一定的抑制作用，且强迫振动振幅大小与抑制作用成正比。在轴向车铣加工细长轴方面，采用ANASYS软件通过对弹性体动力学理论建立的模型进行了模态分析和谐响应分析，得到了细长轴振动峰值的频率和幅值，提出合理选择铣刀转速和齿数可使切削频率避开共振区间的措施。
通过单因素试验法对长径比为300/10的不锈钢细长轴的正交车铣加工参数进行优化，在优化的加工参数下进行了正向和反向的车铣加工试验，结果表明：反向切削时，车铣力的轴向分力使细长轴工件切削时受拉，相当于增加了细长轴的刚度，所以反向车铣时可获得较高的加工质量：表面粗糙度Ra为0.458μm，尺寸误差小于 0.015mm。
结语：车铣加工已经展示出明显优势和广阔的应用前景，但其潜能还需进一步开发。只有针对车铣加工零件的材料特性和结构特征进一步开展有针对性的加工机理和颤振动力学模型研究，才能实现车铣加工的工艺优化及加工过程的控制，进一步提高加工效率和加工表面质量。
参考文献：
[1]姜增辉,贾春德.轴向车铣理论切削力的研究[J].机械工程学报,2015,41(09):86-90.
[2]张之敬,刘冰冰,金鑫.基于再生理论的微小型正交车铣颤振[J].清华大学学报(自然科学版) ,2013,53(05) :729-733.
论文作者:高永志,周庆泽
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
标签：加工论文; 刀具论文; 正交论文; 磨损论文; 工件论文; 铣刀论文; 零件论文; 《电力设备》2019年第6期论文;