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    由于現代飛機高性能的要求，其結構具有輕量化、薄壁化和整體化的特點，并且為滿足飛機裝配以骨架零件為定位基準的要求，零件須實現精確加工，作到具有較高的精度和表面質量。傳統的低速加工方法已經難以滿足現代航空制造的需要。根據國外的發展趨勢，同時結合航空制造技術發展的實際需求，應用高速切削加工技術成為現代航空制造業的必然選擇。近年來進行了較為深入的應用研究，已經較為成功的在薄壁結構零件加工中廣泛應用了高速切削加工技術。 

    高速切削加工技術
 

    1.高速切削加工技術的定義 

    高速加工技術是指采用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代加工技術。由于不同的加工工序、不同的工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速切削的速度范圍給定一個確定的數值。對于不同的材料，一般認為灰鑄鐵的高速切削速度是800-3000m/min、鋼件為500-2000m/min、鈦合金為100-1000m/min、鋁合金為1000-7000m/min。
 
　　高速切削，首先是高的速度，即高的主軸轉速，另一方面，又應有高的進給速度，為了提高效率，機床還要具有快速移動、快速換刀、高的主軸加速度和進給加速度，只有達到了上述標準才能稱之為高速。通常情況下，行業內將主軸轉速S>7000rpm，切削進給速度10000mm/min以上的銑削加工，稱為高速切削加工。
 
　　2.航空薄壁結構的定義 

　　在飛機結構零件中，按照其在飛機上承載的狀況和結構特征將飛機骨架零件分為框類、梁類、接頭類、壁板類、肋類等類型。

    高速切削加工薄壁結構的優越性 

    高速切削加工薄壁件相對傳統加工具有顯著的優越性：切削力小，加工薄壁類零件時工件產生的讓刀變形相應減小，易于保證零件的尺寸精度和形位精度。切削熱對零件的影響減少，零件加工熱變形小，這對于控制薄壁件的熱變形非常有利。加工精度高，刀具切削的激勵頻率遠離薄壁結構工藝系統的固有頻率，保證了較好的加工狀態，實現了平穩切削，證了零件的精度和表面粗糙度。加工效率高，比常規加工高5～10倍，單位時間材料切除率可提高3～6倍。 

    高速切削加工薄壁結構的策略
 
　　高速切削加工薄壁結構對切削刀具、切削用量、工藝方案、數控編程等方面提出了新的要求。 

　　刀具及其夾持系統 

　　刀具結構的選擇原則 

　　對于機夾式刀片刀具，由于刀片螺旋角很小，無法形成大的螺旋角，所以真正要加工高質量的薄壁結構件，不采用機夾式刀具用于高速切削。 

　　對于整體式硬質合金銑刀和焊接式硬質合金銑刀，除了焊接式硬質合金應保證焊接的牢固性外，刀具制造應該符合下列要求： 

    具有匹配的刀具幾何角度：較大的前角和后角以及適中的螺旋角； 

    合理的短刃長桿結構； 

    側齒、底齒完全對稱； 

    采用圓柱柄，無削平結構； 

    刀體臺階部位采用圓角過度； 

    較高的表面粗糙度； 

    設計的切削刃幾何形狀必須考慮高速切削條件下切屑生成特性； 

    為提高剛度，盡可能增加刀具中心的尺寸； 

    排屑性好。 

    刀具材料選擇及切削速度要求

    高速切削刀具材料必須耐磨、抗沖擊能力好（包括熱沖擊與力沖擊）、硬度高、與工件材料親和力小；高速切削的刀具材料必須根據工件材料和加工性質來選擇；一般情況下，高速切削不使用高速鋼刀具，多采用硬質合金刀具；由于短時間切削后刀尖圓弧半徑與前刀面接觸區的涂層出現脫落，涂層硬質合金實際效果與無涂層硬質合金相似，故不推薦采用涂層刀具。
 
　　由于刀具在高速切削時產生極大的離心力，飛濺的切屑和崩刃以及變松的刀具夾緊系統都具有很高的動能，另外加工過程中還存在軸向動態力，故刀具應嚴格在其安全轉速范圍內使用。
 
　　1.刀具夾持系統選擇  

　　刀具夾持系統——刀柄是高速切削時的一個關鍵部件，起著傳遞機床精度和轉矩的作用。刀柄的一端是機床主軸、另一端是刀具。高速切削薄壁結構時刀柄必須具備高速加工刀柄的一切要求，譬如：好的動平衡特性、很高的幾何精度和裝夾重復精度、很高的裝夾剛度等要求。
 
　　目前刀柄與主軸的聯接在大多數高速切削機床上以圓錐空心柄（HSK）為主。此外，通過熱脹冷縮原理而工作的熱縮套刀夾系統以其優越的特性在成飛也得到了越來越廣泛的應用。

　　2.切削用量 
　　合理切削參數的選擇，不僅確保薄壁結構加工的高精度，而且是高速機床發揮效能、處于最佳工作狀態的保證。因此切削量要根據機床剛性、刀具直徑、刀具長度、工件材料、粗加工或精加工模式而定。
 
　　根據成飛關于飛機鋁合金薄壁結構件高速、超高速低切削力銑削等一系列切削試驗數據并參考國外資料，總結各切削用量的選取原則如下： 

    （1）切削速度v 加工鋁合金的切削速度是沒有限制的。從理論上講，采用較高的切削速度，可以提高生產率，可以減少或避免在刀具前面上形成積屑瘤，有利于切屑的排出。銑削速度的提高無疑會加劇刀具的磨損，但是，銑削速度的提高可以有效地提高單位時間單位功率的金屬切除率，同時在一定的高速切削速度范圍內可以提高工件表面加工質量。對于大量的航空鋁合金薄壁結構（壁厚1.0～1.5左右）的零件，切削速度以切削力為基準選擇。高速切削薄壁時，在徑向切深ae不變的情況下，徑向切削力隨速度基本不變，意味著可選擇的切削速度范圍很大，根據現有設備，可以在轉速12000～22000rpm選擇。 

    （2）進給量fz 加大進給量fz無疑會增加切削力，這顯然對薄壁加工不利。故精加工時，不選擇大的fz，但fz過小也是有害的，因為fz過小時，擠壓代替了切削，會產生大量切削熱，加劇刀具磨損，影響加工精度。所以，精加工時，應選取較適中的進給量，一般可以選擇在0.1mm/z～0.2mm/z之間。 

    （3）軸向切深ap與徑向切深ae 無論從力的角度，還是考慮到殘余應力、切削溫度等因素，采用小軸向切深ap大徑向切深ae顯然是有利的，這是高速切削條件下切削參數選擇原則。對于薄壁結構的側壁加工，小ap條件下顯然產生的徑向力小，而且在ap小的情況下，一定范圍內ae的增加并不會增大薄壁變形，這樣就可以取較大的ae進行加工；對于薄壁結構的腹板加工，最后一刀采用大的ap可以提高加工系統剛度，減小腹板變形，所以，加工腹板時應選取較大ap進行加工。一般情況下，軸向切深ap可在2～10mm之間選擇，徑向切深ae可在0.5～0.9D之間進行選擇。
 
    切削用量，要針對不同的加工對象，需要編程人員選擇合理的刀具運動軌跡，優化切削用量，根據需要選擇適合的切削速度，只有這樣才能真正發揮高速切削技術的長處。成飛經過近幾年的探索研究，通過大量的切削試驗，建立了符合設備、刀具、產品特點的切削參數數據庫，在軍機、民機轉包項目等數控加工中得到了良好的應用。  

    高速切削薄壁結構典型工藝方案 

    航空薄壁結構零件按其工藝、結構特點，可分為框類、梁類、壁板類等類型。在大量應用高速切削技術進行的薄壁結構零件加工中，總結形成了典型工藝方案。
 
    1.梁類零件工藝方案 

    結構特點：梁類零件分為單面及雙面，該類零件外形上多處涉及機身理論外型，零件腹板與緣條厚度均較小，一般為1.5～2mm左右，最小處僅1.5mm，尺寸公差為±0.15mm，材料切除率達到96%左右。 

    工藝方案：裝夾，零件都為臥式放置，采用兩孔一面定位，兩個工藝孔設置在工藝凸臺上，定位狀態較好。在零件周圍設置壓緊槽，操作工人只需在加工前壓緊零件壓緊槽，無須再在加工過程改變零件的裝夾狀態。 

    工藝路線：采用高速加工機床，由于高速切削加工技術具有高轉速、快進給、輕切削的特點，從而使加工后出現的零件變形得到了較好地控制，因此將粗加工、半粗加工和精加工合并為一道工序，基本實現從毛坯到零件的一次性加工。 

    2.框類零件工藝方案

　　結構特點：該類零件外形上多處涉及理論外型，內形有槽、下陷、開閉斜角、凸臺等制造特征。零件腹板與緣條厚度均較小，一般為1.2～2mm左右，尺寸公差為±0.15mm。材料切除率達到97%左右。 

　　工藝方案：裝夾，零件都為臥式放置。零件采用兩孔一面定位，兩個工藝孔設置在工藝凸臺上，由于零件的大部分筋條在同一高度，擬以筋條面定位。由于在零件較大，裝夾拆卸不方便，采用墊板工裝，零件周邊設工藝凸臺，并在工藝凸臺上制沉頭壓緊孔，墊板上制螺紋孔，用沉頭螺栓壓緊固定在墊板工裝上。 

　　工藝路線：采用高速切削加工技術，將粗加工、半粗加工和精加工合并為一道工序，以實現從毛坯到零件的一次性加工。 

　　3.壁板類零件工藝方案 

　　結構特點：零件為雙面槽腔結構，無飛機外形，數控加工后還需噴丸成形。內形包括有槽、下陷、凸臺等幾何特征。零件厚度較薄，槽腔較淺，大部分槽深小于3mm， 零件腹板厚度不均勻，一般為1.5～3mm左右。尺寸公差為±0.2mm。材料切除率約90%。 

    工藝方案：裝夾，由于該類零件在立式機床上完成加工，因此零件都為臥式放置。由于零件薄，加工過程中極易因余量去除不均而產生加工變形；且總體結構上缺少定位夾緊部位，同時為了減少加工時的零件變形而引起的腹板厚度超小，采用真空吸附加工。 

　　工藝路線：采用高速切削加工技術，將粗加工、精加工合并為一道工序，加工順序的選擇是先加工槽少的一面，加工完此面后在槽腔內填充石膏，作翻面加工的定位基準，均采用真空吸附加工。  

    高速切削薄壁結構的程編策略 

　　高速切削對CAM的要求 

　　高速加工的編程方式及方法必須與高速加工的工藝方法有機結合，這就對高速加工的CAM提出了更高的要求。高速加工的CAM必須滿足以下條件：
 
    恒定的切削條件；
 
    保證最大和穩定的切削速度；
   
    避免任何刀軸移動加速度的不連續和突變；
 
    刀具運動時保持恒定的主軸進給，產生相同體積的切削；
 
    刀具長度與直徑比最好小于10； 

    減少無切削移動； 

    無垂直方向的跳動； 

    無切削方向的劇變； 

    在保證插值公差的前提下，盡可能減少段數； 

    提供高度連續的光順刀位數據。 

    自動過切（殘余）保護功能。 

    系統能提供仿真驗證的功能。

    高速切削對切削軌跡的要求 

    高速加工工藝的核心是盡可能保證加工過程的連續性，使刀具在一次銑削加工過程中時時處于進給運動狀態，采用光滑的進、退刀方式、采用光滑的移刀方式與采用光滑的轉彎走刀。CAM通過特殊的編程方式和方法來滿足高速切削的要求，具體通過切削軌跡來實現。以下分別闡述針對不同的高速加工要求的切削刀軌和驅動方法。
 
    采用螺旋線驅動方法編程，刀具進入材料盡可能采用連續的螺旋和圓弧軌跡進行銑削，以保證恒定的切削條件；爬坡采用單向加工，而不采用“之”字加工，避免逆銑，防止徑向跳動；減少刀具退出和重新進入材料的次數，維持刀具穩定的切削狀態，保持切削厚度均勻；精加工時拐角等曲率變化和切深變化較大的部分要預先處理，使之留下與其他部分相同的余量；切削軌跡無突變，在刀軌轉折處采用無尖角刀具軌跡；粗加工要重視形狀的準確性，而不是簡單的去除材料，保證后續工序加工余量均勻。余量和切削用量要與切削參數相結合，選用合理的切削參數；避免切削余量突變，余量增加時，應降低進給速度，因為負荷的變化，會引起刀具的偏斜，從而降低加工精度、表面質量和縮短刀具壽命；采用分層切削；有凸臺的部位先清根，避免刀具頻繁碰撞凸臺；通過NURBS曲線編程，既保證了插值公差，又可減少程序段數（前提是機床控制系統支持NURBS曲線的插值計算）。