獲（huò）得足夠的鈦合金材料，以滿足新一代飛機的需求，是一（yī）種困難的挑戰。隨著（zhe）需求的增加，鈦金屬的價格不斷上漲，新的鈦合金生產能力也在不斷形成。但是，迄今為止，鈦合（hé）金零件的切（qiē）削加工問題尚未很好解決。盡管沒有人能夠提供確切的數據，但目前的鈦合金加工能（néng）力似乎不（bú）太可能（néng）滿足正源源不斷推向市場的各種（zhǒng）新型（xíng）飛機的需求，這些（xiē）飛（fēi）機使用鈦合金材料的比例（lì）普（pǔ）遍較高（gāo）。無論如何，航空工業供應鏈必須（xū）努力提高鈦（tài）合金加工能力。市（shì）場需求要求加（jiā）工車間以（yǐ）更快的速度，加工比（bǐ）以往更（gèng）多的（de）鈦合金航空（kōng）零件。

  
      波音研究與（yǔ）技術團隊(BR&T)是研究如（rú）何加工（gōng）鈦合（hé）金的領軍團（tuán）隊之一。該團隊的研究人員開發（fā）了各種高效加工鈦合金的技術，然後將其轉讓給波音公司的零部件供（gòng）應商。

  
      圖2所示為一種典型是鈦合金飛機零件。飛機的大型結構件通常由許（xǔ）多凹腔構成，結構件的加（jiā）工主要是加工凹腔，包括銑削各種側壁和肋板。用於新型客機(如（rú）波音（yīn）787)的這種凹腔特別深，因為（wéi）一（yī）些深凹腔鋁合金零件已（yǐ）被鈦合金零件所取代（dài）。因此，鈦合金零件的凹腔加工具有更大的挑戰性。

  
      加工鋁合金時，對於特定形狀的凹腔(如圖2所示零件)，可（kě）能並不需要分別進行粗加工和精加工。航空工業製造商已經掌握（wò）了以相對穩（wěn）定的徑向（xiàng）切深精密切削鋁合金的技術，可以采用很大的（de）切深量，高效加工出側壁或肋板。但鈦（tài）合金的（de）加工卻完（wán）全不同。銑削鈦合金凹腔時，很慢的切削速（sù）度意味著，為了有效去除（chú）大量工件材料，仍然需要分別進行粗加工和精加工。其結果（guǒ）是，高效加工鈦合金零件包括（kuò）一係列不連續的加工步驟，而每道工序都需要采用不同的、經過驗證的加工技術。

  
      BR&T以及刀具供應商已經開發出了一些鈦合金加工技（jì）術。應用結果表（biǎo）明，高（gāo）效加工鈦合金飛機零件並不一定需（xū）要新型機床乃至（zhì）特定類型的機床。而且，並不一定需要很高的（de）加工成（chéng）本。這些（xiē）加工技術可以單獨（dú）應用，但（dàn）如果將（jiāng）其集成到一（yī）起，就可（kě）以（yǐ）形成一種截然不同的鈦合金銑削工藝，它不僅可以（yǐ）縮短加工時間，而且還能顯著節省加工成本。

      精加工側壁和肋板的8:1準則

  
      多刃立銑刀是高效銑削鈦合金飛機零件最基本的刀具。BR&T的（de）研究人員解釋說，該團隊確定的“8:1準則”，是決定如何使用多刃立銑刀的基本指導原則之一。

  
      在精加工中，多刃立銑刀能獲得（dé）很高的金屬去除率。對於鈦（tài）合金零件，要求粗加工和精加工分步進行。鋁合金零（líng）件的加工則與（yǔ）此不同（tóng）。銑削（xuē）鋁（lǚ）合金時，允許采用（yòng）的切（qiē）削速（sù）度和切屑負荷可以獲（huò）得很（hěn）高的金屬去除率（lǜ），即便多刃立（lì）銑刀適（shì）用於（yú）精加工。但在（zài）加（jiā）工鈦合金時（shí），實際采用的最大切削速（sù）度和切屑負荷要低得多。因此，為了達（dá）到足夠高的金屬去除率，就（jiù）必須采用其他一些加工策略（luè），如采（cǎi）用大切深（shēn）進行粗加工。精加工時，由於粗加工後側壁或肋板已變（biàn）得（dé）相當薄，以至於必須減小（xiǎo）切（qiē）削（xuē）力，因此不（bú）再可能采用大切深。提（tí）高精加工生產率唯一可行的策略是提高進給率。采用具有足夠多切削刃的立（lì）銑刀就可以做到這一點，因為這種刀具可以（yǐ）通過少量增（zēng）加切（qiē）屑負（fù）荷而獲得很高的金屬去除率。

      多（duō）少切削刃比較合適？答案是：越多越好。現在，許多刀具製造商都能提供10刃（rèn）立銑刀(圖3)。一把直徑25.4mm的10刃立銑刀以（yǐ）122m/min的表麵切削速度和0.076mm/齒的切屑負荷進行加工時，其進給率可以（yǐ）達到（dào）1168mm/min。BR&T能以這種切削速度和進給率，實現鈦合金的常規精銑加工，並正在對一種45刃立銑刀(圖4)進行試驗。

圖3 這種10刃硬質合金立銑刀是精加工鈦合金肋板的基本刀具之一，可獲得很高的（de）金屬去除率

圖4 與10刃或20刃立銑刀相比，這種正在試驗的45刃立銑刀可獲得更高的金屬去除率（lǜ）

這些多刃精加工刀具的缺點（diǎn）是排屑性能不佳，這主（zhǔ）要是由於切削刃之（zhī）間空間（jiān）狹窄（zhǎi）造成的。為了彌（mí）補這一缺陷，切屑負（fù）荷一般必須保持在0.076mm/齒，為了留出足夠的排屑空（kōng）間，直徑25.4mm的10刃銑（xǐ）刀的徑向切深必須不超（chāo）過0.89－1.27mm。

      至於軸向切（qiē）深（shēn），正是8:1準則要解決的問題。由於該準則是根（gēn）據被加工肋板與其最終尺寸的（de）接近程度來確定切深量的，因此，它（tā）在本質上（shàng）確定了銑削鈦合金凹腔時，粗加工與精加工走（zǒu）刀量（liàng）之間的區別。

      (1)8:1準則的定義

8:1準則可（kě）以表述為：最大軸向切深不應大於鄰近切削處（chù）的側壁或肋板剩餘厚度的8倍。例如：要求將一個凹腔的側壁厚度加工到1.27mm。粗加工預留了足（zú）夠大的壁厚餘量，即經過粗加工（gōng）後，仍有3.18mm的壁厚尺寸。側壁加工到該厚度時，在鄰近側壁處銑削（xuē）進刀可以采用最大為壁厚尺寸8倍的軸（zhóu）向切深量——即25.4mm。(波音公司表示，25.4mm也是對應於前麵提到的122m/min切削速度的最大軸向切深量。)沿著側壁進刀精銑，然後達到最終壁厚尺寸1.27mm。這些進刀深度也可（kě）以小於剩餘壁厚尺寸（cùn）的8倍（bèi）。在這種情況下，最大切深為10.16mm(1.27mm的8倍（bèi）)。

      采用這一倍率的（de）原因，是為了（le）避免變形引起的加工偏差。BR&T通過實驗來確定一種選擇切削深度的指導原則，該準則能統一適用（yòng）於波音飛機零部（bù）件可能要求的側壁和肋板高度與厚度的整個尺寸範圍。圖5所（suǒ）示為該實驗所（suǒ）用的兩塊肋板時間。其中較厚的肋板厚度達到6.35mm，因此可認為，在工（gōng）件上測得的任何厚（hòu）度偏差都是由刀具磨損變形引起的。因（yīn）此，該試件為了解（jiě）刀具（jù）變形的單獨（dú）影響（xiǎng）提供了基（jī）準。與（yǔ）之相比，按照8:1準則，以（yǐ）6.35mm的軸向切深(倍率為8.35:1)銑削厚度為0.76mm的薄肋板時，刀具和工件的（de）變形都可能引起厚度偏差。但是測量結果表明，其加工尺寸非常穩定(圖6)。對於這塊薄肋（lèi）板來說，其總的厚度偏差（chà）實際上小於僅僅（jǐn）由刀（dāo）具本身（shēn）變形（xíng）造成的基（jī）準偏差。BR&T的研究人（rén）員解釋說，銑削鈦合金時之所以要采用8:1的切深，是因為鈦是一種粘性很（hěn）大的金屬材料。如果將（jiāng）同樣的準則應（yīng）用於銑削鋁合（hé）金，其倍率應為4:1。

      (2)以（yǐ）多次向下（xià）進（jìn）刀（dāo）方式精銑凹腔

      以這種方式限製切深意味著，精（jīng）銑深凹腔的（de）側壁時（shí），必須采用連續遞增的（de）多次進刀方式。這與通常采用的凹腔壁（bì）加工方式有很大的不同。通常情況下，這種加工是通過在凹腔的全深度上一次走（zǒu）刀來完成（chéng）的。有時，這種加工方式被認為不僅效率更高，而（ér）且有利於提高凹腔表麵質量，因為它能消（xiāo）除各次進刀之間形成的進給刀痕。但波音公司認為，這兩種說法都不正確。

      一般來說，以全切深一次走（zǒu）刀進行銑削要求采用很小的進給率(25－75mm/min)，相應的金屬去除率約為2.5mm3/min。與之（zhī）相比，以1,168mm/min的進給率，按8:1的（de）切深多次進刀進行（háng）銑削，可以達到50mm3/min的金屬切除（chú）率。雖然這代表加工效率提高了20倍，但還僅僅是提高（gāo）生產率的（de）開（kāi）始。無支撐的側壁和肋板在全深度走刀銑削時（shí）通常會產生振動，因此需要通（tōng）過重複走刀(“浮動”走刀)，來清除因工件振動位移而未能切除的殘留餘量。由於這個原因（yīn），這種振動往往會導（dǎo）致厚度尺（chǐ）寸難以控製，而且，為了去除加工表麵留（liú）下的振紋(它與（yǔ）通常無害的進給刀痕不同)，必須增加手工（gōng）修磨工序。8:1加工方（fāng）式不僅能提高凹腔銑削速度，而且可以避免這些附加工序(圖7)。

      但是，振動仍然是一（yī）種威脅。為（wéi）了在從（cóng）毛坯逐（zhú）漸銑削出凹腔的加工過程中盡量減小振動，應該從側壁或肋板的（de）兩側交替連續進刀銑削(圖8)。圖8中的數字表示精（jīng）加工肋板時，將要依次（cì）切除的工（gōng）件材料（liào）區（qū）域的順序。在以較大的軸向切深進行粗銑走刀後，接（jiē）著以較小的軸向切深進行精銑走刀。加工中，肋板的剩餘部分始終受到未切除材料的支撐，隨著這些區域的工件材料按照圖示順序被依次切除，肋板逐漸（jiàn）形成。事實上，這種交替進行粗銑（xǐ）和（hé）精銑的加工方法可以最（zuì）大（dà）限度地（dì）為肋板提供支撐，以減小振動。這種肋板成形方（fāng）式意味著，在每一個連續切削層，刀具無需再次接觸肋板，因為刀具已經下降到凹（āo）腔的下一個切削層。

圖5 這兩塊肋板用於測試8:1準則的有效性。在銑削其中的厚（hòu）肋板時，工件的任何偏（piān）差都可假定（dìng）為是由刀具變形引起的。而在8:1的切深（shēn）銑削薄肋板時，總的厚度偏差甚至比銑削厚肋板時（shí）更小，完全符合切削穩定性要求

圖6 銑削兩塊不同厚（hòu）度肋板的尺寸偏差對比

圖7 以全切深一次走（zǒu）刀銑削凹腔壁(左)需（xū）要花費更長切削時間（jiān），且容（róng）易引（yǐn）起薄壁振動。而以8:1的切深。逐次向下進刀銑削(右)，則是一種（zhǒng）加工速度更快（kuài）、質量更穩定的凹（āo）腔精加工（gōng）方式（shì）

圖8 8:1準則不僅可應用於垂直向下銑削，還可（kě）應用（yòng）於粗銑與精銑交替進（jìn）刀

      (3)45刃立銑刀

      為了進一步提高精銑凹腔的生產率，BR&T一直在進行試驗，探究（jiū）在立銑刀圓周上有可能排（pái）列多少切削（xuē）刃。圖4所示的45刃立（lì）銑刀直徑為50.8mm，為了提（tí）高刀具製（zhì）造的（de）成本效（xiào）益，該立銑刀采用了空（kōng）心刀體，以減少硬質合金材料使用量。這種45刃立銑刀可在表麵切削速度120m/min、每齒進給量0.076mm時，采用大於2,540mm/min的進給率。
不過，仍然存在一（yī）些（xiē）有待解決的（de）難題。在這種切屑負荷下，較大的刀具直徑使徑（jìng）跳誤差變化量增大到難以（yǐ）接受的水平。波音公（gōng）司研究人員仍在（zài）試驗（yàn）如何使這種刀具設計更具實用性，以便能將其應用於生產之中。該刀具（jù）代表（biǎo）了在精加工鈦合金時，多切削刃(45刃)立銑刀目前可能達到的加工速度水平（píng）。

      快速去除凹腔材料

      8:1準則是關於如何（hé）用（yòng）多刃立銑刀快速精銑鈦合金凹腔。而鈦合金凹腔的粗（cū）銑加工需要考慮哪些問題呢？如果飛機零部件是用整件毛坯（pī）加工而（ér）成，那麽，在可以應用8:1加工方法進行精銑之前，首先必須對毛坯進行粗銑，去除凹腔部位的大量工件材料。

  
      刀具供應商山特維克可樂滿（mǎn）公司有一個致力於航空零部件切削加工（gōng）的研究團隊。該（gāi）團隊正在努力開發（fā）和評（píng）估一些高效切削鈦合金飛（fēi）機結構零部件的加工技術。該公司的研究人員表示，粗銑加工時，為（wéi）了（le）去除鈦合金凹腔（qiāng）的工件材料，基本上有三種可選加工方式：①鑽削和成形銑削；②以遞增切深（shēn）進行斜坡銑削；③鑽（zuàn）削和插銑。一（yī）般來說，在這三種（zhǒng）加工方法中，第一種方法加工效率最高，而其他兩種方法則能（néng）加工形（xíng）狀比（bǐ）較（jiào）複雜的凹腔。

  
      (1)鑽削和成形銑削

  
      這種加工方法是：首先在凹腔部位鑽（zuàn）削一個大直徑的起始孔。為了便於清除切屑，所鑽的孔應（yīng）該盡可能大一些（xiē），至少不小於用於粗銑凹腔其餘部分的銑（xǐ）刀（dāo）直徑的1.3或1.4倍。然後，將粗銑刀伸入孔中，但伸入的深度應（yīng）該小於孔深——要為後續的底部精加工留出大約5mm的餘量。銑刀從預鑽孔中開（kāi）始向外銑削，通過連續走刀加工出凹腔深度。對於鈦（tài）合金工件（jiàn）凹腔的粗銑加工，這種加工方式（shì）的材料去除率最高。不過，它要求凹腔的形狀比較簡（jiǎn）單，對於任何在加（jiā）工時需要換刀，或者凹腔的某些部分需要逐次分層（céng）加（jiā）工的廓形或特征，都（dōu）不適（shì）合采用這種加工方法。該方法還要求工藝穩定性好，即凹腔應該比較淺，刀具的懸伸長度不應超過其直徑的4倍。如果被加工凹腔較深，或者因為其他原因導（dǎo）致工藝剛性（xìng）不（bú）足時，選（xuǎn）擇其他兩種加工方（fāng）式之一可能效果更好（hǎo）。

  
      (2)斜坡銑削和（hé）插補銑（xǐ）削

      這種加工方式不需要預鑽孔。它隻需使用一種刀具。這種（zhǒng）銑刀以坡走方式切入工（gōng）件材料，並插（chā）補銑（xǐ）削去除凹腔的（de）一層材料，然後坡走切入（rù）下一（yī）層材料。由於（yú）切深較小，因此（cǐ）這種加（jiā）工方法最適合剛性較差的機床(如（rú）某些40錐度的機床)。該加（jiā）工方法可（kě）用於大進給銑削，但采用圓形刀片的銑刀可以更大的切（qiē）削參數進行斜坡銑削。對於（yú）因輪廓形狀導致各處深度不同的凹腔，這種加工方法比上述鑽削和仿形銑削加工方法效（xiào）率更高。

  
      (3)鑽削和（hé）插銑

  
      這種加工方法可以（yǐ）解決許多加工難題。與第一種方法一樣，首先也需要鑽一個預（yù）孔。不過，此後機床本質上（shàng）一直是在進行鑽削操作——用一把插銑刀或一支能勝任這種加工的鑽頭進行重疊插銑（xǐ）或插鑽。對（duì）於任何加工中心來（lái）說，Z軸通常具（jù）有最好的剛性，因此，采用該方法，能在剛性較差的機床上加工鈦合金凹腔。對於要求刀具懸伸（shēn）長度達（dá）到4倍直徑以上的深凹腔加工，這種方法也非常適合。

  
      當然，這種方法也有一個缺點，就是在沿著凹腔輪廓線插（chā）銑時，各次走刀之間的交疊處（chù）會留（liú）下廓（kuò）形尖點（diǎn），必須通過單獨的工（gōng）序予以去除。

  
      (4)轉角問題（tí）

  
      上述前兩種加工方法——鑽削和（hé）成形銑削，以及斜坡和插補銑（xǐ）削——都共同麵臨轉角（jiǎo）的問題。采用（yòng）直角轉向方式來加工內轉角，會大大增加徑向切深，可能會導致刀具磨（mó）損加劇（jù）、破損幾率增大，或在轉角處產生不受歡迎的顫振紋路——更不（bú）用說還會增加工藝的不（bú）可預測性，使其難以實現無人值守的自（zì）動化加工。因此，山特維克可樂滿專家推薦（jiàn）的加工方案幾乎完全無需轉角。具體地說，銑刀並不是平行於凹腔壁走刀銑削，而是以圓形（xíng）刀軌向外銑削(圖9、圖10)，直至凹（āo）腔壁確實不得不用直線刀（dāo）軌加工時為止。

圖（tú）9 圓形刀軌可使刀（dāo）具負荷處處保持恒定（dìng）

圖10 圖中的刀軌轉向有很多是不必（bì）要的，在刀具實際加工到凹腔壁之前，刀軌（guǐ）並不需（xū）要與凹腔形狀保持一致

圖12 凹（āo）腔底（dǐ）部應預留較大餘量，並采用中心向外擴展的螺旋刀軌進行加工

      圖13 此圖說明了為何要在精銑凹腔側壁之前精銑轉角。如果不先切除轉角處的工件材料，當銑刀進入轉角時，徑向切深就會顯著增大，除了會影響刀具壽命外，工件表麵粗糙度可能也會惡化（huà）圖14 在（zài）插銑和清根加（jiā）工（gōng）中，切削刃上的棱帶對（duì）插銑加工有益（yì），但對清根加工不利，因此可用同一種銑刀(圖右)的“有棱帶”和“無棱帶”型式分別進行加工
轉角的精加工——插銑和（hé）清根

式中：T——換刀時間(分鍾)

TC——刀具成本(美元（yuán）)

TL——刀具壽命(分鍾)

Rm——機床費率(美元/小時)

RL——勞動力費率(美元/小時)

MRR——金屬（shǔ）去（qù）除率(立（lì）方或平方英寸/分鍾)。