獲得足夠的鈦合金材料，以滿足（zú）新一代飛機的需求，是一種困難的挑戰（zhàn）。隨著需求的增加，鈦金屬的價格不斷（duàn）上漲，新（xīn）的鈦合金生產能力也在不斷形成。但是（shì），迄今為止，鈦合金零件的切削加工問題尚未很（hěn）好（hǎo）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力似乎不太可能滿足正源源不斷推向市場的各種（zhǒng）新型飛機的需求，這些飛機使用（yòng）鈦合金材料的比例普遍（biàn）較高。無論如何，航空工業供應鏈必須努（nǔ）力提高鈦合金加工能力。市場（chǎng）需求要求加工車間（jiān）以更快的速度，加工比以往更多的（de）鈦合金航空零件。

  
      波音研究與技術團隊(BR&T)是（shì）研究如何加工鈦合金的領（lǐng）軍團隊之一。該團隊（duì）的研究人員開發了（le）各種高效加（jiā）工鈦合金的技術，然後將其轉讓給波音公司的零部件供應商。

  
      圖（tú）2所示為一（yī）種典型是鈦合金飛（fēi）機零件。飛機的大型結構件通常由許多凹腔（qiāng）構成，結構件的加工主要是加工凹腔，包括銑削各種側（cè）壁和肋板。用於新型客機(如波（bō）音787)的這種凹腔（qiāng）特別深，因為一些深凹腔鋁合（hé）金零件已被鈦合金零件所取代。因此，鈦合金（jīn）零件的凹（āo）腔（qiāng）加工具（jù）有更大的挑戰性。

  
      加工鋁合金時，對於（yú）特定形（xíng）狀的凹腔(如圖2所示（shì）零件)，可能並不（bú）需要分別進行粗加工和精（jīng）加工。航空工業製造商已經掌握了（le）以相對穩定的徑（jìng）向切深精密切削鋁合金的技術（shù），可以采用很大的切深量，高效加工出側壁或肋（lèi）板。但（dàn）鈦合金的加（jiā）工（gōng）卻完全（quán）不同。銑（xǐ）削鈦合金凹腔時，很慢的切削速度意（yì）味著，為了有（yǒu）效去除（chú）大量工（gōng）件材料（liào），仍然需要分別進行粗加工和精加（jiā）工。其結（jié）果是，高效加工（gōng）鈦（tài）合金零件包括（kuò）一（yī）係列不連續的加工步驟（zhòu），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（yī）些（xiē）鈦合金加工（gōng）技術。應用結果表明，高效加工鈦合金（jīn）飛機零件並不一定需要新型機床乃至特定類型的機床（chuáng）。而且，並不一定需要很高（gāo）的加工成本。這些加工技術可以單獨應用，但如果將其集成到一（yī）起，就可以形成一種截然不同的（de）鈦合金銑削工藝，它不僅可以縮短（duǎn）加工時間，而且還能顯著節省加工成本。

      精加工側壁和肋（lèi）板（bǎn）的（de）8:1準則（zé）

  
      多刃立銑刀是高效銑削（xuē）鈦合金（jīn）飛（fēi）機零件最基（jī）本的刀（dāo）具。BR&T的研究人員解（jiě）釋說，該團隊確定的“8:1準則”，是（shì）決定如何使用多刃立（lì）銑刀的基本指（zhǐ）導原則之一。

  
      在精（jīng）加工中，多刃立銑（xǐ）刀能獲得很高的金屬去（qù）除率。對於鈦合金（jīn）零件，要求粗加工和精加工分步進行。鋁合金零（líng）件的（de）加工則與此不同。銑（xǐ）削鋁（lǚ）合金時，允許采用的切削速度和切（qiē）屑負荷可以獲得（dé）很高（gāo）的金屬去除（chú）率，即便多刃立銑刀適用於精加工。但在加工鈦合金時（shí），實際（jì）采（cǎi）用的最大切削速度（dù）和切屑負荷要低得多。因此，為了達到足夠高的（de）金（jīn）屬去除率，就（jiù）必須采用其（qí）他一些加（jiā）工策略，如采用大切深進行粗加工。精加工（gōng）時，由於粗加工後側壁或肋（lèi）板已變得相當薄，以至於必須減小（xiǎo）切削力，因此不再可能采用大切深。提高精加工生產率唯一可行的策略是（shì）提高進給（gěi）率。采用具（jù）有足夠（gòu）多切（qiē）削刃的立銑刀（dāo）就可以做到這一點，因為這（zhè）種刀具（jù）可以通（tōng）過少量增加切屑負荷而獲得很高的金屬去除率。

      多少（shǎo）切削（xuē）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刃立銑（xǐ）刀(圖3)。一把（bǎ）直徑25.4mm的10刃立銑刀以122m/min的表麵切削速度和0.076mm/齒的切屑負荷（hé）進行加（jiā）工（gōng）時（shí），其（qí）進給（gěi）率（lǜ）可以達到1168mm/min。BR&T能以這（zhè）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（jīn）立（lì）銑刀是精加（jiā）工（gōng）鈦合金肋板（bǎn）的基本刀具之一，可獲得很高的金屬去除率（lǜ）

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

這些多刃精加工刀具的缺點是排屑性能不佳，這主要是由於切削刃之間空間狹窄造成的。為了彌補這一缺（quē）陷，切屑負（fù）荷一般必須保持在0.076mm/齒，為（wéi）了留出足夠的排屑空（kōng）間，直徑25.4mm的10刃（rèn）銑刀的徑（jìng）向（xiàng）切深必須不超（chāo）過（guò）0.89－1.27mm。

      至於軸向切深，正（zhèng）是8:1準則要解決的問題。由（yóu）於該準則是根據被加工肋板與其最終尺寸的接近程度來確定切深量的（de），因此，它（tā）在本質上（shàng）確（què）定了銑削鈦合金凹腔時，粗加工（gōng）與精加工（gōng）走（zǒu）刀量之間的區別。

      (1)8:1準則的定義

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

      采用這一倍率的原因，是為了避免變形引起的（de）加工偏差。BR&T通過實驗（yàn）來確定一種（zhǒng）選擇切削深度的指導原則，該準則能統一適用於波音飛機零部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所示為該實驗所用的（de）兩塊肋板時（shí）間。其（qí）中（zhōng）較厚的肋（lèi）板厚度達到6.35mm，因此可認為，在工件上測得的任何厚度偏差都是由刀具磨損變形引起的（de）。因此，該試件為了解刀具變形（xíng）的單獨影響提供了基準。與之（zhī）相比，按照8:1準則，以6.35mm的軸（zhóu）向切深(倍率為8.35:1)銑削厚度為0.76mm的薄（báo）肋板時，刀具和工件的變形都可能引起厚度偏差。但是測量（liàng）結果表明，其加工尺寸非常穩（wěn）定(圖6)。對於這塊薄肋板來說，其總的厚度偏差實際上小於（yú）僅僅由刀具本身變形造成的基準（zhǔn）偏差。BR&T的研究人員（yuán）解釋說，銑（xǐ）削鈦合（hé）金時之所（suǒ）以要（yào）采用（yòng）8:1的切深，是因為鈦是一種（zhǒng）粘（zhān）性很大的金屬材料。如果將同樣的準則應（yīng）用於銑削鋁合金，其（qí）倍率應為4:1。

      (2)以多次向下進刀方式精銑（xǐ）凹腔

      以這種方式限製切深意味著，精（jīng）銑深凹腔的側壁時，必須采用連續遞增的多次進刀方式。這與通（tōng）常（cháng）采用（yòng）的凹腔壁加工方式有很大的不同。通常情況下（xià），這種（zhǒng）加工是通過在凹腔的全深度上一次走刀（dāo）來完成的。有時（shí），這種加工方式被（bèi）認為不僅效率更高，而且有（yǒu）利於提高凹腔表麵質量，因為它能消除各次進刀之間形成的進給刀痕。但波音公司認為，這兩（liǎng）種（zhǒng）說（shuō）法（fǎ）都不正確。

      一般來說，以全（quán）切（qiē）深一次走刀進行銑削要求采用很小（xiǎo）的進給率(25－75mm/min)，相應的金屬去除率約為（wéi）2.5mm3/min。與之相（xiàng）比，以1,168mm/min的進（jìn）給（gěi）率，按8:1的切深多次進（jìn）刀進行銑削，可以達到（dào）50mm3/min的金屬切除率。雖然這代表加工效率提高了20倍，但（dàn）還僅（jǐn）僅是提高生（shēng）產（chǎn）率的開始。無（wú）支撐的側壁和肋板在全深（shēn）度（dù）走刀銑削時通常（cháng）會產生振動，因此需要通過（guò）重複走刀(“浮動”走（zǒu）刀)，來清除因工件振動位（wèi）移而未能（néng）切（qiē）除的（de）殘留餘（yú）量。由於這個（gè）原因，這種振動往往會導致厚度尺寸難以（yǐ）控製，而且，為了去（qù）除加工表（biǎo）麵留下的振紋(它與通常無害的進給刀痕不同)，必須增加手工修磨工序。8:1加工方式不僅能提高凹腔銑削（xuē）速度，而且可以避免這些附加工序(圖7)。

      但是，振動仍然（rán）是一種威脅。為了在從毛坯逐漸銑削出凹腔的加工過程中（zhōng）盡量減小振（zhèn）動，應該從側壁或肋板的兩側交替連續進刀銑削(圖8)。圖8中的數字表示精加工肋板時，將要依次（cì）切除的工件材料區域的順序。在以較大的軸向切深進行粗銑走刀後，接著以較小的軸向切深進行精銑走刀（dāo）。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（de）工件材料按照圖示順序被依次切除，肋板逐漸形（xíng）成。事實上，這種交替進行粗銑和精銑的加（jiā）工方法可以最大（dà）限度地為肋板提供支撐，以減小（xiǎo）振動。這種肋（lèi）板成形方式意味著，在每一個連續（xù）切削層，刀（dāo）具無（wú）需（xū）再次接觸肋板，因為（wéi）刀具已經下降到凹腔的下一個切削層。

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

圖（tú）6 銑削兩塊（kuài）不同厚度肋板（bǎn）的尺（chǐ）寸（cùn）偏差對比

圖7 以全切深一次走刀銑削凹腔壁(左)需要花費更（gèng）長切削時間，且容易（yì）引起薄壁（bì）振（zhèn）動。而以8:1的切深。逐次向（xiàng）下進刀銑削(右)，則是一種加工速度更快、質量更穩定的凹腔（qiāng）精加工方式

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

      (3)45刃（rèn）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（háng）試驗，探究在立銑刀圓周上有可能排列多少切削刃。圖4所示的45刃立（lì）銑刀直徑為（wéi）50.8mm，為了提高刀具（jù）製造的成本效益，該立銑刀采用了空心刀體，以減少硬質合（hé）金材料（liào）使用量。這種45刃立銑刀可在表（biǎo）麵（miàn）切削速度120m/min、每齒（chǐ）進（jìn）給量0.076mm時，采用大於2,540mm/min的（de）進（jìn）給率。
不過，仍然存在一些有待解決的難題。在這種切屑負荷下，較大（dà）的刀具直徑使徑跳誤差變化量增大到難以（yǐ）接受的水平。波音公司研究人員仍在（zài）試驗如何使這種刀具設計更具實用性，以便能將其應用於（yú）生產之中。該刀具代表了在精加工（gōng）鈦合金（jīn）時，多切削刃(45刃)立銑刀目前可（kě）能達到的加工速度水平。

      快速去除凹腔材料

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

  
      刀具供應商山特維克可樂滿公司有（yǒu）一（yī）個致力於航空零部件切削加工的研究團隊。該團隊（duì）正在努力開發和評（píng）估一些高效（xiào）切削鈦合金飛機結構零部件的加工技術。該公司的研究人員（yuán）表（biǎo）示（shì），粗銑加工時，為了去除鈦合金（jīn）凹腔的工件材料（liào），基本上有三種可選加工方式（shì）：①鑽削和成形銑削（xuē）；②以遞增切深進行斜坡銑削；③鑽削和（hé）插銑。一般來說，在這三種加工方法（fǎ）中，第一種方法加工效率最高，而其他兩種方法則能加工形狀比較複雜的凹腔。

  
      (1)鑽削（xuē）和成形銑削

  
      這種加工方法是：首先在凹（āo）腔部位（wèi）鑽削一個大直徑的（de）起始孔。為了便於清除切屑，所鑽（zuàn）的孔（kǒng）應該盡可能大一些（xiē），至少不小於用於粗銑（xǐ）凹腔其餘部分的銑刀直徑的1.3或1.4倍。然後，將粗銑刀伸入孔（kǒng）中（zhōng），但伸入的深度應該（gāi）小於孔深——要為後續的底部精加工留出大約5mm的餘量。銑刀（dāo）從預鑽孔（kǒng）中開始向（xiàng）外銑削（xuē），通過連（lián）續走刀加工出凹（āo）腔深度。對於鈦（tài）合金工件凹腔的粗銑加工，這種加工方式的材料去除率（lǜ）最高。不過，它要求凹腔（qiāng）的形狀比較簡單，對於任何在加工時需要換刀，或者凹腔的（de）某些部分需要逐次分層加工的廓形或特征，都不適合（hé）采用（yòng）這種加工方法。該方法還要求（qiú）工藝穩定性好，即凹腔應該比較淺，刀具的懸伸長度不應（yīng）超過其直徑的4倍。如果被加工凹（āo）腔較深，或者因為其他原因導致（zhì）工藝剛性（xìng）不足時，選擇其（qí）他兩種加工方式之一可能效果更好。

  
      (2)斜坡（pō）銑削和插（chā）補銑削

      這種加工方式不需要預鑽孔。它（tā）隻需使用一種（zhǒng）刀具。這種銑刀以（yǐ）坡走方（fāng）式切（qiē）入工件材料，並插（chā）補銑削去除凹腔的一層（céng）材料，然後坡走切入下一層材料。由於切深較小，因此這種加工方法最適合剛性較差的機床(如某些40錐度的機床)。該加工方法可（kě）用於大進給銑削（xuē），但采用圓形刀片的銑刀可以更大的切削參數進行斜坡銑削。對於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率更高。

  
      (3)鑽削和插銑

  
      這種加工（gōng）方法可以解決許多加工難題。與第一種方（fāng）法一（yī）樣，首先（xiān）也需要鑽一個預孔。不過，此後機床本質上一（yī）直是在進行鑽削操（cāo）作——用（yòng）一把插銑（xǐ）刀或一支能勝任這種加工的鑽頭進行重疊插銑或插鑽。對於任何加工中心來說，Z軸（zhóu）通（tōng）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（shàng）加工鈦合（hé）金凹腔。對於要求刀具懸伸長度達到4倍直徑（jìng）以上的深凹腔加工，這種方（fāng）法也非常適（shì）合。

  
      當（dāng）然，這種方（fāng）法也（yě）有一個缺點，就是在沿著凹腔輪廓線插銑時，各次走（zǒu）刀之間的交疊處會留下廓形尖點，必須通過單獨（dú）的工序（xù）予以去除。

  
      (4)轉角問題

  
      上述前兩種加工方法——鑽削和成形銑削，以及斜坡和插補銑削——都共同麵臨轉角的問題。采（cǎi）用直角轉向方式來加工內轉（zhuǎn）角，會（huì）大大增加徑向切深，可能會導（dǎo）致（zhì）刀具（jù）磨損加劇、破（pò）損幾率增大（dà），或在轉（zhuǎn）角處產生不受歡迎（yíng）的顫（chàn）振紋路——更不用說還（hái）會增加工藝的不可預測性，使其難以實現無人值守的自動化加工。因此，山特維克可樂滿專家推薦的（de）加工方案幾乎完全無需轉角。具體地說，銑刀並不是平（píng）行於凹腔壁走刀銑削，而是以圓形刀軌向外銑削(圖9、圖10)，直至凹腔壁確實不得不用（yòng）直線（xiàn）刀軌加工時為止。

圖9 圓形刀軌可使刀具負荷處處保持恒定

圖（tú）10 圖中（zhōng）的刀軌轉向有很多是不必要的，在刀具實際（jì）加（jiā）工（gōng）到凹腔壁之前，刀軌並不（bú）需要與（yǔ）凹腔形狀保持（chí）一（yī）致

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

      圖13 此圖說明（míng）了為何（hé）要在精（jīng）銑凹腔側壁之前精銑轉角。如果不先切（qiē）除轉角（jiǎo）處的工件材料，當銑刀進入轉角時，徑向（xiàng）切深就（jiù）會顯著增大，除了會影響（xiǎng）刀具壽（shòu）命外，工件表麵粗（cū）糙度可能（néng）也會惡化圖14 在插銑和清根（gēn）加工中，切削刃上的棱帶對插銑（xǐ）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（wú）棱帶（dài）”型式分別進行（háng）加工
轉角的精加工——插銑和清根

式中：T——換刀時間（jiān）(分鍾)

TC——刀具成本(美元)

TL——刀具壽命(分鍾)

Rm——機床（chuáng）費率(美元（yuán）/小時)

RL——勞（láo）動力費率(美元/小時)

MRR——金（jīn）屬去除率(立方或平方（fāng）英寸/分鍾)。