獲得足夠的鈦（tài）合金（jīn）材料，以滿足新一代飛機（jī）的需求，是一種（zhǒng）困難的挑戰。隨著需求的增加，鈦（tài）金屬（shǔ）的價格不斷上漲，新的鈦合金（jīn）生產能力也在不斷形成。但是，迄今為止，鈦合金零（líng）件的切削加（jiā）工問題尚（shàng）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（gōng）能力似乎不太可能滿足正源源不斷推向市場的各種新型（xíng）飛機的需求，這些（xiē）飛機使用（yòng）鈦合金材料的比例普遍較高。無論（lùn）如何，航空工業供（gòng）應鏈必須努力提高鈦合金加工能力（lì）。市場需求要求加工（gōng）車間以更快的速度，加工比（bǐ）以往更多的鈦合金航空零件。

  
      波音研究與技術團隊(BR&T)是研究（jiū）如何加工鈦合金的領軍團隊之一。該團隊的研究人員開發了各種高效加工鈦合金的技術，然後將其轉讓給（gěi）波音公司（sī）的零部件供應商。

  
      圖2所（suǒ）示為一種典型是鈦合金飛機零件。飛（fēi）機的大型結構件（jiàn）通常由許多凹腔構成，結（jié）構件的加工（gōng）主要是加工凹腔（qiāng），包括銑（xǐ）削各種側（cè）壁和肋板。用（yòng）於新（xīn）型客機(如波音787)的（de）這種凹腔特別深，因為一些深凹腔鋁合金零件已被（bèi）鈦合金零（líng）件所取代。因此，鈦合金零件的凹腔加工具（jù）有更大的挑（tiāo）戰性（xìng）。

  
      加（jiā）工鋁合金時，對於特定形狀（zhuàng）的（de）凹腔(如（rú）圖2所示零件)，可能（néng）並不需要分別進行粗加工和精（jīng）加工。航空工業製造（zào）商已經掌握（wò）了以相對穩定的徑向（xiàng）切深精密切（qiē）削鋁合金的（de）技術，可以采用很大的切深（shēn）量，高效加工出側（cè）壁或肋（lèi）板。但鈦合金的加工卻完全不同（tóng）。銑削鈦合金凹腔時，很（hěn）慢的切削速度意味著，為了有效去除大量工（gōng）件材（cái）料，仍然需要分別進行粗加工和精（jīng）加工。其結果是，高效加工（gōng）鈦合金零件包括一係（xì）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（jí）刀具供應商已經開發出了一些鈦合金加工技術。應用結果表明，高效加工鈦合金飛機零件並不一定需要新型（xíng）機床乃至特定類型的機床。而且，並不一定需要很高的加工成本。這些加工技術可以單獨應用，但（dàn）如果將其（qí）集（jí）成到一（yī）起，就可以形成一種截然不同的鈦合金銑削工藝，它（tā）不僅可以縮短加工時間，而且還（hái）能顯著節省加工成本。

      精加工側壁和肋板的8:1準（zhǔn）則

  
      多刃立銑刀是高效銑削鈦合金飛機零件最基本（běn）的刀具。BR&T的研究人員解（jiě）釋說，該團（tuán）隊確定的“8:1準（zhǔn）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（dāo）能獲得很高的金屬去除率。對於鈦合金零件，要求粗加工（gōng）和精加工分步進行。鋁合金零件的加工則與此不（bú）同。銑削鋁合金時（shí），允許采用的切（qiē）削（xuē）速度和切屑負荷可以獲得很高的金屬去除率，即便多刃（rèn）立銑刀適用於精加工（gōng）。但在加工鈦合金時，實（shí）際采用的最大（dà）切削速（sù）度和切屑負荷要低得多。因此，為了達到足夠（gòu）高的金（jīn）屬去除率，就必須采用其他一些加工策略，如采用大（dà）切深進（jìn）行粗加工。精加工時，由（yóu）於粗加工後側壁（bì）或肋板已變（biàn）得相當薄，以至於必（bì）須減小切（qiē）削力，因此不再可能采用大切深。提高精加工（gōng）生產（chǎn）率唯一（yī）可行的策略是提（tí）高進給率。采用具有足夠多切削刃的立銑刀（dāo）就可以做到這一點，因（yīn）為這種刀具可以（yǐ）通過少量增加切屑負荷而獲得很高的金屬去除率。

      多少切削刃比較（jiào）合適？答案是：越多（duō）越好。現在，許多刀（dāo）具製造商都（dōu）能提供（gòng）10刃（rèn）立銑刀(圖3)。一（yī）把直徑25.4mm的10刃立銑刀以122m/min的（de）表麵切削速度和0.076mm/齒的切（qiē）屑負荷（hé）進行加工時，其進給率可以達到1168mm/min。BR&T能（néng）以這種切削速度和進給率，實現鈦合金的（de）常規精銑加工，並正在對（duì）一（yī）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（hé）金肋（lèi）板的基本刀具之一，可獲得很高的金屬去除率

圖4 與10刃或20刃立銑（xǐ）刀相比，這種（zhǒng）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（duō）刃精加工刀（dāo）具（jù）的缺點（diǎn）是排屑性能不佳，這主要是由於切削刃之間（jiān）空間狹窄造成的。為了彌補這一缺陷，切屑負荷一般必須保持在0.076mm/齒，為了留出足夠的排屑空間，直徑25.4mm的10刃銑刀的徑（jìng）向切深必須不超過（guò）0.89－1.27mm。

      至於（yú）軸向切深，正是8:1準則要解決的問題。由於該（gāi）準則是根（gēn）據被加工肋板與其最終尺寸的接近程（chéng）度來確定切深量（liàng）的，因此，它在本質（zhì）上確定了銑削鈦合金凹腔時，粗加工與精加工走刀量之間的區別（bié）。

      (1)8:1準則的定義

8:1準則可以表（biǎo）述為：最大軸向切深不（bú）應大於鄰（lín）近（jìn）切削處的側壁或肋板剩餘厚度的8倍。例如：要求將一個凹腔的側（cè）壁厚度加工到（dào）1.27mm。粗加工預留了足（zú）夠（gòu）大的壁厚餘量（liàng），即經（jīng）過粗加工後，仍有3.18mm的壁厚尺寸。側（cè）壁加（jiā）工到該厚（hòu）度時，在鄰近側壁處銑削進（jìn）刀可以采用最大為壁厚尺寸8倍的軸向切（qiē）深量——即25.4mm。(波音公司（sī）表示，25.4mm也（yě）是對應於前麵提到的122m/min切（qiē）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（bì）厚（hòu）尺寸1.27mm。這些（xiē）進刀深度也可以小於剩餘（yú）壁厚尺寸（cùn）的8倍。在（zài）這種情況下，最大切深為10.16mm(1.27mm的8倍)。

      采用這（zhè）一倍率的原因，是為了避免（miǎn）變形引起的加工偏差。BR&T通過實驗（yàn）來確定（dìng）一種選擇切削深度的指導（dǎo）原則，該準則能統一適用於波音飛機零部件可能要（yào）求的（de）側壁和肋板高（gāo）度與（yǔ）厚度的整個尺寸範圍。圖5所示為該實驗（yàn）所（suǒ）用（yòng）的兩塊肋板時間。其中較（jiào）厚（hòu）的肋板厚度達到6.35mm，因此可認為（wéi），在工件上測得的任何厚度偏差都（dōu）是由刀具磨損變形引起的。因此，該試件為了解刀具變形（xíng）的單獨影響提供了基準。與之相比，按照（zhào）8:1準則，以（yǐ）6.35mm的軸向切（qiē）深(倍率（lǜ）為8.35:1)銑削（xuē）厚（hòu）度為0.76mm的薄肋板時，刀具和工件的變形都可能引（yǐn）起厚度偏差。但是測量結果（guǒ）表明，其加工尺寸非（fēi）常（cháng）穩定(圖6)。對於這塊薄肋板來說，其總的厚度偏差實際上小（xiǎo）於僅僅由刀具本身變形造成的（de）基準偏差。BR&T的研究人員解（jiě）釋說，銑削鈦（tài）合金時之所以要采用8:1的切深，是因（yīn）為（wéi）鈦是一種粘性（xìng）很大的金屬材料。如果將（jiāng）同樣的準則應用於銑削鋁合金，其倍率應為4:1。

      (2)以（yǐ）多次向下進刀方式精銑凹（āo）腔

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

      一般（bān）來說，以全切深一次（cì）走刀進行銑削要求采用很小的進給率（lǜ）(25－75mm/min)，相應的金屬去除率約為2.5mm3/min。與之相比，以1,168mm/min的進（jìn）給率，按8:1的切深（shēn）多次進刀進行銑削，可以達（dá）到（dào）50mm3/min的金屬切除率（lǜ）。雖然這（zhè）代表加工效率提高了20倍，但還僅僅是提高生產（chǎn）率的開始。無支撐的側壁和（hé）肋板在（zài）全深度走刀（dāo）銑削時通常會產生振動，因此需（xū）要通過（guò）重複走刀(“浮動”走刀)，來清除因工件振動（dòng）位移而未能切除的殘留餘量。由於這個原（yuán）因，這種振動往往（wǎng）會（huì）導致厚度尺寸難以控製，而且，為了去除加（jiā）工表麵留（liú）下的（de）振紋(它（tā）與通常無害的進給（gěi）刀痕不（bú）同)，必須增加（jiā）手工（gōng）修磨工序。8:1加工方（fāng）式不（bú）僅能提高凹腔銑削（xuē）速（sù）度，而（ér）且可以避免這（zhè）些附加工序(圖7)。

      但是，振動仍然是一種威脅。為了在從毛坯逐漸銑削（xuē）出凹腔的加工過程中盡量減小振動，應該從側壁或（huò）肋板的兩側交（jiāo）替連續進刀（dāo）銑削(圖8)。圖8中的數字表示精加工肋板時，將要依次切除的工（gōng）件材（cái）料（liào）區域的（de）順序。在以較大（dà）的軸向（xiàng）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（dào）未切除材料的支撐，隨著這些（xiē）區域的工件（jiàn）材（cái）料按照圖示順序被依次切除，肋板逐漸形成。事實上，這種交替進行粗銑和（hé）精銑的加工（gōng）方法可以最大限度（dù）地為肋板提供支撐，以減小振動。這種肋板成形方式意味著，在每一個連續切削層，刀具（jù）無需再次接觸肋板，因為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（zài）銑削（xuē）其中的厚肋板時，工件的任何（hé）偏差都可假定為（wéi）是由刀具變形引起的。而在8:1的切深銑削薄肋板時（shí），總的厚度偏差甚至比銑削厚肋板（bǎn）時更小，完全符合切削穩定性要求

圖6 銑削兩塊不同厚度肋板（bǎn）的尺寸偏差對比

圖7 以（yǐ）全切深一次走刀（dāo）銑削凹腔壁(左)需要花費更長切削時間，且容易引起（qǐ）薄壁振動。而以8:1的切深。逐次（cì）向下進刀銑削(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準則不僅可應用於垂直（zhí）向下銑削，還可應用於粗銑與精銑（xǐ）交替進刀

      (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（shì）驗（yàn），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刃立銑刀（dāo）直徑為50.8mm，為了提高刀具製造的成本效益，該立銑刀（dāo）采用了（le）空心（xīn）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（dù）120m/min、每齒進給量0.076mm時，采用大（dà）於2,540mm/min的進給率（lǜ）。
不（bú）過，仍然存在一些有待解決的難題。在這種切（qiē）屑負（fù）荷下，較大的刀具直徑使徑跳誤差變化量增大到難以接受的水平。波音公司研究人員仍在試驗如何使這種刀具設計更具實用性，以便能將（jiāng）其應用於生產之中。該刀具代表了在精加（jiā）工鈦合金時，多切削刃(45刃)立銑刀目前（qián）可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（hé）用多刃立銑刀快速精銑鈦合（hé）金凹腔。而鈦合金（jīn）凹腔的粗（cū）銑加工需（xū）要（yào）考慮哪些問題呢？如果飛機零部件（jiàn）是用（yòng）整件毛坯加工而成，那麽，在可以應用8:1加工方法進行精銑（xǐ）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（kě）樂滿公司有一個致力於航空零部件切削加工的研究團（tuán）隊（duì）。該團隊正在努力開發（fā）和評估一些高效切削鈦合金飛機結構零部件（jiàn）的加工技術。該公司的研究人員表示，粗銑加工時，為了去除鈦合金（jīn）凹腔的工件材（cái）料，基本上有三種（zhǒng）可選加工方式（shì）：①鑽削和成形銑削；②以遞增切深進行（háng）斜坡銑削；③鑽削和插銑。一般來（lái）說，在（zài）這三種加工方法中，第一種方法加工效（xiào）率最高，而其他兩種方（fāng）法則能加工形狀比較（jiào）複雜的凹（āo）腔。

  
      (1)鑽削和成形銑削

  
      這種加工方法是：首先在凹腔部位鑽削一個大直徑（jìng）的起始孔。為了便於清（qīng）除切屑，所鑽的孔應該盡可（kě）能大一（yī）些，至少不小於（yú）用（yòng）於粗銑凹腔其餘部分的銑刀直徑的1.3或1.4倍（bèi）。然後，將粗銑刀伸入孔中，但伸入的（de）深度應該（gāi）小於孔深——要為後續的底（dǐ）部精加工留出大（dà）約（yuē）5mm的餘量（liàng）。銑刀從預鑽孔中開始向外銑削，通過（guò）連續走刀加工出凹腔深度。對於鈦合金工件凹腔的粗銑加工（gōng），這種加工方式的材料去除率最高。不過，它要求凹腔的形狀比較簡單，對於任何在加工（gōng）時需要（yào）換刀（dāo），或者凹腔（qiāng）的某些部（bù）分需要逐次分層加工的廓（kuò）形或特征，都不適（shì）合（hé）采用這種加工方法（fǎ）。該方（fāng）法還要求工藝（yì）穩定性（xìng）好，即凹腔（qiāng）應（yīng）該比較（jiào）淺，刀具的懸伸長度不應超過其直徑（jìng）的4倍。如（rú）果被加工凹腔較深，或者因為其他原因導（dǎo）致工藝剛（gāng）性不足時，選擇（zé）其他兩種加（jiā）工方式之一可能（néng）效果更好。

  
      (2)斜坡銑削和插補銑削

      這種加工（gōng）方式不（bú）需要預鑽孔。它隻需（xū）使（shǐ）用一種（zhǒng）刀具。這種銑刀以坡走方式切入工件材料，並（bìng）插補銑削去除（chú）凹腔的一層材料，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)。該加工方法可用於（yú）大進給銑削，但采用圓形刀片的銑刀可（kě）以更（gèng）大的切削參數進行斜坡銑（xǐ）削。對於因輪廓形狀（zhuàng）導致各處深（shēn）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（jiā）工方法可以解決許多（duō）加工難題（tí）。與第一種方法一樣，首（shǒu）先也需要鑽一個預孔。不過，此後機（jī）床本（běn）質上一直是在（zài）進行鑽（zuàn）削操作——用一把插銑刀或一支能勝任這（zhè）種（zhǒng）加工的（de）鑽頭進行重疊插銑或（huò）插鑽。對於任何加（jiā）工中心來說，Z軸通常具有最好的剛（gāng）性，因（yīn）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（yào）求刀具懸（xuán）伸長度達到4倍直徑以上的深凹腔加工，這種方法也非（fēi）常（cháng）適合。

  
      當然，這種方（fāng）法也有一個缺點，就是在沿（yán）著凹腔輪（lún）廓線插銑時，各次走刀之間的（de）交疊處會留下廓形（xíng）尖點，必須通（tōng）過（guò）單獨的工（gōng）序予（yǔ）以去除。

  
      (4)轉角（jiǎo）問題

  
      上述前兩種加工方法——鑽削和成形銑削，以及斜坡和（hé）插補銑削——都共同麵臨轉角的問題。采用直角轉向方式來加工內轉角，會大大增加徑（jìng）向切深，可能會導致刀具磨損加劇、破（pò）損幾（jǐ）率（lǜ）增大，或（huò）在轉角處產生不受歡迎的顫振紋路（lù）——更不用（yòng）說還會增加工藝的不可預測性，使其難以實現無（wú）人值守（shǒu）的自動（dòng）化加工。因此，山特維克可樂滿專家推薦的加工方案幾乎完全無需轉（zhuǎn）角。具體地說，銑刀並不是平行於凹腔壁走刀銑削，而是以圓形刀軌（guǐ）向外銑削(圖9、圖10)，直至凹腔壁確實不得不用直線刀軌加工（gōng）時為止。

圖9 圓形刀軌可使刀具負荷處處保持恒定

圖10 圖（tú）中的刀軌轉向有很多是不必要的，在刀（dāo）具實際加工（gōng）到凹（āo）腔壁（bì）之前（qián），刀軌並不需要與凹腔（qiāng）形狀保持一致

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行加工

      圖13 此（cǐ）圖說明了為何要在精銑（xǐ）凹腔側壁之前精銑轉角（jiǎo）。如（rú）果不先切除轉角處的工件材料，當（dāng）銑刀進入轉角時（shí），徑向切深就會顯著增大，除（chú）了會影響刀具壽（shòu）命外，工件表麵粗糙度可能也會惡化圖14 在插銑和清根加工中，切削刃上的棱帶對插銑加工有益（yì），但（dàn）對清（qīng）根加工不（bú）利，因此可用同一（yī）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——插銑和清根

式中：T——換刀時間（jiān）(分鍾)

TC——刀（dāo）具成本(美元)

TL——刀具壽（shòu）命(分鍾)

Rm——機（jī）床費率(美元/小時)

RL——勞（láo）動力費（fèi）率(美元/小時)

MRR——金屬（shǔ）去除率(立方或平方英寸/分鍾)。