從 5mm 到 0.5mm，突破鈦合金翼面蒙皮加工
2025-2-18 來源：國宏工具 作者：-
國宏工具助力南京航空航天大學工藝優化 化解老大難問題
航空制造企業中流傳著這樣一句話：“要把一克重量送上天，需要花費一克黃金。”這對占據了飛機 80%面積、21%重量的蒙皮零件來說，可謂是“至理名言”。包裹在飛機外殼的蒙皮，為了滿足飛機減重、動力提升等需求，零件厚度被“一降再降”，新一代戰術制導飛行器的金屬蒙皮厚度最薄處甚至僅 0.5mm，如同雞蛋殼般。同時，作為直接承受飛機載荷、對飛機疲勞壽命起決定性作用的零件，蒙皮不僅采用了高強度鈦合金等新材料，對加工精度和表面質量都有著極高的要求，其加工技術一直被公認為是行業難題。
南京航空航天大學（以下簡稱“南航”）作為全國知名高校，以及數次參與我國航空航天重要型號預研、技術攻關、試驗任務的專業科研機構，一直致力于多類型航空航天“難加工”零件的工藝優化。針對某軍工企業某型號翼面鈦合金蒙皮零件易切穿、成品率低的問題，南航特別成立了項目團隊，就其零件結構、材料特性、裝夾方式、加工工藝等進行了系統性探究，并聯合國宏工具系統（無錫）股份有限公司（以下簡稱“國宏工具”），共同研發了專用的直刃結構整體硬質合金銑刀，成功完成了厚度最小處僅 0.5mm、最大處 1mm，且帶有 0.5mm 厚度立筋結構的鈦合金薄壁蒙皮試驗件高效高精加工，為整體薄壁腹板類零件的加工提供了有益借鑒。
鈦合金+復雜薄壁結構，加工難度成倍上升
該款翼面蒙皮結構復雜，如圖 1 所示，主體結構為 1mm 厚的腹板，尺寸接近 0.8 X 0.3m，度很大；腹板上還帶有多邊形型腔結構，型腔側壁的壁厚僅為 0.5mm，高度為 3.5mm，屬于典型的弱剛度結構。蒙皮零件的毛坯為 5mm 厚鈦合金板材，材料去除率高達 92.6%。加之零件整體均由 TA15鈦合金制成，其材料的室溫強度、高溫強度以及焊接性能均高于 TC4 鈦合金等其他材料，更使得零件的加工難度成倍上升。
圖 1：蒙皮零件的主體結構
南航項目團隊在對原加工工藝分析后發現，刀具的“不合適”是頻繁產生過切問題的關鍵。在刀具切入板材時，加工區域的材料會發生塑性變形，同時受到刀具所產生的向上牽引作用發生一定程度的翹曲。隨著余量的不斷去除，板材剛度逐漸下降，切削力的作用便讓實際切深越來越大，從而導致腹板的過切，甚至切穿。
圖 2：被切穿的腹板
明確方案優化重點后，南航項目團隊便開始尋找合適的刀具廠商。國宏工具作為國產硬質合金刀具的領先企業，也是與南航保持著緊密聯系的校企合作伙伴，自然成為了團隊的第一選擇。“國宏工具是國內少數幾家擁有刀具全制程自主生產能力的企業，在航空航天難加工材料領域有著深厚的技術和經驗積累，更為難得的，是他們擁有高水平的切削實驗室，無論是‘硬件’還是‘軟實力’都十分契合南航對于技術合作伙伴的需求。”南航項目團隊負責人介紹說。
大膽創新，研發鈦合金專用直刃銑刀
針對高硬度材料的側面加工、槽加工，目前行業多采用大螺旋角立銑刀，因為螺旋角越大，工件與刀刃的接觸線就越長，施加到單位長度的刀刃上的負荷也就越小，從而有利于延長刀具壽命，也能在一定程度上提升切削穩定性。但國宏工具技術部門在深度探究后發現，針對該款薄壁零件，原本為立銑刀帶來性能提升的“螺旋角”正是板材切穿的“罪魁禍首”。
“多次模擬加工后，我們發現，帶螺旋角的銑刀由于刀齒沿著螺旋排列，且每個刀齒的切削位置不同，因此切削力被分散到整個刀具上，在加工中便會對腹板產生‘上拉—下壓’的上下往復作用，這時一旦板材局部厚度不均勻存在翹曲凸起，就會出現過切。”國宏工具技術總監王必永先生介紹說，“我們大膽提出了研發螺旋角為 0°的鈦合金專用直刃銑刀的想法，看是否能通過將切削力集中在與工件表面垂直方向的方式，避免過切。”
圖 3：國宏工具直刃銑刀實物圖
隨后，國宏工具技術部門快速設計出了對比實驗方案：將兩款采用了相同硬質合金基體材質與國宏自主研發的 AlCrN 基涂層材質的螺旋角銑刀和直刃銑刀，通過同款三軸加工中心對目標零件的鈦合金毛坯板材進行加工試驗。同時，利用壓電式儀削力測量系統同步測量作用于工件和刀具上的切削力。
測試結果顯示，不同于帶螺旋角的銑刀加工時會在軸向產生正負兩向交替往復的切削力，直刃銑刀產生的軸向力始終對腹板產生下壓作用，因此能夠避免腹板被刀具切穿的問題。此外，下壓的切削力有助于壓緊腹板零件，輔助實現真空吸盤的嚴密吸附，從而保證切削過程中切深的準確性，提升腹板的加工精度。實驗還發現，較之帶有螺旋角的銑刀，直刃銑刀在相同切削參數下的切削力更小，因而能夠降低切削過程中產生的殘余應力，減少低厚度腹板結構的加工變形，如圖 4 所示。
圖 4：帶螺旋角的常規銑刀與直刃銑刀的切削力大小對比
南航項目團隊在內部測試后，對國宏工具所研發的直刃銑刀的性能表示了高度認可。“采用直刃銑刀來加工鈦合金薄壁零件是一個顛覆傳統認知的創新設想，國宏工具團隊以高效的執行力和強大的技術力將設想變成了現實，為我們攻堅這一項目帶來了突破。”南航團隊負責人說道，“此外，國宏工具自主研發的鈦合金專用涂層，也是這款刀具能夠充分發揮效用，達到理想加工效果的關鍵。”
加工難點“逐一擊破”，實現工藝優化
找到合適的刀具，僅是方案優化的第一步，如何優化設計加工工藝成為了擺在南航項目團隊面前的又一難題。根據以往的經驗，基于“短板優先”的原則，團隊先設計了總體加工工序——首先在板材上加工型腔（圖 5 a)），從型腔中心位置螺旋下刀，切深達到槽腔深度后刀路逐步向外擴展，完成最薄弱的型腔內腹板的加工（圖 5 b)）。之后再進行槽銑，去除各型腔間的材料（圖 5 c)）。最后對型腔立筋結構的內外圈進行加工（圖 5 d)）。
圖 5：蒙皮樣件的工序設計
而后，便是對單工序加工難點的“逐個擊破”了。在完成型腔內部粗加工后，轉角部位還殘留有較多材料，且這些轉角大多十分狹窄，在其內進行粗精加工難度很大。初步的設計方案是采用小直徑直刃銑刀，以側銑方式進行，但很快便出現了小直徑刀具難以承受逐漸增大的切削力而折斷的問題，而若通過減少切深與進給速度來控制切削時刀具的載荷，又會極大影響加工效率。因此，國宏工具技術團隊便提出了采用插銑方式的可能性，并且直刃銑刀也非常適用于插銑工藝。在得到南航項目團隊認可后，經過多次加工實驗的國宏工具技術團隊確定了具體的工藝參數（如表 1 所示）。
表 1：型腔轉角殘插銑加工切削參數
對型腔內外側壁進行精加工是最后一道工序，在零件剛性最弱時，將側壁內外兩側余量一次性高效去除，并確保尺寸精度到位的嚴苛要求，也使其成為了難度最大的一道工序。如何實現？確定切削速度與每齒進給量是關鍵。“國宏工具在前期對直刃銑刀切削力的測試數據，為我們這一步序的工藝設計提供了很大幫助。” 南航團隊負責人介紹說。
國宏工具實驗發現，切削速度對直刃銑刀的切削力影響不大，相反，每齒進給量與切寬則對直刃銑刀的切削力產生了顯著影響，并且，切寬變化帶來的影響更大。基于此數據，南航項目團隊提出，在對型腔內外側壁進行側銑加工時，可以采用高速切削，配合較小的每齒進給量與切寬，從而在減少切削力的同時獲得較高的材料去除率。
表 2：內/外側壁精加工工藝參數
“經過我們團隊成員和各方合作伙伴，尤其是國宏工具技術部門的共同努力，蒙皮樣件最終成功通過了驗收，不僅將精度、表面質量誤差控制在±0.05mm 以內，還大幅提升了加工效率，加工耗時較原有工藝減少了約 53%，且加工過程穩定。” 南航團隊負責人總結道，“我們相信，南航與國宏工具正式成立的‘高性能刀具系統技術聯合實驗室’，接下來將會帶動更多的研究項目落地。”
圖 6：完成加工的蒙皮樣件
關于國宏工具
國宏工具系統（無錫）股份有限公司成立于 2004 年，注冊資本近 3.7 億元，是一家專業從事超高精密數控刀具和集成電路封裝楔形劈刀研發、生產、銷售和服務的高新技術企業。公司擁有各種先進加工、檢測設備達 290 余臺，建有涂層產線，具備刀具全制程生產能力，核心產品包括硬質合金刀具、超硬刀具、陶瓷刀具和集成電路封裝楔形劈刀。公司以市場為導向，針對需求旺盛的電子信息、航空航天、汽車、通用機械、模具等領域，推出了多種刀具產品以及提效解決方案，與捷普集團、富士康集團、三星集團、中國航發、中國電科、三一重工、利納馬、博世集團等擁有長期的合作關系。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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