（机械制造及其自动化专业论文）高速切削航空铝合金变形理论及加工表面形成特征研究.pdf

摘要 摘要 高速切削加工技术是先进制造技术的一项全新的共性实用技术，已成为现代 切削加工技术的重要发展方向，具有广阔的市场应用前景。高速切削技术具有的 高的生产效率、加工精度、表面质量和生产成本低等优点，已成为先进制造技术 的重要组成部分，自2 0 世纪9 0 年代进入工业化应用后，取得了巨大的经济效益 航空制造业是高速切削加工的应用最早，最为广泛的行业，其中主承力结构件多 数为整体坯料“掏空”的整体结构件，代替传统的拼接结构。因此高速切削技术在 对材料去除率大、加工质量要求高、加工周期长的整体结构件加工中更能体现其 独特的优势但我国高速切削技术的研究起步较晚，对高速切削基础工艺理论及 切削机理深入研究还不足，在理论研究和实际生产推广应用中存在许多问题。不 能充分发挥高速切削的优越性 高速切削加工过程是导致工件表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具 与工件之间的高速切削摩擦学行为形成的为热、力耦合不均匀强应力场的制造工 艺与传统的切削加工相比，加工中工件材料的力学性能、切屑形成、切削力学、 切削温度和已加工表面形成等都有其不同的特征和规律论文针对高速铣削航空 铝合金7 0 5 0 - t 7 4 5 1 加工变形理论和表面特征形成进行了系统的理论和实验研究， 为航空制造业高速切削加工的推广和应用提供重要的理论依据和技术支撑。 建立准确的高速切削加工工件材料动态力学性能是研究切削变形理论和切削 过程模拟仿真的重要基础，然而仅依赖单纯的材料实验很难获得其符合切削加工 过程的动态力学性能。根据常规动态压缩( s i 珀b ) 材料实验研究应变、应变率、 温度对流动应力的影响趋势，证明经验j o h n s o n - c o o k 本构模型对铝合金 7 0 5 0 - t 7 4 5 1 力学性能具有较好的适应性。针对高速切削加工“高温”、“高应变”、“高 应变率”的特点，提出正交切削实验法对铝合金7 0 5 0 - t 7 4 5 1 高速切削加工中的变 形行为，剪切流动应力、应变，应变率等特性及相互影响规律进行研究；对实验 结果进行回归计算，建立高速切削加工铝合金7 0 5 0 - t 7 4 5 1 的本构方程以主切削 力为目标，实验与模拟结果验证了正交切削实验法建立高速切削加工材料本构方 程的可行性和可靠性。 研究了高速铣削铝合金7 0 5 0 t 7 4 5 1 时的切屑形成机理、切削变形关系、切削 力学、摩擦系数等切削基础理论，主要包括：1 ) 利用位错理论研究了切屑形成微 观机理，从微观角度对变形区进行了更精确的重新划分，增加了刃前变形区和位 错压缩变形区；2 ) 建立不同刀具铣削加工的铣削力经验模型，研究切削参数对铣 削力的影响，结果证明9 0 0 m m n 为7 0 5 0 - t 7 4 5 1 进入高速切削的临界速度；3 ) i x 山东大学博士学位论文 利用正交直角车削实验获得切削分力计算得到前刀面的平均摩擦系数，研究切削 速度对摩擦系数和摩擦角的影响趋势。最后，基于快速落刀实验和有限元仿真结 果对高速切削剪切角模型的进行修正，综合考虑工件材料和切削速度对剪切角的 影响，建立适用于铝合金7 0 5 0 t 4 5 1 的高速切削加工的切削方程式。 建立了高速铣削加工过程的三维几何模型，基于有限变形理论的热力耦合理 论方程和模拟中的关键技术，对铝合金7 0 7 0 - t 7 4 5 1 的三维斜角切削加工进行模拟 仿真对切肖过程中切屑形成过程和应力场、应变场、温度场等物理量分析和研 究，证明了高速切削加工中在工件表面形成的不均匀、高强度的热力耦合应力场。 ； l | 用切削力实验，与模拟切海过程中初始阶段和稳态过程中的切削力变化规律进 行了对比，验证了三维斜切削加工有限元模型的准确性，为课题后续实验研究和 理论分析提供量化的依据。 高速铣削航空铝合金时，已加工表面形成的宏观和微观特征与普通铣削有较 大不同。以高速铣削实验为依据，建立高速铣削铝合金7 0 5 0 - t 7 4 5 1 的加工表面表 面粗糙度模型，研究切削参数对表面粗糙度的影响；基于加工表面硬化形成机理， 结合表面显微硬度实验，研究材料的硬化程度与硬化层深度，建立铝合金 7 0 5 0 - t 7 4 5 1 表面硬化程度与硬化层深度的模型；分析了残余应力的产生机理和热 力耦合对工件表层残余应力的影响：通过摩擦磨损实验，研究不同切削参数得到 的加工表面的摩擦与磨损特性，证明了高速切削加工不仅可以获得优于低速加工 表面质量，零件的耐磨性等性能也有显著提高。 利用显微观察方法( s e m 、m ) 对铝合金7 0 5 0 - 1 7 4 5 1 高速铣削加工的工 件表面断面和不同深度的表层的微观形貌特征进行系统的研究，确定了高速切削 加工铝合金7 0 5 0 - t 7 4 5 1 的表面变质层深度为3 0 - - - 3 5 朋；应用位错能量研究了高 速铣削加工过程的热力耦合对变质层的影响机理，并通过微观形貌观察证明：与 普通切削相比，高速铣削表层塑性变形的能量和位错密度更高；建立了位错密度 的加工硬化的动力学模型，研究了加工硬化的热力耦合形成机理：对微观裂纹的 形成机理进行了理论分析，证明位错密度高的高速切削过程中较低速加工更容易 产生明显的微裂纹，从分子级乃至原子级的水平进一步揭示高速切削加工表面变 质层的形成特征 本课题得到国家自然科学基金重点项目“大型航空整体结构件加工变形机理 及精度保障技术( 5 0 4 3 5 0 2 0 ) ”的支持。 关键词：高速切削；铝合金7 0 5 0 - 1 7 4 5 1 ；本构方程；切削变形理论；表面特征 x a b s t r a c t l i g hs p e e dm a c h i n i n go i s m ) i so n eo ft h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i 瞄 a n dh a sb e e nb e c o m et h ei m p o r t a n tt r e n do fm o d e mm a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya n dh a s w i f i ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sb e c 羽l s eo fh i g h e r p r o d u c t i o ne 伍c i e n c y , h i g h e rm a c h i n i n g a c c u r a c y , h i g h e rl r i r f a c ef i n i s h , a n dl o w e rp r o d u c t i o nc o s t s i n c et h ei n d u s t r i a l i z a t i o n a n dg e n e r a l i z a t i o no f h s mi nt h ee n d o f 2 0c e n t u r y , i th a sa l r e a d yb e e nw i d e l ya p p l i e d 纽a v i a t i o n , a u t o m o b i l e , d i e sa n dm o l d si n d 蕊e sc 七a n do b t a i n se n o 芏】丑o l l se c o n o m c e f f e c t s a v i a t i o nm a n u f a c t u r ei n d u s t r yi st h ee a r l i e s ta n dc o m p r e h e n s i v ei n d u s t r yi n a p p l y i n gh i 业s p e e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g y i n s t e a d o fc o n v e n t i o n a lw e l d i n g c o m p o n e n t s m a n ym a i nf r a m ep a r t sa r ct h el a r g e - s c a l ei n t e g r a t e dp a r t st og e te x c e l l e n t i i g i d i t y , w h i c hn e e dh i 班m a t e r i a lr e m o v a lr a t e , h i 曲s u r f a c ef i n i s ha n dl o n gm a c h i n i n g p e r i o d s ot h ea p p l i c a t i o no fh s m w i l lp e r f e c tm e e tt h e s er e q u i r e m e n t sa n d i m p m v e t h ee 伍c i e n c ya n dm a c h i n e dq u a l i t yi nt h em a c h i n i n go fl a r g e - s c a l ei n t e g r a t e dp a r t s 丽t ht h i n - w a l l e d , c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e sa n dh i 曲m a c h i n i n ga c c u r a c yi na i r c r a f t h o w e v e rb a s i ct h e o r i e so fm a c h i n i n g , d e f o r m a t i o nt h e o r ya n ds u r f a c ef o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e dm a c h i n i n g 批d i f f e r e n tw i t ht h o s ei nc o n v e n t i o n a l m a c h i n i n g i np r a c t i c a lo p e r a t i o n s , t h e r e & r en 1 1 1 n e r o u sn o wp r o b l e m sr o s i n sf o rb o t h t e c h n i c a la n dt h e o r e t i c a la s p e c t sw h i c hn e e dt ob eu r g e n t l ys o l v e d t h en o n - u n i f o r mt h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l i n gi n t e n s es t r e s sf i e l d sa r eo c c u r r e di n w o r k p i e c e sa d j a c e n tt om a c h i n i n gr e g i o nd u e t ot h ea c t i o no f t h ed e f o r m a t i o no f h i g h s t r a i nr a t es p e e da n dt e r a t o l o g yi nh i 曲s p e e dm a c h i n i n gb e t w e e nt o o la n dw o r k p i e c e i nh s m t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o ws t r e s s ，c h i pf o r m a t i o n , 饥r i n gm e c h a n i c s , c u t t i n g t e m p e r a t u r ea n dm a c h i n e ds u r f a c ef o r m a t i o na r ed i f f e r e n t w i t hc o n v e n t i o n a l m a c h i n i n g t h et h e o r e t i c a l ，e x p e r i m e n t a la n da p p l i c a t i o nr e s e a r c h e s0 1 1d e f o r m a t i o n t h e o r i e sa n di m r f a c ec h a r a c t e r i s t i co fh i g h s p e e dm a c h i n i n ga l u m i n u ma l l o y 7 0 5 0 - t 7 4 5 1w e r ec a r d e do u ts y s t e m a t i c a l l yi no r d e rt op r o v i d er e l i a b l ea n d i m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lm e t h o d s a c c u r a t e l ym e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c m o d e l o fw o r k p i e c ei nh i g h s p e e d m a c h i n i n gi si m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o rm a c h i n i n gs i m u l a t i o na n da n a l y z i n gm a c h i n i n g f o r m a t i o np r o c e s s 、i t ha n a l 舛c a l0 1 f e mm e t h o d s h o w e v 盯t h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i cm o d e lw i t hh i 曲s t r a i nr a t ea n dl a r g es t r a i ni nh i g hs p e e dm a c h i n i n gi s v e r yd i 伍c u l tt ob eo b t a i n e dj u s tb ym e i so fo n l yc o n v e n t i o n a lm a t e r i a lm e t h o d t h e x 1 e m p i r i c a lj o h n s o n 伽kc o n s t i t u t i v em o d e li sp r o v e dt ob em u c ha d a p t a b l ea n d c o m p a t i b l et h a no t h e re m p i r i c a lm o d e l sf o ra l u m i n u ma l l o yb yt h er e s u l t so fh i 曲 t e m p e r a t u r es p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a rc o m p r e s s i o nt e s t 1 1 坞o r t h o g o n a lm a c h i n i n g m e t h o d sw a sp r o p o s e dt ob u i l dc o n s t i t u t i v em o d e la n dr e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i po f s h e a rf l o ws t r e s s ，s h e a rs t r a i na n ds t r a i nr a t ei nh i g hs p e e d m a c h i n i n g t h ec o n s t i t u t i v e m o d e lf o ra l u m i n u ma l l o y7 0 5 0 - t 7 4 5 1w a se s t a b l i s h e da n di n p u tt of e ms i m u l a t i o n s o f t w a r ea sm a t e r i a lm o d e l t h eo u t p u tv a l u e so f c u t t i n gf o r c eb e t w e e ne x p e r i m e n ta n d s i m u l a t i o na r ec o m p a r e d , t h er e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e dm o d e lw i t ho r t h o g o n a l c u t t i n gt e c h n i q u ei sv a l i da n dr e h a b l e i n v e s t i g a t i o n so nt h eb a s i ct h e o r yo fd e f o r m a t i o nf o rh i 【g hs p e e dm a c h i n i n g 7 0 5 0 - t 7 4 5 1a l u m i n u m a l l o ya r ec o n d u c t e d , i n c l u d i n gc h i pf o r m a t i o n , c u t t i n g m e c h a n i c s , f r i c t i o nc o e f f i c i e n t , e t c t h ec o n t e n t sm a i n l yi n c l u d e s ：1 ) t h em i c r o c o s m i c m e c h a n i c so f c h i pf o r m a t i o nh a sb e e ns t u d i e d , a n dt h ed e f o r m a t i o nz o n e so f f r o n te d g e a n dc o m p r e s s i o no f d i s l o c a t i o na r ea d d e da f t e rt h ed e f o r m a t i o na r er e - d i v i d e di n t of i v e z o n e sw i t hd i s l o c a t i o nt h e o r yi no r d e rt o d e s c r i b i n gd e f o r m a t i o na c c u r a t e l yi n m a c h i n i n g 2 ) b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a la p p r o a c h e s ，t h em i l l i n gf o r c e e m p i r i c a lm o d e l so f t h r e ek i n d so f t o o l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d 1 1 m i l l i n gp a r a m e t e r s e f f e c to nm i l l i n gf o r c ew a ss t u d i e d , t h er e s u l t sp r o v et h a tt h ec r i t i c a lv a l u eo fh i g h s p e e df o r7 0 5 0 - t 7 4 5 1i s9 0 0 m r a i n 3 ) t h ea v e r a g ef r c t i o nc o e f f i c i e n tw a so b t a i n e d b yt h eo r t h o g o n a lc u t t i n gf o r c et e s t s , i n 毯g hs p e e dm a c h i n i n gt h ev a r i o u st e n d e n c yo f f r i c a t i o nc o e f f i c i e n ta n df r i c a t i o na n g l ew i t hc u t t i n gs p e e dh a v eb e e ns t u d i e d a tl a s t c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fw o r kp i e c ea n dc u t t i n gs p e e dt h en 州s h e a ra n g l em o d e lo f a l u m i n u ma l l o y7 0 5 0 - 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m e c h a n i c a lc o u p l i n gd e f o r m a t i o nt h e o r y , t h e w o r k - h a r d e n i n gs h i l i t ya n dd e p t ho fh a r d n e s so fs u r f a c ei nh i g hs p e e dm a c h i n i n g a l u m i n u ma l l o y7 0 5 0 - 1 7 4 5 1a r er e s e a r c h e d i nd i f f e r e n tc u t t i n gc o n d i t i o n st h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ff r i c t i o n a lw e a rp e r f o r m a n c eo fs u r f a c es h o wt h a tt h em a c h i n e d s l l r a c i nh i g hs p e e dm i l l i n gh a s1 1 i g b e r 鲫n h q u a l i t ya n db e t t e rp e r f o r m a n c eo f w e a r - r e s i s t i n gt h a nt h a ti nc o n v e n t i o n a lm a c h i n i n g 1 1 地c h a r a c t e r i s h co f m a c h i n e ds u r f a c eo f h i g hs p e e dm a c h i n i n ga l u m i n u ma l l o y 7 0 5 0 - t 7 4 5 1i sr e s e a r c h e db ym i c r o g r a p h i ce x p e r i m e n t s ( s e ma n d 明孙oa n da n a l y s i s 耽ef o r m a t i o nm e c h a n i c so fm a c h i n e dm e t a m o r p h i s ml a y e rh a sb e e na n a l y z e da n d s t u d i e d t h e d i s l o c a i o n - e n e r g ym o d e l i nm a c h i n e d m e t a m o r p h i s ml a y e rw a s e s t a b l i s h e da n da p p l i e dt oe x p l a i nt h em i c r o s r a p h i cm e c h a n i c sw o r k - h a r d e n i n gu s i n g t h et h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p u n gd e f o r m a t i o nt h e o r ya n dd i s l o c a t i o nt h e o r y m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r a c t i o no fh i g hd i s l o c a t i o nd e n s i t ye f f e c to i l h a r d e n i n gi sm o r cr e m a r k a b l et h a nt h a to f t h e r m a ls t r e s si nh i g hs p e e dm a c h i n i n g n e p r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( o r a n t n m n b e r5 0 4 3 5 0 2 k e y w o r d s ：h i g hs p e e dm a c h i n i n g ；a l u m i n u ma l l o y7 0 5 0 - t 7 4 5 1 ；c o n s t i m t i v ee q u a t i o n ； m a c h i n i n gd e f o r m a t i o nt h e o r y ；c h a r a c t e r i s t i c so f m a c h i n e ds u r f a c e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识至4 本 声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：刍盗 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：厶刍! 盗导师签名： 第1 章绪论 i i 第1 章绪论 高速切削作为先进制造技术的一项全新的共性基础技术，已经成为现代切削 加工技术的重要发展方向，具有广阔的市场应用前景高速切削技术具有的高生 产效率、加工精度、表面质量和低生产成本等优点，在航空航天、模具、汽车等 领域得到越来越广泛的应用，尤其是在高材料去除率的航空整体结构件加工中， 更能体现出其独特优势本章阐明课题的研究背景与意义，综述国内外的研究现 状，指出存在的问题，介绍论文的研究框架与主要研究内容 1 1 研究目的及意义 航空航天制造业是制造业最为重要的组成部分之一，是高新技术最为富集的 产业，代表了一个国家最高制造业水平和和技术实力我国近年来在航空航天领 域获得了较快的发展，“神五”和“神六”载人航空飞船的成功研制，标志我国航 空航天事业进入了一个快速发展的阶段。大量新材料、新技术首先在航空制造业 得到应用，为了降低飞机自重，提高结构强度，一些大型复杂结构零件，尤其是 主承力结构件( 如飞机的大梁、隔框、壁板等) 普遍采用了整体化结构设计。对 此类航空整体结构件实现高效、高精度、高质量加工，离不开高速切削加工技术 的相关理论的研究作为技术支撑。 高速切削技术以高切削速度、高进给速度和高加工精度的独特优势，始终受 到各工业发达国家的重视，相继投入大量入力、财力、研究开发和推广应用高速 切削技术及相关技术1 d 】。尤其是2 0 世纪9 0 年代以后，大功率高速主轴单元【锎， 高性能伺服控制系统i v s 和超硬耐磨和耐热刀具材料1 9 - 1 3 等关键技术的开发，成批 的高速切削加工机床和各种新型高速切削刀具等投入市场，高速切削加工技术在 航空制造业【1 7 】、汽车t 1 1 1 - 2 1 1 、模具行业被广泛推广和应用，取得良好的经济效益 和社会效益。 作为复杂的系统工程和综合技术，需要高速切削加工基础理论【珏矧及工艺 2 9 - 3 4 1 、高速切削加工机床技术( 包括机床结构设计和制造0 4 - 弘1 、高速主轴单元、 快速迸给系统期、高性能c n c 系统【3 s 剪j 等) 、高性能刀具材料及刀具设计制造技 术等多项技术合理集成高速切削加工技术诸多工艺理论和设备等硬件的均衡发 展是高速切削加工技术的广泛推广和应用的前提，以加工的高效率、高精度、低 成本、低污染、短生产周期为i + 1 标，其研究体系p , o l 如图1 - 1 示 一一- - t i 一 图1 - 1 高速切削加工的研究体系 目前从我国高速切削加工的设备而言，在航空航天、汽车等领域许多企业先 后配置了具有2 0 世纪9 0 年代先进水平的数控机床和加工中心，高速精密加工中 也大量采用进口刀具，设备与刀具的硬件条件与国外同行相比差距不大，然而加 工效果往往达不到国外的水平。究其原因是由于我国长期以来忽视高速切削加工 基础理论和加工技术【4 l 】、加工工艺的研究和积累，缺乏高速切削生产中稳定的可 靠的基础理论支撑，巨资购买的设备不能发挥其优越性，限制了我国制造业的更 快发展。 传统的切削理论不能完全适用在高速切削系统中，必须建立适应高速切削加 工技术的新理论和研究方法。因此，高速切削加工技术的推广和应用不仅牵涉到 技术、设备应用的诸多问题，更多的是基础理论与机理研究方面的问题。因此高 速切削加工中的工件可切削加工性、高速切削变形、切屑形成机理、切削力、切 削温度、高速摩擦学和刀具磨损、破损等高速切削基础理论的研究是是推广应用 高速切削的前提与关键。 切削加工过程中切削区的局部切削热、切削力和接触面的剧烈摩擦等造成的 剪切滑移变形、不均匀的弹塑性变形及高梯度的表面温度均使已加工表面层发生 变化。表面层的形成特征会直接影响零件的接触剐度、耐磨性、耐腐蚀性、疲劳 强度等性能，获得所要求的表面加工质量，必须对已加工表面层的形成机理和切 削条件对表面质量的影响进行系统的研究。从宏观和微观的角度对表面层形成特 征，包括表面粗糙度、表面层加工硬化和表面层残余应力的性质等指标进行深入 的分析和研究。 综上所述，本课题的主要目的是针对目前高速切削加工航空铝合金实际生产 第1 章绪论 ii= 中存在的问题，航空铝合金7 0 5 0 - t 7 4 5 1 的切削加工性和切削加工力学性能为基 础，通过对高速切削过程中切削机理与变形的分析，深入研究在热力耦合不均匀 应力场的影响下，宏观和微观的表面层形成特征的机理与影响因素迸一步揭示 切削参数与加工表面形成特征之间的关系，为航空制造业的高速切削加工技术的 推广和应用提供可靠的、科学的依据和技术支撑。 1 2 航空铝合金的高速切削加工应用现状 随着现代飞机、航天器性能要求的不断提高，许多骨架零件尤其是主承力结 构件( 如飞机的大梁、隔框、壁板；火铙的整流罩、舱体和战略武器战斗部壳体 等【4 2 1 ) 普遍采用由大型整块毛坯直接“掏空”而加工成复杂槽腔、筋条、凸台和 减轻孔等整体结构件。整体结构件体积大、壁薄、刚度差、易变形、切削加工余 量大。加工周期长，加工质量和精度很难控制，对此类航空整体结构件实现高精 度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面i 临的一个重要课题。分 1 2 1 航空铝合金的性能与应用 铝合金强度和硬度较低，且导热系数高，切削温度有限，化学磨损很小，易 于高速切削加工，是飞机和航天器轻量化的首选材料。虽然复合材料在飞机机体 上的使用比例有逐年增多的趋势，但是铝合金仍航空制造业的主要材料，占总量 二 的4 0 以上，在民用客机占5 0 以上，军用飞机结构上的用撮为4 0 6 0 ，在 最新型的b 7 7 7 客机上，铝合金也占机体结构质量的7 0 以上f 4 3 】，如图1 - 2 。 a ) b - 7 6 7”亚音速飞机 图1 2 大型民用客机材科构成质量比 按生产工艺铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类，变形铝合金包括防 锈铝合金、硬铝合金及锻造铝合金按照性能特点可分为高强度合金、高抗腐蚀 性合金和高耐破坏性合金。航空工业上应用的主要是a i - c u - m g 系合金与 山东大学博士学位论文 a l z n - m g - c u 系合金作为结构材料，我国的牌号为l f 、l y 、l c 和l d ，美国为 1 x x x - 7 x x x 系列。飞机各部位的不同铝合金类型牌号，如表1 - 1 所示。 表1 - 1 飞机各部位的不同铝合金类型牌号 应用部位 应用的铝合金 机身蒙皮 2 0 2 4 - t 3 ，7 0 7 5 - 1 6 ，7 4 7 5 - t 6 机身桁条 7 0 7 5 矗6 7 0 7 5 矗1 3 t7 4 7 5 - 1 7 6 7 1 5 0 丑 机身框架和隔框2 0 2 4 _ | t 3 ，7 0 7 5 - t 6 ，7 0 5 0 - t 6 机翼上桁条7 0 7 5 - 1 6 ，7 1 5 0 - 1 6 ，7 0 5 5 朋，7 0 5 0 7 机翼下壁板2 0 2 4 t 3 ，7 0 7 5 1 6 。7 1 7 5 - t 7 3 尾翼2 0 2 4 t 3 ，7 0 7 5 - 1 6 ，7 0 5 0 - t 7 6 1 2 2 航空铝合金的高速切削加工现状 高强度铝合金虽具有良好的可切削性，但航空制造业对零件精度、质量以及 加工效率的高要求，对航空铝合金的高速切削加工研究，尤其是高速铣削加工一 直受到广泛的关注。 高速铣削首先在法国达索公司采用，波音公司等也相继引进了高速铣削机床， 这类机床的主轴转速超过1 0 0 0 0 r i m ，主轴功率在2 0 k w 以上。主要用于飞机零件 的制造中的铝合金整体结构件、薄层的腹板件的加工。发达国家对航空制造业 中高速切削技术的应用十分重视，9 0 年代中后期，因为高速切削机床技术的发展 和进步，目前发达国家的飞机制造商已经实现了高速、高效数控加工。目前航空 铝合金的高速切削加工已经达至l j 4 5 】；主轴转速1 0 0 0 0 3 5 0 0 0 r m i n ，进给速度1 0 2 0 r e r a i n ，切削速度1 5 0 0 6 0 0 0 m m i n ，材料切除率高达6 0 0 0 8 0 0 0 c m 3 m i n ，刀具 寿命6 0 9 0 m i n 。 但我国的航空工业制造就技术水平从总体上起步较晚，仍以传统的制造工业 为主，水平不高。在飞机整体薄壁结构件的制造方面，对工艺技术的改进不多， 沿用传统的铝合金零件加工编程方法，部分加工的技术人员习惯采用原有的切削 工艺与主轴转速进行加工。按照我国传统的对铝合金零件的典型采用主轴转速 1 5 0 0 - 1 8 0 0 r m i n ，进给速度3 5 0 5 0 0 m m m i n ；对细长薄壁结构件加工时，则采用 更低的主轴转速6 0 0 - 8 0 0 r r a i n 和进给速度1 0 0 - 2 0 0 m m m i n ，尽管实际生产的机床 设备，可以达到更高。在航空制造业中较为突出，部分高速数控仍按普通数控机 床一样使用，没有发挥出潜在高速、高效、高精度的生产能力，部分数控机床的 第l 章绪论 主轴转速和进给速度的能力仅被利用2 0 3 0 。 近几年我国航空飞机制造业发展较快，几大飞机制造企业花费巨资引起了先 进的大型高速加工中心。设备的先进性与自动化水平已经与发达国家基本相当。 目前国内的高速切削的应用水平已达到嗍：主轴转速8 0 0 0 2 4 0 0 0 r m i n ，切削速 度1 0 0 0 1 5 0 0 m r a i n ；进给速度1 5 m m i n ，个别达l o m m i n ：材料切削切除率 4 0 9 0 c m 3 m j n ；刀具直径多数不