（西安外事学院，陕西西安 710077）

钛合金以其强度较高、机械性能良好、抗腐蚀性强等优势特性，是航空构件生产制造选用主要材料，同时也是难加工材料。随着高性能涂层材料与刀具衍生，航空钛合金加工技术也得以优化提高。然而，在钛合金材料性能提升与结构日益复杂的趋势下，结构构件加工面临着加工效率、刀具使用寿命、表层质量等各式各样的问题。与此同时，碳纤维增强复合材料在航空领域中的应用愈发广泛[1]。为切实避免航空构件铣削与钻削加工缺陷，本文面向碳纤维增强复合材料与钛合金材料相互胶合，基于加工特性，有效解决了切削加工共性问题，克服了粘刀、层间剥离、刀具寿命等技术难题，以刀具结构与涂层材料优化，实现了构件优化设计，满足了批量生产需求。

1 加工机理

1.1 铣削

碳纤维增强复合材料切削加工机理不同于金属材料，在切削材料去除时，碳纤维符合增强复合材料并不会出现金属材料切削的塑性变形与剪切流动材料变形，材料去除一般是在挤压、剪切与拉伸作用下，出现脆性断裂现象，这是由碳纤维材料属性所导致，碳纤维在出现小程度变形时，便会发生脆性断裂。而碳纤维增强复合材料铣削时，纤维方向明确为刀具进给速度方向，沿逆时针与纤维方向构成的夹角，纤维切削角明确为刃口切削速度方向沿着逆时针与纤维方向构成的夹角，而切削角则主要是由纤维方向角与刀具旋转角共同作用所决定。

在不同纤维方向上，碳纤维增强复合材料加工机理存在显著差异，因为纤维切削角存在，材料表面加工效率与质量具备一定方向性，表层形貌与轮廓会在纤维切削角影响下，出现相关变化。沿着纤维方向切削加工，碳纤维增强复合材料表层加工质量良好，表层轮廓光滑平整。而纤维相反方向切削加工，碳纤维增强复合材料表层质量较差，存在周期波动性表层轮廓，且沿着纤维向朝着构件基体内扩展裂缝[2]。

1.2 钻削

在构件螺栓或者铆接装配之前，需进行钻孔。在碳纤维增强复合材料钻孔时，经常出现材料层离、刀具磨损、孔内表层加工质量等相关问题。其中切削参数、钻头形状、切削力等与分层现象、表层质量息息相关。有学者通过研究明确了分层因子，即损伤区域最大直径与孔直径比率，以此进行分层现象分析，其中因子越大，代表分层现象更加严重；同时，基于试验得知，切削力与分层因素之间密切相关，可通过切削力代表分层程序。就相同钻孔材料，切削速度对于切削力的影响并不显著，因此适度降低出口进给速度，可促使分层因子缩小[3]。

2 航空构件

航空构件选择碳纤维增强复合材料与钛合金相胶合构成的材料，即1300mm×440mm×567mm，由于成型工艺限制，首次成型尺寸超出了设计尺寸。在构件底部、后部、顶部等层面需要进行数控加工，其中后部还需与R2mm 圆角相对接，从而满足设计需求。构件还需在指定位置取样，以确保符合拉伸、压弯、疲劳、孔隙率等不同试件多元化需求[4]。

3 复合加工优化

3.1 涂层材料

通过钛合金加工中极易出现的粘刀问题，刀具操作选择铝、铬、氮类涂层，涂层膜表层经过平滑处理分析，可有效减小切削阻力。通过测试分析，常规刀具的切削阻力控制在750N～1100N，而经过复合加工处理后，刀具切削阻力控制于620N～770N 之间，整体上下降了大约40%[5]。

3.2 刀具结构

就碳纤维增强复合材料加工而言，刀具结构设计原则即，降低甚至抵消轴向切削力。就铣削加工来讲，刀具包含小螺旋角铣刀、直槽铣刀、Burr 铣刀等。针对小螺旋角铣刀，螺旋角较小可促使轴向切削力减少；直槽铣刀铣削不会生成轴向力，所以可在一定程度上减少表面分层；Burr 铣刀齿形相互交错，可有效分散轴向力，减小加工缺陷，提升表层加工效率与质量。

不同于常规材料数控加工刀具，复合材料加工刀具结构需要优化改进，即基于复合材料加工特征，制定了不等角螺旋升角与非对称分屑槽。其中不等角螺旋升角结构，可避免高频率振动，特别是大切削量的功效更突出。通过切削试验件证明，不等角螺旋升角加工稳定性相对更高。

基于航空部件外观特征，加工时不论如何与工装面相贴合，由于需要加工周围轮廓工序，根本不能避免大悬臂特性。就大悬伸量加工环境为载体，选择非对称分屑槽设计，构建位置相互交错的良好形态[6]，具体如图1所示，可有效分散分屑槽顶点负载，从而显著提升耐破损性，还能保障刀具使用寿命。

图1 非对称分屑槽设计的位置相互交错形态Fig.1 The position of the asymmetric chip-dividing groove design is staggered with each other

4 大扭角构件加工

根据航空部件构件特性，针对前后大扭角演变形态，造成空间状态急剧改变，重心不稳，自由形势下，快速下滑，装夹难度较大，所以需据此制定科学有效的装夹方案，以满足装夹力超出切削力的相关标准。航空构件为全形加工范围，需在加工时逐步移动压板，为避免多次移动，需优化设计辅助工装压紧模式。此外，在进行试验时，还需充分考虑批量生产需求。

4.1 制备工装

所谓工装制备主要包括设计、制作、下料、粘料、固化、加工、清根、检测等多个环节。通过数控加工工艺设计模型，依据六点定位原理进行定位模式合理规划[7]，具体如图2 所示。着重注意工装压紧模式，即小压板均布结构优化设计，压点位置、压紧力、压弯角度计算等等。

图2 扭角部件工装Fig.2 Twisted corner parts tooling

制备辅助压板主要包括具体位置如何选择、三维设计、加工、机加等等。通过辅助压板全形加工，选择小压板均布模式，结构简洁，压紧可靠性与稳定性较高，且具备柔性，角度可实时转变，为构件改形加工保留压紧的具体位置。通过辅助压板加工底部，需要将底部面积覆盖超出1/3。此时要求加工精确度最高，所以选择此方案，可提供最稳定压点，且能满足粗加工切削标准。

4.2 建标

根据航空构件理论数据点合理规划制作工装主型面，使用工装建标时，将构件贴模面覆盖于主型面区域，依据基础理论科学设计位置压紧，实时监测构件三向数据变化形势。选择R&R 计算方式，发现变化规律，尤其是需明确悬空点，以此为参考改进工装。同时根据刚性建标理论原理，促使压紧位置演变为硬点，一共包含九个位置。在建标时，应全程观察所有坐标点的变化，其直接影响着航空构件加工的精确度[8]。

4.3 加工

4.3.1 底部

粗加工需保证有效性与及时性，为了避免钛合金材料出现过切现象，可先行测试钛合金材料包边具体位置，设置底部粗加工余量，选用三轴型腔铣模式将底部材料去除清理，余量即3mm。选择五轴型腔铣模式将底部两侧材料去除清理，设置相同余量。同时，底部精加工过程中，需测试钛合金材料详细位置，并合理设置余量，同时选择五轴腔铣进行全形清扫，余量即0.05mm。

4.3.2 后部

粗加工过程中，选择五轴轮廓铣进行材料去除清理，余量即1mm。精加工过程中，选用五轴轮廓铣进行全形去除清理，余量即0.05mm。加工时还需要与R 角顺接，其加工成功的关键在于构件工件坐标系设置的精确性。加工时，需要全过程实时关注压板具体位置，以保障其与数控程序位置相同，还需要切实注重加工时的振动现象，并密切关注压紧装置的科学有效性。

4.3.3 顶部

粗加工过程中，需要对钛合金材料详细位置进行测试，并合理设置余量，选择五轴轮廓铣进行材料去除清理，余量即3mm。精加工过程中，依旧需要对钛合金材料详细位置进行测试，并合理设置余量，以五轴轮廓铣进行材料去除清理，余量即0.05mm[9]。

4.4 取样

航空构件基于扫描、建标、工装、夹持取样，关键在于取样最后一刀控制与后续加工。所谓最后一刀即有效保障取样精确度与安全性，实际上是对压紧方向进行有效控制。设定最后一刀明确于左侧，就需要在左侧高度向保留余量，把其他部位进行全方位加工。而构件右侧则搭接压板，然后进行左侧剩余部分加工即可。其中需注重的是在更换压板时，不可全部松懈，需交替性更换，且实时检查更换之后的整体变化状况，在全部明确后开始动刀操作[10]。

5 结论

综上所述，选择钛合金包覆碳纤维或者与碳纤维相互镶嵌的混合材料构件，以涂层材料与刀具齿形结构改变，进行大扭角装夹与工装夹具优化设计，且充分考虑了批量生产需求。同时，以三坐标方式全尺寸测量构件，结果表明检测数据信息与规定技术要求明确相符。