加工航空材料用的先進刀具

 航空工業用材料的特點是要求質量輕，在高溫和低溫條件下比強度高、綜合性能好、化學穩定性好。為此目的，人們開發了許多新材料。當代作為金屬航空材料有鋁合金、鈦合金、超級耐熱合金；作為航空用復合材料的有CFRP（碳纖維復合材料）等。它們大多數都是難加工材料。以先進的美國波音飛機為例，三十年間，原有的747型飛機目前已發展到787型，其機體部分材料構成為：開始廣泛使用的鋁合金由81%降為20%，鋼由13%降為5%，而鈦合金由4%增加到15%，復合材料則由4%大幅度增加到50%。同樣，歐洲的Z新型空客A350XWB現鋁合金只占20%，鋼僅占7%，而鈦合金增至14%，復合材料更高達52%。在噴氣發動機中，低溫低壓部分一般用鈦合金（Z近也有部分使用復合材料CFRP）。高溫高壓部分多用鎳基等超級耐熱合金如Inconel 718、Hastelly、Waspaloy、Rene 41等。

       屬于難加工金屬材料的鈦合金和超耐熱合金，難切削程度若以含硫易削鋼易削指數為100計，奧氏體不銹鋼為45，鈦合金中的Ti-6Al-4V為26，Inconel 718為12，Rene 41則在5以下，可知難削性依次以2倍多的比例增加。

       鈦合金及其加工特性為：

       （1）切削過程中生成的切削熱高，且導熱性差（約為鋼的1/7，鋁的1/16），從而使溫度集中在刀尖刃口，常高達1000℃以上，故易使機床刀具因高熱而損傷；

       （2）鈦合金彈性模量小，切削受力后，彈性恢復，會加劇刀具前后刀面的摩擦，進一步增加切削溫度，加速刀具磨損，還易發生振動；

       （3）易加工硬化，且自身化學活性大，易與空氣中氧等反應，使表面變硬，加劇數控刀具的磨損；

       （4）鈦與耐熱合金的切屑易粘結在非標刀具上，在加工中粘結物被持續的后加工強制除去時，刀具會造成粘結損傷，而降低刀具壽命。

        Z廣泛使用的鈦合金是α-β相的Ti-6Al-4V。波音787用的鈦合金是β相的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr，更難加工。鎳基超耐熱合金及其加工特性為；其含合金成分比例多，合金元素與碳構成各種碳化物和復雜碳化物，這些碳化物不溶于合金，而是以極細顆粒形式彌散分布在晶界，強化晶界，阻止在外力作用下滑移，使得合金顯示超強硬的性質，比強度大，要加工它們，必須作更大的功，產生更多的熱。導熱性又差，切削中生成的熱量不易排出，使溫度更高。鈦合金的難加工特點許多在超耐熱合金中顯示得更劇烈，其機械、粘結、擴散和氧化磨損更嚴重，因此它們比鈦合金更難以加工。

       為開發鈦合金與超耐熱合金加工用的優秀刀具，應該研究改善影響切削力、熱的各因素，提高冷卻效果，使切削力、熱下降，熱加快導出；提高工藝系統各部分剛性，以抑制振動；減少粘結，加速排屑等。這些原則如何在切刀、立銑刀、面銑刀、鉆頭具體設計、選材和切削條件設定上落實，以國外的SIMTEK、SGS公司為例，說明如下：

 先介紹他們為此開發的新材料和涂層。德國SIMTEK公司開發了車削內外槽的GT45、FT45、HT45、GX79。用于銑槽的GT42和GT79。它們既可用于鈦合金也可用于超耐熱合金的加工。美國SGS公司開發了特殊涂層Ti-NAMITE-A(AlTiN)，由于其特殊的沉積技術與組織結構，加工鈦合金和超耐熱合金取得了很好效果。另一種Ti-NAMITE-B(TiB2)涂層，硬度達到HV4000，可用于加工鋁硅合金。他們用于制造刀具基體的材料都是超微粒硬質合金，加以獨自開發的專用涂層，實現了硬度和韌性綜合機械性能的進一步提高。

       航空發動機零件上有許多槽，加工它們需要性能優異的切槽刀。槽加工由于三面受力，切削阻力大，切削熱高，散熱、冷卻、排屑、剛性等條件差。德國SIMTEK公司開發了多種V形塊定位夾緊模塊化結構，大大提高了刀片的安裝剛性。它們除可加工各種槽外，換上別的刀頭還可以加工各種孔、不同標準的螺紋。這對航空零件整體制造、保證在一次安裝中能加工出許多表面、要求保證相互位置精度高的零件非常有利。針對航空難加工材料（包括鈦合金和超耐熱合金），SIMTEK公司的優質刀片材料車削切槽時，切削鈦合金為60～110m/min，切削鎳基耐熱合金為30～50m/min。車削切槽所用刀片對應不同的加工有適合的斷屑槽。

       對一般的立銑刀而言，刀齒的進入、退出是周期性的，這可能形成破壞性的簡諧振動，并進而造成整個刀具的共振損傷。美國SGS公司由于他們的專利特色設計，其多款立銑刀很大程度上抑制了加工中的振顫，如Z-CARB-AP型除具有不等齒槽螺旋角外，齒槽間的間距也不等，還具有專利的可變前角結構等，從多方面來抑制振動，減少并穩定切削力，使加工質量、效率、刀具壽命均得以提高。它們加工鈦合金的切削速度為91～104m/min，加工超耐熱合金（硬度≤300）的切削速度為24～30m/min。

       Z-CARB-AP型立銑刀、Z-CRAB-HTA系列立銑刀則專門針對高溫合金的加工進行了獨特的幾何形狀設計，也具有獲得專利的多種螺旋槽?？勺兊穆菥嗫梢种浦C振，其螺旋角較大，從而改善對耐熱合金的剪切和切離功能，也使加工的平衡和穩定性得以提高，又精心設計了其芯部結構，使它在嚴酷的加工環境中提高了強度和剛性。在工件硬度≤300時，切削速度達27～40m/min。硬度≥300時，切削速度達24～37m/min。

    V-CRAB五刃立銑刀由于具有奇數刃、變化的齒距和齒形，可降低諧振，提高加工光潔度，減少切削力，增強剛性，提高生產效率。奇數多刃齒的立銑刀若再增加齒數（例如增加到7刃、9刃、11刃等），除保持上述優點外，因為每分鐘的進給量F=N（每分鐘轉數）×fz(每刃齒進給量)×Z（刃齒數）。因刃齒數的增加，直接按比例增加了每分鐘進給量與生產效率。

       多刃齒立銑刀一般齒槽多，但齒槽淺，芯部較粗，刀具剛性高，加工精度、穩定性、刀具壽命均得以改善。SGS的許多立銑刀都采用獲得專利的冷卻射流技術，通過可中心供冷卻液的機床主軸，使冷卻液沿立銑刀外四條相互成90°油槽和螺旋槽一直通達切削部位。它能更好地實現冷卻效果，保持恒定、適當的切削溫度，防止過熱，減少黏附和積屑瘤，提高切削速度和刀具壽命，加速排屑，防止切屑損傷工件，并提高加工精度和表面質量。SGS公司有一種Hi-PerCarb高性能雙刃帶鉆頭，其特點是：由于在原螺旋槽外，刃背再開出一條螺旋槽而構成雙刃帶，雙刃帶結構使導向、定心點增多，加工穩定性高，冷卻液暢通，冷卻性能好，排屑性能大為提高，切削熱生成少，加工表面光潔度高，刃口的特殊處理保護了刀刃。頂部螺旋槽構成的前刀面上磨出的兩凹槽，修磨了橫刃，能分斷切屑，增大進給能力，減少軸向力。鉆頭表面有耐高溫特殊的Ti-NAMITE-A(AlTiN)涂層，可提高切削速度，進行高效加工。它除適合航空難加工材料鉆削外，也適合一般鋼、鑄鐵、不銹鋼的鉆削。其加工精度高，很多情況下，可省去鉸孔工序。在普通設備上可方便地進行磨損后的再重磨。

 復合材料是兩種或兩種以上不同特性材料組合起來，使之成為某種特定性能的材料。其基體材料常用樹脂、陶瓷、金屬等。增強材料則主要是纖維材料。過去玻璃纖維用得很多，它們和樹脂復合構成的GFRP，被稱為玻璃鋼。還有芳綸復合材料AFRP用得也很多。當今以特殊熱處理工藝制成微細碳結晶而構成的碳纖維，因其質輕又具有優良的性能，應用日益廣泛。常用的碳纖維復合材料CFRP是以碳纖維為增強材料，以環氧樹脂等為基體材料構成。碳原子固有的特性是低密度、低熱膨脹率、耐熱性好、化學穩定性好、自潤滑性好。CFRP硬度高（HRC53～65）導熱性差（導熱性僅為奧氏體不銹鋼的1/5～1/10）。但它的比強度、比剛度高，抗疲勞性好，耐熱性好。切削加工時，由于其導熱性差，局部熱量集中，易發生燒傷，由于各向異性、層間強度低，加工中易產生分層、撕裂、毛邊、表面質量差等缺陷。再加上切屑為粉塵狀，污染環境，危害人體健康。故屬于難加工材料。

       碳纖維等復合材料與金屬的切削原理和過程不同。金屬切削是切刃切入，使被切金屬產生剪切滑移形成各類切屑的過程，而碳纖維復合材料是通過鋒利的刀刃去強制折斷纖維和切斷環氧樹脂層。纖維如磨料反過來摩擦磨損刀具。碳纖維復合材料主要用在飛機機體，故它的加工多為鉆削、銑削。鉆削通常用的麻花鉆由于頂部存在橫刃，橫刃不產生切削作用，只是擠壓滾卷纖維，是鉆削軸向分力和切削熱的主要來源。再加上碳纖維復合材料導熱性極差，很容易造成燒傷。

       SGS公司的120系列8面4刃雙刃帶特殊鉆頭，載荷分配平滑均勻，加工精度高，加工表面質量好，鉆孔進出口處分層、起毛很少，磨損磨蝕小，鉆頭壽命長。特別再加上金剛石涂層Di-NAMITE，加工質量更高、壽命更長。

       SGS公司的20-CCR系列是專為加工航空碳纖維材料而設計開發的立銑刀，在大多數情況下，可降低甚至消除纖維破裂，減少分層剝離。它有公制、英制兩種。公制的直徑有6～12mm。刀齒有帶金剛石涂層Di-NAMITE的和不帶涂層的兩類。

       SGS公司在復合材料精銑加工方面，還有一種獨特結構的25系列立銑刀。此系列立銑刀同時具有左、右螺旋槽和由它們形成的兩圓周刃。由于左、右螺旋對工件作用力相反，原有的拉扯力量被壓縮力量抵消，Z大限度地減少了復合材料加工中出現的分層、毛邊等損傷。它還帶有金剛石涂層Di-NAMITE，進一步提高了立銑刀的硬度和耐磨。