国外几种先进航空材料加工用刀具

       航空工业用材料的特点是要求质量轻，在高温和低温条件下，比强度高、综合性能好、化学稳定性好。为此，人们开发了许多新的材料。当今可作为航空材料的金属有铝合金、钛合金和超耐热合金。航空用复合材料有CFRP（碳纤维复合材料）等。这些材料大多数都是难加工的材料。

       以先进的美国波音飞机为例，三十年间已从原有的747型飞机，发展到目前的787型，其机体部分材料构成为：开始广用的铝合金由81﹪降为20﹪，钢由13﹪降为5﹪，而钛合金由4﹪增加到15﹪，复合材料则由4﹪大幅度增加到50﹪。同样，欧洲的最新型空客A350XWB使用的铝合金只占20﹪，钢仅占7﹪，而钛合金增至14﹪，复合材料更高达52﹪。

       在喷气发动机中，低温低压部分一般用钛合金，最近也有部分使用复合材料CFRP。高温高压部分多用镍基等超耐热合金，如Inconel718，Hastelly，Waspaloy，Rene41等。

       属难加工金属材料的钛合金和超耐热合金，难切削程度若以含硫易削钢易削指数为100计，则奥氏体不锈钢为45，钛合金中的Ti-6Al-4V为26，Inconel718为12，Rene41则在5以下，可知难切削性依次以2倍多地增加。

钛合金和超耐热合金的特性

       钛合金有以下加工特性：（1）切削过程中生成的切削热高，且导热性差（约为钢的1/7，铝的1/16），从而使温度集中在刀尖刃口，常高达1000℃以上，故易使刀具因高热而损伤。（2）钛合金弹性模量小，切削受力后，弹性恢复，会加剧刀具前后刀面的摩擦，进一步增加切削温度，加速刀具磨损，还易振动。（3）易被加工硬化，且自身化学活性大，易与空气中的氧等反应，使表面变硬，加剧刀具的磨损。（4）钛与耐热合金的切屑易黏结在刀具上，在加工中粘结物被后续加工强制除去时，会造成刀具粘结损伤，降低刀具寿命。最广泛使用的钛合金是α-β相的Ti-6Al-4V。波音787型用的钛合金是β相的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr，更难加工。

       镍基超耐热合金的加工特性：首先，其含合金成分比率多，合金元素与碳构成各种碳化物和复杂碳化物，这些碳化物不溶于合金，而是以极细的颗粒形式弥散分布在晶界，可以强化晶界，阻止外力作用下的滑移，使得合金显示超强硬的性质。其次，比强度大，要加工镍基超耐热合金，必须做更大的功，以产生更多的热。而导热性差，使得切削中生成的热量不易排出，从而让温度达到更高。钛合金许多难加工的特点在超耐热合金中表现得更剧烈，其机械、粘结、扩散和氧化磨损更严重，因此超耐热合金比钛合金更难以加工。

钛合金与超耐热合金加工用刀具

       为开发钛合金与超耐热合金加工用的优秀刀具，应该研究改善影响切削力、热的各因素，提高冷却效果，使切削力、热下降，热加快导出；提高工艺系统各部分刚性，以抑制振动；减少黏结，加速排屑等。这些原则如何在切刀、立铣刀、面铣刀、钻头的具体设计、选材和切削条件设定上落实，下面以国外的SIMTEK和SGS公司为例，进行说明。

       先介绍他们为此开发的新材料和涂层，德国SIMTEK公司开发了车削切内外槽的GT45、FT45、HT45及GX79，用于铣槽的GT42和GT79。既可用于钛合金，也可用于超耐热合金的加工。美国SGS公司开发的特殊涂层Ti-NAMITE-A(AlTiN)，由于其特殊的沉积技术与组织结构，加工钛合金和超耐热合金时取得了很好的效果。SGS公司开发的另一种Ti-NAMITE-B(TiB2)涂层，硬度达到了HV4000，可用于加工铝硅合金。他们用于制造刀具基体的材料都是超微粒硬质合金，加以独自开发的专用涂层，实现了硬度和韧性等综合机械性能的进一步提高。

       航空发动机零件上有许多槽加工需要使用性能优异的切槽刀（见图1）。槽加工由于三面受力，切削阻力大，切削热高，散热、冷却、排屑及刚性等条件差。德国SIMTEK公司开发了多种V形块定位夹紧模块化结构，大大提高了刀片的安装刚性。除了可加工各种槽外，换上别的刀头还可以加工各种孔，以及不同标准的螺纹。这对航空零件整体制造，保证在一次安装中能加工出许多表面，要求保证相互位置精度高的零件非常有利。针对包括钛合金和超耐热合金在内的航空难加工材料，SIMTEK公司的优质刀片材料在车削切槽时，钛合金切削速度为60～110米/分，而镍基耐热合金的切削速度为30～50米/分。车削切槽所用刀片对应不同的加工有各自适合的断屑槽。

图1 SIMTEK的各类切槽刀及常加工的发动机零件

       对一般的立铣刀而言，刀齿的进入、退出是周期性的，这可能会形成破坏性的简谐振动，并进而造成整个刀具的共振损伤。美国SGS公司的专利特色设计使得其多款立铣刀从很大程度上抑制了加工中的振颤。如Z-CARB-AP型不但具有不等齿槽螺旋角，齿槽间的间距也不等，还具有专利的可变前角结构等，从多方面来抑制振动，减少并稳定切削力，使加工质量、效率、刀具寿命等均得以提高（见图2）。图2中标明的诸功能，均由经过特殊设计的几何结构来保证。该铣刀在切削钛合金时的速度为91～104米/分，切削超耐热合金（硬度≤300）时的速度为24～30米/分。

图2 Z-CARB-AP型立铣刀

       Z-CRAB-HTA系列立铣刀则专门针对高温合金的加工进行了独特的几何形状设计，也具有专利的多种螺旋角、可变的螺距，且可抑制谐振。此外，其螺旋角较大，从而改善了对耐热合金的剪切和切离功能，也使加工的平衡和稳定性得到了提高。精心设计的芯部结构提高了其在严酷加工环境中的强度和刚性。在工件硬度≤300时，切削速度达27～40米/分。而硬度≥300时，切削速度可达24～37米/分。