新一代飞机机身加工需要新型刀具材料

作者：张宪 编译    来源：《工具展望》

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 随着复合材料、钛合金以及由两种材料构成的叠层材料在飞机结构件中的应用日益增多，飞机机身制造业正在发生巨大的变化，同时也对需要使用高硬度、高韧性刀具材料的切削加工提出了具有挑战性的要求。 机身制造技术的变化 为了提高飞机的飞行效率，降低其生命周期成本，飞机制造商正在越来越多地使用复合材料和钛合金。例如，波音787和空客A350的机身大部分将用复合材料制成（按重量计）。在商务客机市场上，豪客比奇（Hawker Beechcraft）公司的Premier IA型和Hawker 4000型客机的机身将全部采用复合材料制造；Eviation公司的EV-20 Vantage型飞机的机翼和机身也将采用全复合材料。 复合材料的使用推动了零件的合并和连接，减少了所需紧固件的数量。但是，大多数被取消的紧固件都属于“面积紧固件”——即可用自动化工序加工的大量小直径紧固件。因此，保留下来的大部分紧固件的安装孔直径和厚度都较大，并由多种材料叠合而成，加工难度也更大。由于石墨复合材料与铝之间的接触可能会引起化学电流腐蚀，而安装在石墨复合材料上的结构件通常都是铝制件。这两种材料的钻削加工都很困难，而将它们组合为叠层后进行钻削加工难度就变得更大。因此，除了钻削参数与加工传统工件材料不同以外，还需要采用不同的刀具材料。 碳纤维的加工难点 碳纤维复合材料的加工难点包括： （1）材料具有很高的磨蚀性，使刀具的磨损率很高； （2）材料具有各向异性（由较软的基底与按不同方向排列的硬质纤维组合而产生），意味着刀具必须承受不同的切削抗力； （3）塑性基底限制了切削温度； （4）加工增强纤维时，为了获得干净整齐的孔口，需要采用锋利的切削刃、高剪切刀刃几何形状和高转速； （5）如切削力过大（如强力钻削时），工件的叠层结构可能出现各层分离现象； （6）加工时会产生粉尘（而不是切屑），需要采用真空吸尘或加注冷却液加以控制。 钛合金的加工难点 钛合金材料所特有的加工难点包括： （1）钛的弹性模量低，由于切削加工时材料被刀具推开，然后又回弹，因此刀具需要采用较大的后角； （2）钛的导热性差，导致切削温度很高（80％的切削热被传入刀具，而切削钢时仅为50％）； （3）钛在高温下化学反应性强，容易与刀具发生融焊现象，造成刀具崩刃和失效； （4）容易产生加工硬化现象（尤其在低进给率加工时）； （5）温度升高时仍能保持高强度； （6）产生分段切屑，使刀具循环受力，易发生金属疲劳； （7）在加工时，材料表面损坏的可能性较大，从而会略微降低工件的疲劳寿命。 除了钻削加工这些由不同材料复合在一起的新型材料的挑战外，目前的飞机机身装配对钻削加工的性能和质量也提出了新的挑战： （1）需要在厚度更大的叠层复合材料上钻削直径更大的孔； （2）为了缩短机身装配时间，对“一次过”钻削、干式或近干式钻削以及高效装配的需求日益增加； （3）尽管大规模和小规模的自动化加工的应用日益增多，但在最终装配工序仍然主要使用气动钻机； （4）精益加工原则的应用越来越多。 上述这些因素都会大幅缩短刀具的使用寿命。因此，为了降低每孔加工成本、提高生产率，就需要采用新的刀具材料。此外，为了缩短最终装配工序的流程时间，也必须提高刀具的使用寿命。例如，波音787最终装配工序的目标流程时间仅为3天；洛克希德马丁公司F-35闪电II的最终装配工序目标流程时间则是每天装配出一架飞机。与此对照，波音737目前该流程时间为10天（2000年时为22天，今后的目标为8天）；波音777的流程时间则为25天。波音787的流程时间可以缩短到3天，部分原因是将某些加工操作转移到了上游工序，到达装配工序的各个部件都预装好了飞机的各种系统。但是，正如前面所指出的，钻孔是最终装配工序中最具挑战性的加工。 理想的刀具材料 一般来说，我们所希望的刀具材料特性包括： （1）晶粒尺寸较小，从而能制造出更锋利的切削刃； （2）具有高硬度（包括高的热硬性），从而能提供优异的耐磨性能； （3）具有良好的韧性（高的抗拉强度和断裂韧性），从而能在动态变化的切削力作用下，保持锋利的切削刃不发生崩刃或变形； （4）具有良好的热传导性，从而能使切削区迅速散热； （5）具有良好的热稳定性，从而能使刀具在切削高温下保持完整性； （6）与工件材料之间具有较低的化学亲合力或反应活性。 刀具材料所需要的每一种特性的优劣程度都取决于工件材料。要求同一种刀具材料具有以上所有特性非常困难，因此，通常需要在硬度与韧性之间进行权衡取舍。但是，这两种特性对于碳纤维增强聚合物和铝基复合材料的加工都必不可少。 碳纤维增强复合材料（如CFRP）的钻削加工与钻削木料比较类似。加工的关键是干净整齐地切削碳纤维（尤其是在孔的出口处），刀具需要有高剪切力的几何形状和很高的切削速度。CFRP还具有高磨蚀性，因此要求刀具材料具有极高的硬度（最好像金刚石那样）。 切削钛合金也需要很高的剪切力，但在加工复合材料所需的高切削速度下会产生大量切削热，叠层材料中的钛可能发生的加工硬化会降低飞机零部件的疲劳寿命。此外，钛与大部分刀具材料都具有化学亲合性。因此，对于大多数钛合金工件的加工，钴高速钢和硬质合金都是主要使用的刀具材料。但是，在加工复合材料时，这些刀具材料并不具有为延长刀具寿命所需要的耐磨性。当被复合材料磨蚀变钝的刀具切削刃再去切削钛时，就会发生加工硬化现象，刀具也会随之失效。用PCD刀具加工钛合金虽然也能获得不错的结果，但为了防止崩刃，需要刀具有更好的韧性。在制造飞机机身的叠层材料中，除了采用复合材料和钛合金以外，也可能采用铝合金或不锈钢，这些材料都具有各自不同的切削要求。 刀具材料的改进领域 随着时代的进步，加工技术不断完善，粗加工和精加工钛合金的材料去除率也在不断提高。可以看出，钛合金加工的改进曲线已变得平缓，说明其改进空间已有限。为使加工效率能够进一步提高，就需要采用新的加工技术。考虑到钛合金和复合材料在飞机结构材料中所占的比例越来越大，提高这些材料的加工效率至关重要。 以下是钻削加工复合材料/金属叠层的刀具材料有可能实现的改进领域： （1）硬度更高、韧性更好的材料牌号； （2）梯度功能材料（在刀具的不同部位定制出不同的切削性能）； （3）纳米技术（纳米结构）； （4）不同的成分组合（如非钴类结合剂）； （5）自润滑能力（可用于干式或近干式切削）； （6）较低的刀具材料成本； （7）较低的刀具制造和重磨成本； （8）改进的涂层结合方法。 刀具材料的开发步骤 一旦确定了某种具有适用特性的材料，为了将其开发为可应用于实际生产的刀具材料，可以遵循以下基本步骤： （1）概念开发 ①所预想材料的理论综合；②材料特性的验证。 （2）试用：选择用该材料制成的刀具并进行切削试验 ①刀片；②圆形刀具。 （3）确定材料的实用性 ①刀具类型；②工件材料；③切削速度和进给量范围。 （4）商品化 ①以具有成本效益的方式进行批量生产；②为推广产品培训销售队伍。 这种开发流程的时间周期可能会相当长（尤其是当有些技术问题难以解决时）。从超硬刀具涂层的开发年表可以看出，在开发过程中可能遇到了许多障碍。因此，将供应商与刀具材料的正确应用联系起来是刀具材料成功商品化的关键。下一个问题是：这些刀具材料有足够大的市场规模值得去开发吗？ 市场规模 对未来10年的市场预测是：飞机的生产将会有一般性增长。以下所列为根据最近的订单统计的未来几年需要制造的飞机数量： 商用飞机： （1）2007年交付使用：波音飞机：441架（价值295亿美元）；空客飞机：453架（价值239亿美元）； （2）2007年接受订单：波音飞机：1413架；空客飞机：1341架； （3）积压的订单（截至2007年12月）：波音飞机：3427架；空客飞机：3421架；这两类飞机各型号的具体数量如下： ①波音787 Dreamliner：截至2008年2月的订单量为857架，最高生产率为每月至少10架；②空客A350：截至2008年2月的订单量为370架，最高生产率为每月13架。 （4）近期市场展望（2007～2026年）：22700～28600架商用飞机，价值2.6～2.8万亿美元。这两类飞机各型号的具体数量如下： ①货机：近期需求为1980架，2007～2026年期间的总需求预计为4000架，其中大约870架为新货机，其余为用客机改装；②支线客机：近期需求为2886架，2007～2026年期间的总需求预计为3700架。 军用飞机： （1）F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗攻击机：至2012年，美国空军的计划需求量为581架，每架价值5700万美元，最高生产率为每年48架。 （2）F-22“猛禽”战斗机：至2010年，仅美国的订单量即达到183架，每架价值1.5亿美元，最高生产率为每年32架。 （3）Eurofighter Typhoon“台风”战斗机：至2016年的计划需求量超过700架，每架价值约5100万～5800万美元，最高生产率为每年52架。 （4）F-35联合攻击战斗机：至2035年的全球计划需求量为3173架，每架价值约5000万美元，最高生产率为每年48架。 刀具的性能改进 以下为用于航空制造业切削加工的刀具性能改进的几个近期加工实例： （1）加工实例1：一家商用飞机零部件供应商在加工一种纤维增强复合材料工件时，用一种整体硬质合金锥钻在厚度为0.200″（约5mm）的材料上钻孔，每支钻头仅能钻削150～200个孔，就会因出现不合格的纤维撕裂而不得不更换刀具。该供应商改用一种新型CVD金刚石涂层硬质合金钻头后，钻孔数大幅提高到2200个孔。尽管新型钻头的成本是老式钻头的15倍，但由于钻头寿命延长、换刀次数减少、加工时间增加，因此仍使每孔加工成本降低了80％。 （2）加工实例2：洛克希德公司在对F-35联合攻击战斗机的复合材料机翼蒙皮进行接缝修整加工时，切削刀具的寿命和切削刃质量难以令人满意。为此，开发了一种新型CVD金刚石涂层刀具，其刀具寿命（以加工的直线长度计）从9英尺（仅切削材料厚度的1/3）提高到57英尺（切削材料全厚度），从而可用2把装有24mm刀片的刀具来加工一个机翼蒙皮。由此，每架飞机可获得8万美元的成本效益，对于计划为美国市场制造的2783架F-35战机来说，预计可节省资金（降低成本）达2.226亿美元。 （3）加工实例3：空客A380的上层舱地板桁梁由CFRP复合材料制成，需将其安装到机身的铝合金框架上。原先用于加工这种CFRP与铝合金叠层的未涂层整体硬质合金钻头只能加工90个孔。换用一种金刚石涂层的硬质合金钻头后，每支钻头的加工寿命提高到500个孔以上。 作为一个假设的例子，假定需要在复合材料/铝合金叠层上加工90个特定尺寸的孔，如果每支钻头的成本为150美元，但只能加工20～30个孔，那么在加工中将需要花费3～5倍的额外时间用于更换钻头，此外，为了尽可能减少生产中断，可能还需要额外的其上已安装好钻头的钻机。如果每支钻头的使用寿命可达到100个孔，即使钻头成本比以前增加一倍或更多，仍然可以降低每孔加工成本，并能缩短加工流程的时间。 考虑到对飞机的市场需求不断增长，而新型飞机上复合材料和铝合金的使用越来越多，并且要求装配流程时间更短，改进切削刀具的机遇巨大，刀具制造商为航空工业开发并提供加工性能更优异的刀具产品正当其时。(end)

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