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航空制造加工材料不再“老大难” |
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作者：山高刀具（上海）有限公司 |
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飞机设计的发展与新材料的发展齐头并进。飞机设计师利用更轻、更坚硬、更耐热且抗蚀性更佳的材料来突破极限。因此，现在的飞机能飞得更远、更快，载重量更大。与此同时，飞机使用更少的燃料，意味着污染物排放量更少、成本更低。
难加工材料被广泛应用
有三种难加工材料可用於制造机身、机翼以及起落架和飞机发动机等硬件，它们分别是高温合金、钛合金和复合材料。後者包括全新的碳纤维增强塑料 (CFRP) 和较新的玻璃纤维增强塑料 (GRP)。一般情况下，CFRP和GRP已被层压，或其表面已金属化（比如铝合金），所有这些整体式材料和层压材料都很难加工。
航空工业迅速发展，要求加工制造技术更高效
随着发动机温度的升高，发动机效率也相应提高。喷气式飞机发动机的发热区温度比以往更高，高温合金（主要是镍基和钴基合金）依然保持优异的机械和化学特性。与钢件组件相比，高温合金零件的尺寸更小，且重量更轻。发动机重量每减少一公斤，就意味着发动机服役期间可减少15万美元的燃料成本。高温合金约占新型发动机总重量的 50 %。钛合金可提供极高的强度重量比和优异的抗蚀性能。它们的强度与钢件相当，但重量仅有钢的 40%；它们的强度是铝合金的两倍，但重量仅比铝高 60%。
从 20 世纪 50 年代开始，市场上可供应的轻合金明显无法满足机身和发动机零件越发困难的要求，这使得钛合金的重要性日益显着。
细说飞机材料为何“老大难”
据预测，钛合金越来越广泛地应用於结构零件、起落架和其它硬件设备，复合材料（主要是CFRP）在飞机中的应用也越来越普遍。它们具备较高的强度重量比、良好的抗蚀性能和低的热膨胀；它们的特性可被调整以满足特定的应用。CFRP广泛应用於机翼主梁、机翼和机身蒙皮。复合材料由塑料树脂和纤维复合而成，这些纤维还可用於织物造型而无需任何基质。波音 787 梦幻客机 50% 的主要结构（包括机身和机翼）由复合材料制成。
为何这些材料都这麽难加工呢？高温合金和钛合金的高温强度意味着在切削温度下具有较高的硬度和刚度，会对刀具的切削刃产生很大的切削力，从而导致切削刃的微崩和变形。在弯曲（在形成切屑期间）时由於热导性不佳，这些金属会产生更多的热量，从而使切削温度达到很高的水平。随着材料的高温强度、韧性和延展性的增加，切屑的折断变得更困难。加工热处理合金经常会产生磨损切削刃的磨粒，还会引起工件表面硬化，以致难以维持精密公差。加工过程中会损坏零件表面的金相完整性，降低疲劳强度。复合材料中的碳纤维有很好的韧性，导致切削刃迅速变钝。切削速度使用不当，会引起工件剥落和微崩，并形成毛刺。孔加工会引起高树脂含量的普通复合材料脱层以及高纤维含量的复合材料开裂。对於叠层（层压）的复合材料，在钻削过程飞溅出去的金属切屑可能会损坏此类复合材料的表面。
未来将会如何呢？激烈的市场竞争迫使设计师们迫不及待地寻求更轻、更坚固且耐热与抗蚀性更佳的材料，以使飞机满足日益严峻的要求。冶金家、化学家和塑料工程师致力於研发可满足日後需要的材料。从不利的方面说，几乎可以肯定，已改善其物理和化学特性的材料更加难以加工，但这正是刀具制造商要着手应对的挑战。
难加工材料“逼迫”刀具升级
瑞典山高刀具，为飞机发动机零件、起落架、结构零部件与复合材料等提供一系列关於高效、高精密铣削、车削、切削和钻削航空材料的先进刀具解决方案。并提供强大的服务与支援优化刀具使用，提高生产率与降低成本。带有CVD金刚石镀层的Jabro 系列铣刀可降低磨损，专用於多层碳纤维和玻璃纤维等复合材料与高性能工程塑料，以及蜂窝材料的无毛刺（顶部和底部）加工、侧铣、3D 仿形铣削、铣轮廓和铣槽操作。对加工 Inconel和其它高温合金，Secomax PCBN刀具拥有和碳化钨材料一样的使用寿命，但其切削速度快10倍，从而促使切削长度有所增加。Secomax CBN170是全新材质等级，其中的晶须陶瓷粘结剂具有该应用领域无与伦比的切削刃强度。为了扩展用於钛合金和高温合金（分别是 T 和 M 槽型）的 Seco Feedmax钻头系列，山高推出一系列带 CVD金刚石镀层的全新整体硬质合金钻头，适用於对 CFRP材料进行孔加工。凭借其特别研发的钻尖几何角度，能钻出高质量、不脱层的孔，同时金刚石镀层还延长了刀具寿命幷提高生产率。此钻头系列包括常规（单一直径）钻头和带倒角的钻头（一体化钻头）。
航空航天应用材料趋势分析
发动机引擎的材料趋势
自20世纪50年代钛合金与镍基超级合金推出，其重要性已稳步提高，幷在本世纪初达到巅峰。 虽然这些合金今日仍然占主导地位，但一组全新的重量轻、高强度、耐高温的材料正在崛起。
1、 PMC's, 聚合物基复合材料；
2、 MMC's, 金属基复合材料；
3、 TiAl, 钛铝合金。
假设面临相同或更高的强度和/或耐高温，这些新型材料具备降低零件重量30%-40%的能力。 PMC应用於发动机罩，而MMC与钛铝合金适合於涡轮零件，TiAl也可用於发动机的高温级。
起落架的材料趋势
钛 6-4 (Ti 6Al 4V) 是工业中广为应用的材料并且占据生产总量近60%。然而，多种新型材料近年来已经推向市场。 AerMet100 与 AF1410 的推出已经造成了对钢件的冲击，替代了以往用於起落架的 300M 与 4340 材料，同时新材料诸如 Ti 10-2-3 (Ti 10V 2Fe 2Al) 与最引人注目的 Ti 5-5-5-3 (Ti 5 Va 5Mo 5Al 3Cr) 等钛合金也已经转变为起落架材料，特别是应用於新一代的宽体飞机。 这些材料将带来全新的加工挑战和针对刀具优化的要求。
航空构件的材料趋势
最新一代复合材料（诸如大量的碳纤维）的应用已更改了现代飞行器制造的外表。 过去，铝合金占飞行器材料总量的60-70%；现在和不远的将来， 碳纤维与其他复合材料的增长已经幷将超过总量的50%。
这些新材料都具有强度高、重量轻且耐磨的特点，但它们的确给制造带来了挑战， 需要用新型、先进的超耐磨刀具解决方案来满足这些需求。 该行业极为重要的另一组材料则是钛合金，这类材料通常用於减轻重量和降低燃料消耗。
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(10/28/2010) |
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