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国外几种先进航空材料加工用刀具 |
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作者：尚亚（上海）国际贸易有限公司 章宗城 |
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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。
V-CRAB5刃立铣刀由于具有奇数刃、变化的齿距和齿形，可降低谐振，提高加工光洁度，减少切削力，增强刚性，提高生产效率。奇数多刃齿的立铣刀若再增加齿数，例如增加到7刃、9刃、11刃等，除了保持上述优点外，由于每分钟的进给量F=N（每分钟转数）×fz(每刃齿进给量)×Z（刃齿数），因此，刃齿数的增加会直接使每分钟进给量与生产效率按比例地增加。多刃齿立铣刀一般齿槽多，但齿槽浅，芯部较粗，刀具刚性高，加工精度、稳定性、刀具寿命均得以改善。SGS的许多立铣刀都采用了专利的冷却射流技术（见图3），通过可中心供冷却液的机床主轴，使冷却液沿立铣刀外四条相互成90°油槽和螺旋槽一直通达切削部位。它能更好地实现冷却效果，保持恒定适当的切削温度，防止过热，减少黏附和积屑瘤，提高切削速度和刀具寿命，加速排屑，防止切屑损伤工件，并提高加工精度和表面质量。
图3 Z-Crab立铣刀的冷却特色
SGS公司有一种Hi-PerCarb高性能双刃带钻头的特点是；由于在原螺旋槽外，刃背再开出了一条螺旋槽，从而构成了双刃带（见图4）。双刃带结构使导向、定心点增多，且加工稳定性高，冷却液畅通，冷却性能好，排屑性能大为提高，切削热生成少，加工表面光洁度高，刃口的特殊处理保护了刀刃。顶部螺旋槽构成的前刀面上磨出的两凹槽修磨了横刃，能分断切屑，增大了进给能力，且减少了轴向力。钻头表面有耐高温特殊的Ti-NAMITE-A(AlTiN)涂层，可提高切削速度，进行高效加工。它除了适合航空难加工材料钻削外，也适合一般钢、铸铁、不锈钢的钻削。其加工精度高，很多情况下，可省去铰孔工序。在普通设备上可方便地进行磨损后的重磨。
图4 Hi-PERCarb高性能双刃带钻头
复合材料及其加工用刀具
复合材料是将两种或两种以上不同特性的材料组合起来，使之成为某种特定性能的材料。其基体材料常用的有树脂、陶瓷和金属等，增强材料则主要是纤维材料。过去，玻璃纤维应用很广泛，它们和树脂复合构成的GFRP被称为玻璃钢。芳纶复合材料AFRP使用得也很多。当今以特殊热处理工艺制成微细碳结晶而构成的碳纤维，因其质轻又具有优良的性能，应用日益广泛。常用的碳纤维复合材料CFRP是以碳纤维为增强材料，以环氧树脂等为基体材料构成的。碳原子固有的特性是低密度、低热膨胀率、耐热性好、化学稳定性好，以及自润滑性好。CFRP硬度高（HRC53～65），导热性差（导热性仅为奥氏体不锈钢的1/5～1/10），但它的比强度、比刚度高，抗疲劳性好，耐热性好。切削加工时，由于其导热性差，局部热量集中，易发生烧伤；由于各向异性，层间强度低，加工中易产生分层，撕裂，毛边，表面质量差等缺陷；再加上切屑为粉尘状，污染环境，危害人体健康。故属于难加工材料。
碳纤维等复合材料和金属的切削原理和过程不同。金属切削是切刃切入使被切金属产生剪切滑移形成各类切屑的过程，而碳纤维复合材料是通过锋利的刀刃去强制折断纤维和切断环氧树脂层的。纤维如磨料反过来摩擦磨损刀具。
碳纤维复合材料主要用在飞机机体上，故其加工多用钻削和铣削。钻削通常用的麻花钻由于顶部存在横刃，横刃不产生切削作用，只是挤压滚卷纤维，是钻削轴向分力和切削热的主要来由。再加上碳纤维复合材料导热性极差，很易造成烧伤。
SGS公司的120系列8面4刃双刃带特殊钻头，载荷分配平滑均匀，加工精度高，加工表面质量好，钻孔进出口处分层、毛刺很少，磨损磨蚀小，钻头寿命长。特别是再加上金刚石涂层Di-NAMITE，其加工质量更高，寿命更长。
SGS公司的20-CCR系列是他们专为航空碳纤维材料设计开发的立铣刀，在大多数情况下，可降低甚至消除纤维的破裂。减少分层剥离。其直径有公制、英制两种，公制的直径为6～12毫米。刀齿有带金刚石涂层Di-NAMITE和不带涂层两类。图5为SGS的各类复合材料立铣刀。
图5 SGS的各类复合材料立铣刀
在复合材料精铣加工方面，SGS公司还有一种独特结构的25系列立铣刀（见图6）。此系列立铣刀同时具有左右螺旋槽和由它们形成的两圆周刃。由于左右螺旋对工件作用力相反，原有的拉扯力量被压缩力量抵消，最大限度地减少了复合材料加工中出现的分层，毛边等损伤。该系列立铣刀还带有金刚石涂层Di-NAMITE，进一步提高了立铣刀的硬度和耐磨性，可长期保持切刃的锋利，减少了切削负荷，延长了刀具寿命，并提高了加工质量。
图6 左右螺旋槽复合材料精铣刀
(end)
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(3/16/2013) |
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