新涂层提高加工材料的切削效率

    在制造业中，重量更轻、强度更高的新材料不断涌现，使加工问题变得更多、更难，由此也推动着CVD、PVD涂层技术的持续发展，以满足提高新材料加工效率的要求。

    本文针对航空航天钛合金新牌号的铣削加工和复合材料的加工，介绍了刀具涂层的选择和难加工材料的加工对策。 

    刀具涂层对切削过程的影响 

    为什么航空航天工业所用材料比通常用于汽车工业的铸铁、钢材等更难加工？金属切除过程是工件材料由塑性变形到断裂并形成切屑的过程。由材料学的标准拉伸试验获得的应力—应变图，给出了材料在达到断裂或强度极限时的塑性变形量，其相关数据可从标准的材料手册中查到。各种钢材根据其不同成分和热处理状态，大体上可分为普通碳钢、未淬硬的合金钢和淬硬的合金钢。硬度低、延伸率大的材料在加工时产生较大的塑性变形，形成长切屑；相反，硬度高、延伸率小的材料形成短切屑。

    材料的单位断裂能与断裂应力和断裂应变的乘积成正比，它是材料塑性变形消耗的能量，并在切屑形成过程中转变为热量，是切削区的第一个热源。切削区的第二个热源是切屑与前刀面摩擦产生的热，材料的韧性越好，与前刀面的接触长度越长，产生的摩擦热也越多。

    在各种工件材料中，强度或硬度高、切削力大、韧性好、切屑长的材料其可加工性较差。材料金相特性（如析出的硬质相、夹杂物、加工硬化等）也会影响其可加工性和刀具寿命。

    航空航天工业用的钛合金、镍基超级合金（Inconel等）由于具有很高的强度和韧性，切削时需要很大的塑性变形能，并与刀刃摩擦产生大量切削热，而它们很低的导热系数使热量集中在切削区和刀/屑界面，对刀具寿命造成不利影响。因此，如何有效加工此类材料是对切削加工的极大挑战。

    刀具涂层技术是针对切屑形成过程中产生很高的力和热对刀具造成不利影响而开发的新技术，根据不同的应用领域，涂层刀具比未涂层刀具的寿命可提高2～10倍。

    涂层的正确选择应与工件材料、切屑变形特性和切削条件相匹配，早期开发的TiN和TiCN涂层仍然适用于在一般切削条件下加工碳钢和合金钢。但是，随着切削速度的提高，就需要采用TiAlN涂层，因为这种涂层在高温下具有很好的稳定性。

    加工难切削的航空航天材料时，要求刀具有最佳的切削刃设计，包括与切削刃锋利性相关的微观几何形状。例如，切削刃的倒棱或钝化，钝化程度在切削刃全长上有的要求均匀一致，有的要求有所变化。典型的钝化圆弧半径为0.025mm，以降低刃口应力的集中程度，更好地保护PVD涂层。

    为了更好地加工难加工材料，材料科学家已经开发了新的涂层牌号，包括添加Si到TiN中形成的TiSiN涂层，或在AlTiN涂层中增加 Al含量，或用Cr代替Ti开发出AlCrN涂层，以及具有更高硬度、韧性和抗高温氧化性能的纳米结构涂层。与未涂层刀具相比，涂层刀具可以在其它条件相同的情况下采用更高的切削速度和获得更长的刀具寿命。一些研究成果解释了在不同切削条件下涂层的工作机理，开发了耐磨粒磨损、抑制微观裂缝、降低摩擦系数、形成稳定的AlCr氧化膜和更好耐热性等多样化的涂层功能。

    钛合金的铣削加工 

    在航空航天工业，出现了很多难加工的高性能材料，如合成材料、钛合金和高温合金等。这些材料具有很高的强度，制造的零件更轻，可使飞机的燃油效率更高。然而，这些零件的加工需要采用新的切削技术。

    例如，波音公司新推出的中等型号波音787飞机，在其主体结构件重量中，合成材料约占50%，钛合金约占15%。由于这两种材料重量轻、强度重量比高，使787飞机与相同大小的普通喷气式客机777－200相比，重量更轻，可节省20%的燃油。此外，与铝合金相比，这两种材料除了重量更轻以外，钛与合成材料的兼容性也比铝好（铝更容易与合成纤维产生蚀电反应）。此外，钛比铝合金更耐腐蚀，其维护保养也更容易。 

    然而，钛合金的可加工性不好，通常只能采用较低的切削速度和进给量，为了防止热量聚积，径向切深不能超过30%，轴向切深量也小。

    目前，已有一种新的钛合金——Ti5553（Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr），属于近ß型钛合金。与最常用的Ti-6Al-4V相比，该材料具有更好的淬硬性和疲劳强度，更适合制作关键零件。但它比传统的钛合金更难加工，刀具寿命更短。

    为了解决这种新型钛合金的加工，美国Niagara刀具公司与航空公司合作，共同开发适用的刀具和加工参数。试验工作在实验室和生产现场进行，内容包括刀具的几何参数、刃口处理和涂层的选择。目前，该公司已经开发了用于铣削Ti5553钛合金的粗加工、半精加工和精加工的工艺指南：粗加工推荐采用M42钴高速钢或粉末冶金高速钢制造的细齿立铣刀，刀具经TiCN或TiAlN涂层，切削速度40～60英尺/分，进给速度3～5英寸/分；半精加工采用TiAlN涂层的4齿整体硬质合金立铣刀，切削速度70～100英尺/分，进给速度5～7英寸/分；精加工则采用TiAlN涂层的6～8齿整体硬质合金立铣刀，切削速度400英尺/分，进给速度5～7英寸/分。

    该公司称，新的刀具几何形状（波形刃）与涂层和正确的切削参数相结合，改进了切屑的形成过程，避免了切屑堵塞。

    复合材料的切削加工 

    目前，复合材料已越来越多地应用于制造飞机零部件。复合材料通常由树脂、增强纤维和一种或多种填充材料合成，具有很高的比强度和良好的机械特性和热特性，是替代金属材料的最佳选择。

    根据美国金刚石涂层公司总裁的说法，CVD金刚石涂层刀具是加工许多复合材料的最佳刀具。该公司向洛克希德马丁飞机公司提供用于加工先进复合材料的刀具涂层。开始时，刀具寿命较短，并且材料有分层现象。后来采用了20µm厚的CVD金刚石涂层，并对刀具几何参数作了改进，使刀具寿命提高6倍以上，并减少了工件的分层现象。

    刀具切削性能的改进必须依赖刀具材料、涂层和几何参数的择优匹配。近年来，涂层（尤其是PVD涂层）的发展已经使航空工业难加工材料的切削效率得到提高。随着PVD Al2O3涂层的问世，PVD涂层技术的优势将更加明显。

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