航空难加工材料刀具与切削参数的优化途径

　　合金以及复合材料的广泛应用，飞机零部件的性能（如强度、硬度、耐磨性、耐热性等）不断提高，这也给加工制造带来了更大的挑战。从物理性能来看，上述材料都属于难加工材料的范畴，而普通工程材料在重要的航空结构件中已经不被采用。

　　在现代飞机主承力结构中，整体结构件通常采用切削加工，零件成品的质量只占毛坯质量的10%~20%，甚至更低，其余材料都变成了切屑。切削加工过程中，刀具与被加工材料是相互对立又相互联系的，新的材料需要有更新的刀具和更新的方法来实现其高效加工。对难加工材料，通常采用的方法是：根据该材料的特点，列出适合的备选刀具，并在不同切削参数下使用备选刀具进行试切，通过测量加工过程中的切削力、刀具磨损和加工表面质量选取最优刀具。图1是典型钛合金材料TC4的切削试验现场。

　　难加工材料切削加工中最突出的问题是刀具磨损过快导致加工效率偏低和工件质量差。从加工的角度讲，影响刀具寿命的关键因素在于刀具材料、刀具几何参数以及切削参数的选取和优化。本课题结合TC4材料的切削参数试验及其分析，从刀具优选、切削状态数据采集分析试验、切削参数优化等方面，探讨难加工材料的切削参数优化途径及其技术发展趋势。

　　刀具材料

　　刀具材料是影响切削加工性能最重要的因素之一，用于刀具制造的材料种类繁多。航空制造领域常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、金刚石、陶瓷、立方氮化硼（CBN）以及涂层刀具材料，每种材料的刀具都有其特殊的性能和应用范围。

　　（1）高速钢。

    高速钢早在20世纪初就应用于切削，由于其可加工性能好，常用于复杂形状刀具（如铣刀、钻头、齿轮刀具等）的制造。通过添加V、Co、Al等合金元素，可以使高速钢的性能大幅度提高，可用于切削高强度钢、高温合金及钛合金。粉末冶金高速钢的出现解决了碳化物偏析的问题，细化了晶粒，增强了高速钢的强度、韧性和热硬性，刀具寿命可提高0.5~2倍。

　　（2）硬质合金。

　　硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、NbC、TaC 等）粉末为基体，以熔点较低的金属（Co或Ni 等）粉末为粘结剂，经高压后烧结制成的。硬质合金刀具的耐热温度和最大允许切削速度都大大高于普通高速钢刀具，但强度不如高速钢，抗切削振动和冲击能力也较差，在切削用量较大时常常发生崩刃现象。

　　硬质合金刀具的最新进展主要是细化晶粒和梯度材质。普通硬质合金晶粒尺寸在10μm以下，超细晶粒硬质合金可达1μm以下。晶粒的细化可提高硬质合金的强度、硬度和韧性，刀具寿命可提高1~2倍。梯度材质是指硬质合金刀具的材质根据切削需要呈现梯度分布，对不同的部位赋予不同的性能，从而获得最佳的整体性能。

　　（3）超硬刀具材料。

　　超硬刀具材料主要包括金刚石、陶瓷和立方氮化硼（CBN）。金刚石是自然界最硬的材料，硬度高达HV10000。制造刀具用的金刚石有各向异性的单晶体，也有各向同性的聚晶金刚石。单晶金刚石可以在被加工材料的晶粒内部进行超精密切削，聚晶金刚石则可以切削有色金属、陶瓷和硬质合金等难加工材料。由于其高硬度，金刚石可以制成很锋利的刀具，在切削复合材料时可以保证纤维被迅速切断，是较为理想的刀具。金刚石刀具耐热温度较低，在700~800℃时无法切削。由于主要成分为C，容易和铁族元素亲和，金刚石刀具不宜加工钢和铸铁等铁族金属。

　　陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性和热硬性，可用来加工淬火钢等高硬度材料，而且陶瓷的主要成分为Al、Si 和O，比制造合金刀具的主要元素储量更为丰富。陶瓷刀具的主要缺点是强度低、较脆、抗振性不高，目前，可以通过热压等工艺在陶瓷材料中加入碳化物、金属等来增强其强度和韧性。

　　立方氮化硼（CBN）的硬度仅次于金刚石，耐热温度达到1400℃，而且具有较好的化学稳定性，可以加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等。在切削耐磨材料时，CBN刀具耐磨性是硬质合金刀具的30~50倍，切削速度比硬质合金高5 倍。CBN既可做成整体式刀具，也可与硬质合金做成复合型的刀片。#p#副标题#e#

　　（4）涂层刀具材料。

　　涂层刀具材料是指通过气相沉积或其他技术方法，在硬质合金或高速钢基体上涂覆一层耐磨性极高的化合物。传统的涂层主要有TiC、TiN 和Al2O3等；最新的涂层材料有TiAlN、AlCrN、聚晶金刚石等。图3为带有AlCrN 涂层的硬质合金刀具。目前，纳米结构涂层刀具的涂层数达到1000层以上，每层厚度仅为几nm。

　　涂层刀具有效地解决了刀具材料硬度、耐磨性和强度、韧性之间的矛盾，切削时具有以下特点：涂层刀具可以大幅度提高刀具的切削寿命；涂层与被加工材料摩擦系数小，切削力有所降低；采用涂层刀具加工的零件表面质量好；涂层刀具有较好的通用性。

　　使用涂层刀具切削时要考虑涂层材料的物理化学性能。在fz=0.08mm/齿，ap=2mm，ae=4mm，v=20m/min切削用量下使用TiAlN纳米、多晶金刚石涂层刀具和无涂层硬质合金刀具铣削TC4钛合金的铣削力最大值见表1。

　　TiAlN涂层容易与钛合金发生亲和，加速了刀具的扩散磨损，使摩擦系数增大，所以加工钛合金时的铣削主切削力要大于无涂层刀具；多晶金刚石涂层耐热温度低，而钛合金导热系数小，切削热难以扩散，导致刀具无法在正常状态进行切削，其主切削力也大于无涂层刀具。

　　刀具的几何参数和结构

　　除了刀具材料外，刀具的几何参数和结构对切削力、加工表面质量、刀具寿命和加工效率都有很大的影响。针对不同材料和加工情况，选择合适的前角、后角以及刀尖圆角半径等刀具参数对减小切削力和提高刀具寿命有很大的影响。

　　前角越大，刀具越锋利，切削力越小，但刀刃强度也会越低，断屑效果和加工表面质量也会受影响。例如，加工超高强度钢时，为了增加刀刃强度和利于断屑，可以选择前角为负值的硬质合金刀具。

　　后角增大可以减少刀具与工件表面的摩擦，使刀具更加锋利，精加工时常选取较大后角；粗加工时，为了提高刀具强度，则选用小后角。在前、后角的选用上，必须综合考虑，兼顾各种矛盾。例如，在加工钛合金时，由于材料回弹较大、与刀具摩擦剧烈，应采用大后角；但考虑到材料切削应力大、刀具容易崩刃，所以前角应选取较小值。

　　对难加工材料的铣削，在粗加工时应尽量选择刀尖圆角半径R不为0的铣刀。当R=0时，铣刀齿参与切削的面积更多，铣削力更大，而且刀尖容易崩刃。在参数fz=0.05mm/齿，ap=3mm，ae=4mm，v=80m/min下，使用R=0mm和R=3mm的2种相同牌号铣刀铣削TC4 时的铣削力测量曲线。

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