航空工业难加工材料切削刀具的新发展

　　【编者按】航空发动机零件上有许多槽，槽加工由于是三面受力，切削力大、切削热高，散热、排屑、冷却和刚性等条件差。为此三菱开发了三面锁紧的GY系列刀柄，大大地提高了刚性和抗振性能，再配以合适的各种断屑槽，可进一步改善切削。

　　我国航母舰载飞机和重载飞机等的试飞的成功，标志着我国航空设计制造水平已迈上新的高度，也激励着我们去研究开发更高质量、更高效和更经济的加工技术以保证先进产品的不断研发制造。 　　

　　以航空工业先进的美国波音飞机为例，原有的747型飞机目前已发展到787型，其机体部分材料构成，原来广泛应用的铝合金由81%降为20%，钢由13%降为5%，而钛合金由4%增加到15%，复合材料由4%大幅度增加到50%。同样欧洲的最新型空客A350XWB，目前铝合金只占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，最近也有部分使用碳纤维复合材料（CFRP）。高温高压部分多用的是镍基等超耐热合金如Inconel718、Hastelly、Waspaloy以及Rene41等。在一定切削条件下，切削不同材料的难易程度由一般材料、高硅铝合金、不锈钢、钛合金、高硬度钢、超耐热合金、CFRP以及陶瓷，加工难度逐步增大。当今航空材料主要有金属材料的钛合金与超耐热合金以及以CFRP为代表的复合材料等，可知均属难加工材料。 　

　　钛合金特性为：⑴切削过程中生成的切削热高，而导热性差（大约为钢的1/7，铝的1/16），切削时温度集中在刀尖刃口，可高达1000℃以上，使刀具高热易损。⑵钛合金弹性模量小，易振动。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。⑶易被加工硬化，且自身化学活性大，易与空气中氧等反应，使表面变硬，加剧刀具的磨损。⑷钛与耐热合金的切屑易黏结在刀具上，在加工中粘结物被持续的后加工强制除去时，刀具会造成粘结损伤，而降低刀具寿命。最广用的钛合金是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，而是以极细颗粒形式弥散分布在晶界，强化晶界，阻止在外力作用下滑移，使得合金显示超强硬的性质，比强度大，要加工它们，必须作更大的功，产生更多的热。其导热性又差，切削中生成的热量不易排出，使温度达到更高。钛合金的难加工特点许多在超耐热合金中显示得更剧烈，它们的机械，粘结，扩散和氧化等磨损更严重，因此它们比钛合金更难以加工。 　

　  　刀具新材料的开发 　　

    　新刀具开发的方向应是更耐热，导热更好，更耐磨，韧性也更高。循此方向三菱公司开发了RT9005和RT9010等新型硬质合金。因为断续切削需更高的韧性，就直接使用了超细微粒硬质合金TF15（晶粒在1μm以下具细小组织，其强度、硬度和韧性综合性能均高）。

　　对于钛合金，RT9005较硬、耐热、耐磨且耐塑性变形，但韧性稍差，故用于对其高速连续加工；RT9010耐磨性韧性较平衡，一般为车削时的首选；TF15则用于断续表面不稳定加工时。在这三种刀片上用MIRACLE先进物理涂层技术涂以AlTiN时，其硬度和氧化起始温度提高，与基体结合力也好，而摩擦系数降低，适用于超耐热合金的相应加工。这类刀片材料除了用于车削外，也可用作铣刀的可转位刀片材料。

　　断屑槽设计

　　现代断屑槽的概念不仅是为断屑和排屑，还包含在保证刀片足够的强度条件下，在粗、半精和精加工等不同的加工阶段的切削用量下，以不同的断屑槽结构，减少切削力和切削热，使切屑顺利被切下，及时弯曲，折断并排出。断屑槽的合理设计选用和能否实现高质量、高效率、低成本及无人化加工等直接相关。三菱公司专为加工难加工材料，研究开发了具有12°~20°可变前角特殊结构断屑槽，其中有适宜于准重切削的GJ断屑槽和适宜半精加工到精加工的MJ断屑槽，这两种用于模压制出M级精度刀片。

　　航空发动机零件上有许多槽，槽加工由于是三面受力，切削力大、切削热高，散热、排屑、冷却和刚性等条件差。三菱开发了三面锁紧的GY系列刀柄，大大地提高了刚性和抗振性能，再配以合适的各种断屑槽，可进一步改善切削。在冷却系统上，切外圆槽时采用双向冷却孔喷射冷却液，在内圆切槽时，喷出的冷却液利用工件的旋转力，冲向刀尖，故加工效率很高，加工精度与表面质量好。

　　铣削刀具设计

　　三菱公司最近在钛合金粗铣加工方面研发制造了VFX系列立铣刀，其外圆周刃可加工侧面和台阶面的立面。底刃可加工平面。粗大的刀体结构和立装刀片使其整体刚性提高。刀片下部形状为V形，刀片被在刀体上的双V形定位块定位。双V形块的角度较大，有一定的厚度，再加侧面定位，刀片在刀体上被定位卡紧后安装刚性很高。高刚性使刀具在加工中变形，振动得以改善，立铣刀与工件相对位置稳定，加工精度和加工表面质量可保证提高。VFX系列铣刀的刀片材料是MP9030，这是针对钛合金新开发的。刀片的刀刃呈曲线形，切入工件平稳，切削力减小，生成热量较小，加工的质量得以提高。内部的冷却液可直接作用在刚分离的切屑上，使切屑抬离前刀面，并强制排出，以防止黏结在刀片上，从而延长刀具寿命，并能提高切削用量和加工效率。VFX系列铣刀的冷却润滑液喷嘴可据机床所供压力进行更换，不同的压力有不同的孔径，不同的流量的喷嘴。VFX系列钛合金加工用立铣刀粗加工效率特别高，以直径为63mm为例，最大排屑量可达400cm3/min。

　　较粗大带可转位立铣刀为保证冷却液的良好供应必须装有带冷却孔的刀盘。一般立铣粗加工大工件时，为经济起见可用带可转位刀片的立铣刀，而精加工则多应用精度较高的整体立铣刀。三菱公司为精加工钛合金，耐热合金等开发了一系列整体硬质合金立铣刀，大大提高了抗振性能和加工质量，排屑更顺畅，有利地实现了稳定加工。

　　另外，在上述整体硬质合金立铣刀型号的基础上发展起来的CoolStar系列整体立铣刀，其最大特点是整个立铣刀切削部分分布许多冷却液孔，这些冷却液孔的位置均经过优化，能够发挥优异的冷却作用，提高加工稳定性。由于刀具整体各处均能稳定地供应冷却液，可以顺利地实现相应的各种加工。

　　复合材料的加工刀具

　　复合材料是两种或两种以上不同特性材料组合，从而具有某种特定性能的材料。碳纤维复合材料主要用在飞机机体，故它的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。

　　三菱新开发的MCS型钻头首先在其后刀面（顶面）修磨去横刃并构成三重后刀面，减少了轴向力和顶端的摩擦发热。主刀刃设计为专适用于CFRP及其与铝合金的复合板加工用的锋利波形刃。它优化了主刀刃各处的前角分布，从而减少了切削力和可能产生的毛刺。为了减少切削热，MCS型钻头设计具有三角形冷却孔的TRI-cooling技术，并在钻头结构上增大了容屑排屑空间。为使钻头在这样严酷的条件下还能耐磨，其表面采用独创的CVD法沉积的多层微粒金刚石涂层DD220，其耐磨性与平滑性俱佳。它在加工CFRP及其与铝合金的复合板时，进出口处及铝合金两端精度都较过去大幅度提高。

　　在立铣刀方面三菱也是采用了以CVD法构成的金刚石涂层。立铣刀的结构有两种，一是重视加工表面质量的DFC-4JC型，其螺旋角小，可降低轴向阻力，减少毛刺和分层，从而获得良好的加工表面；一是重视加工效率的DFC-JRT型，其采取交叉分屑槽结构，从而降低切削力和切削热，实现高效加工。二者加工时的冷却方式是吹压缩空气。有些情况下GFRP（玻璃纤维复合材料）使用较多时，切削加工用各种刀具基体材料可同上，表面可用三菱特殊开发的DLC（类金刚石）涂层，加工效率高，而且非常经济。

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