先进航空材料的切削加工

新一代合金和复合材料使飞机制造商面临新的加工挑战。

随着对重量更轻、速度更快飞机的需求不断增长，航空零部件制造商正在生产更多的钛合金、Inconel合金、Hastelloy合金、Waspalloy合金以及复合材料零件，以满足飞机机身和航空发动机制造商的需求。大型商用飞机，如波音787梦想飞机，以及用于防务计划的F-35联合攻击战斗机，都采用了几乎是全复合材料的机身设计。为了加工通常由复合材料和硬度较高的金属合金两者构成的工件，就必须采用具有创新性的新工艺。

加工钛合金和其它难切削合金通常需要使用高刚性、大扭矩的机床，同时还要采用最先进的切削刀具、高压冷却系统和加工工艺。以“交钥匙”方式提供以上要素将会提高用户的加工效率。美国的生产力解决方案公司（MAG公司的子公司）Cyclo Cut刀具生产主管Dan Cooper介绍说，该公司专门致力于提供总体解决方案：新的机床，改造或重建，工艺开发以及提供包括可提高切屑去除率的刀具和冷却系统在内的完整生产线。为了优化切屑去除率和零件质量，要求投入加工过程的所有要素保持平衡。

在切削钛合金和其它难加工合金时，高刚性机床、HSK100或125的大尺寸主轴接口、高压冷却液冲刷，以及采用卧式结构（就像MAG公司最近推出的H4000五轴卧式仿形加工机床一样）可以提供工艺改进。较大的主轴电机和传动轴在切削难加工合金时也是一种优势。具有低热导性和高弹性的钛合金很难切削，加工时很容易产生颤振，而颤振是相当糟糕的事情，因为它会影响工件质量、刀具寿命和机床寿命。

航空制造业切削复合材料、钛合金和其它难加工合金的加工范围十分广泛。山特维克可乐满美国公司航空产品开发经理Chris Mills先生介绍说，“我们为加工镍基合金开发了专用刀具，为加工钛合金提供解决方案，并且也为复合材料加工开发了刀具。”

Mills补充说，“从数量上看，复合材料增长最快，但这并不一定代表复合材料的加工量最大。最难加工的材料是发动机内使用的镍基合金。”涡轮发动机前部的风扇和高压压缩机采用钛合金制造，而涡轮的高温燃烧部分则采用能够承受极高温度的镍基合金制造。

Mills说，“钛合金可以承受800℃左右的高温，而镍基合金在超过1400℃的高温中仍能工作。当然，镍基合金是最难加工的材料，它们只用于确实需要的部位。钛合金要轻得多，因此可以尽可能多地使用。”

镍基合金，包括Inconel合金、Waspalloy合金和René 41合金，通常被归类为镍基高温合金或镍基耐热合金。加工的钛合金大部分是Ti-64或6Al-4V（含6%的铝和4%的钒）。Mills解释说，“通过加入不同的合金元素，可以改变金属材料的强度。最令人头痛的合金是5553钛合金（即5Al-5Mo-5V-3Cr），这是一种用于波音787的新材料。由于现在波音787的生产正在提速，因此有越来越多的5553钛合金需要加工。”

Mills说，“通常，我们参照6Al-4V建立所有钛合金材料的基准加工方法，而且我们发现，采用相同的刀具、相同的牌号和相同的加工编程方法至关重要。不同的是，与加工Ti-64相比，加工5553时必须将切削速度降低50%。许多人可能已经遇到了问题，因为他们援引的加工方法是基于一个典型的6Al-4V加工案例，而加工5553材料需要两倍长的时间，因为其可切削性降低了50%。”

为了解决新型钛合金5553可切削性较差的问题，生产车间必须优化加工流程。Mills指出，“需要将加工这些难加工材料必须采用的最佳做法扩展到整个机床、工艺刚性、安装、冷却液供应以及编程方法等各个方面。材料的可切削性越差，其加工编程就越重要。工件的夹持和安装也很重要，因为其切削力比加工其他材料大得多，任何振动都会给刀具带来麻烦。需要采用低转速加工，因为切削速度很低，因此需要在低转速下获得足够的扭矩和功率。为了加工钛合金，人们使用了大型卧式机床，而且开发了专用机床。”

为了解决5553钛合金可切削性差的问题，山特维克公司最近开发出两种新型刀片：S30T和S40T牌号，专门用于钛合金加工。S30T的特点是采用了微米晶粒硬质合金基体和PVD-TiAIN薄涂层，为铣削钛合金提供了较高的切削速度和较长的刀具寿命；S40T主要针对刀具韧性要求较高的加工，采用了强韧的细晶粒硬质合金基体和CVD薄涂层，可以在最苛刻的钛合金铣削条件下提高刀具寿命和加工安全性。

森精机美国公司负责制造工艺的副总裁兼首席技术官Greg Hyatt指出，“加工硬度较高的镍基合金的另一种方式是采用缓进给磨削。在我们的机床上，正越来越多地采用磨削方式加工镍基合金，因为随着这些材料的可切削性下降到个位数范围，磨削已成为非常可行的替代加工方法。在某些情况下，通过磨削加工，我们确实获得了比铣削和车削更高的金属去除率。”

Hyatt指出，通过应用特别为镍基合金加工开发的专用工艺，制造商能以比传统磨削工艺高得多的去除率切除金属。他说，“这种工艺就是缓进给磨削，我们使用了较大的砂轮，每次磨削采用1－2mm的磨削深度。这不是在精密磨床上进行的轻载往复磨削，而是一种重载加工，需要利用机床的全部功率。”

Hyatt补充说，新的β相钛合金（如5553）具有很强的磨蚀性，会导致刀具寿命大大缩短。“加工时需要比较高的扭矩，而在大多数情况下，需要增大扭矩以保护刀具，即使采用大家认可的刀具（如山特维克公司目前提供的刀具），再加上推荐的切削速度（通常甚至低于加工6804B和其它更典型合金的推荐切削速度）。这些速度对于切削钛合金已经够低了——现在还要更低，因此唯一可行的办法就是高扭矩、低切速。这对机床和刀具都具有挑战性。

山高刀具公司车削产品和教育服务经理Don Graham指出，先进的刀具设计为航空制造商提供了加工镍基高温合金时解决磨蚀性难题的方法。“加工钢件时，弯折的切屑快速通过刀片顶部，从而使切屑变得红热。而红热状态的钢相对来说比较软，因此它不会对刀片顶部施加太大的压力。危险在于切削刀片发生融熔。我们可以利用涂层来保护刀片，从而使它不会与钢发生熔融。”

Graham解释说，“切削高温合金时，切屑同样被弯折和变得红热，但却不会软化。这就是它用于喷气发动机性能极佳的原因——在极高的温度下仍能保持大部分机械强度。因此，在加工高温合金时，刀具要承受很大压力，容易发生变形。”

除了要求刀具耐热性好以外，制造商还必须与刀具的过早磨损作斗争。“这些高温合金具有磨蚀性（特别是经过热处理后），因此它们会使切削刃磨损。高温合金韧性很好，因此切削时断屑困难。换言之，切屑控制具有难度。与高温合金的韧性有关的另一个问题是积屑瘤。当积屑瘤最终脱落时，就会造成刀具切削刃崩刃。”

Graham指出，山高刀具公司通过刀具几何设计、刀具材料研究、适当选择切削速度和进给量，来解决这些合金的切削难题。“在一般情况下，我们采用正前角几何设计，以减小切削力，使积屑瘤最小化。我们优先采用微米晶粒硬质合金，因为与传统硬质合金相比，它能抵抗高温合金施加在刀具切削刃上的压力。微米晶粒硬质合金还具有极好的耐磨性。我们做的另一件与刀具材料有关的事，就是采用PVD多层涂层。这种涂层能防止产生积屑瘤，并能提高耐磨性。

山高公司开发的Jetstream Tooling刀柄系统可将高压冷却液导向切削刃，从而改善切屑控制。为航空制造业用户加工Ti-64钛合金而开发的这款工具系统有助于减小钛合金切屑的长度（从大约1米减小到6.4mm长）。

Graham回忆说，“Ti-64的长切屑很危险，很难处置且费用昂贵。问题是，钛合金并不是优良的热导体，这就意味着，你可以冷却切屑的顶面，但其底部仍然很热，因此切屑仍然强韧而不易折断。Jetstream Tooling是夹持车削刀片的刀柄系统，可以把冷却液输送到切屑底部，帮助形成一个液体楔，将切屑抬起，使其迅速冷却、弯曲和折断，并将其吹走。”

MAG公司的Cooper指出，另外的改进还包括增加排屑槽密度和采用微米晶粒硬质合金，可以帮助车间在切削钛合金类材料时减小刀具磨损，“通常，精加工刀具几乎都是整体硬质合金刀具。我们有一种称为Max-Flute的产品，就是在一把刀具（如直径19mm的整体硬质合金立铣刀）上开16条排屑槽，而早先的刀具上只有4条排屑槽。借助这些高密度的排屑槽，可以在精加工中将进给率提高4倍，在缩短加工周期的同时，提供更高质量和更精密的零件。”

Cooper补充说，“为了获得更高的强度和更长的刀具寿命，我们减小了晶粒结构，将超细亚微米晶粒硬质合金（晶粒尺寸0.4－0.6µm）用于刀具切削刃。这种硬质合金更强韧，因为材料晶粒更小，因此具有更大的粘结表面积。采用这种晶粒更细的硬质合金，还能得到更锋利的切削刃。”

在高刚性机床上切削钛合金时，选用合适的刀具至关重要。哈斯自动化公司的应用经理Wayne Reilly说，“为了加工成功，就需要锋利、刚性好，并且能够良好排屑的刀具。特别是在切削钛合金时，锋利的刀具可能是获得成功的关键。一旦刀具变钝，情况将很快恶化。”

Methods机床公司的Jochen Reichert补充说，“关键是要有高刚性的机床和主轴，以及具有正确几何形状的高端刀具。在过去几年里，在加工像钛合金和Inconel合金这种难加工材料时，我们已经明确看到了在加工时间、切削速度和切削长度等方面的提高。”

据Dynomax公司CEO、材料学与冶金学博士Rich Zic介绍，Dynomax公司作为一个合同制造商和主轴生产商，加工各种复合材料、铝合金、钛合金和Inconel合金的航空零件。“我们主要为航空工业加工钛合金、Inconel合金、不锈钢和类似的材料，但我们主要关注钛合金的切削加工，因为与人们通常加工的其它材料的标准加工方法相比，钛合金的加工有点不同。我们需要大量加工在航空工业广泛应用的α相和β相钛合金。”

Zic说，“钛合金加工需要有高刚性的机床设备，因为如果所用的机床刚性不足，不仅难以获得良好的加工表面光洁度，而且刀具寿命也会大大缩短。此外，加工时必须将切削表面速度控制在一定范围内。我们需要采用适当的进给率，我们需要切削工件而不是摩擦工件。如果机床在任何一个给定点处停下，它将把热应力传入工件材料中。”

Dynomax公司主要加工钛合金结构件，包括用于安装发动机的支撑件。Zic指出，“特别是对于喷气发动机来说，制造商希望减轻重量、提高强度，而钛合金的强度水平与大部分其它钢合金相同，但重量却要轻一半。飞行器总是希望减轻重量，因为每一盎司重量都意味着燃油的消耗。”

在硬合金航空零件上加工螺纹孔一直是对制造商的挑战。Emuge公司螺纹铣削产品经理Mark Hatch介绍说，“在包括15-5 ph不锈钢、17-4 ph、6Al-4V钛合金和Inconel 718等航空材料上加工内螺纹一直是难题，我们已在这一领域进行了大量技术开发。”

许多飞机零件难以加工的原因在于材料的化学成分和经过的特殊热处理。Hatch指出，“通常，我们必须加工经过预淬硬的不锈钢和Inconel合金，因此，通常工件的硬度在HRC38－48范围内。加工此类航空材料的主要问题之一不仅是高硬度，还有化学成分，它可能使材料产生一种压缩特性。你会发现，丝锥生产商必须专门设计带有大后角的几何形状，以纠正这种压缩行为。在航空零件的加工中，丝锥的破损已经成为一个老大难问题，而航空制造业正尽可能转向采用螺纹铣削方式来加工这些难加工材料。”

Hatch表示，对用户来说，用螺纹铣刀加工可以节省加工时间，“我们的螺纹铣刀设计采用了加长到2倍切深的铣削部分，这是我们公司刀具的独特之处。在航空零件加工中，制造商对J型系列内螺纹有着非常苛刻的要求。他们将其称为“安全保障螺纹”，其螺纹中径尺寸必须达到3-B级公差，这就意味着，他们在加工普通螺纹时有非常高的质量标准。我们的螺纹铣刀本身能够很好地控制这些公差。”

在复合材料加工中，最大的工艺问题往往涉及到由不同材料（包括复合材料和钛合金层）组成的多层复合材料的分层剥离。OSG美国公司负责制造工艺的副总裁Drew Strauchen说，“我们的关注重点在航空制造业。我们为波音公司和国防承包商提供帮助，他们使用我们的刀具铣削和钻削加工商用和军用飞机零件。我们主要关注两种不同的刀具：对复合材料进行修形的镂铣刀和制孔用的钻头。”

Strauchen指出，“孔加工是最困难但也最普遍的加工类型。他们每使用一把铣刀，可能就要使用100支钻头。飞机上有大量的紧固件，与需要铣削的零件相比，需要钻削的孔要多得多。我们面对的挑战是材料的分层剥离和孔的尺寸——能够用一支钻头（而不是两支或三支钻头）加工一个直径1/4英寸的孔。我们的专长是为碳纤维增强复合材料的加工设计双角和三角钻头，以实现一钻成孔，避免分层剥离并保持孔径尺寸的一致性。

Strauchen说，由于采用了获得专利的金刚石涂层，OSG公司的双角和三角整体硬质合金钻头获得了更长的刀具寿命，这些只作为专用刀具提供的钻头，其特色就是CVD金刚石涂层。

Strauchen说，“碳纤维增强复合材料中纤维的排列方向决定了钻头设计所需的角度。分层剥离发生的原因通常是，钻头能顺利切断沿一个方向排列的碳纤维增强复合材料层，但当它钻入沿另一个方向排列的材料层时，会趋向于推挤该材料层而不是切断它们。这样就产生了推动层压材料分层的附加压力。这就是我们的钻头具有多个角度的原因，这些角度可以对付碳纤维增强复合材料中不同方向的纤维层。”

刀具供应商美国Kennametal公司也可提供新设计的碳纤维增强复合材料加工刀具。该公司对CFRP加工刀具进行了广泛研究，并与合作伙伴——轨道钻开发商瑞典Novator公司一起提供了可供选择的工艺。Kennametal公司设计的SPF钻头可以控制钻头钻入和钻出时材料的分层剥离.

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