航空工業(yè)用材料的特點(diǎn)是要求質(zhì)量輕，在高溫和低溫條件下，比強(qiáng)度高、綜合性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好。為此，人們開發(fā)了許多新的材料。當(dāng)今可作為航空材料的金屬有鋁合金、鈦合金和超耐熱合金。航空用復(fù)合材料有CFRP（碳纖維復(fù)合材料）等。這些材料大多數(shù)都是難加工的材料。

    以先進(jìn)的美國波音飛機(jī)為例，三十年間已從原有的747型飛機(jī)，發(fā)展到目前的787型，其機(jī)體部分材料構(gòu)成為：開始廣用的鋁合金由81﹪降為20﹪，鋼由13﹪降為5﹪，而鈦合金由4﹪增加到15﹪，復(fù)合材料則由4﹪大幅度增加到50﹪。同樣，歐洲的最新型空客A350XWB使用的鋁合金只占20﹪，鋼僅占7﹪，而鈦合金增至14﹪，復(fù)合材料更高達(dá)52﹪。

    在噴氣發(fā)動機(jī)中，低溫低壓部分一般用鈦合金，最近也有部分使用復(fù)合材料CFRP。高溫高壓部分多用鎳基等超耐熱合金，如Inconel718，Hastelly，Waspaloy，Rene41等。

    難加工金屬材料的鈦合金和超耐熱合金，難切削程度若以含硫易削鋼易削指數(shù)為100計(jì)，則奧氏體不銹鋼為45，鈦合金中的Ti-6Al-4V為26，Inconel718為12，Rene41則在5以下，可知難切削性依次以2倍多地增加。

鈦合金和超耐熱合金的特性

    鈦合金有以下加工特性：（1）切削過程中生成的切削熱高，且導(dǎo)熱性差（約為鋼的1/7，鋁的1/16），從而使溫度集中在刀尖刃口，常高達(dá)1000℃以上，故易使刀具因高熱而損傷。（2）鈦合金彈性模量小，切削受力后，彈性恢復(fù)，會加劇刀具前后刀面的摩擦，進(jìn)一步增加切削溫度，加速刀具磨損，還易振動。（3）易被加工硬化，且自身化學(xué)活性大，易與空氣中的氧等反應(yīng)，使表面變硬，加劇刀具的磨損。（4）鈦與耐熱合金的切屑易黏結(jié)在刀具上，在加工中粘結(jié)物被后續(xù)加工強(qiáng)制除去時(shí)，會造成刀具粘結(jié)損傷，降低刀具壽命。最廣泛使用的鈦合金是α-β相的Ti-6Al-4V。波音787型用的鈦合金是β相的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr，更難加工。

    鎳基超耐熱合金的加工特性：首先，其含合金成分比率多，合金元素與碳構(gòu)成各種碳化物和復(fù)雜碳化物，這些碳化物不溶于合金，而是以極細(xì)的顆粒形式彌散分布在晶界，可以強(qiáng)化晶界，阻止外力作用下的滑移，使得合金顯示超強(qiáng)硬的性質(zhì)。其次，比強(qiáng)度大，要加工鎳基超耐熱合金，必須做更大的功，以產(chǎn)生更多的熱。而導(dǎo)熱性差，使得切削中生成的熱量不易排出，從而讓溫度達(dá)到更高。鈦合金許多難加工的特點(diǎn)在超耐熱合金中表現(xiàn)得更劇烈，其機(jī)械、粘結(jié)、擴(kuò)散和氧化磨損更嚴(yán)重，因此超耐熱合金比鈦合金更難以加工。

鈦合金與超耐熱合金加工用刀具

    為開發(fā)鈦合金與超耐熱合金加工用的優(yōu)秀刀具，應(yīng)該研究改善影響切削力、熱的各因素，提高冷卻效果，使切削力、熱下降，熱加快導(dǎo)出；提高工藝系統(tǒng)各部分剛性，以抑制振動；減少黏結(jié)，加速排屑等。這些原則如何在切刀、立銑刀、面銑刀、鉆頭的具體設(shè)計(jì)、選材和切削條件設(shè)定上落實(shí)，下面以國外的SIMTEK和SGS公司為例，進(jìn)行說明。

    先介紹他們?yōu)榇碎_發(fā)的新材料和涂層，德國SIMTEK公司開發(fā)了車削切內(nèi)外槽的GT45、FT45、HT45及GX79，用于銑槽的GT42和GT79。既可用于鈦合金，也可用于超耐熱合金的加工。美國SGS公司開發(fā)的特殊涂層Ti-NAMITE-A(AlTiN)，由于其特殊的沉積技術(shù)與組織結(jié)構(gòu)，加工鈦合金和超耐熱合金時(shí)取得了很好的效果。SGS公司開發(fā)的另一種Ti-NAMITE-B(TiB2)涂層，硬度達(dá)到了HV4000，可用于加工鋁硅合金。他們用于制造刀具基體的材料都是超微粒硬質(zhì)合金，加以獨(dú)自開發(fā)的專用涂層，實(shí)現(xiàn)了硬度和韌性等綜合機(jī)械性能的進(jìn)一步提高。

    航空發(fā)動機(jī)零件上有許多槽加工需要使用性能優(yōu)異的切槽刀（見圖1）。槽加工由于三面受力，切削阻力大，切削熱高，散熱、冷卻、排屑及剛性等條件差。德國SIMTEK公司開發(fā)了多種V形塊定位夾緊模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了刀片的安裝剛性。除了可加工各種槽外，換上別的刀頭還可以加工各種孔，以及不同標(biāo)準(zhǔn)的螺紋。這對航空零件整體制造，保證在一次安裝中能加工出許多表面，要求保證相互位置精度高的零件非常有利。針對包括鈦合金和超耐熱合金在內(nèi)的航空難加工材料，SIMTEK公司的優(yōu)質(zhì)刀片材料在車削切槽時(shí)，鈦合金切削速度為60～110米/分，而鎳基耐熱合金的切削速度為30～50米/分。車削切槽所用刀片對應(yīng)不同的加工有各自適合的斷屑槽。

圖1 SIMTEK的各類切槽刀及常加工的發(fā)動機(jī)零件

    對一般的立銑刀而言，刀齒的進(jìn)入、退出是周期性的，這可能會形成破壞性的簡諧振動，并進(jìn)而造成整個(gè)刀具的共振損傷。美國SGS公司的專利特色設(shè)計(jì)使得其多款立銑刀從很大程度上抑制了加工中的振顫。如Z-CARB-AP型不但具有不等齒槽螺旋角，齒槽間的間距也不等，還具有專利的可變前角結(jié)構(gòu)等，從多方面來抑制振動，減少并穩(wěn)定切削力，使加工質(zhì)量、效率、刀具壽命等均得以提高（見圖2）。圖2中標(biāo)明的諸功能，均由經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)來保證。該銑刀在切削鈦合金時(shí)的速度為91～104米/分，切削超耐熱合金（硬度≤300）時(shí)的速度為24～30米/分。

圖2 Z-CARB-AP型立銑刀

    Z-CRAB-HTA系列立銑刀則專門針對高溫合金的加工進(jìn)行了獨(dú)特的幾何形狀設(shè)計(jì)，也具有專利的多種螺旋角、可變的螺距，且可抑制諧振。此外，其螺旋角較大，從而改善了對耐熱合金的剪切和切離功能，也使加工的平衡和穩(wěn)定性得到了提高。精心設(shè)計(jì)的芯部結(jié)構(gòu)提高了其在嚴(yán)酷加工環(huán)境中的強(qiáng)度和剛性。在工件硬度≤300時(shí)，切削速度達(dá)27～40米/分。而硬度≥300時(shí)，切削速度可達(dá)24～37米/分。

    V-CRAB5刃立銑刀由于具有奇數(shù)刃、變化的齒距和齒形，可降低諧振，提高加工光潔度，減少切削力，增強(qiáng)剛性，提高生產(chǎn)效率。奇數(shù)多刃齒的立銑刀若再增加齒數(shù)，例如增加到7刃、9刃、11刃等，除了保持上述優(yōu)點(diǎn)外，由于每分鐘的進(jìn)給量F=N（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）×fz(每刃齒進(jìn)給量)×Z（刃齒數(shù)），因此，刃齒數(shù)的增加會直接使每分鐘進(jìn)給量與生產(chǎn)效率按比例地增加。多刃齒立銑刀一般齒槽多，但齒槽淺，芯部較粗，刀具剛性高，加工精度、穩(wěn)定性、刀具壽命均得以改善。SGS的許多立銑刀都采用了專利的冷卻射流技術(shù)（見圖3），通過可中心供冷卻液的機(jī)床主軸，使冷卻液沿立銑刀外四條相互成90°油槽和螺旋槽一直通達(dá)切削部位。它能更好地實(shí)現(xiàn)冷卻效果，保持恒定適當(dāng)?shù)那邢鳒囟?，防止過熱，減少黏附和積屑瘤，提高切削速度和刀具壽命，加速排屑，防止切屑損傷工件，并提高加工精度和表面質(zhì)量。

圖3 Z-Crab立銑刀的冷卻特色

    SGS公司有一種Hi-PerCarb高性能雙刃帶鉆頭的特點(diǎn)是；由于在原螺旋槽外，刃背再開出了一條螺旋槽，從而構(gòu)成了雙刃帶（見圖4）。雙刃帶結(jié)構(gòu)使導(dǎo)向、定心點(diǎn)增多，且加工穩(wěn)定性高，冷卻液暢通，冷卻性能好，排屑性能大為提高，切削熱生成少，加工表面光潔度高，刃口的特殊處理保護(hù)了刀刃。頂部螺旋槽構(gòu)成的前刀面上磨出的兩凹槽修磨了橫刃，能分?jǐn)嗲行迹龃罅诉M(jìn)給能力，且減少了軸向力。鉆頭表面有耐高溫特殊的Ti-NAMITE-A(AlTiN)涂層，可提高切削速度，進(jìn)行高效加工。它除了適合航空難加工材料鉆削外，也適合一般鋼、鑄鐵、不銹鋼的鉆削。其加工精度高，很多情況下，可省去鉸孔工序。在普通設(shè)備上可方便地進(jìn)行磨損后的重磨。

圖4 Hi-PERCarb高性能雙刃帶鉆頭

復(fù)合材料及其加工用刀具

    復(fù)合材料是將兩種或兩種以上不同特性的材料組合起來，使之成為某種特定性能的材料。其基體材料常用的有樹脂、陶瓷和金屬等，增強(qiáng)材料則主要是纖維材料。過去，玻璃纖維應(yīng)用很廣泛，它們和樹脂復(fù)合構(gòu)成的GFRP被稱為玻璃鋼。芳綸復(fù)合材料AFRP使用得也很多。當(dāng)今以特殊熱處理工藝制成微細(xì)碳結(jié)晶而構(gòu)成的碳纖維，因其質(zhì)輕又具有優(yōu)良的性能，應(yīng)用日益廣泛。常用的碳纖維復(fù)合材料CFRP是以碳纖維為增強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹脂等為基體材料構(gòu)成的。碳原子固有的特性是低密度、低熱膨脹率、耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好，以及自潤滑性好。CFRP硬度高（HRC53～65），導(dǎo)熱性差（導(dǎo)熱性僅為奧氏體不銹鋼的1/5～1/10），但它的比強(qiáng)度、比剛度高，抗疲勞性好，耐熱性好。切削加工時(shí)，由于其導(dǎo)熱性差，局部熱量集中，易發(fā)生燒傷；由于各向異性，層間強(qiáng)度低，加工中易產(chǎn)生分層，撕裂，毛邊，表面質(zhì)量差等缺陷；再加上切屑為粉塵狀，污染環(huán)境，危害人體健康。故屬于難加工材料。

    碳纖維等復(fù)合材料和金屬的切削原理和過程不同。金屬切削是切刃切入使被切金屬產(chǎn)生剪切滑移形成各類切屑的過程，而碳纖維復(fù)合材料是通過鋒利的刀刃去強(qiáng)制折斷纖維和切斷環(huán)氧樹脂層的。纖維如磨料反過來摩擦磨損刀具。

    碳纖維復(fù)合材料主要用在飛機(jī)機(jī)體上，故其加工多用鉆削和銑削。鉆削通常用的麻花鉆由于頂部存在橫刃，橫刃不產(chǎn)生切削作用，只是擠壓滾卷纖維，是鉆削軸向分力和切削熱的主要來由。再加上碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性極差，很易造成燒傷。

    SGS公司的120系列8面4刃雙刃帶特殊鉆頭，載荷分配平滑均勻，加工精度高，加工表面質(zhì)量好，鉆孔進(jìn)出口處分層、毛刺很少，磨損磨蝕小，鉆頭壽命長。特別是再加上金剛石涂層Di-NAMITE，其加工質(zhì)量更高，壽命更長。

    SGS公司的20-CCR系列是他們專為航空碳纖維材料設(shè)計(jì)開發(fā)的立銑刀，在大多數(shù)情況下，可降低甚至消除纖維的破裂。減少分層剝離。其直徑有公制、英制兩種，公制的直徑為6～12毫米。刀齒有帶金剛石涂層Di-NAMITE和不帶涂層兩類。圖5為SGS的各類復(fù)合材料立銑刀。

圖5 SGS的各類復(fù)合材料立銑刀

    在復(fù)合材料精銑加工方面，SGS公司還有一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)的25系列立銑刀（見圖6）。此系列立銑刀同時(shí)具有左右螺旋槽和由它們形成的兩圓周刃。由于左右螺旋對工件作用力相反，原有的拉扯力量被壓縮力量抵消，最大限度地減少了復(fù)合材料加工中出現(xiàn)的分層，毛邊等損傷。該系列立銑刀還帶有金剛石涂層Di-NAMITE，進(jìn)一步提高了立銑刀的硬度和耐磨性，可長期保持切刃的鋒利，減少了切削負(fù)荷，延長了刀具壽命，并提高了加工質(zhì)量。

圖6 左右螺旋槽復(fù)合材料精銑刀