航空零件切削加工對刀具切削的要求
航空制造領域一直是先進技術高度密集的行業之一，主要是因為航空產品的零部件形狀和結構復雜、材料多種多樣、加工精度要求嚴格。航空產品零件制造的復雜性 主要體現在：（1）通常帶有復雜的理論外形曲面、縱橫交錯的加強筋結構、厚度較小的薄壁結構等；（2）零件材料以高強度鋁合金、鈦合金、高溫合金、不銹 鋼、復合材料、蜂窩結構為主，多數為難加工材料；（3）現代飛機具有長壽命、高可靠性要求，這使零件表面的質量控制要求更為嚴格；（4）越來越多地采用整 體結構設計，零件的外廓尺寸也越來越大。為滿足航空產品的設計性能與使用要求，零部件的制造往往采用多種工藝手段，如切削加工、電物理加工、電化學加工、 束流加工、精密鑄造及精密鍛造等，其中切削加工仍然是目前在航空制造領域應用最多、使用最廣的加工方法。
在現代飛機和發動機的主承力結構中，整體結構件所占的比例快速增加，這類零件通常采用整體毛坯(板材或鍛件)進行切削加工，零件成品的重量 只有毛坯的10%～20%，其余的80%～90%材料都成了切屑。飛機機體的梁、框、肋、壁板以及發動機的壓氣機風扇、整體葉盤等都是現代飛機、航空發動 機的關鍵零件，使用的材料涉及高強鋁合金、鈦合金、高溫合金、復合材料等，大多以整體結構為主，結構復雜、材料去除量大、精度及表面質量要求高，加工周期 較長。這些零件的切削加工過程對于實現高效、準確加工有著迫切的需求。
切削加工一直是零件加工的主要技術手段之一，盡管隨著科學技術的進步與發展，新的加工方法不斷涌現并且得到了日益廣泛的應用，但是切削加工 仍然是目前應用最多、使用最為廣泛的加工方法，對于尺寸和形狀的配合精度要求越高的零件，就越需要采用切削加工手段來完成，至今還沒有更好的加工方法 [1]。
切削刀具是支撐和促進切削加工技術進步的關鍵因素。近年來，高速高效數控機床的廣泛應用使現代切削加工技術發展到了一個新的階段，先進高效刀具的應用是使昂貴的數控機床充分發揮其高效加工能力的基本前提之一。
切削刀具的應用基礎
制造技術一直是伴隨人類文明的發展而前進的。18世紀后期，有移動刀架和導軌的機床的出現標志著機械加工生產時代的開始。隨著19世紀新型冶煉技術、內燃機技術、電氣技術的發明與完善，以及H·福特大規模生產方式和泰勒科學管理理論的出現，機械制造業開始進入大批量生產時代。切削加工是現代制造技術中最基本的加工方法之一，它是利用刀具(或工具)去除被加工對象上多余的材料，從而得到形狀、精度和表面質量都符合預定要求的表面。在由機床、刀具、工件和夾具組成的切削加工工藝系統中，刀具是富于變化、影響加工狀態的活躍因素。
刀具材料的選擇與發展是實現切削加工過程、推動切削加工技術進步的關鍵。人類使用工具是從天然材料開始的，經過石器時代、青銅時代、鐵器時 代的發展，準備切削工具經過石頭、獸骨、青銅制備切削/切割工具，發展到工具鋼、高速鋼、硬質合金、陶瓷、超硬合金制成的先進切削刀具，被加工材料也從石 頭、木材、獸骨等天然材料發展到銅、鐵、鋼、各類金屬合金、非金屬材料等不同的類型，到現在已經形成了金屬材料、陶瓷材料、有機高分子材料“三足鼎立”的 新局面，而由2種以上在物理和化學性質上不同的物質結合起來而得到的多項固體材料——復合材料是現代材料革命的一個重要方向[2]，在構件制造過程中也同 樣需要切削加工技術。
刀具性能的優劣取決于構成刀具的材料和結構。刀具材料的切削性能必須滿足以下基本要求：
（1）硬度。刀具材料必須高于工件材料的硬度，現代刀具材料常溫硬度通常要求在HRC60以上。
（2）強度和韌性。較高的強度則能承受較大的切削力，較好的韌性可以承受較大的沖擊載荷和振動。
（3）耐磨性。刀具材料應具有較好的抵抗磨損的能力，是刀具材料強度、硬度和組織結構等因素的綜合反映。
（4）熱硬性。刀具在高溫下保持材料硬度、強度、韌性和抗氧化的能力[3]。
各種不同的刀具材料只能在一定溫度范圍下維持其切削性能，常見刀具材料的主要性能和正常工作溫度如表1所示。
切削加工過程中，刀具切削刃要承受高切削溫度、高壓強、高應變速率，這就要求刀具既要有較高的高溫硬度和耐磨性能，又要有較高的強度和韌性，刀具涂層技術和刀具表面處理技 術便是為滿足切削加工對刀具材料的這些綜合性能要求而發展起來的。涂層刀具是采用物理或化學方法，在刀具基體材料上覆蓋一層或多層耐高溫、耐磨損的涂層材 料，使刀具既有強韌的基體，又具有高硬度、高耐磨性的表面。基本的刀具涂層材料可分為單涂層、多元涂層、軟涂層等[4]，常見的涂層材料性能和應用范圍如 表2所示。單一涂層在應用中有一定的局限性，而多涂層結構在現代涂層刀具中使用較廣泛，多層涂層可以有效地改善涂層的組織結構，提高刀具的使用性能。由于 涂層材料的耐熔結、耐磨損和耐熱性能優于基體，因此能以超過基材的切削速度進行切削。此外，由于涂層的摩擦系數小，因而可以延長刀具的使用壽命。
航空零件切削加工中刀具的應用現狀
航空產品零件使用的材料主要涉及高強鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金、復合材料等多種類型。飛機機體上涉及切削加工的零件主要使用鋁合金、鈦 合金、復合材料、高強度鋼等材料，其結構尺寸大，尺寸協調部位多；航空發動機上涉及切削加工的零件主要使用鈦合金、高溫合金、不銹鋼、復合材料，其加工精 度要求較高。
從加工形式上看，飛機機體結構件以機翼梁、機身框、翼肋、壁板為典型代表，零件形式為扁平形結構，尺寸較大，帶有機身、機翼理論外形。這類零件主要以銑削加工為主，采用不同形式的銑削刀具在龍門結構、五軸聯動的數控銑床上完成加工，常用的刀具有盤銑刀、 立銑刀、球頭銑刀等，更為常用的是帶有刀尖圓角的專用銑刀；航空發動機零件以機匣、整體葉盤、葉片以及軸、盤為典型代表，除軸、盤類零件適合采用車削加工 外，其他零件為回轉形結構，部分部位需要車削加工，大部分涉及安裝及氣流通道的部位還需要在五坐標聯動控制、轉臺結構的數控機床上進行銑削加工，加工過程 都需要多種形式和結構的刀具，如外圓車刀、內圓車刀、立銑刀、球頭銑刀等。
在零件加工過程中，鑲齒刀具、焊接式刀具、整體刀具都有廣泛的應用，近年來，鑲齒刀具、整體刀具逐漸成為現場主要使用的刀具結構，焊接式刀 具應用范圍已逐漸縮小。這些刀具主要來源于3個途徑：企業自制、國內專業生產廠和國外刀具供應商，其中高檔刀具主要以國外刀具廠商的產品為主，國產刀具的 主要問題是制造精度較低、表面處理技術尚存在差距、刀具質量不夠穩定，各批次刀具的精度和壽命有時不一致，從而導致生產現場難以穩定控制零件加工精度的一 致性。
高速加工已經進入實用化階段，飛機結構件是應用高速加工的主要領域，特別是在鋁合金結構件、復合材料構件的切削中應用廣泛。目前，鋁合金材 料切削速度已達到1500～5500m/min(最高速度為5000～7500m/min)，鑄鐵精加工和半精加工速度為500～1500m/min，精 銑灰鑄鐵最高可達2000m/min，普通鋼為300～800m/min，淬硬鋼(HRC45～65)速度為100～500m/min[5]。高速加工的 切削速度為常規切削的5～10倍，刀具的安全性、高溫穩定性、動平衡已成為高速加工刀具的關鍵。目前，航空零件切削加工現場配備的高速銑削設備主軸轉速已 經達到24000r/min，使用的高速切削加工刀具主要以國外品牌為主，鋁合金零件切削速度已經達到1300m/min以上。高速銑削加工中使用的刀具 主要是鑲齒、整體2種結構的硬質合金刀具，新型超硬材料(如PCD、PCBN)刀具則應用較少。
航空產品零件的加工通常需要使用數量不等、規格和結構不同的刀具才能完成，并且要求不同刀具加工的表面之間連續、無接差、無干涉。在大多數 情況下，生產現場中切削刀具的應用主要還是粗放型的，對于切削刃形狀對加工精度的影響、粗精加工刀具的接刀誤差、刀具安裝調整精度等問題缺少細致、深入地 分析和控制，主要通過對刀儀、機床上對刀和名義尺寸值獲得刀具的直徑、安裝長度、關鍵部位的尺寸(如刀尖圓角)。不同刀具之間的關鍵尺寸至少存在 0.05mm以上的誤差(特別是鑲齒刀具)，這使得加工出來的工件表面存在殘留、臺階和損傷，不得不依靠后續的人工修整和拋光進行處理。
從切削參數方面看，由于各生產現場的技術水平和配套環境不同，刀具切削時使用的切削參數差異較大，切削參數的選擇和使用主要以工藝人員或機 床操作者的經驗為主。鋁合金材料的切削速度在200～2000m/min之間，單位時間材料的去除率為10～30kg/h不等；鈦合金材料切削速度在 9～50m/min之間，單位時間材料的去除率一般不超過1～2kg/h。從刀具壽命方面看，生產現場基本上都沒有嚴格控制，主要是由操作者憑經驗判定刀 具的可用狀態，這也是造成工件加工表面質量不穩定的原因之一。
隨著飛機產品飛行性能的提高，人們對現代航空零件加工精度的要求也逐步嚴格，復雜形狀表面的精度誤差從早期的±（0.15～0.3）mm已經提高到± （0.08～0.12）mm，表面粗糙度從Ra6.4～Ra1.6提高到Ra1.6～Ra0.8。提高刀具精度、合理選擇使用刀具是滿足零件的精度和表面 質量要求的重要環節。
新材料、新結構的切削加工特點及刀具需求
從新型飛機和發動機的發展趨勢看，基于降低飛機機體和發動機重量、提高飛行性能、節省燃油消耗的考慮，過去大量采用的組合式金屬結構、鋁合 金直接覆蓋的方法已逐漸被舍棄，鈦合金、復合材料使用的比例越來越大，整體結構成為飛機和發動機產品的主體。鈦合金是公認的難加工材料之一，需要在高性能 刀具的支持下才能滿足質量和周期需求；采用鋪疊、纏繞、RTM等工藝制備的復合材料構件盡管不需要很大的切削加工量，但其材料結構的特殊性和較高的質量要 求也對切削刀具具有較高的要求；采用整體結構設計后，一般情況下都選用整體板材或大型鍛造毛坯來加工，其中90%以上的材料都要被切除，加工量較大，對加 工效率要求極高。
航空發動機零件通常為鈦合金、高溫合金材料，這些材料的切削加工一直是一個難點。同時，航空發動機零件形狀復雜、精度要求嚴格。以新型發動 機的主要結構部件——整體葉盤為例，切削加工過程涉及氣流通道、葉身型面、葉根葉尖、進排氣邊等難加工部位，銑削是完成這些關鍵部位加工的主要工藝方法， 由于結構空間狹窄，通常要使用小直徑、大長度的立銑刀或球頭銑刀。航空發動機零件切削加工的主要特點是：
（1）被加工材料變形屈服極限高，切削變形抗力大，導致切削力大、切削功率高，刀具承受較大的切削力和扭矩，要求刀具具有較高強度硬度和耐磨性能，加工過程中能很好地維持刀具切削性能和幾何形狀；
（2）切削過程中切削力波動大，刀具承受周期載荷作用，容易產生刃部缺口或崩刃，要求刀具具有較好的韌性并有減振或消振措施；
（3）切削區溫度高，切削熱集中于刀尖附近(尤其是鈦合金工件加工)，刀具承受較高的熱載荷作用，容易產生熔結和氧化導致刀具失效，要求刀具刃部具有更高的穩定切削性能。
飛機結構件材料通常以鋁合金、鈦合金、蜂窩結構(鋁或NOMEX)和復合材料為主，還有少量的不銹鋼和超高強度鋼。其中鋁合金、鈦合金零件 切削加工量很大(約有80%～90%材料被切除)，復合材料構件切削加工量相對較少，但加工中容易產生撕裂和層間剝離而損傷復合材料構件的基體。飛機結構 件通常為薄壁結構，鋁合金結構件結構厚度最小可達0.8～2mm；鈦合金由于材料特性的限制，其最小結構厚度要大于鋁合金結構件的最小結構厚度。飛機結構 件以銑削加工為主，其切削加工主要具有以下特點：
（1）鋁合金和蜂窩結構的材料屈服強度較低，切削過程產生的切削力小，適合采用高速加工方法，要求刀具滿足高速切削的基本要求(如耐熱性、抗熱沖擊性、高溫力學性能、可靠性)；
（2）復合材料為基體相和增強相組成的物質，力學性能具有各向異性，刀具拉伸、剪切和扭曲的聯合作用下切除材料，纖維斷面與刀具后刀面存在強烈的摩擦，加工精度和表面粗糙度不易達到設計要求；
（3）零件上存在較多的轉角和過渡區域，這些部位應光滑連接以避免應力集中，要求刀具的細部結構(如刀尖圓角)尺寸準確并在切削過程中維持形狀不變；
（4）材料切除量大，工步工序加工時間長，要求刀具具有較高的壽命，避免頻繁換刀而造成精度損失和輔助時間增加；
（5）零件上具有較多的槽腔、下陷、閉斜角等結構，在銑削加工過程中有時候要使刀具沿軸向切入甚至垂直進刀，這就要求刀具底部具有切削能力。
航空零件的切削加工目前主要分為2個類型：一是輕質結構和輕合金的高速加工，主要針對鋁合金和復合材料，使用的刀具以硬質合金、PCD材料 為主，帶有單涂層或復合涂層；二是針對鈦合金、不銹鋼、超高強度鋼等難加工材料的切削，使用的刀具材料主要是細晶粒硬質合金、超細晶粒硬質合金和高性能高 速鋼，應特別注意刀具材料(包括其涂層)與工件材料的匹配，實踐證明，鈦合金切削加工中，常規涂層對提高刀具性能方面沒有明顯作用，必須尋找新的涂層及涂層工藝。表3給出了現階段航空產品零件切削加工中不同工件材料適用的刀具和涂層。
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