航空零件切削加工對(duì)刀具切削的要求
航空制造領(lǐng)域一直是先進(jìn)技術(shù)高度密集的行業(yè)之一，主要是因?yàn)楹娇债a(chǎn)品的零部件形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料多種多樣、加工精度要求嚴(yán)格。航空產(chǎn)品零件制造的復(fù)雜性 主要體現(xiàn)在：（1）通常帶有復(fù)雜的理論外形曲面、縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)、厚度較小的薄壁結(jié)構(gòu)等；（2）零件材料以高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金、高溫合金、不銹 鋼、復(fù)合材料、蜂窩結(jié)構(gòu)為主，多數(shù)為難加工材料；（3）現(xiàn)代飛機(jī)具有長(zhǎng)壽命、高可靠性要求，這使零件表面的質(zhì)量控制要求更為嚴(yán)格；（4）越來越多地采用整 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件的外廓尺寸也越來越大。為滿足航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(xué)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(lǐng)域應(yīng)用最多、使用最廣的加工方法。
在現(xiàn)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)中，整體結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jī)機(jī)體的梁、框、肋、壁板以及發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)風(fēng)扇、整體葉盤等都是現(xiàn)代飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng) 機(jī)的關(guān)鍵零件，使用的材料涉及高強(qiáng)鋁合金、鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料等，大多以整體結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料去除量大、精度及表面質(zhì)量要求高，加工周期 較長(zhǎng)。這些零件的切削加工過程對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)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(shù)手段之一，盡管隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，新的加工方法不斷涌現(xiàn)并且得到了日益廣泛的應(yīng)用，但是切削加工 仍然是目前應(yīng)用最多、使用最為廣泛的加工方法，對(duì)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(jìn)切削加工技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。近年來，高速高效數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用使現(xiàn)代切削加工技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的階段，先進(jìn)高效刀具的應(yīng)用是使昂貴的數(shù)控機(jī)床充分發(fā)揮其高效加工能力的基本前提之一。
切削刀具的應(yīng)用基礎(chǔ)
制造技術(shù)一直是伴隨人類文明的發(fā)展而前進(jìn)的。18世紀(jì)后期，有移動(dòng)刀架和導(dǎo)軌的機(jī)床的出現(xiàn)標(biāo)志著機(jī)械加工生產(chǎn)時(shí)代的開始。隨著19世紀(jì)新型冶煉技術(shù)、內(nèi)燃機(jī)技術(shù)、電氣技術(shù)的發(fā)明與完善，以及H·福特大規(guī)模生產(chǎn)方式和泰勒科學(xué)管理理論的出現(xiàn)，機(jī)械制造業(yè)開始進(jìn)入大批量生產(chǎn)時(shí)代。切削加工是現(xiàn)代制造技術(shù)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(duì)象上多余的材料，從而得到形狀、精度和表面質(zhì)量都符合預(yù)定要求的表面。在由機(jī)床、刀具、工件和夾具組成的切削加工工藝系統(tǒng)中，刀具是富于變化、影響加工狀態(tài)的活躍因素。
刀具材料的選擇與發(fā)展是實(shí)現(xiàn)切削加工過程、推動(dòng)切削加工技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。人類使用工具是從天然材料開始的，經(jīng)過石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí) 代的發(fā)展，準(zhǔn)備切削工具經(jīng)過石頭、獸骨、青銅制備切削/切割工具，發(fā)展到工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬合金制成的先進(jìn)切削刀具，被加工材料也從石 頭、木材、獸骨等天然材料發(fā)展到銅、鐵、鋼、各類金屬合金、非金屬材料等不同的類型，到現(xiàn)在已經(jīng)形成了金屬材料、陶瓷材料、有機(jī)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(xué)性質(zhì)上不同的物質(zhì)結(jié)合起來而得到的多項(xiàng)固體材料——復(fù)合材料是現(xiàn)代材料革命的一個(gè)重要方向[2]，在構(gòu)件制造過程中也同 樣需要切削加工技術(shù)。
刀具性能的優(yōu)劣取決于構(gòu)成刀具的材料和結(jié)構(gòu)。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(xiàn)代刀具材料常溫硬度通常要求在HRC60以上。
（2）強(qiáng)度和韌性。較高的強(qiáng)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(dòng)。
（3）耐磨性。刀具材料應(yīng)具有較好的抵抗磨損的能力，是刀具材料強(qiáng)度、硬度和組織結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(qiáng)、高應(yīng)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(qiáng)度和韌性，刀具涂層技術(shù)和刀具表面處理技 術(shù)便是為滿足切削加工對(duì)刀具材料的這些綜合性能要求而發(fā)展起來的。涂層刀具是采用物理或化學(xué)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(qiáng)韌的基體，又具有高硬度、高耐磨性的表面�；镜牡毒咄繉硬牧峡煞譃閱瓮繉�、多元涂層、軟涂層等[4]，常見的涂層材料性能和應(yīng)用范圍如 表2所示。單一涂層在應(yīng)用中有一定的局限性，而多涂層結(jié)構(gòu)在現(xiàn)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(jié)構(gòu)，提高刀具的使用性能。由于 涂層材料的耐熔結(jié)、耐磨損和耐熱性能優(yōu)于基體，因此能以超過基材的切削速度進(jìn)行切削。此外，由于涂層的摩擦系數(shù)小，因而可以延長(zhǎng)刀具的使用壽命。
航空零件切削加工中刀具的應(yīng)用現(xiàn)狀
航空產(chǎn)品零件使用的材料主要涉及高強(qiáng)鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料等多種類型。飛機(jī)機(jī)體上涉及切削加工的零件主要使用鋁合金、鈦 合金、復(fù)合材料、高強(qiáng)度鋼等材料，其結(jié)構(gòu)尺寸大，尺寸協(xié)調(diào)部位多；航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)合材料，其加工精 度要求較高。
從加工形式上看，飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)件以機(jī)翼梁、機(jī)身框、翼肋、壁板為典型代表，零件形式為扁平形結(jié)構(gòu)，尺寸較大，帶有機(jī)身、機(jī)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(jié)構(gòu)、五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)零件以機(jī)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(zhuǎn)形結(jié)構(gòu)，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(biāo)聯(lián)動(dòng)控制、轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行銑削加工，加工過程 都需要多種形式和結(jié)構(gòu)的刀具，如外圓車刀、內(nèi)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(yīng)用，近年來，鑲齒刀具、整體刀具逐漸成為現(xiàn)場(chǎng)主要使用的刀具結(jié)構(gòu)，焊接式刀 具應(yīng)用范圍已逐漸縮小。這些刀具主要來源于3個(gè)途徑：企業(yè)自制、國(guó)內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠和國(guó)外刀具供應(yīng)商，其中高檔刀具主要以國(guó)外刀具廠商的產(chǎn)品為主，國(guó)產(chǎn)刀具的 主要問題是制造精度較低、表面處理技術(shù)尚存在差距、刀具質(zhì)量不夠穩(wěn)定，各批次刀具的精度和壽命有時(shí)不一致，從而導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)難以穩(wěn)定控制零件加工精度的一 致性。
高速加工已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是應(yīng)用高速加工的主要領(lǐng)域，特別是在鋁合金結(jié)構(gòu)件、復(fù)合材料構(gòu)件的切削中應(yīng)用廣泛。目前，鋁合金材 料切削速度已達(dá)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(dá)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(guī)切削的5～10倍，刀具的安全性、高溫穩(wěn)定性、動(dòng)平衡已成為高速加工刀具的關(guān)鍵。目前，航空零件切削加工現(xiàn)場(chǎng)配備的高速銑削設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速已 經(jīng)達(dá)到24000r/min，使用的高速切削加工刀具主要以國(guó)外品牌為主，鋁合金零件切削速度已經(jīng)達(dá)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(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具，新型超硬材料(如PCD、PCBN)刀具則應(yīng)用較少。
航空產(chǎn)品零件的加工通常需要使用數(shù)量不等、規(guī)格和結(jié)構(gòu)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(xù)、無接差、無干涉。在大多數(shù) 情況下，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中切削刀具的應(yīng)用主要還是粗放型的，對(duì)于切削刃形狀對(duì)加工精度的影響、粗精加工刀具的接刀誤差、刀具安裝調(diào)整精度等問題缺少細(xì)致、深入地 分析和控制，主要通過對(duì)刀儀、機(jī)床上對(duì)刀和名義尺寸值獲得刀具的直徑、安裝長(zhǎng)度、關(guān)鍵部位的尺寸(如刀尖圓角)。不同刀具之間的關(guān)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(tái)階和損傷，不得不依靠后續(xù)的人工修整和拋光進(jìn)行處理。
從切削參數(shù)方面看，由于各生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)水平和配套環(huán)境不同，刀具切削時(shí)使用的切削參數(shù)差異較大，切削參數(shù)的選擇和使用主要以工藝人員或機(jī) 床操作者的經(jīng)驗(yàn)為主。鋁合金材料的切削速度在200～2000m/min之間，單位時(shí)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(shí)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)基本上都沒有嚴(yán)格控制，主要是由操作者憑經(jīng)驗(yàn)判定刀 具的可用狀態(tài)，這也是造成工件加工表面質(zhì)量不穩(wěn)定的原因之一。
隨著飛機(jī)產(chǎn)品飛行性能的提高，人們對(duì)現(xiàn)代航空零件加工精度的要求也逐步嚴(yán)格，復(fù)雜形狀表面的精度誤差從早期的±（0.15～0.3）mm已經(jīng)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(zhì)量要求的重要環(huán)節(jié)。
新材料、新結(jié)構(gòu)的切削加工特點(diǎn)及刀具需求
從新型飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)看，基于降低飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)重量、提高飛行性能、節(jié)省燃油消耗的考慮，過去大量采用的組合式金屬結(jié)構(gòu)、鋁合 金直接覆蓋的方法已逐漸被舍棄，鈦合金、復(fù)合材料使用的比例越來越大，整體結(jié)構(gòu)成為飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的主體。鈦合金是公認(rèn)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(zhì)量和周期需求；采用鋪疊、纏繞、RTM等工藝制備的復(fù)合材料構(gòu)件盡管不需要很大的切削加工量，但其材料結(jié)構(gòu)的特殊性和較高的質(zhì)量要 求也對(duì)切削刀具具有較高的要求；采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)加 工效率要求極高。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)難點(diǎn)。同時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件形狀復(fù)雜、精度要求嚴(yán)格。以新型發(fā)動(dòng) 機(jī)的主要結(jié)構(gòu)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(jìn)排氣邊等難加工部位，銑削是完成這些關(guān)鍵部位加工的主要工藝方法， 由于結(jié)構(gòu)空間狹窄，通常要使用小直徑、大長(zhǎng)度的立銑刀或球頭銑刀。航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件切削加工的主要特點(diǎn)是：
（1）被加工材料變形屈服極限高，切削變形抗力大，導(dǎo)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(qiáng)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(dòng)大，刀具承受周期載荷作用，容易產(chǎn)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(qū)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(chǎn)生熔結(jié)和氧化導(dǎo)致刀具失效，要求刀具刃部具有更高的穩(wěn)定切削性能。
飛機(jī)結(jié)構(gòu)件材料通常以鋁合金、鈦合金、蜂窩結(jié)構(gòu)(鋁或NOMEX)和復(fù)合材料為主，還有少量的不銹鋼和超高強(qiáng)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(fù)合材料構(gòu)件切削加工量相對(duì)較少，但加工中容易產(chǎn)生撕裂和層間剝離而損傷復(fù)合材料構(gòu)件的基體。飛機(jī)結(jié)構(gòu) 件通常為薄壁結(jié)構(gòu)，鋁合金結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)厚度最小可達(dá)0.8～2mm；鈦合金由于材料特性的限制，其最小結(jié)構(gòu)厚度要大于鋁合金結(jié)構(gòu)件的最小結(jié)構(gòu)厚度。飛機(jī)結(jié)構(gòu) 件以銑削加工為主，其切削加工主要具有以下特點(diǎn)：
（1）鋁合金和蜂窩結(jié)構(gòu)的材料屈服強(qiáng)度較低，切削過程產(chǎn)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(xué)性能、可靠性)；
（2）復(fù)合材料為基體相和增強(qiáng)相組成的物質(zhì)，力學(xué)性能具有各向異性，刀具拉伸、剪切和扭曲的聯(lián)合作用下切除材料，纖維斷面與刀具后刀面存在強(qiáng)烈的摩擦，加工精度和表面粗糙度不易達(dá)到設(shè)計(jì)要求；
（3）零件上存在較多的轉(zhuǎn)角和過渡區(qū)域，這些部位應(yīng)光滑連接以避免應(yīng)力集中，要求刀具的細(xì)部結(jié)構(gòu)(如刀尖圓角)尺寸準(zhǔn)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(shí)間長(zhǎng)，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(shí)間增加；
（5）零件上具有較多的槽腔、下陷、閉斜角等結(jié)構(gòu)，在銑削加工過程中有時(shí)候要使刀具沿軸向切入甚至垂直進(jìn)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(gè)類型：一是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和輕合金的高速加工，主要針對(duì)鋁合金和復(fù)合材料，使用的刀具以硬質(zhì)合金、PCD材料 為主，帶有單涂層或復(fù)合涂層；二是針對(duì)鈦合金、不銹鋼、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料的切削，使用的刀具材料主要是細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和高性能高 速鋼，應(yīng)特別注意刀具材料(包括其涂層)與工件材料的匹配，實(shí)踐證明，鈦合金切削加工中，常規(guī)涂層對(duì)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(xiàn)階段航空產(chǎn)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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