航空制造領(lǐng)域一直是先進技術(shù)高度密集的行業(yè)之一灿打，主要是因為航空產(chǎn)品的零部件形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜杏兰、材料多種多樣秀毡、加工精度要求嚴(yán)格翰谋。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)雜的理論外形曲面签孤、縱橫交錯的加強筋結(jié)構(gòu)份殿、厚度較小的薄壁結(jié)構(gòu)等卿嘲；（2）零件材料以高強度鋁合金拾枣、鈦合金梅肤、高溫合金俊啼、不銹鋼授帕、復(fù)合材料、蜂窩結(jié)構(gòu)為主膛灯，多數(shù)為難加工材料谚熙；（3）現(xiàn)代飛機具有長壽命摘形、高可靠性要求垒土，這使零件表面的質(zhì)量控制要求更為嚴(yán)格昆淡；（4）越來越多地采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計刽严，零件的外廓尺寸也越來越大舞萄。為滿足航空產(chǎn)品的設(shè)計性能與使用要求撑螺，零部件的制造往往采用多種工藝手段甘晤，如切削加工、電物理加工尺动、電化學(xué)加工拨喝、束流加工、精密鑄造及精密鍛造等故厕，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萧揩。

　　在現(xiàn)代飛機和發(fā)動機的主承力結(jié)構(gòu)中榛娶，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)進行切削加工泊鹿，零件成品的重量只有毛坯的10%～20%堰漾，其余的80%～90%材料都成了切屑做鸽。飛機機體的梁、框就餐、肋范咨、壁板以及發(fā)動機的壓氣機風(fēng)扇、整體葉盤等都是現(xiàn)代飛機厂庇、航空發(fā)動機的關(guān)鍵零件渠啊，使用的材料涉及高強鋁合金、鈦合金权旷、高溫合金替蛉、復(fù)合材料等，大多以整體結(jié)構(gòu)為主炼杖，結(jié)構(gòu)復(fù)雜灭返、材料去除量大、精度及表面質(zhì)量要求高坤邪，加工周期較長熙含。這些零件的切削加工過程對于實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確加工有著迫切的需求艇纺。

　　切削加工一直是零件加工的主要技術(shù)手段之一怎静，盡管隨著科學(xué)技術(shù)的進步與發(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)用黔衡，但是切削加工仍然是目前應(yīng)用最多祟背、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雨冒，就越需要采用切削加工手段來完成歇拦，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(shù)進步的關(guān)鍵因素扛浸。近年來命画，高速高效數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用使現(xiàn)代切削加工技術(shù)發(fā)展到了一個新的階段，先進高效刀具的應(yīng)用是使昂貴的數(shù)控機床充分發(fā)揮其高效加工能力的基本前提之一濒陈。

　　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)展而前進的唁狼。18世紀(jì)后期，有移動刀架和導(dǎo)軌的機床的出現(xiàn)標(biāo)志著機械加工生產(chǎn)時代的開始嘶遏。隨著19世紀(jì)新型冶煉技術(shù)铁魁、內(nèi)燃機技術(shù)、電氣技術(shù)的發(fā)明與完善宰爆，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)酵毕，機械制造業(yè)開始進入大批量生產(chǎn)時代。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)去除被加工對象上多余的材料背零，從而得到形狀腰吟、精度和表面質(zhì)量都符合預(yù)定要求的表面。在由機床徙瓶、刀具毛雇、工件和夾具組成的切削加工工藝系統(tǒng)中，刀具是富于變化侦镇、影響加工狀態(tài)的活躍因素灵疮。

　　刀具材料的選擇與發(fā)展是實現(xiàn)切削加工過程、推動切削加工技術(shù)進步的關(guān)鍵壳繁。人類使用工具是從天然材料開始的震捣，經(jīng)過石器時代、青銅時代闹炉、鐵器時代的發(fā)展蒿赢，準(zhǔn)備切削工具經(jīng)過石頭、獸骨渣触、青銅制備切削/切割工具羡棵，發(fā)展到工具鋼、高速鋼玖生、硬質(zhì)合金鹤莹、陶瓷、超硬合金制成的先進切削刀具丑钱，被加工材料也從石頭坑遥、木材、獸骨等天然材料發(fā)展到銅呕漾、鐵剧廓、鋼、各類金屬合金锋力、非金屬材料等不同的類型馍丑，到現(xiàn)在已經(jīng)形成了金屬材料、陶瓷材料扯蕾、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(xué)性質(zhì)上不同的物質(zhì)結(jié)合起來而得到的多項固體材料——復(fù)合材料是現(xiàn)代材料革命的一個重要方向[2]珊煌，在構(gòu)件制造過程中也同樣需要切削加工技術(shù)锚署。

　　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：

　】倘觥（1）硬度骨田。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。

　√汀（2）強度和韌性舱呻。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悠汽。

　∠渎馈（3）耐磨性。刀具材料應(yīng)具有較好的抵抗磨損的能力柿冲，是刀具材料強度茬高、硬度和組織結(jié)構(gòu)等因素的綜合反映。

　〖俪（4）熱硬性怎栽。刀具在高溫下保持材料硬度、強度宿饱、韌性和抗氧化的能力[3]熏瞄。

　　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丐吹。

　　切削加工過程中惊申，刀具切削刃要承受高切削溫度、高壓強彪壳、高應(yīng)變速率滓莱，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暴赡，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刀具材料的這些綜合性能要求而發(fā)展起來的咏哈。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蒂茶、耐磨損的涂層材料萄罐，使刀具既有強韌的基體，又具有高硬度小梢、高耐磨性的表面吧玉。基本的刀具涂層材料可分為單涂層挤奢、多元涂層警畴、軟涂層等[4]，常見的涂層材料性能和應(yīng)用范圍如表2所示舆吮。單一涂層在應(yīng)用中有一定的局限性揭朝，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)色冀，提高刀具的使用性能潭袱。由于涂層材料的耐熔結(jié)柱嫌、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行切削屯换。此外编丘，由于涂層的摩擦系數(shù)小，因而可以延長刀具的使用壽命彤悔。

　　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鋼嘉抓、鋁合金、鈦合金蜗巧、高溫合金掌眠、復(fù)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幕屹、鈦合金孤批、復(fù)合材料、高強度鋼等材料触良，其結(jié)構(gòu)尺寸大谒绍，尺寸協(xié)調(diào)部位多；航空發(fā)動機上涉及切削加工的零件主要使用鈦合金颓腮、高溫合金底悍、不銹鋼、復(fù)合材料谭某，其加工精度要求較高蜡瓜。

　　從加工形式上看，飛機機體結(jié)構(gòu)件以機翼梁接竣、機身框昨浆、翼肋、壁板為典型代表巢季，零件形式為扁平形結(jié)構(gòu)魔呈，尺寸較大，帶有機身沾谓、機翼理論外形委造。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)均驶、五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床上完成加工昏兆，常用的刀具有盤銑刀、立銑刀妇穴、球頭銑刀等爬虱，更為常用的是帶有刀尖圓角的專用銑刀；航空發(fā)動機零件以機匣伟骨、整體葉盤饮潦、葉片以及軸、盤為典型代表携狭，除軸继蜡、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)逛腿，部分部位需要車削加工稀并，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)動控制、轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床上進行銑削加工单默，加工過程都需要多種形式和結(jié)構(gòu)的刀具梗力，如外圓車刀、內(nèi)圓車刀入荞、立銑刀筷品、球頭銑刀等。

　　在零件加工過程中捌冲，鑲齒刀具絮眨、焊接式刀具、整體刀具都有廣泛的應(yīng)用麸颜，近年來低白，鑲齒刀具、整體刀具逐漸成為現(xiàn)場主要使用的刀具結(jié)構(gòu)朴魁，焊接式刀具應(yīng)用范圍已逐漸縮小酣夫。這些刀具主要來源于3個途徑：企業(yè)自制、國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠和國外刀具供應(yīng)商牙娇，其中高檔刀具主要以國外刀具廠商的產(chǎn)品為主若又，國產(chǎn)刀具的主要問題是制造精度較低、表面處理技術(shù)尚存在差距氏仗、刀具質(zhì)量不夠穩(wěn)定吉捶，各批次刀具的精度和壽命有時不一致，從而導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場難以穩(wěn)定控制零件加工精度的一致性皆尔。

　　高速加工已經(jīng)進入實用化階段呐舔，飛機結(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)件慷蠕、復(fù)合材料構(gòu)件的切削中應(yīng)用廣泛珊拼。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)流炕，鑄鐵精加工和半精加工速度為500～1500m/min澎现，精銑灰鑄鐵最高可達(dá)2000m/min，普通鋼為300～800m/min每辟，淬硬鋼(HRC45～65)速度為100～500m/min[5]剑辫。高速加工的切削速度為常規(guī)切削的5～10倍干旧，刀具的安全性、高溫穩(wěn)定性妹蔽、動平衡已成為高速加工刀具的關(guān)鍵椎眯。目前，航空零件切削加工現(xiàn)場配備的高速銑削設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到24000r/min绎疟，使用的高速切削加工刀具主要以國外品牌為主咒舰，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曼砾、整體2種結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具埂帜，新型超硬材料(如PCD、PCBN)刀具則應(yīng)用較少跑著。

　　航空產(chǎn)品零件的加工通常需要使用數(shù)量不等跑科、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)门幌、無接差猪破、無干涉。在大多數(shù)情況下玻啡，生產(chǎn)現(xiàn)場中切削刀具的應(yīng)用主要還是粗放型的滓乡，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捌轮、刀具安裝調(diào)整精度等問題缺少細(xì)致咆下、深入地分析和控制，主要通過對刀儀虽另、機床上對刀和名義尺寸值獲得刀具的直徑暂刘、安裝長度、關(guān)鍵部位的尺寸(如刀尖圓角)捂刺。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)谣拣，這使得加工出來的工件表面存在殘留、臺階和損傷族展，不得不依靠后續(xù)的人工修整和拋光進行處理森缠。

　　從切削參數(shù)方面看，由于各生產(chǎn)現(xiàn)場的技術(shù)水平和配套環(huán)境不同仪缸，刀具切削時使用的切削參數(shù)差異較大贵涵，切削參數(shù)的選擇和使用主要以工藝人員或機床操作者的經(jīng)驗為主。鋁合金材料的切削速度在200～2000m/min之間恰画，單位時間材料的去除率為10～30kg/h不等宾茂；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拴还。從刀具壽命方面看跨晴，生產(chǎn)現(xiàn)場基本上都沒有嚴(yán)格控制裂怕，主要是由操作者憑經(jīng)驗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)定的原因之一曹是。

　　隨著飛機產(chǎn)品飛行性能的提高隐鬼，人們對現(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型吃，表面粗糙度從Ra6.4～Ra1.6提高到Ra1.6～Ra0.8。提高刀具精度腌径、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)栗雳。

　　新材料、新結(jié)構(gòu)的切削加工特點及刀具需求

　　從新型飛機和發(fā)動機的發(fā)展趨勢看笔骏，基于降低飛機機體和發(fā)動機重量是临、提高飛行性能、節(jié)省燃油消耗的考慮室拿，過去大量采用的組合式金屬結(jié)構(gòu)兆又、鋁合金直接覆蓋的方法已逐漸被舍棄，鈦合金磺穷、復(fù)合材料使用的比例越來越大陈莽，整體結(jié)構(gòu)成為飛機和發(fā)動機產(chǎn)品的主體。鈦合金是公認(rèn)的難加工材料之一虽抄，需要在高性能刀具的支持下才能滿足質(zhì)量和周期需求走搁；采用鋪疊、纏繞迈窟、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私植，但其材料結(jié)構(gòu)的特殊性和較高的質(zhì)量要求也對切削刀具具有較高的要求；采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計后车酣，一般情況下都選用整體板材或大型鍛造毛坯來加工曲稼，其中90%以上的材料都要被切除，加工量較大湖员，對加工效率要求極高贫悄。

　　航空發(fā)動機零件通常為鈦合金、高溫合金材料娘摔，這些材料的切削加工一直是一個難點清女。同時，航空發(fā)動機零件形狀復(fù)雜晰筛、精度要求嚴(yán)格嫡丙。以新型發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)部件——整體葉盤為例，切削加工過程涉及氣流通道镐怔、葉身型面忠帝、葉根葉尖侣赘、進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涝猩，由于結(jié)構(gòu)空間狹窄频澜，通常要使用小直徑、大長度的立銑刀或球頭銑刀期司。航空發(fā)動機零件切削加工的主要特點是：

　∈允凇（1）被加工材料變形屈服極限高，切削變形抗力大闭廊，導(dǎo)致切削力大辈畜、切削功率高，刀具承受較大的切削力和扭矩典义，要求刀具具有較高強度硬度和耐磨性能洽腊，加工過程中能很好地維持刀具切削性能和幾何形狀；

　∨焊鳌（2）切削過程中切削力波動大池摧，刀具承受周期載荷作用，容易產(chǎn)生刃部缺口或崩刃激况，要求刀具具有較好的韌性并有減振或消振措施作彤；

　　（3）切削區(qū)溫度高乌逐，切削熱集中于刀尖附近(尤其是鈦合金工件加工)宦棺，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)致刀具失效黔帕，要求刀具刃部具有更高的穩(wěn)定切削性能代咸。

　　飛機結(jié)構(gòu)件材料通常以鋁合金、鈦合金成黄、蜂窩結(jié)構(gòu)(鋁或NOMEX)和復(fù)合材料為主呐芥，還有少量的不銹鋼和超高強度鋼。其中鋁合金奋岁、鈦合金零件切削加工量很大(約有80%～90%材料被切除)思瘟，復(fù)合材料構(gòu)件切削加工量相對較少，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)件的基體槽邮。飛機結(jié)構(gòu)件通常為薄壁結(jié)構(gòu)耻胖，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调捍，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)厚度肌顾。飛機結(jié)構(gòu)件以銑削加工為主，其切削加工主要具有以下特點：

　　（1）鋁合金和蜂窩結(jié)構(gòu)的材料屈服強度較低冕盅，切削過程產(chǎn)生的切削力小漆逐，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(如耐熱性宇颊、抗熱沖擊性撬替、高溫力學(xué)性能、可靠性)传悍；

　∶渭怼（2）復(fù)合材料為基體相和增強相組成的物質(zhì)，力學(xué)性能具有各向異性幻狈，刀具拉伸磺送、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烈的摩擦屈尼，加工精度和表面粗糙度不易達(dá)到設(shè)計要求；

　∷┕隆（3）零件上存在較多的轉(zhuǎn)角和過渡區(qū)域脾歧，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演熟；

　”拗础（4）材料切除量大，工步工序加工時間長芒粹，要求刀具具有較高的壽命兄纺，避免頻繁換刀而造成精度損失和輔助時間增加；

　』帷（5）零件上具有較多的槽腔估脆、下陷、閉斜角等結(jié)構(gòu)座云，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疙赠，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(zhì)結(jié)構(gòu)和輕合金的高速加工离春，主要針對鋁合金和復(fù)合材料鼠废，使用的刀具以硬質(zhì)合金、PCD材料為主集圈，帶有單涂層或復(fù)合涂層络蜘；二是針對鈦合金、不銹鋼恩奢、超高強度鋼等難加工材料的切削与沪，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)與工件材料的匹配吹对，實踐證明邀曲，鈦合金切削加工中，常規(guī)涂層對提高刀具性能方面沒有明顯作用暮戏，必須尋找新的涂層及涂層工藝撕拇。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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