隨著航空航天業(yè)的快速發(fā)展以及新型材料的廣泛應(yīng)用枕面，金屬切削加工技術(shù)的研究與發(fā)展需解決更多贮祥、更復(fù)雜的加工問題程昨。盡管目前多種特種加工技術(shù)已應(yīng)用于航空航天材料的加工咖亏，并可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但切削加工仍是生產(chǎn)中首選的方法轮昧。其中熟排，高速切削加工技術(shù)是先進(jìn)實(shí)用的制造技術(shù)筏餐，正成為切削加工的主流牡拇，具有強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景导俘。

　　刀具材料是刀具幾何設(shè)計(jì)和加工工藝參數(shù)選擇的基礎(chǔ)。刀具材料是推動當(dāng)今高速切削技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一少梁，刀具材料的超前發(fā)展為高速切削加工工藝的發(fā)展創(chuàng)造了重要的條件凯沪。本文主要討論切削加工典型航空航天材料——高溫合金刀具材料的合理選用，并進(jìn)一步對刀具幾何角度做簡要分析豌楷。

　　高速切削技術(shù)背景以及被加工材料

　　1．高速切削技術(shù)

　　在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)彭倡，切削溫度隨切削速度的提高而升高赴笨，然而德國物理學(xué)家Carl.J.Salomon的高速切削理論卻指出:當(dāng)切削速度提高到某一閾值后漱南，切削溫度反而隨切削速度的提高而降低笔喉，在這樣的高速區(qū)進(jìn)行切削加工常挚，會有比常規(guī)切削加工更低的切削溫度和更小的切削力奄毡，因此吼过，高速切削加工能得到高的加工精度并顯著提高生產(chǎn)率盗忱。

　　高速切削技術(shù)是高速切削加工過程能量的應(yīng)用中，由于高硬的刀具(切削部分)對工件的作用揖闸，導(dǎo)致其表面層產(chǎn)生高應(yīng)變速率的高速切削變形闲耿，同時刀具與工件之間存在著高速切削摩擦學(xué)行為蓄士。所以肋漏，形成熱、力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場限禀，這種工藝技術(shù)稱之為高速切削加工技術(shù)崔败。

　　高速切削是一個相對的概念，不同的加工方式兔乞、不同工件有不同的高速切削范圍汇鞭。根據(jù)目前實(shí)際情況和可能的發(fā)展趨勢，不同的工作材料的大致切削速度范圍庸追。

　　2 ．高溫合金

　　高溫合金霍骄，特別是鎳基高溫合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞性能锚国。

　　高溫合金是難加工材料之一腕巡。若45#鋼的加工性為100%，則高溫合金的相對加工性僅為10%～20%血筑。其切削加工的特點(diǎn)為：切削力大绘沉，約是普通鋼材的1.5～2倍；切削溫度高豺总，最高達(dá)1000℃以上车伞，加工硬化嚴(yán)重，表面硬度比基體硬度高50%～100%喻喳；塑性變形大关读，在室溫下的延伸率可達(dá)30%～50%；刀具易磨損巍坦，常見的有擴(kuò)散磨損够戒、邊界磨損、刀尖塑性變形腿若、月牙洼磨損及積屑瘤驼牵。

　　3．應(yīng)用

　　高速切削技術(shù)加工高溫合金對應(yīng)不同的工件材料，其高速切削的臨界值因?yàn)椴牧细髯缘募庸ば圆町惗饔胁煌锦濉Ｔ诟邷睾辖鸬那邢骷庸ぶ新眩捎谠摬牧象w現(xiàn)出上述諸多的難加工特性，使得它的加工性能極其差漠恰，因而通常的切削速度比較低腋积，一般在10～20m/min左右。根據(jù)圖1可知蹲自，當(dāng)切削速度達(dá)到15～30m/min時平敏，即認(rèn)為該速度進(jìn)入了普通切削和高速切削的過渡區(qū)，當(dāng)切削速度超過30m/min時颗介，可以認(rèn)為其完全進(jìn)入了高速切削狀態(tài)愤惰。

　　在高速切削加工中，切削速度提高到某一閾值后谈跛，隨著切削速度的提高羊苟，切削力降低塑陵，切屑帶走的熱量相對更多，傳給刀具和工件的熱量相對不多蜡励。因此令花，切削溫度開始雖然升高很快，但達(dá)到一定速度后凉倚，逐漸緩慢兼都，升高很少，甚至略有下降稽寒。因此扮碧，高速切削加工能得到高的加工精度并顯著提高生產(chǎn)率。

　　切削高溫合金實(shí)際上是一種高溫切削加工杏糙，與高溫合金一樣慎王，硬質(zhì)合金在高溫下(例如1000℃)硬度會顯著下降，所以應(yīng)用高速切削技術(shù)嚼般，合理地選擇切削速度和切削會使得切削效率和切削效果明顯改善偿股。

　　高速切削高溫合金的刀具材料應(yīng)該具有高強(qiáng)度、高的紅硬性棱硝、良好的耐磨性和韌性堤麻、高的導(dǎo)熱性和抗粘接能力等，適用于高速切削的刀具材料主要包括：涂層硬質(zhì)合金刀具着届、陶瓷刀具和立方氮化硼(CBN)刀具等紧甫。

　　高速切削高溫合金的機(jī)理簡析

　　1．高速切削的切削區(qū)的材料變形

　　在刀具與工件相對運(yùn)動的作用下，工件材料的被切除部分及其鄰近區(qū)域?qū)⑹艿降毒叩摹扒小鼻辣亍ⅰ案睢焙汀皵D”的作用匀洪，使被切除的材料經(jīng)變形后形成切屑，而其鄰近區(qū)域(如已加工表面)也將產(chǎn)生一定的變形拭秃。

　　切削區(qū)分為4個變形區(qū)：(1)基本變形區(qū)构睬；(2)前刀面摩擦變形區(qū)抗稿；(3)后刀面摩擦變形區(qū)蔓献；(4)刃前變形區(qū)。1區(qū)和2區(qū)消耗動力的主要部分基公，而3區(qū)和4區(qū)則對形成加工表面起著重要的作用幅慌。

　　如果切削刃鋒利，則4區(qū)很泻涠埂胰伍；如刀具后角大，則3區(qū)也很小酸休。1區(qū)是主要變形區(qū)骂租，如切削速度足夠高祷杈，則1區(qū)變得很窄，幾乎成為一個面渗饮，稱為剪切面但汞。剪切面的方向與切削速度的方向之間的夾角是剪切角?。

　　當(dāng)切削速度很高時互站，被切材料來不及充分變形私蕾，剪切角?加大，變形量減小胡桃，從而切削力也減小踩叭。切削速度提高后，前昵裁、后刀面與切屑锋辩、工件間的的摩擦隨之降低，因此祈痢，前刀面與切屑間的摩擦角β減小筐知，進(jìn)而摩擦因數(shù)減小，從而有利于切削力減小尼摩。

　　應(yīng)用高速切削技術(shù)加工高溫合金符固，可以使得切削速度增大并超過某一閥值后，切削力增大的趨勢大大減緩惜荐，甚至出現(xiàn)切削力降低拓肉，從而有利于切削的順利進(jìn)行。

　　2．高速切削的切削熱和切削溫度

　　在切削過程中用缔，切削熱的來源是剪切面區(qū)域材料變形所做的功和前瘩朋、后刀面所做的摩擦功，如圖3所示赠粘。一部分切削熱傳到切屑中被切屑帶走券亚；一部分熱傳到工件中；還有一部分熱傳到刀具中校摩。當(dāng)切削速度提高后看峻，傳入切屑而被切屑帶走的熱量份額增多，而傳入工件和刀具的熱量份額減小衙吩，故工件互妓、刀具升溫并不大。

　　高溫合金由于其材料的特性坤塞，具有較高的高溫強(qiáng)度冯勉、動態(tài)剪切強(qiáng)度，熱擴(kuò)散系數(shù)較小摹芙，切削時易產(chǎn)生加工硬化灼狰，這將導(dǎo)致刀具切削區(qū)溫度高宛瞄，所以切削溫度很高。切削高溫合金實(shí)際上是一種高溫切削加工交胚，刀具材料在高溫下(1000℃以上)與高溫合金的硬度會同時顯著下降坛悉，這使得刀具快速磨損、破損直至失效承绸。所以琴市，高溫合金的加工的一個重要手段就是降低溫度。除了冷卻液等冷卻方式外伸危，應(yīng)用高速切削技術(shù)殊馋，可以使得在加工效率、加工精度提高的情況下欺邻，切削溫度并不明顯提高嗤舀，反而會略有下降。因此橘抵，高速切削高溫合金是其加工的極其優(yōu)化的選擇工杀。

　　3．高速切削的動力學(xué)簡析

　　從動力學(xué)的角度來看，高速切削加工中甲脚，隨著速度的增加估裁，切削力增大趨勢減緩甚而略有下降，將有利于減小由于切削力原因產(chǎn)生的振動帽拘。另外吠谐，由于轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率大大遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率坡疼，因此高速切削加工可大大降低加工表面質(zhì)量彬呻。

　　高溫合金廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)。由于航空航天中的很多部件由于所受的載荷多為周期性載荷柄瑰，因此為了保證其良好的使用壽命闸氮，必須對其加工表面質(zhì)量提出嚴(yán)格的要求，因此教沾，能夠大大改善其表面加工質(zhì)量的高速切削技術(shù)的應(yīng)用勢在必行蒲跨。

　　刀具材料的選擇

　　1．硬質(zhì)合金

　　硬質(zhì)合金刀具材料業(yè)已廣泛應(yīng)用于高溫合金的加工。由于加工高溫合金切削力大详囤，切削溫度高并集中在刀刃附近财骨，容易產(chǎn)生崩刃和塑性變形現(xiàn)象镐作，因而通常采用韌性和導(dǎo)熱性較好的K類和高溫性能好的S類合金藏姐。

　　碳化物晶粒的平均尺寸低的WC-Co類硬質(zhì)合金(超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金)，其硬度可達(dá)90～93HRA该贾，抗彎強(qiáng)度為2000～3500MPa羔杨，由于其硬質(zhì)相和鈷高度分散捌臊，增加了粘結(jié)面積，提高了粘結(jié)強(qiáng)度兜材，在高溫合金的加工中表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能肘认。如用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金(91.5HRA，σbb=2800MPa)切削鎳基合金GH141猖生，在切削速度Vc=42m/min舞铝，進(jìn)給f=0～3.5mm/r條件下，刀具壽命接近15min妥尘。

　　2．涂層硬質(zhì)合金

　　涂層硬質(zhì)合金一般是用物理和化學(xué)氣相沉積工藝(PVD毁设，CVD)在硬質(zhì)合金表面涂覆一層或多層耐磨性化合物，如TiC郊蹈，TiN厢卖，Al2O3等，使刀具表層具有很高的耐磨性和耐熱性房肿，同時整體的強(qiáng)度和韌性也不降低啊嘁，從而獲得遠(yuǎn)高于基體的表面硬度和優(yōu)良的切削性能。

　　涂層刀片的涂層溫度低暗环，保持了基體的高強(qiáng)度干际，而且能給刀具切削刃表面提供一個可防止高溫合金切削中最容易產(chǎn)生裂紋的壓應(yīng)力，而沒有減少刀具韌性副瀑，所以它能提供一個密度高亚侠、金相組織均勻的涂覆表面，極好地延長刀具壽命俗扇。對比當(dāng)前涂層硬質(zhì)合金所使用的各種圖層材料硝烂，對應(yīng)高溫合金的高速切削，筆者認(rèn)為TiAlN涂層由于其化學(xué)分解的溫度較高而最適合铜幽。如筆者使用伊斯卡(Iscar)IC907 TiAlN PVD涂層刀片滞谢，用于加工GH4169，切削速度Vc=50m/min除抛，f=0.1mm/r狮杨，切削深度ap=1mm，壽命為22min到忽。

　　3．陶瓷

　　鎳基合金切削溫度高橄教，在高溫區(qū)易與刀具材料發(fā)生非常強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，陶瓷刀具材料具有硬度高喘漏、耐磨性能好护蝶、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)的特點(diǎn)，已成為高速切削高溫合金的主要刀具材料之一青烙。

　　氧化鋁(Al2O3)基陶瓷(如Al2O3+TiC)在1200℃時也能保持HRA80的硬度進(jìn)行切削径瘪，所以可以用比硬質(zhì)合金高4～5倍的切削速度加工高溫合金，如筆者用氧化鋁(Al2O3)基陶瓷加工GH4169冕店，Vc=50m/min患敢，f=0.1mm/r，ap=1mm時嘁压，刀具壽命約為100s邦孽。

　　脆性是制約陶瓷刀具廣泛使用的一個重要因素，晶須增韌陶瓷刀具是一種特殊材料的刀具爆踱，由于它具有抗沖擊韌度好孟盅、抗熱沖擊性能強(qiáng)的特點(diǎn)，降低了陶瓷刀具高脆性的缺陷歉活，所以在高速切削高溫合金中悠怕，晶須增韌陶瓷的性能優(yōu)于氧化鋁基陶瓷。其中莉歼，Al2O3SiCw晶須增強(qiáng)陶瓷特別適合于高速加工硬度低的鎳基合金隶谒。例如，南京航空航天大學(xué)使用肯納金屬(Kennametal)晶須狀陶瓷Al2O3和SiCw混合結(jié)構(gòu)的KY4300切削GH4169火架，Vc=50m/min鉴象、f=0.2mm/r，ap=1mm時何鸡，刀具壽命約為120s纺弊，切削速度為80m/min時，刀具壽命約為150s骡男；氮化硅(Si3N4)基陶瓷有較高的強(qiáng)度和韌性(抗彎強(qiáng)度為900～1500MPa)淆游、較高的耐熱性能(可達(dá)1300℃～1400℃以上)、優(yōu)良的耐熱沖擊能力(是Al2O3的2～3倍)和高的導(dǎo)熱系數(shù)隔盛。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于高溫合金的加工犹菱。應(yīng)用氮化硅(Si3N4)基陶車削鎳基合金時，切削速度可達(dá)300m/min以上吮炕。

　　氮氧化硅鋁(Sialon)此種材料系用氮化鋁腊脱、氧化鋁和氮化硅的混合物在高溫下進(jìn)行熱壓燒結(jié)而成的材料。該種刀具材料具有很高的硬度和韌性龙亲。利用高速干式切削產(chǎn)生的切削熱陕凹，可使被加工材料變軟而改善其切削加工性，而陶瓷刀具仍可保持良好的高溫紅硬性吻讽，這是刀具壽命顯著提高的根本原因贸薇。Sialon陶瓷韌性很高技腻，適合于切削過固溶處理高溫合金，已成功用于鎳基高溫合金的加工痕豺，是高速加工鎳基高溫合金的理想刀具材料亏铃。

　　4．立方氮化硼

　　立方氮化硼CBN有高的硬度和耐磨性闪妓，有很高的熱穩(wěn)定性(可達(dá)1400℃～1500℃)努辛，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、較好的導(dǎo)熱性(是硬質(zhì)合金的20倍)和較低的摩擦系數(shù)(系數(shù)值為0.1～0.3甚庇，硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.4～0.6)腿扑，低的摩擦系數(shù)和優(yōu)良的抗粘能力使CBN刀具切削時不易形成滯流和積屑瘤，故適于高速切削高溫合金葵嗦。加工高溫合金inconel718陆拐，最佳切削速度為100～120m/min。PCBN是在高溫高壓下將微細(xì)的CBN材料通過結(jié)合合金元素(TiC英品、TiN丛楚、Al、Ti等)燒結(jié)在一起的多晶材料憔辫。PCBN的化學(xué)惰性特別大趣些，在1200℃～1300℃時也不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與碳在2000℃時才發(fā)生反應(yīng)贰您，在中性坏平、還原性的氣體中，對酸堿都是穩(wěn)定的锦亦。PCBN刀具用來高速切削鎳基高溫合金舶替，進(jìn)給量f=0.05～0.15mm/r，切削深度ap=0.1～3.0mm的條件下杠园，切削速度Vc=120～240m/min顾瞪；進(jìn)給量f=0.05～0.15mm/r，切削深度為ap=0.1～3.0mm抛蚁。

　　刀具幾何角度及工藝參數(shù)

　　高速切削高溫合金時玲昧，刀具失效的類型主要有：溝槽磨損、積屑瘤等篮绿。尤其是在用陶瓷刀具高速切削鎳基合金時孵延，溝槽磨損非常嚴(yán)重，是制約刀具壽命的重要因素羽剪。

　　針對溝槽磨損茸例，刀具幾何角度及工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)選擇為：(1)增大刀柄夾持角度；(2)采用較大的切削深度殴燃，對應(yīng)不同的高溫合金材料偷逆，應(yīng)該盡量使得切削深度大于上一道工序留下的加工硬化層的厚度季糜；(3)刀片形狀盡量設(shè)計(jì)得強(qiáng)度足夠大。如果可能卤索，設(shè)計(jì)成圓形恰除，并且，當(dāng)?shù)镀螤钤O(shè)計(jì)為圓形時斯泥，切削深度相對減小一些诵藐，減小大概原切削深度的1/7。

　　針對積屑瘤啼阵，刀具幾何角度及工藝參數(shù)度的設(shè)計(jì)選擇為：(1)高速切削狀態(tài)下册血，盡量增加切削速度，積屑瘤現(xiàn)象將受到抑制撤奸；(2)采用比較小的正前角吠昭，鋒利的涂層刀具;(3)合理使用冷卻液。

　　結(jié)束語

　　高速切削加工技術(shù)可顯著提高高溫合金切削加工的效率和刀具壽命胧瓜，且能得到很好的加工質(zhì)量矢棚。選擇合理的高速刀具材料，并相應(yīng)設(shè)計(jì)其合適的幾何角度和加工工藝參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高溫合金這種典型的航空航天難加工材料高效加工的必要前提和重要途徑府喳。

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