當(dāng)前梢褐，減輕飛機(jī)重量這一目標(biāo)正在促使航空航天工業(yè)采用越來越多的特種材料挑社，如復(fù)合材料、鈦合金和鉻鎳鐵合金顿痪。相比普通材料镊辕，此類材料重量更輕、強(qiáng)度更高蚁袭，但在加工方面掸柏，特別是銑削和鉆削方面虹烈，它們各自擁有不同的加工難題。在銑削和鉆削加工中椒玖，航空航天制造商通常使用整體硬質(zhì)合金刀具或整體高速鋼刀具裳岳。在此類加工過程中，制造商必須盡可能達(dá)到最高的質(zhì)量水平——這往往通過密切地監(jiān)控和維護(hù)工藝安全性來實(shí)現(xiàn)胯夏。雖然存在對零件成本的擔(dān)憂锡疗，但在大多數(shù)情況下，生產(chǎn)完美的零件是優(yōu)先考慮事項(xiàng)敌菩。

得益于機(jī)床和刀具技術(shù)基恩，復(fù)合材料、鈦合金和鉻鎳鐵合金等材料已經(jīng)從過去幾乎無法加工疏拱，發(fā)展到如今航空航天制造商能夠充滿信心地高效加工的階段斤杏。先進(jìn)的特制整體銑刀和鉆頭能夠帶來更佳的工藝控制和一致性，這種刀具專為克服此類材料的加工難題而開發(fā)榕每。通過整合多種創(chuàng)新性鍍層和槽型腹呀，并配以先進(jìn)的加工技術(shù)和方法，這些特制刀具不僅能提供工藝安全性栏尚，而且能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量起愈。

銑削加工

1復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加工在航空航天工業(yè)中蓬勃發(fā)展。然而译仗，由于此類材料極為耐磨和強(qiáng)韌抬虽，因此難以使用常規(guī)銑削刀具進(jìn)行加工。此外纵菌，加工時(shí)還必須防止發(fā)生分層阐污，即各個(gè)碳纖維層分離。通過使用堅(jiān)硬咱圆、鋒利且采用特殊表面鍍層的整體硬質(zhì)合金銑刀笛辟，可以輕松應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

常用的兩種鍍層工藝是物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)序苏，此外還有一種高級切削材料多晶金剛石(PCD)手幢。PVD鍍層屬于物理工藝，包括氮化鋁忱详、氮化鉻和氮化鈦鍍層围来，其維氏硬度約為3000。通過化學(xué)工藝CVD形成的金剛石鍍層的硬度較PVD鍍層高出3倍以上阿座，可達(dá)到10000維氏硬度等級田蕴。PCD刀具采用整體PCD片，這些PCD片可通過銅焊固定到整體硬質(zhì)合金基體上醋咒。

從槽型的角度來看负稚，高效的復(fù)合材料刀具采用低螺旋角來減小材料片層上承受的軸向力，以防止發(fā)生分層晦苞。此外央改，同時(shí)具有左螺旋和右螺旋的刀具也是加工復(fù)合材料的高效槽型。此類刀具通常被稱為壓縮刀具浊娄，在側(cè)銑時(shí)仑锥，它們可將切削力導(dǎo)向到工件厚度的中心并進(jìn)行壓縮，以保持片層完好無損矗夯。不僅如此德州，此類刀具槽型還有利于更靈活地切削復(fù)合材料。

雖然壓縮刀具是一種常用方法施翰，但山高等刀具公司開發(fā)了具有不同新槽型(如雙螺旋)的壓縮刀具窝革。例如，山高開發(fā)了兩款這種類型的雙螺旋壓縮刀具吕座。一款具有較少的刀刃虐译，可提供更大的切屑間隙，而且其切削刃上還有斷屑槽吴趴，主要用于粗加工漆诽；另一款為無斷屑槽的具有平滑切削刃的多刃刀具，可以提供理想的精加工性能锣枝。

就加工技術(shù)而言厢拭，復(fù)合材料的切削參數(shù)通常取決于材料自身。用于復(fù)合材料的整體硬質(zhì)合金刀具的典型速度約為150m/min撇叁，而進(jìn)給率約為0.07mm供鸠。但要注意，在這組材料中使用了不同類型的粘接劑税朴，而每種粘接劑都需要各自不同的速度和進(jìn)給率回季。這些粘接劑的熔點(diǎn)通常決定切削復(fù)合材料時(shí)的速度和進(jìn)給率。此外正林，纖維含量和纖維方向也對加工工藝(決定切削速度泡一、進(jìn)給率和最佳刀具路徑)有著顯著的影響。

2鈦合金

在航空航天工業(yè)中桃铛，鈦合金通常用于3個(gè)基本應(yīng)用領(lǐng)域：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件肋森、噴氣發(fā)動機(jī)的低溫段部件和起落架系統(tǒng)。一種常用的鈦合金是5553假磺，屬于近-β相合金烈杠，通常用于制造起落架零件。TiAl6-4屬于α-β相合金努扶，是應(yīng)用最廣泛的鈦合金材料之一跃百，尤其適用于制造結(jié)構(gòu)件券妹。

令鈦合金難以加工、具有較低可加工性能的主要因素是其較低的導(dǎo)熱性能患刻、較高的粘著性和加工硬化等因素啰氏。鈦合金具有低導(dǎo)熱性，這意味著在切削過程中產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到刀具中杠锻，而不是被切屑從切削區(qū)帶走赘双；鈦合金的高粘著性意味著切屑往往會粘在刀具上，從而產(chǎn)生極長的切屑珍特，而不是所希望的更易于排出的較短切屑祝峻；該材料的加工硬化性能會在加工時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致材料表面由于加工產(chǎn)生的壓力效應(yīng)而出現(xiàn)一層薄薄的硬化層扎筒。

雖然可以使用適合加工多種材料的通用型整體硬質(zhì)合金刀具對鈦合金進(jìn)行加工莱找，但那些針對鈦合金的加工特性而專門設(shè)計(jì)的刀具一般會提供更出色的加工效果。此類特殊的刀具具有極佳的性能砸琅，但在處理多種不同材料時(shí)宋距，其通用性可能較差。

例如症脂，山高的方案中有專為鈦合金和不銹鋼而設(shè)計(jì)的高速鋼(HSS)刀具谚赎。Jabro? HPM(高性能加工)系列中的部分刀具也是專為鈦合金等特定材料牌號設(shè)計(jì)的。此類刀具采用了特殊的槽型和設(shè)計(jì)诱篷，特別適合加工鈦合金壶唤。其槽型和設(shè)計(jì)包括40°~50°之間的大螺旋角；內(nèi)冷通道棕所，可使切屑不會粘到刀刃上并快速排屑闸盔，同時(shí)還有助于冷卻切削區(qū)；不均等的齒距地垢，可在高切深過程中減少振動满页；將硬質(zhì)合金與氮化鋁鉻鍍層相結(jié)合。未使用氮化鈦尊伟，這可防止刀具和材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)惑拙。

一些特定因素可決定是使用整體硬質(zhì)合金刀具還是使用HSS刀具，而主要因素是刀體直徑野疟。當(dāng)應(yīng)用場合要求使用更小直徑的刀具時(shí)插呜，當(dāng)工件幾何形狀極為復(fù)雜時(shí)，或如果需要大切深(ap)時(shí)廷碴，應(yīng)使用整體硬質(zhì)合金刀具砾楞。

對于復(fù)雜性較低的大批量工件，如果要求大切寬(ae)和大切深(ap)，則建議使用HSS刀具顿豹。當(dāng)使用高扭矩和高馬力的舊式傳統(tǒng)機(jī)床時(shí)扇牢，也應(yīng)考慮使用此類刀具。

3鉻鎳鐵合金

在航空航天制造業(yè)中跋擅，鉻鎳鐵合金零件通常非常昂貴牍懂，不僅僅是材料本身的成本，還包括在進(jìn)入加工階段前的生產(chǎn)時(shí)間绸罗。在進(jìn)行了數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的加工后，如果零件報(bào)廢豆瘫，則會帶來巨大的損失珊蟀。

鉻鎳鐵合金和鈦合金之間存在某些相似之處。但就可加工性而言外驱，鉻鎳鐵合金(鎳基高溫合金)是最難加工的材料育灸。它們具有極低的導(dǎo)熱性和極高的應(yīng)變硬化，甚至高于鈦合金昵宇。鉻鎳鐵合金還具有高粘著性磅崭，因此在用于傳統(tǒng)加工方法時(shí)，切削速度很少會超過25m/min或30m/min瓦哎。用于加工鉻鎳鐵合金的刀具槽型與用于鈦合金加工的槽型有很大的不同砸喻。鉻鎳鐵合金槽型具有非常陡的后角。這種槽型可最大限度減少刀具和材料的接觸蒋譬，因?yàn)殂t鎳鐵合金具有塑性和高記憶性割岛，這意味著它會在受到刀具的作用力時(shí)稍微彎曲。因此寓蔼，刀具傾角和材料的接觸時(shí)間越長咱贪，刀具發(fā)生的磨蝕就越大，而其使用壽命就越短筛六。為進(jìn)一步降低刀具和鉻鎳鐵合金間的摩擦价值，山高采用了氮化鋁鈦鍍層。該鍍層已進(jìn)行了拋光通溜，擁有極其平滑精細(xì)的表面粗糙度拷治。

4鈦合金和鉻鎳鐵合金的加工方法

鈦合金和鉻鎳鐵合金有4種基本的加工技術(shù)或方法。

(1)傳統(tǒng)加工舟道，該方法需要在1×1的ae和ap之間尋求平衡莫金，即加工采用全切寬(1倍直徑)、一定的切深(最大為刀體直徑1倍)和平均進(jìn)給率遍沟。

(2)高性能加工(HPM)洽咬，該方法需要使用專為鈦合金和鉻鎳鐵合金設(shè)計(jì)的刀具，如山高的HPM系列刀具。這些刀具在采用大切深ap(最大為1.5倍直徑)和全切寬ae的情況下運(yùn)行橙围。在短時(shí)間內(nèi)可切除大量金屬沼死，從而提高生產(chǎn)率。

(3)高進(jìn)給加工(HFM)崔赌，該方法使用極小的軸向切深ap和全切寬ae意蛀，因此切寬為1倍直徑。該方法使用的特定刀具槽型可將切削力引導(dǎo)到機(jī)床主軸上健芭，因此尤其適用于以下應(yīng)用場合：因刀具懸伸長和復(fù)雜應(yīng)用(如深度為5倍直徑及以上的槽)而造成不穩(wěn)定的加工工況县钥。

(4)高速加工(HSM)，該方法使用相當(dāng)?shù)偷腶e徑向切深和極大的ap切深慈迈。由于徑向切深相對較低若贮，因此具有較小的接觸弧，這有助于減少切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量(因接觸時(shí)間較短)痒留，從而允許較高的切削速度進(jìn)行補(bǔ)償和提高生產(chǎn)率谴麦。

機(jī)床和切削刀具的發(fā)展使得這些方法得以實(shí)現(xiàn)。山高的HPM刀具槽型具有特殊特性伸头，如不均等的齒距匾效、彎曲的螺旋角，這為高性能加工方法提供了必要的穩(wěn)定性恤磷。在高進(jìn)給和高速加工中面哼，這些方法通常依賴于機(jī)床的能力和刀具槽型。

鉆削加工

1復(fù)合材料

對于航空航天應(yīng)用俯态，復(fù)合材料中的鉆孔必須完整跃览，不允許有干涉和影響后續(xù)組件加工工序的粗糙或磨損的纖維。

復(fù)合材料鉆削的兩個(gè)常見難題是材料分層和纖維未切斷玻桶，特別是在工件的背側(cè)或出口側(cè)昧挚。鉆削時(shí)，刀具的作用力向下壓材料假盼，隨著鉆頭靠近出口側(cè)肢糜，過大的作用力會導(dǎo)致鉆頭生硬地?cái)D破(而不是鉆削)孔的最后一部分。結(jié)果會造成復(fù)合材料纖維粗糙或磨損惋探，而不是干凈地切削秃停，從而導(dǎo)致材料分層。

為了克服這些挑戰(zhàn)抗海，刀具公司通過在鉆頭上使用不同的鉆尖角和螺旋角來盡可能減小鉆頭在材料上施加的進(jìn)給作用力丹伙。應(yīng)注意，一些鉆頭槽型會產(chǎn)生與其他鉆頭相比更小的進(jìn)給作用力葫羡，性能更出色恼五。

例如，140°的鉆尖角(最常用于整體硬質(zhì)合金鉆頭)在鉆削復(fù)合材料時(shí)非常適合鉆削多個(gè)孔。但只要刀具變鈍就會失去效力灾馒。憑借用于加工復(fù)合材料的C1金剛石鍍層整體硬質(zhì)合金鉆頭茎用，山高提供了一個(gè)具有兩個(gè)鉆尖角(中心為130°，鉆頭倒角上為60°）的槽型睬罗。

加工時(shí)轨功，鉆頭的中間點(diǎn)先從孔末端退出，切掉孔的部分材料容达。這樣古涧，當(dāng)60°部分退出時(shí)，鉆頭穿過材料的進(jìn)給作用力會顯著減少花盐。因此蒿褂，材料分層和未切削的纖維(如果有)會更少。

除了2刃金剛石鍍層鉆頭外卒暂，山高還為復(fù)合材料開發(fā)了一種獨(dú)特的3刃PCD尖鉆頭槽型。這種新型PCD鉆頭槽型的工作條件與標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料鉆頭相同娄帖，但其效果更好乏根，因?yàn)樗那邢魅懈?3刃)。鉆頭有更鋒利的切削刃且每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的進(jìn)給作用力更小仔省，特別是在退孔時(shí)俄躺。此外，與金剛石鍍層相比红集，該鉆頭擁有完整的PCD鉆尖亲沃，在多數(shù)情況下刀具壽命可延長多達(dá)4倍。

2鈦合金

在航空航天領(lǐng)域判懒，大多數(shù)孔徑都很小袋员。對于小于1mm，最大不超過20mm的直徑刀雳，整體硬質(zhì)合金鉆頭廣泛用于鈦合金和鉻鎳鐵合金的鉆削領(lǐng)域痘嫉。

與銑削鈦合金一樣，鉆削工藝產(chǎn)生的熱量也易于進(jìn)入刀具中粪世，而不是在切屑內(nèi)帶走馆义。為了解決這一問題，鉆頭槽型通常都具有非常鋒利的切削刃胁塞。通常咏尝，由于需要極為鋒利的切削刃，用于鈦合金的鉆頭都沒有鍍層啸罢。另外编检，鍍層在一定程度上會增加摩擦，增大了熱量生成。更重要的一點(diǎn)是蒙谓，在加工后材料會收縮斥季。因此，鉆體上需要一個(gè)更大的倒錐累驮。

3鉻鎳鐵合金

由于鉻鎳鐵合金具有非常強(qiáng)的磨蝕性和硬化性酣倾，因此用于該材料的高效鉆頭槽型基本上與用于鈦合金的鉆頭槽型相同。但是谤专，該鉆頭槽型添加了鍍層躁锡，以便增加耐磨性并減小摩擦。例如置侍，山高使用氮化鈦鋁鍍層來保護(hù)其鉻鎳鐵合金鉆頭并延長使用壽命映之。

鉆削鉻鎳鐵合金時(shí)，需要使用較低的速度和進(jìn)給量瘫骏，因?yàn)樵摬牧细惭找⒏y以切削。與銑削鉻鎳鐵合金一樣哭夺，在鉆削時(shí)量奸，該材料的切削性能也會發(fā)揮作用。在航空航天應(yīng)用領(lǐng)域中卷撞，鉻鎳鐵合金組件的孔深通常不超過3倍直徑澄璃。

鍍層在提高航空航天鉆削工藝安全性和生產(chǎn)率方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，山高等刀具公司一直致力于獲得更好的控制和掌握鉆頭切削刃的處理技術(shù)盐文。通過鍍層的各種有效變化(如氮化鈦鋁)和對切削刃的控制圣翅，山高已能夠開發(fā)出可將鉆削速度和進(jìn)給率提升一倍的鉆頭。

將來會對現(xiàn)有槽型進(jìn)行更多的改造咏摔，以進(jìn)一步提高鉆頭性能握饼。很多這些微小變化只有在當(dāng)今先進(jìn)機(jī)床技術(shù)的幫助下才能實(shí)現(xiàn)或變?yōu)榭赡堋Ｃ磕赀M(jìn)行數(shù)百萬鉆孔作業(yè)的航空航天制造商已經(jīng)將他們的目光投向了這些特制鉆頭上昙百。

結(jié)束語

要高效地加工航空航天業(yè)中目前遇到的挑戰(zhàn)性材料撼予，關(guān)鍵是獲得完整的加工解決方案，而不僅僅是獲得一個(gè)產(chǎn)品悟民。完整的刀具解決方案不僅包括必要的槽型和設(shè)計(jì)坝辫，還包括應(yīng)用工程支持。人員的豐富知識和經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)的產(chǎn)品相結(jié)合射亏，可以形成一個(gè)完整的解決方案并實(shí)現(xiàn)理想的結(jié)果近忙。

零件質(zhì)量和工藝安全性要求手頭上擁有專為特定應(yīng)用(無論是復(fù)合材料、鈦合金智润、還是鉻鎳鐵合金)而設(shè)計(jì)的最佳刀具及舍。但是未辆，該刀具必須從能夠并且愿意提供刀具操作指導(dǎo)的供應(yīng)商處獲取，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能锯玛。為了充分利用當(dāng)今專為堅(jiān)韌的航空航天材料而設(shè)計(jì)的先進(jìn)刀具咐柜，教育和培訓(xùn)是關(guān)鍵。

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