在制造業(yè)中深牲，重量更輕城搀、強度更高的新材料不斷涌現(xiàn)，使加工題目變得更多搭诬、更難蘸橡，由此也推動著CVD、PVD涂層技術的持續(xù)發(fā)展转傍，以滿足進步新材料加工效率的要求层褥。本文針對航空航天鈦合金新牌號的銑削加工和復合材料的加工，介紹了刀具涂層的選擇和難加工材料的加工對策糜实。

刀具涂層對切削過程的影響

為什么航空航天產(chǎn)業(yè)所用材料比通常用于汽車產(chǎn)業(yè)的鑄鐵彼兆、鋼材等更難加工？金屬切除過程是工件材料由塑性變形到斷裂并形成切屑的過程错这。由材料學的標準拉伸試驗獲得的應力—應變圖邀秕，給出了材料在達到斷裂或強度極限時的塑性變形量，其相關數(shù)據(jù)可從標準的材料手冊中查到妄午。各種鋼材根據(jù)其不同成分和熱處理狀態(tài)對應的可加工性分布位置月幌。大體上可分為普通碳鋼、未淬硬的合金鋼和淬硬的合金鋼悬蔽。其中，硬度低捉兴、延伸率大的材料在加工時產(chǎn)生較大的塑性變形蝎困，形成長切屑；相反倍啥，硬度高禾乘、延伸率小的材料形成短切屑。

材料的單位斷裂能與斷裂應力和斷裂應變的乘積成正比虽缕，它是材料塑性變形消耗的能量始藕，并在切屑形成過程中轉變?yōu)闊崃浚乔邢鲄^(qū)的第一個熱源氮趋。切削區(qū)的第二個熱源是切屑與前刀面摩擦產(chǎn)生的熱伍派，材料的韌性越好，與前刀面的接觸長度越長，產(chǎn)生的摩擦熱也越多诉植。

在各種工件材料硬度與韌性的位置祥国。其中，強度或硬度高蘑砖、切削力大初瓜、韌性好、切屑長的材料其可加工性較差永僚。其中還列出了影響可加工性和刀具壽命的材料金相特性(如析出的硬質相否北、夾雜物、加工硬化等)伙二。

航空航天產(chǎn)業(yè)用的鈦合金叹匹、鎳基超級合金(Inconel等)由于具有很高的強度和韌性，切削時需要很大的塑性變形能聂幅，并與刀刃摩擦產(chǎn)生大量切削熱吓蝌，而它們很低的導熱系數(shù)使熱量集中在切削區(qū)和刀/屑界面，對刀具壽命造成不利影響活乘。因此授工，如何有效加工此類材料是對切削加工的極大挑戰(zhàn)。

刀具涂層技術是針對切屑形成過程中產(chǎn)生很高的力和熱對刀具造成不利影響而開發(fā)的新技術价恨，根據(jù)不同的應用領域细层，涂層刀具比未涂層刀具的壽命可進步2～10倍。其中還列出了加工各種材料時行之有效的涂層唬涧。

涂層的正確選擇應與工件材料疫赎、切屑變形特性和切削條件相匹配，早期開發(fā)的TiN和TiCN涂層仍然適用于在一般切削條件下加工碳鋼和合金鋼碎节。但是捧搞，隨著切削速度的進步，就需要采用TiAlN涂層狮荔，由于這種涂層在高溫下具有很好的穩(wěn)定性胎撇。

加工難切削的航空航天材料時，要求刀具有最佳的切削刃設計殖氏，包括與切削刃鋒利性相關的微觀幾何外形晚树。例如，切削刃的倒棱或鈍化雅采，鈍化程度在切削刃全長上有的要求均勻一致爵憎，有的要求有所變化。典型的鈍化圓弧半徑為0.025mm婚瓜，以降低刃口應力的集中程度宝鼓，更好地保護PVD涂層婶签。

為了更好地加工難加工材料，材料科學家已經(jīng)開發(fā)了新的涂層牌號灌蛙，包括添加Si到TiN中形成的TiSiN涂層残膜，或在AlTiN涂層中增加Al含量，或用Cr代替Ti開發(fā)出AlCrN涂層又诡，以及具有更高硬度商爆、韌性和抗高溫氧化性能的納米結構涂層。與未涂層刀具相比懦诸，涂層刀具可以在其它條件相同的情況下采用更高的切削速度和獲得更長的刀具壽命爬姓。一些研究成果解釋了在不同切削條件下涂層的工作機理，開發(fā)了耐磨粒磨損赖谷、抑制微觀裂縫慢沉、降低摩擦系數(shù)、形成穩(wěn)定的AlCr氧化膜和更好耐熱性等多樣化的涂層功能滥氏。

鈦合金的銑削加工

在航空航天產(chǎn)業(yè)备洽，出現(xiàn)了很多難加工的高性能材料，如合成材料妈踊、鈦合金和高溫合金等了嚎。這些材料具有很高的強度，制造的零件更輕廊营，可使飛機的燃油效率更高歪泳。然而，這些零件的加工需要采用新的切削技術露筒。

例如呐伞，波音公司新推出的中等型號波音787飛機，在其主體結構件重量中慎式，合成材料約占50%伶氢，鈦合金約占15%。由于這兩種材料重量輕瘪吏、強度重量比高癣防，使787飛機與相同大小的普通噴氣式客機777－200相比，重量更輕肪虎，可節(jié)省20%的燃油。此外惧蛹，與鋁合金相比蚣狠，這兩種材料除了重量更輕以外，鈦與合成材料的兼容性也比鋁好(鋁更輕易與合成纖維產(chǎn)生蝕電反應)弥败。此外号蒙，鈦比鋁合金更耐腐蝕，其維護保養(yǎng)也更輕易。

然而物坝，鈦合金的可加工性不好未奋，通常只能采用較低的切削速度和進給量，為了防止熱量聚積妖职，徑向切深不能超過30%冻绊，軸向切深量也小。

目前歇懂，已有一種新的鈦合金——Ti5553(Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr)瓷忙，屬于近?型鈦合金。與最常用的Ti-6Al-4V相比晃尖，該材料具有更好的淬硬性和疲憊強度泵网，更適合制作關鍵零件。但它比傳統(tǒng)的鈦合金更難加工撑蚌，刀具壽命更短上遥。

為了解決這種新型鈦合金的加工，美國Niagara刀具公司與航空公司合作争涌，共同開發(fā)適用的刀具和加工參數(shù)粉楚。試驗工作在實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場進行，內容包括刀具的幾何參數(shù)第煮、刃口處理和涂層的選擇解幼。

目前，該公司已經(jīng)開發(fā)了用于銑削Ti5553鈦合金的粗加工包警、半精加工和精加工的工藝指南：粗加工推薦采用M42鈷高速鋼或粉末冶金高速鋼制造的細齒立銑刀撵摆，刀具經(jīng)TiCN或TiAlN涂層，切削速度40～60英尺/分(12.2～18.3m/min)害晦，進給速度3～5英寸/分(76～127mm/min)特铝；半精加工采用TiAlN涂層的4齒整體硬質合金立銑刀，切削速度70～100英尺/分(21.3～30.5m/min)壹瘟，進給速度5～7英寸/分(127～178mm/min)鲫剿；精加工則采用TiAlN涂層的6～8齒整體硬質合金立銑刀，切削速度400英尺/分(122m/min)宽剪，進給速度5～7英寸/分(127～178mm/min)锭鸣。

該公司稱，新的刀具幾何外形(波形刃)與涂層和正確的切削參數(shù)相結合葵张，改進了切屑的形成過程局限，避免了切屑堵塞。

復合材料的切削加工

目前哀擒，復合材料已越來越多地應用于制造飛機零部件棵辟。復合材料通常由樹脂琴坏、增強纖維和一種或多種填充材料合成，具有很高的比強度和良好的機械特性和熱特性渗蚁，是替換金屬材料的最佳選擇束澄。

根據(jù)美國金剛石涂層公司總裁的說法，CVD金剛石涂層刀具是加工很多復合材料的最佳刀具尖洞。該公司向洛克希德馬丁飛機公司提供用于加工先進復合材料的刀具涂層妇张。開始時，刀具壽命較短外卷，并且材料有分層現(xiàn)象砍的。后來采用了20μm厚的CVD金剛石涂層，并對刀具幾何參數(shù)作了改進莺治，使刀具壽命進步6倍以上廓鞠，并減少了工件的分層現(xiàn)象。

刀具切削性能的改進必須依靠刀具材料谣旁、涂層和幾何參數(shù)的擇優(yōu)匹配床佳。近年來，涂層(尤其是PVD涂層)的發(fā)展已經(jīng)使航空產(chǎn)業(yè)難加工材料的切削效率得到進步榄审。隨著PVDAl2O3涂層的問世砌们，PVD涂層技術的上風將更加明顯。美國從1990年以來各種PVD涂層所占的比例搁进，其中TiN涂層的比例在持續(xù)下降浪感，TiAlN涂層以其優(yōu)良的綜合性能得到更多的應用。

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