新一代合金和復(fù)合材料使飛機(jī)制造商面臨新的加工挑戰(zhàn)盈综。

隨著對(duì)重量更輕零硫、速度更快飛機(jī)的需求不斷增長(zhǎng)，航空零部件制造商正在生產(chǎn)更多的鈦合金隔造、Inconel合金洲稽、Hastelloy合金、Waspalloy合金以及復(fù)合材料零件刃勤，以滿足飛機(jī)機(jī)身和航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的需求蚂朽。大型商用飛機(jī)，如波音787夢(mèng)想飛機(jī)湖饱，以及用于防務(wù)計(jì)劃的F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)掖蛤，都采用了幾乎是全復(fù)合材料的機(jī)身設(shè)計(jì)。為了加工通常由復(fù)合材料和硬度較高的金屬合金兩者構(gòu)成的工件井厌，就必須采用具有創(chuàng)新性的新工藝蚓庭。

加工鈦合金和其它難切削合金通常需要使用高剛性、大扭矩的機(jī)床仅仆，同時(shí)還要采用最先進(jìn)的切削刀具器赞、高壓冷卻系統(tǒng)和加工工藝。以“交鑰匙”方式提供以上要素將會(huì)提高用戶的加工效率墓拜。美國(guó)的生產(chǎn)力解決方案公司（MAG公司的子公司）Cyclo Cut刀具生產(chǎn)主管Dan Cooper介紹說港柜，該公司專門致力于提供總體解決方案：新的機(jī)床，改造或重建咳榜，工藝開發(fā)以及提供包括可提高切屑去除率的刀具和冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的完整生產(chǎn)線夏醉。為了優(yōu)化切屑去除率和零件質(zhì)量，要求投入加工過程的所有要素保持平衡贿衍。

在切削鈦合金和其它難加工合金時(shí)授舟，高剛性機(jī)床婆跋、HSK100或125的大尺寸主軸接口、高壓冷卻液沖刷络灾，以及采用臥式結(jié)構(gòu)（就像MAG公司最近推出的H4000五軸臥式仿形加工機(jī)床一樣）可以提供工藝改進(jìn)簇精。較大的主軸電機(jī)和傳動(dòng)軸在切削難加工合金時(shí)也是一種優(yōu)勢(shì)。具有低熱導(dǎo)性和高彈性的鈦合金很難切削蜕芭，加工時(shí)很容易產(chǎn)生顫振载秀，而顫振是相當(dāng)糟糕的事情，因?yàn)樗鼤?huì)影響工件質(zhì)量乳的、刀具壽命和機(jī)床壽命泥贷。

航空制造業(yè)切削復(fù)合材料、鈦合金和其它難加工合金的加工范圍十分廣泛硼环。山特維克可樂滿美國(guó)公司航空產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理Chris Mills先生介紹說洼眶，“我們?yōu)榧庸ゆ嚮辖痖_發(fā)了專用刀具，為加工鈦合金提供解決方案狰宗，并且也為復(fù)合材料加工開發(fā)了刀具白庙。”

Mills補(bǔ)充說甘沾，“從數(shù)量上看搬设，復(fù)合材料增長(zhǎng)最快，但這并不一定代表復(fù)合材料的加工量最大撕捍。最難加工的材料是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)使用的鎳基合金拿穴。”渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)前部的風(fēng)扇和高壓壓縮機(jī)采用鈦合金制造忧风，而渦輪的高溫燃燒部分則采用能夠承受極高溫度的鎳基合金制造默色。

Mills說，“鈦合金可以承受800℃左右的高溫阀蒂，而鎳基合金在超過1400℃的高溫中仍能工作该窗。當(dāng)然，鎳基合金是最難加工的材料蚤霞，它們只用于確實(shí)需要的部位酗失。鈦合金要輕得多，因此可以盡可能多地使用昧绣」骐龋”

鎳基合金，包括Inconel合金夜畴、Waspalloy合金和René 41合金塞姻，通常被歸類為鎳基高溫合金或鎳基耐熱合金。加工的鈦合金大部分是Ti-64或6Al-4V（含6%的鋁和4%的釩）。Mills解釋說尺澜，“通過加入不同的合金元素绵顷，可以改變金屬材料的強(qiáng)度。最令人頭痛的合金是5553鈦合金（即5Al-5Mo-5V-3Cr）厅肩，這是一種用于波音787的新材料螺蜻。由于現(xiàn)在波音787的生產(chǎn)正在提速，因此有越來越多的5553鈦合金需要加工禽制〖艚停”

Mills說，“通常膜却，我們參照6Al-4V建立所有鈦合金材料的基準(zhǔn)加工方法药呜，而且我們發(fā)現(xiàn)，采用相同的刀具攘默、相同的牌號(hào)和相同的加工編程方法至關(guān)重要访僚。不同的是，與加工Ti-64相比玲销，加工5553時(shí)必須將切削速度降低50%引润。許多人可能已經(jīng)遇到了問題，因?yàn)樗麄冊(cè)募庸し椒ㄊ腔谝粋€(gè)典型的6Al-4V加工案例痒玩，而加工5553材料需要兩倍長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)槠淇汕邢餍越档土?0%议慰〈拦牛”

為了解決新型鈦合金5553可切削性較差的問題，生產(chǎn)車間必須優(yōu)化加工流程别凹。Mills指出草讶，“需要將加工這些難加工材料必須采用的最佳做法擴(kuò)展到整個(gè)機(jī)床、工藝剛性炉菲、安裝堕战、冷卻液供應(yīng)以及編程方法等各個(gè)方面。材料的可切削性越差拍霜，其加工編程就越重要嘱丢。工件的夾持和安裝也很重要，因?yàn)槠淝邢髁Ρ燃庸て渌牧洗蟮枚囔艚龋魏握駝?dòng)都會(huì)給刀具帶來麻煩腔益。需要采用低轉(zhuǎn)速加工，因?yàn)榍邢魉俣群艿吐缏停虼诵枰诘娃D(zhuǎn)速下獲得足夠的扭矩和功率舰打。為了加工鈦合金，人們使用了大型臥式機(jī)床蒋巡，而且開發(fā)了專用機(jī)床凫荡】杉簦”

為了解決5553鈦合金可切削性差的問題，山特維克公司最近開發(fā)出兩種新型刀片：S30T和S40T牌號(hào)功抠，專門用于鈦合金加工登翩。S30T的特點(diǎn)是采用了微米晶粒硬質(zhì)合金基體和PVD-TiAIN薄涂層，為銑削鈦合金提供了較高的切削速度和較長(zhǎng)的刀具壽命汛滩；S40T主要針對(duì)刀具韌性要求較高的加工女溺，采用了強(qiáng)韌的細(xì)晶粒硬質(zhì)合金基體和CVD薄涂層，可以在最苛刻的鈦合金銑削條件下提高刀具壽命和加工安全性函绊。

森精機(jī)美國(guó)公司負(fù)責(zé)制造工藝的副總裁兼首席技術(shù)官Greg Hyatt指出敛竭，“加工硬度較高的鎳基合金的另一種方式是采用緩進(jìn)給磨削。在我們的機(jī)床上阁最，正越來越多地采用磨削方式加工鎳基合金戒祠，因?yàn)殡S著這些材料的可切削性下降到個(gè)位數(shù)范圍，磨削已成為非乘僦郑可行的替代加工方法姜盈。在某些情況下，通過磨削加工配阵，我們確實(shí)獲得了比銑削和車削更高的金屬去除率馏颂。”

Hyatt指出棋傍，通過應(yīng)用特別為鎳基合金加工開發(fā)的專用工藝救拉，制造商能以比傳統(tǒng)磨削工藝高得多的去除率切除金屬。他說瘫拣，“這種工藝就是緩進(jìn)給磨削亿絮，我們使用了較大的砂輪，每次磨削采用1－2mm的磨削深度麸拄。這不是在精密磨床上進(jìn)行的輕載往復(fù)磨削派昧，而是一種重載加工，需要利用機(jī)床的全部功率颤皆〕晡”

Hyatt補(bǔ)充說，新的β相鈦合金（如5553）具有很強(qiáng)的磨蝕性磺伍，會(huì)導(dǎo)致刀具壽命大大縮短疯食。“加工時(shí)需要比較高的扭矩或缘，而在大多數(shù)情況下梅明，需要增大扭矩以保護(hù)刀具，即使采用大家認(rèn)可的刀具（如山特維克公司目前提供的刀具），再加上推薦的切削速度（通常甚至低于加工6804B和其它更典型合金的推薦切削速度）乳环。這些速度對(duì)于切削鈦合金已經(jīng)夠低了——現(xiàn)在還要更低匠泵，因此唯一可行的辦法就是高扭矩、低切速倘回。這對(duì)機(jī)床和刀具都具有挑戰(zhàn)性了酌。

山高刀具公司車削產(chǎn)品和教育服務(wù)經(jīng)理Don Graham指出，先進(jìn)的刀具設(shè)計(jì)為航空制造商提供了加工鎳基高溫合金時(shí)解決磨蝕性難題的方法音瓷《越溃“加工鋼件時(shí)，彎折的切屑快速通過刀片頂部绳慎，從而使切屑變得紅熱纵竖。而紅熱狀態(tài)的鋼相對(duì)來說比較軟，因此它不會(huì)對(duì)刀片頂部施加太大的壓力杏愤。危險(xiǎn)在于切削刀片發(fā)生融熔放前。我們可以利用涂層來保護(hù)刀片慢洋，從而使它不會(huì)與鋼發(fā)生熔融∠四停”

Graham解釋說词羹，“切削高溫合金時(shí)莱妥，切屑同樣被彎折和變得紅熱觉增，但卻不會(huì)軟化奠货。這就是它用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能極佳的原因——在極高的溫度下仍能保持大部分機(jī)械強(qiáng)度。因此已慢，在加工高溫合金時(shí)骗炉，刀具要承受很大壓力，容易發(fā)生變形蛇受。”

除了要求刀具耐熱性好以外巫顽，制造商還必須與刀具的過早磨損作斗爭(zhēng)菱脯。“這些高溫合金具有磨蝕性（特別是經(jīng)過熱處理后）菲痹，因此它們會(huì)使切削刃磨損湘秀。高溫合金韌性很好，因此切削時(shí)斷屑困難编毒。換言之军含，切屑控制具有難度。與高溫合金的韌性有關(guān)的另一個(gè)問題是積屑瘤歹簸。當(dāng)積屑瘤最終脫落時(shí)孩砸，就會(huì)造成刀具切削刃崩刃。”

Graham指出贸掰，山高刀具公司通過刀具幾何設(shè)計(jì)丁傲、刀具材料研究、適當(dāng)選擇切削速度和進(jìn)給量审胚，來解決這些合金的切削難題匈勋。“在一般情況下膳叨，我們采用正前角幾何設(shè)計(jì)洽洁，以減小切削力，使積屑瘤最小化菲嘴。我們優(yōu)先采用微米晶粒硬質(zhì)合金饿自，因?yàn)榕c傳統(tǒng)硬質(zhì)合金相比，它能抵抗高溫合金施加在刀具切削刃上的壓力临谱。微米晶粒硬質(zhì)合金還具有極好的耐磨性璃俗。我們做的另一件與刀具材料有關(guān)的事，就是采用PVD多層涂層悉默。這種涂層能防止產(chǎn)生積屑瘤城豁，并能提高耐磨性。

山高公司開發(fā)的Jetstream Tooling刀柄系統(tǒng)可將高壓冷卻液導(dǎo)向切削刃抄课，從而改善切屑控制唱星。為航空制造業(yè)用戶加工Ti-64鈦合金而開發(fā)的這款工具系統(tǒng)有助于減小鈦合金切屑的長(zhǎng)度（從大約1米減小到6.4mm長(zhǎng)）。

Graham回憶說跟磨，“Ti-64的長(zhǎng)切屑很危險(xiǎn)局硝，很難處置且費(fèi)用昂貴。問題是潭灯，鈦合金并不是優(yōu)良的熱導(dǎo)體焙逝，這就意味著，你可以冷卻切屑的頂面话弹，但其底部仍然很熱年笋，因此切屑仍然強(qiáng)韌而不易折斷。Jetstream Tooling是夾持車削刀片的刀柄系統(tǒng)味专，可以把冷卻液輸送到切屑底部雌她，幫助形成一個(gè)液體楔，將切屑抬起数荤，使其迅速冷卻政用、彎曲和折斷，并將其吹走阴戚√染模”

MAG公司的Cooper指出某亩，另外的改進(jìn)還包括增加排屑槽密度和采用微米晶粒硬質(zhì)合金，可以幫助車間在切削鈦合金類材料時(shí)減小刀具磨損碟渺，“通常鲜锚，精加工刀具幾乎都是整體硬質(zhì)合金刀具。我們有一種稱為Max-Flute的產(chǎn)品苫拍，就是在一把刀具（如直徑19mm的整體硬質(zhì)合金立銑刀）上開16條排屑槽芜繁，而早先的刀具上只有4條排屑槽。借助這些高密度的排屑槽绒极，可以在精加工中將進(jìn)給率提高4倍骏令，在縮短加工周期的同時(shí)，提供更高質(zhì)量和更精密的零件垄提±拼”

Cooper補(bǔ)充說，“為了獲得更高的強(qiáng)度和更長(zhǎng)的刀具壽命铡俐，我們減小了晶粒結(jié)構(gòu)凰兑，將超細(xì)亞微米晶粒硬質(zhì)合金（晶粒尺寸0.4－0.6μm）用于刀具切削刃。這種硬質(zhì)合金更強(qiáng)韌审丘，因?yàn)椴牧暇Я８±艄唬虼司哂懈蟮恼辰Y(jié)表面積。采用這種晶粒更細(xì)的硬質(zhì)合金嵌鳖，還能得到更鋒利的切削刃织扰。”

在高剛性機(jī)床上切削鈦合金時(shí)及裂，選用合適的刀具至關(guān)重要率肉。哈斯自動(dòng)化公司的應(yīng)用經(jīng)理Wayne Reilly說，“為了加工成功嘀矢，就需要鋒利剑三、剛性好，并且能夠良好排屑的刀具昵例。特別是在切削鈦合金時(shí)巾割，鋒利的刀具可能是獲得成功的關(guān)鍵。一旦刀具變鈍焰醇，情況將很快惡化〗牵”

Methods機(jī)床公司的Jochen Reichert補(bǔ)充說腿扒，“關(guān)鍵是要有高剛性的機(jī)床和主軸，以及具有正確幾何形狀的高端刀具术瓮。在過去幾年里康聂，在加工像鈦合金和Inconel合金這種難加工材料時(shí)贰健，我們已經(jīng)明確看到了在加工時(shí)間、切削速度和切削長(zhǎng)度等方面的提高恬汁×娲唬”

據(jù)Dynomax公司CEO、材料學(xué)與冶金學(xué)博士Rich Zic介紹氓侧，Dynomax公司作為一個(gè)合同制造商和主軸生產(chǎn)商脊另，加工各種復(fù)合材料、鋁合金约巷、鈦合金和Inconel合金的航空零件偎痛。“我們主要為航空工業(yè)加工鈦合金独郎、Inconel合金踩麦、不銹鋼和類似的材料，但我們主要關(guān)注鈦合金的切削加工氓癌，因?yàn)榕c人們通常加工的其它材料的標(biāo)準(zhǔn)加工方法相比谓谦，鈦合金的加工有點(diǎn)不同。我們需要大量加工在航空工業(yè)廣泛應(yīng)用的α相和β相鈦合金她蛉『匕樱”

Zic說，“鈦合金加工需要有高剛性的機(jī)床設(shè)備镊僚，因?yàn)槿绻玫臋C(jī)床剛性不足寿针，不僅難以獲得良好的加工表面光潔度，而且刀具壽命也會(huì)大大縮短镰钦。此外径卜，加工時(shí)必須將切削表面速度控制在一定范圍內(nèi)。我們需要采用適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給率箫驻，我們需要切削工件而不是摩擦工件芽茄。如果機(jī)床在任何一個(gè)給定點(diǎn)處停下，它將把熱應(yīng)力傳入工件材料中绍挤≌律瘢”

Dynomax公司主要加工鈦合金結(jié)構(gòu)件，包括用于安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐件籽榕。Zic指出爷耀，“特別是對(duì)于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)來說，制造商希望減輕重量拍皮、提高強(qiáng)度歹叮，而鈦合金的強(qiáng)度水平與大部分其它鋼合金相同，但重量卻要輕一半铆帽。飛行器總是希望減輕重量咆耿，因?yàn)槊恳话凰局亓慷家馕吨加偷南牡铝隆！?/p>

在硬合金航空零件上加工螺紋孔一直是對(duì)制造商的挑戰(zhàn)萨螺。Emuge公司螺紋銑削產(chǎn)品經(jīng)理Mark Hatch介紹說窄做，“在包括15-5 ph不銹鋼、17-4 ph慰技、6Al-4V鈦合金和Inconel 718等航空材料上加工內(nèi)螺紋一直是難題椭盏，我們已在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量技術(shù)開發(fā)∪桥危”

許多飛機(jī)零件難以加工的原因在于材料的化學(xué)成分和經(jīng)過的特殊熱處理庸汗。Hatch指出，“通常诅鹰，我們必須加工經(jīng)過預(yù)淬硬的不銹鋼和Inconel合金也隧，因此，通常工件的硬度在HRC38－48范圍內(nèi)笋骡。加工此類航空材料的主要問題之一不僅是高硬度絮商，還有化學(xué)成分，它可能使材料產(chǎn)生一種壓縮特性叮盲。你會(huì)發(fā)現(xiàn)铆韭，絲錐生產(chǎn)商必須專門設(shè)計(jì)帶有大后角的幾何形狀，以糾正這種壓縮行為只忿。在航空零件的加工中菜涯，絲錐的破損已經(jīng)成為一個(gè)老大難問題，而航空制造業(yè)正盡可能轉(zhuǎn)向采用螺紋銑削方式來加工這些難加工材料禾膀〖鹉”

Hatch表示，對(duì)用戶來說驹柴，用螺紋銑刀加工可以節(jié)省加工時(shí)間饼瓮，“我們的螺紋銑刀設(shè)計(jì)采用了加長(zhǎng)到2倍切深的銑削部分，這是我們公司刀具的獨(dú)特之處夹厌。在航空零件加工中豹爹，制造商對(duì)J型系列內(nèi)螺紋有著非常苛刻的要求矛纹。他們將其稱為“安全保障螺紋”臂聋，其螺紋中徑尺寸必須達(dá)到3-B級(jí)公差，這就意味著或南，他們?cè)诩庸て胀菁y時(shí)有非常高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)孩等。我們的螺紋銑刀本身能夠很好地控制這些公差∮祝”

在復(fù)合材料加工中瞎访，最大的工藝問題往往涉及到由不同材料（包括復(fù)合材料和鈦合金層）組成的多層復(fù)合材料的分層剝離。OSG美國(guó)公司負(fù)責(zé)制造工藝的副總裁Drew Strauchen說吁恍，“我們的關(guān)注重點(diǎn)在航空制造業(yè)扒秸。我們?yōu)椴ㄒ艄竞蛧?guó)防承包商提供幫助，他們使用我們的刀具銑削和鉆削加工商用和軍用飛機(jī)零件冀瓦。我們主要關(guān)注兩種不同的刀具：對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行修形的鏤銑刀和制孔用的鉆頭伴奥。”

Strauchen指出秘舅，“孔加工是最困難但也最普遍的加工類型颂睛。他們每使用一把銑刀，可能就要使用100支鉆頭猩烘。飛機(jī)上有大量的緊固件车咕，與需要銑削的零件相比，需要鉆削的孔要多得多内会。我們面對(duì)的挑戰(zhàn)是材料的分層剝離和孔的尺寸——能夠用一支鉆頭（而不是兩支或三支鉆頭）加工一個(gè)直徑1/4英寸的孔淹郎。我們的專長(zhǎng)是為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工設(shè)計(jì)雙角和三角鉆頭，以實(shí)現(xiàn)一鉆成孔蝉嘲，避免分層剝離并保持孔徑尺寸的一致性氛硬。

Strauchen說，由于采用了獲得專利的金剛石涂層痛的，OSG公司的雙角和三角整體硬質(zhì)合金鉆頭獲得了更長(zhǎng)的刀具壽命田蔑，這些只作為專用刀具提供的鉆頭，其特色就是CVD金剛石涂層梆栏。

Strauchen說紫磷，“碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維的排列方向決定了鉆頭設(shè)計(jì)所需的角度。分層剝離發(fā)生的原因通常是歉摧，鉆頭能順利切斷沿一個(gè)方向排列的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層艇肴，但當(dāng)它鉆入沿另一個(gè)方向排列的材料層時(shí)，會(huì)趨向于推擠該材料層而不是切斷它們叁温。這樣就產(chǎn)生了推動(dòng)層壓材料分層的附加壓力再悼。這就是我們的鉆頭具有多個(gè)角度的原因，這些角度可以對(duì)付碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中不同方向的纖維層膝但〕寰牛”

刀具供應(yīng)商美國(guó)Kennametal公司也可提供新設(shè)計(jì)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工刀具。該公司對(duì)CFRP加工刀具進(jìn)行了廣泛研究跟束，并與合作伙伴——軌道鉆開發(fā)商瑞典Novator公司一起提供了可供選擇的工藝莺奸。Kennametal公司設(shè)計(jì)的SPF鉆頭可以控制鉆頭鉆入和鉆出時(shí)材料的分層剝離.

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享冀宴，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)灭贷，也不構(gòu)成任何其他建議温学。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布、編輯整理上傳甚疟，對(duì)此類作品本站僅提供交流平臺(tái)仗岖，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻俗股、圖片欲堪、文字如涉及作品版權(quán)問題，請(qǐng)第一時(shí)間告知馁言，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容涯蜜，以保證您的權(quán)益！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn群骂。