當(dāng)前肚苇，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滑废，例如復(fù)合材料笋除、鈦合金和鉻鎳鐵合金踏兜。相比普通材料词顾，此類材料重量更輕，強(qiáng)度更高碱妆，但在加工方面肉盹，特別是銑削和鉆削方面，它們各自擁有不同的加工難題疹尾。

在銑削和鉆削加工中纺榨，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。在此類加工過程中宽酣，制造商必須盡可能達(dá)到最高的質(zhì)量水平彰怒，這往往需要通過密切地監(jiān)控和維護(hù)工藝安全性來實(shí)現(xiàn)。雖然存在對(duì)零件成本的擔(dān)憂，但在大多數(shù)情況下凶健，生產(chǎn)高質(zhì)量的零件是優(yōu)先考慮的事項(xiàng)蝉陕，而提高生產(chǎn)率則一般處于次要地位。

借助機(jī)床和刀具的可預(yù)測(cè)性能扶眼，航空航天制造商力求實(shí)現(xiàn)工藝的安全性和穩(wěn)定性。在刀具方面瑰跳，航空航天制造商必須擁有具備長(zhǎng)久且穩(wěn)定刀具壽命的銑刀和鉆頭忍坯。而且，即使他們知道刀具的具體使用壽命砰普，也會(huì)在刀具完全磨損之前谁媳，提早安排機(jī)床更換刀具。得益于機(jī)床和刀具技術(shù)狗准，復(fù)合材料克锣、鈦合金和鉻鎳鐵合金等材料已經(jīng)從過去幾乎無法加工，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腔长。帶來更佳工藝控制和一致性的一種刀具技術(shù)便是先進(jìn)的特制整體銑刀和鉆頭袭祟。這種刀具專為克服此類材料的加工難題而開發(fā)。通過整合多種創(chuàng)新性鍍層和槽型捞附，并配以先進(jìn)的加工技術(shù)和方法巾乳，這些特制刀具不僅能提供工藝安全性，而且能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量鸟召。

圖1 用于CFRP的3刃PCD鉆頭CX1

復(fù)合材料加工

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)展胆绊。然而，由于此類材料極為耐磨和強(qiáng)韌欧募，因此難以使用常規(guī)銑削刀具進(jìn)行加工压状。此外，加工時(shí)還必須防止發(fā)生分層（即各個(gè)碳纖維層分離）跟继。通過使用堅(jiān)硬种冬、鋒利且采用特殊表面鍍層的整體硬質(zhì)合金銑刀，可以輕松應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)舔糖。

從槽型的角度來看黑声，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)生分層氓暖。此外失能，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账姜，在側(cè)銑時(shí)饵臀，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。不僅如此鹉灼，此類刀具槽型還有利于更靈活地切削復(fù)合材料鞋伸。

就加工技術(shù)而言，復(fù)合材料的切削參數(shù)通常取決于各種材料自身敏困。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艰欲，而進(jìn)給率約為0.07mm。但要注意莽浴，在這組材料中破罐，使用了多種不同類型的粘接劑，而每種粘接劑都需要各自不同的速度和進(jìn)給率橱鹏。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)給率膜蠢。此外，纖維含量和纖維方向也對(duì)加工工藝（決定切削速度莉兰、進(jìn)給率和最佳刀具路徑）有著顯著的影響挑围。

對(duì)于航空航天應(yīng)用，復(fù)合材料中的鉆孔必須完整糖荒，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杉辙。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，特別是在工件的背側(cè)或出口側(cè)捶朵。鉆削時(shí)奏瞬，刀具的作用力向下壓材料，隨著鉆頭靠近出口側(cè)泉孩，過大的作用力會(huì)導(dǎo)致鉆頭生硬地?cái)D破孔的最后一部分硼端，結(jié)果會(huì)造成復(fù)合材料纖維粗糙或磨損，而不是干凈地切削寓搬，從而導(dǎo)致材料分層珍昨。

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，山高提供了一個(gè)具有兩個(gè)鉆尖角（中心為130?盲妈，鉆頭倒角為60?）的槽型问锋。加工時(shí)，鉆頭的中間點(diǎn)先從孔末端退出棠蹬，切掉孔的部分材料描琉。這樣，當(dāng)60?部分退出時(shí)偷颜，鉆頭穿過材料的進(jìn)給作用力會(huì)顯著減少穴厅。因此，材料分層和未切削的纖維會(huì)更少彰派。除了2刃金剛石鍍層鉆頭外盹火，山高還為復(fù)合材料開發(fā)了一種獨(dú)特的3刃PCD尖鉆頭槽型狠压。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，但其效果更好哗衫，因?yàn)樗那邢魅懈嘞嗥贰ｃ@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，特別是在退孔時(shí)示婉。此外品山，與金剛石鍍層相比，該鉆頭擁有完整的PCD鉆尖烤低，在多數(shù)情況下刀具壽命可延長(zhǎng)多達(dá)4倍肘交。

圖2 帶有斷屑槽的新型雙螺旋粗加工立銑刀JC845

鈦合金的加工

在航空航天工業(yè)中，鈦合金通常用于三個(gè)基本應(yīng)用領(lǐng)域：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件拂玻、噴氣發(fā)動(dòng)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宰译，屬于近-β相合金檐蚜，通常用于制造起落架零件。TiAl6-4屬于α-β相合金沿侈，是應(yīng)用最廣泛的鈦合金材料之一闯第，尤其適用于制造結(jié)構(gòu)件。令鈦合金難以加工缀拭、具有較低可加工性能的主要因素是其較低的導(dǎo)熱性能咳短、較高的粘著性和加工硬化等因素。鈦合金具有低導(dǎo)熱性蛛淋，這意味著在切削過程中產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到刀具中咙好，而不是被切屑從切削區(qū)帶走。

鈦合金的高粘著性意味著切屑往往會(huì)粘在刀具上羊脾，從而產(chǎn)生極長(zhǎng)的切屑命丑，而不是通常人們所希望的更易于排出的較短切屑。該材料的加工硬化性能會(huì)在加工時(shí)發(fā)生认畦，導(dǎo)致材料表面由于加工產(chǎn)生的壓力效應(yīng)而出現(xiàn)一層薄薄的硬化層君订。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(duì)鈦合金進(jìn)行加工，但那些針對(duì)鈦合金的加工特性而專門設(shè)計(jì)的刀具一般會(huì)提供更出色的加工效果御颇。此類特殊的刀具具有極佳的性能溪失，但在處理多種不同材料時(shí)，其通用性可能較差材框。因而桃逆，山高專為鈦合金和不銹鋼而設(shè)計(jì)的高速鋼(HSS)刀具。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(hào)設(shè)計(jì)的缰俭。此類刀具采用了特殊的槽型和設(shè)計(jì)莫切，特別適合加工鈦合金兢糯。槽型和設(shè)計(jì)包括40?~50?之間的大螺旋角；內(nèi)冷通道贸伐，可使切屑不會(huì)粘到刀刃上并快速排屑勘天，同時(shí)還有助于冷卻切削區(qū)；不均等的齒距捉邢，可在高切深過程中減少振動(dòng)脯丝；將硬質(zhì)合金與氮化鋁鉻鍍層相結(jié)合。未使用氮化鈦伏伐，這可防止刀具和材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)宠进。

在航空航天領(lǐng)域，大多數(shù)孔徑都很小藐翎。對(duì)于小于1mm材蹬，最大不超過20mm的直徑，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)域吝镣。與銑削鈦合金一樣堤器，鉆削工藝產(chǎn)生的熱量也易于進(jìn)入刀具中，而不是在切屑內(nèi)帶走末贾。為了解決這一問題闸溃，鉆頭槽型通常都具有非常鋒利的切削刃。通常拱撵，由于需要極為鋒利的切削刃啥诈，用于鈦合金的鉆頭都沒有鍍層。另外卑绢，鍍層在一定程度上會(huì)增加摩擦专稼，增大了熱量生成。更重要的一點(diǎn)是蛮嘹，在加工后材料會(huì)收縮榄兑。因此，鉆體上需要一個(gè)更大的倒錐线区。

圖3 雙螺旋Dura鍍層的精銑刀JC840

鉻鎳鐵合金加工

在航空航天制造業(yè)中马窘，鉻鎳鐵合金零件通常非常昂貴，不僅僅是材料本身的成本铜殉，還包括在進(jìn)入加工階段前為了生產(chǎn)它們而花費(fèi)的時(shí)間寡专。鉻鎳鐵合金和鈦合金之間存在某些相似之處。但就可加工性而言郊察，鉻鎳鐵合金（鎳基高溫合金）是最難加工的材料茧伍。它們具有極低的導(dǎo)熱性和極高的應(yīng)變硬化，甚至高于鈦合金酷窥。鉻鎳鐵合金還具有高粘著性咽安，因此在用于傳統(tǒng)加工方法時(shí)伴网，切削速度很少會(huì)超過25~30m/min。

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妆棒，鉻鎳鐵合金槽型具有非常陡的后角澡腾。這種槽型可最大限度減少刀具和材料的接觸。這一點(diǎn)至關(guān)重要糕珊，因?yàn)殂t鎳鐵合金具有塑性和高記憶性动分，這意味著它會(huì)在受到刀具的作用力時(shí)稍微彎曲。因此红选，刀具傾角和材料的接觸時(shí)間越長(zhǎng)澜公，刀具發(fā)生的磨蝕就越大，而其使用壽命就越短喇肋。為進(jìn)一步降低刀具和鉻鎳鐵合金間的摩擦坟乾，山高采用了氮化鋁鈦鍍層。該鍍層已進(jìn)行了拋光蝶防，擁有極其平滑精細(xì)的表面質(zhì)量甚侣。

鉆削鉻鎳鐵合金時(shí)，需要使用較低的速度和進(jìn)給量垫暑，因?yàn)樵摬牧细灿呱А⒏y以切削鱼谅。與銑削鉻鎳鐵合金一樣蔚分，在鉆削時(shí)，該材料的切削性能也會(huì)發(fā)揮作用益若。在航空航天應(yīng)用領(lǐng)域中碟舱，鉻鎳鐵合金組件的孔深通常不超過3xD。

鈦合金和鉻鎳鐵合金的四種加工方法

鈦合金和鉻鎳鐵合金有四種基本的加工技術(shù)或方法打气。第一種是傳統(tǒng)加工俗循，該方法需要在ae：ap為1：1的情況下尋求平衡，也就是說巡住，加工采用全切寬诀汁、一定的切深（最大為刀體直徑1倍）和平均進(jìn)給率；第二種是高性能加工(HPM)趴贝，該方法需要使用專為鈦合金和鉻鎳鐵合金設(shè)計(jì)的刀具探悲，例如山高的HPM系列刀具。這些刀具在采用大切深ap（最大為1.5*Dc）和全切寬ae的情況下運(yùn)行看锉。在短時(shí)間內(nèi)可切除大量金屬姿锭，從而提升生產(chǎn)率；第三種是高進(jìn)給加工(HFM)伯铣，該方法使用極小的軸向切深ap和全切寬ae呻此，因此切寬為1*Dc轮纫。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，因此尤其適合因刀具懸伸長(zhǎng)和復(fù)雜應(yīng)用（如深度為5*Dc及以上的槽）而造成不穩(wěn)定的加工工況焚鲜；第四種是高速加工(HSM)掌唾，該方法使用相當(dāng)?shù)偷腶e徑向切深和極大的ap切深。由于徑向切深相對(duì)較低恃泪，因此具有較小的接觸弧郑兴，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），從而允許較高的切削速度進(jìn)行補(bǔ)償和提高生產(chǎn)率贝乎。

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

在很大程度上，機(jī)床和刀具需要協(xié)調(diào)工作來滿足航空航天制造商的特定材料加工要求冒衍。正確的機(jī)床和正確的刀具都必須具備胖直。這在高進(jìn)給和高速加工中尤為如此，該類加工不僅需要具有高進(jìn)給率的機(jī)床搭屿，還需要能夠處理與高進(jìn)給和高速銑削加工相關(guān)的更大程序和NC文件的CNC控件腋民。

要高效地加工航空航天業(yè)中目前遇到的挑戰(zhàn)性材料，關(guān)鍵是獲得完整的加工解決方案探龟，而不僅僅是獲得一個(gè)產(chǎn)品项起。完整的刀具解決方案不僅包括必要的槽型和設(shè)計(jì)，還包括應(yīng)用工程支持否癣。人員的豐富知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)的產(chǎn)品相結(jié)合廊珊，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。零件質(zhì)量和工藝安全性要求制造商擁有專為特定應(yīng)用栏荷，無論是復(fù)合材料答倡、鈦合金、還是鉻鎳鐵合金而設(shè)計(jì)的最佳刀具驴党，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能瘪撇。

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