在制造業(yè)中，重量更輕、強(qiáng)度更高的新材料不斷涌現(xiàn)，使加工題目變得更多、更難，由此也推動(dòng)著cvd、pvd涂層技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，以滿足進(jìn)步新材料加工效率的要求。本文針對航空航天鈦合金新牌號的銑削加工和復(fù)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。
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、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。由材料學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)獲得的應(yīng)力—應(yīng)變圖，給出了材料在達(dá)到斷裂或強(qiáng)度極*的塑性變形量，其相關(guān)數(shù)據(jù)可從標(biāo)準(zhǔn)的材料手冊中查到。各種鋼材根據(jù)其不同成分和熱處理狀態(tài)對應(yīng)的可加工性分布位置。大體上可分為普通碳鋼、未淬硬的合金鋼和淬硬的合金鋼。其中，硬度低、延伸率大的材料在加工時(shí)產(chǎn)生較大的塑性變形，形成長切屑；相反，硬度高、延伸率小的材料形成短切屑。
材料的單位斷裂能與斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變的乘積成正比，它是材料塑性變形消耗的能量，并在切屑形成過程中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，是切削區(qū)的*個(gè)熱源。切削區(qū)的第二個(gè)熱源是切屑與前刀面摩擦產(chǎn)生的熱，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。
在各種工件材料硬度與韌性的位置。其中，強(qiáng)度或硬度高、切削力大、韌性好、切屑長的材料其可加工性較差。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(zhì)相、夾雜物、加工硬化等）。
航空航天產(chǎn)業(yè)用的鈦合金、鎳基超級合金（inconel等）由于具有很高的強(qiáng)度和韌性，切削時(shí)需要很大的塑性變形能，并與刀刃摩擦產(chǎn)生大量切削熱，而它們很低的導(dǎo)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。因此，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(shù)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(shù)，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，涂層刀具比未涂層刀具的壽命可進(jìn)步2～10倍。其中還列出了加工各種材料時(shí)行之有效的涂層。
涂層的正確選擇應(yīng)與工件材料、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。但是，隨著切削速度的進(jìn)步，就需要采用tialn涂層，由于這種涂層在高溫下具有很好的穩(wěn)定性。
加工難切削的航空航天材料時(shí)，要求刀具有*的切削刃設(shè)計(jì)，包括與切削刃鋒利性相關(guān)的微觀幾何外形。例如，切削刃的倒棱或鈍化，鈍化程度在切削刃全長上有的要求均勻一致，有的要求有所變化。典型的鈍化圓弧半徑為0.025mm，以降低刃口應(yīng)力的集中程度，更好地保護(hù)pvd涂層。
為了更好地加工難加工材料，材料科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)了新的涂層牌號，包括添加si到tin中形成的tisin涂層，或在altin涂層中增加al含量，或用cr代替ti開發(fā)出alcrn涂層，以及具有更高硬度、韌性和抗高溫氧化性能的納米結(jié)構(gòu)涂層。與未涂層刀具相比，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。一些研究成果解釋了在不同切削條件下涂層的工作機(jī)理，開發(fā)了耐磨粒磨損、抑制微觀裂縫、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。
鈦合金的銑削加工
在航空航天產(chǎn)業(yè)，出現(xiàn)了很多難加工的高性能材料，如合成材料、鈦合金和高溫合金等。這些材料具有很高的強(qiáng)度，制造的零件更輕，可使飛機(jī)的燃油效率更高。然而，這些零件的加工需要采用新的切削技術(shù)。
例如，波音公司新推出的中等型號波音787飛機(jī)，在其主體結(jié)構(gòu)件重量中，合成材料約占50%，鈦合金約占15%。由于這兩種材料重量輕、強(qiáng)度重量比高，使787飛機(jī)與相同大小的普通噴氣式客機(jī)777－200相比，重量更輕，可節(jié)省20%的燃油。此外，與鋁合金相比，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(yīng)）。此外，鈦比鋁合金更耐腐蝕，其維護(hù)保養(yǎng)也更輕易。
然而，鈦合金的可加工性不好，通常只能采用較低的切削速度和進(jìn)給量，為了防止熱量聚積，徑向切深不能超過30%，軸向切深量也小。
目前，已有一種新的鈦合金——ti5553（ti-l-5v-5mo-3cr），屬于近ß型鈦合金。與zui常用的ti-6al-4v相比，該材料具有更好的淬硬性和疲憊強(qiáng)度，更適合制作關(guān)鍵零件。但它比傳統(tǒng)的鈦合金更難加工，刀具壽命更短。
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，共同開發(fā)適用的刀具和加工參數(shù)。試驗(yàn)工作在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行，內(nèi)容包括刀具的幾何參數(shù)、刃口處理和涂層的選擇。
目前，該公司已經(jīng)開發(fā)了用于銑削ti5553鈦合金的粗加工、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(xì)齒立銑刀，刀具經(jīng)ticn或tialn涂層，切削速度40～60英尺/分（12.2～18.3m/min），進(jìn)給速度3～5英寸/分（76～127mm/min）；半精加工采用tialn涂層的4齒整體硬質(zhì)合金立銑刀，切削速度70～100英尺/分（21.3～30.5m/min），進(jìn)給速度5～7英寸/分（127～178mm/min）；精加工則采用tialn涂層的6～8齒整體硬質(zhì)合金立銑刀，切削速度400英尺/分（122m/min），進(jìn)給速度5～7英寸/分（127～178mm/min）。
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(jié)合，改進(jìn)了切屑的形成過程，避免了切屑堵塞。
復(fù)合材料的切削加工
目前，復(fù)合材料已越來越多地應(yīng)用于制造飛機(jī)零部件。復(fù)合材料通常由樹脂、增強(qiáng)纖維和一種或多種填充材料合成，具有很高的比強(qiáng)度和良好的機(jī)械特性和熱特性，是替換金屬材料的*選擇。
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(fù)合材料的*刀具。該公司向洛克希德馬丁飛機(jī)公司提供用于加工*復(fù)合材料的刀具涂層。開始時(shí)，刀具壽命較短，并且材料有分層現(xiàn)象。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(jìn)，使刀具壽命進(jìn)步6倍以上，并減少了工件的分層現(xiàn)象。
刀具切削性能的改進(jìn)必須依靠刀具材料、涂層和幾何參數(shù)的擇優(yōu)匹配。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(jìn)步。隨著pvdal2o3涂層的問世，pvd涂層技術(shù)的上風(fēng)將更加明顯。美國從1990年以來各種pvd涂層所占的比例，其中tin涂層的比例在持續(xù)下降，tialn涂層以其優(yōu)良的綜合性能得到更多的應(yīng)用。