航空航天結(jié)構(gòu)材料的高效穩(wěn)定加工

1、航空航天結(jié)構(gòu)材料的高效穩(wěn)定加工(一) 引言 隨著航空航天器的大起飛重量，長續(xù)航距離的要求不斷提高，其構(gòu)件結(jié)構(gòu)材料的高強度低比重化要求越發(fā)加強，超耐磨，耐高溫材料在其構(gòu)件中的使用已相當普及，同時CFRP、KFRP(纖維強化塑料)、MMC(金屬基復合材料)等高機能新型材料的運用也日益廣泛。而以上這些最新材料的切削加工也是最困擾制造現(xiàn)場的一大難題。 本文針對航空航天行業(yè)最主要的耐熱合金、鈦合金、最新高比強,超難加工輕質(zhì)材料CFRP以及輕質(zhì)材料鋁鎂合金的最新加工刀具及其技術進行闡述。 (二)航空航天器主要構(gòu)件材料以及加工問題 最新航空航天器主要構(gòu)造材料為耐熱合金

2、、鈦合金、復合材料及鋁合金。 耐熱合金材料是航空航天器動力構(gòu)件的重要組成部分。隨著發(fā)動機推力不斷提高，其內(nèi)部燃燒溫度也隨之上升，材料的耐溫能力也越來越高。而這些材料在切削加工中，由于材料的高溫強度和切削溫度均極高，不斷導致刀具使用壽命短，而且加工效率非常低。高效穩(wěn)定地切削耐熱合金是一個亟待解決的難題。 鈦合金具有高強度、高斷裂韌性以及良好的抗腐蝕性，其用于機身結(jié)構(gòu)件的比例日益增大。由于鈦合金的熱傳導率很低，在加工中所產(chǎn)生的熱量不能有效擴散，短時間內(nèi)造成切削溫度急劇上升，加快刀具磨損。同時由于鈦合金的強度高而彈性模量較低，在切削時產(chǎn)生的切削力較大，因此在切削力作用下構(gòu)件容易產(chǎn)

3、生變形，構(gòu)件的加工精度難以保證。 復合材料是由兩種或者多種材料復合而成的多相材料，其具有密度低，強度高，抗疲勞性和減震性非常優(yōu)異等性能，一般多用于受力部件如機翼、以及飛行器結(jié)構(gòu)框架件上。復合材料由于材料易分層、表面剝離、起毛刺以及樹脂纖維崩缺的問題，尤其是在機翼，結(jié)構(gòu)架的連接處的孔加工，其質(zhì)量直接影響整塊構(gòu)件的可靠性，并且由于加工量較大對刀具的耐磨性提出了相當苛刻的要求。 鋁合金因具有優(yōu)異的高比強性能，在航天航空產(chǎn)業(yè)中運用最為廣泛。但為了確保材料本身的可靠性。大部分鋁合金零件是由整塊鋁合金鍛材或錠材銑削，鉆削而成，普通銑削，鉆削耗時長，且需要準備大量的刀具來滿足尺寸和形狀的

4、需要，因此鋁合金加工用刀具的集約化和高效化是現(xiàn)代鋁合金加工必然要面對的一個課題。 (三)耐熱合金高效穩(wěn)定加工 耐熱合金一般分為鐵基，基和鈷基三大類，其中在航空航天產(chǎn)業(yè)運用最廣泛的為?基合金，本文就以最具代表性的鎳基合金INCONEL718作為對象進行論述。 耐熱合金加工中的主要問題點: 1. 由于材料的熱傳導率低，導熱性很差，在高溫狀態(tài)下仍保持極高的拉伸和剪斷強度，以致刀具刃口很難切入材料，無法進行正常的切削。 2.在切削溫度超過600°時，其表面容易形成加工硬化層從而導致刃口邊界磨損加快，短時間內(nèi)造成刃口崩缺。 針對以上加

5、工特點,其切削刀具必須具有如下要素和性能: 1) 必須具有足夠的剛性和強度,同時刃口必須保持最大的鋒利度以保證穩(wěn)定有效的切入。 2)必須具有最大限度降低切削阻力的幾何形狀，以杜絕顫振的發(fā)生。 3)刃口必須保持足夠的紅硬性和化學穩(wěn)定性，以提高刀具的使用壽命。 圖1 為在各方面滿足了上述要求的最新概念銑刀QM系列產(chǎn)品(黛杰)QM系列產(chǎn)品采用了達刃徑75%-80%的超大芯厚設計，同時采用具有極優(yōu)耐熱性能的強韌特殊鋼加上表面硬度高達HRC65以上GN處理刀體材質(zhì)，極大地提高了刀體的抗熱變形能力，高剛性且同時具有極強的振動減衰性能，可使其刀片使用壽命至少提高30%

6、以上。 該系列刀具刀體采用了軸向+8°大前角設計，在制作可能的前提下采用盡可能多刃且不等分構(gòu)造，切削阻力低且極大程度地抑制了顫振的發(fā)生。 QM系列另一個最重要的特點如圖1(c)所示，其高效切削部的主偏角僅為12°，此形狀使其切削厚度只有90°形狀的20%，45°形狀的30%，因此，不僅極大地降低了切削阻力，而且也保證了在大進給高效加工中切削阻力不會發(fā)生太大變化，保證切削過程的平穩(wěn)順暢。同時此形狀亦使切削力的分力主要作用于刀具軸向，徑向分力很小，不但保證了加工精度也大幅度降低了刀具發(fā)生顫振的風險。 圖2為QM迷爾在加工耐熱合金

7、時的性能。刀片采用基體材質(zhì)為粒度12um、MS值78%以下、Co強化固溶處理的超強韌硬質(zhì)合金，輔之以高硬度超耐磨DZ涂層JC5118。由圖中可以看到，傳統(tǒng)產(chǎn)品在加工2.4分鐘后后刀面磨損已達到壽命界限VBmax 0.3mm，且刃口出現(xiàn)了崩缺，而QM迷爾在加工25分鐘之后，切削刃口保持完好無崩缺，后刀面磨損量也比傳統(tǒng)產(chǎn)品小。因此，在加工耐熱合金中，QM迷爾不但可以穩(wěn)定順暢地進行切削，而且其刀具耐用度亦較傳統(tǒng)刀具提高10倍以上。圖3為以黛杰QM MAX可換式模頭與現(xiàn)用刀具的性能比較?，F(xiàn)用所有刀具試用的結(jié)果最長只能加工0.5分鐘，而QM MAX充分發(fā)揮了小切深大進給的特長，加之刀片采用2段正前角斷屑

8、槽強力刃尖設計，保證了刃口鋒利度的同時也能夠及時的排屑，不僅是加工效率提高了20%，更重要的是可以穩(wěn)定地加工30分鐘，刀具耐用度提高了60倍。(四)鈦合金的高效率高精度加工 鈦合金根據(jù)其結(jié)晶構(gòu)造分為，和+相合金3種，各種合金的加工性能趨勢相近而刀具壽命相差較大。本文以運用最廣的+相合金Ti-6Al-4V(TC4)為論述對象。 鈦合金在切削加工中主要面臨的問題有： 1.鈦合金的熱傳導率很低，切削加工中很難通過切屑和工件把切削熱帶走，切削熱的大部分(約75%)均堆積在刀具刃口。 2.鈦合金的化學活性較強，在高溫環(huán)境下極易促使刀具材料表面發(fā)生擴散和粘結(jié)，形成粘

9、連損耗。同時使用鈦含量高的刀具材質(zhì)將會導致鈦合金表面產(chǎn)生隱性裂紋，造成構(gòu)件的疲勞強度大幅降低，因此針對航空航天行業(yè)產(chǎn)品加工的刀具材料選擇的局限性很大。 3.切削剪切角大，切削變形小而薄，加之剪切變形區(qū)域窄，導致切削力的壓強很大，容易產(chǎn)生刃口崩缺。 4.在航空航天行業(yè)中，鈦合金大部分運用于薄壁件，由于切削時的切削力較大，因此在切削力作用下構(gòu)件容易產(chǎn)生變形，構(gòu)件的加工精度難以保證。 因此加工鈦合金的刀具必須具有的要素和性能在原則上與上述的耐熱合金刀具基本相同，但必須更側(cè)重于： ·刀具高剛性，刃口高強度的同時，刃口必須有極高的鋒利度。 &#

10、183;必須采用低鈦甚至無鈦的合金基體和涂層材質(zhì)。 ·必須有充分的容屑空間和很強的排屑能力。 ·抑振能力超群的同時，必須保證造成變形方向的切削力很小。 針對以上的要求，作為粗加工刀具圖1所示的QM系列產(chǎn)品(黛杰)完全可以滿足。下面主要針對鈦合金精加工刀具進行論述。 圖4是黛杰針對加工鈦合金而開發(fā)的精加工刀具S-Head可換頭端銑刀系列產(chǎn)品。刀具材料采用顆粒度為1 um細顆粒無鈦整體硬質(zhì)合金基體加低鈦高硬度涂層JC8000，硬度高到Hv3500的同時，氧化開始溫度高達1300，同時具有耐磨和耐化學反應的雙重優(yōu)點。75%D的大芯厚、螺旋前

11、刀面結(jié)構(gòu)做到了剛性和鋒利度的兩立。45°大螺旋角帶斷屑槽螺旋溝槽保證了排屑性能和變形力的完美平衡。刃尖圓角設計和端面大斜楔(gash pocket)有效地提高刃口強度的同時，極大限度地提高了容屑空間，防止因啃屑，擠屑產(chǎn)生刃口的崩缺和加工精度的變化。帶內(nèi)冷設計更進一步有利冷卻和排屑效果的發(fā)揮，降低切削溫度，延長刀具的使用壽命。另外可換頭的緊固部分采用磨制螺紋的專利技術，不但是保證了刀具全體的高剛性和高精度(組合安裝后刃口跳動小于0.015mm)，而且由于整體硬質(zhì)合金基體的耐磨性非常高，其重復定位精度可保證在0.01mm以內(nèi)。圖5為S-Head可換頭端銑刀與其他公司同類產(chǎn)品在加工薄壁筒形

12、鈦合金零件時的切削性能比較。其他公司的同類產(chǎn)品切削進給最快的達到600mm/min時發(fā)生顫振而無法繼續(xù)加工，但S-Head可換頭采用1,000mm/min進行加工仍毫無振動，加工效率提高60%以上。40mm深的筒壁內(nèi)外面僅用了40秒即加工完畢，表面光潔度達到Ra0.8以內(nèi)。(五)復合材料的高效高質(zhì)加工 復合材料(FRP/MMC)由高硬度超細纖維或高硬顆粒添加進基體材料進行強化而成。最具有代表性的是CFRP(碳纖維強化環(huán)氧樹脂)。在其切削加工中，雖然切削溫度不高，但由于碳纖維強度、硬度高且直徑在1um以下，所以對刀具刃口的磨料磨損作用極強，硬質(zhì)合金材質(zhì)在很短的時間內(nèi)即造成刃口磨鈍，從而

13、導致如圖6所示的加工孔部分層，材料表面剝離，孔進出口處起毛刺以及樹脂和纖維的崩缺等問題。同時由于刃口磨鈍造成切削區(qū)域溫度上升而大多數(shù)加工中又禁止使用冷卻液，于是導致樹脂發(fā)生軟化，更進一步加劇分層和劈裂的產(chǎn)生。因此CFRP的加工所用刀具材料必須采用超耐磨(高硬度)、超傳熱(高熱傳導率)的材料，即硬度3倍，熱傳導率17倍于硬質(zhì)合金、自然界中硬度最高的金剛石材質(zhì)是最適合的。 現(xiàn)在實用的金剛石刀具材質(zhì)分為金剛石涂層和聚晶金剛石(PCD)兩種，金剛石涂層由于涂層本身的性能以及與基體的付著力等原因，如圖6所示，仍無法滿足現(xiàn)場的高質(zhì)量加工需求。因此要做到穩(wěn)定高效高質(zhì)地加工FRP材料，只有使用聚晶金

14、剛石(PCD)。傳統(tǒng)的PCD刀具是將PCD板片用線切割切成小片之后焊接在刀體刃口部分而成。針對航空航天行業(yè)中CFRP材料加工最多的孔加工而言，其尺寸在6以下，傳統(tǒng)的PCD焊接刀具由于焊接接合面積尺寸過小容易導致在加工中PCD片脫落，以及重磨將使其刃口幾何形狀發(fā)生改變，造成加工質(zhì)量和刀具壽命極大波動，無法進行穩(wěn)定的加工。 圖7為黛杰公司在2000年研發(fā)的“比夢”系列整體燒結(jié)金剛石(PCD)鉆頭的制作流程?！氨葔簟毕盗凶鳛楫斀袷澜缟献钕冗M的刀具在其制造工藝和過程中，均有非常獨到和新奇之處。采用特殊硬質(zhì)合金基體材質(zhì)，在其圓棒毛坯上將作為刃口的部分切出30°螺旋凹槽，填充人造金剛石

15、粉末后采用特殊工藝進行燒結(jié)，使硬質(zhì)合金基體中的Co滲透進金剛石粉末部分充當粘結(jié)劑，形成硬質(zhì)合金基體與聚晶金剛石(PCD)的整體交融。此種制造方式即使直徑小至0.4mm亦可有效防止金剛石刃部在加工中脫落，而且刃口可根據(jù)需要制作成不同的螺旋形狀，因此重磨后的刃口幾何形狀均不會發(fā)生改變。圖7為黛杰公司在2000年研發(fā)的“比夢”系列整體燒結(jié)金剛石(PCD)鉆頭的制作流程。“比夢”系列作為當今世界上最先進的刀具在其制造工藝和過程中，均有非常獨到和新奇之處。采用特殊硬質(zhì)合金基體材質(zhì)，在其圓棒毛坯上將作為刃口的部分切出30°螺旋凹槽，填充人造金剛石粉末后采用特殊工藝進行燒結(jié)，使硬質(zhì)合金基體中的Co

16、滲透進金剛石粉末部分充當粘結(jié)劑，形成硬質(zhì)合金基體與聚晶金剛石(PCD)的整體交融。此種制造方式即使直徑小至0.4mm亦可有效防止金剛石刃部在加工中脫落，而且刃口可根據(jù)需要制作成不同的螺旋形狀，因此重磨后的刃口幾何形狀均不會發(fā)生改變。 “比夢”系列鉆頭加工CFRP時的表面質(zhì)量和性能如圖6所示。從圖中可以明顯地看到“比夢”鉆完全沒有出現(xiàn)毛刺和分層，從加工孔的形狀和完整性來看，其優(yōu)異性能也是硬質(zhì)合金鉆頭和金剛石涂層鉆頭所無法比擬的。 圖8為用5“比夢”鉆加工CFRP時的精度測試結(jié)果。從圖中可以看到從第一個孔開始，直至加工了1,000孔之后，相對鉆頭的實際尺寸，15mm深的加工孔的

17、入口和出口直徑尺寸偏差均在0.02mm以內(nèi)，完全可以滿足飛行器鉚釘孔偏差0.080mm以內(nèi)的要求，而且加工至1,000個孔時，孔進出口部分毛刺，分層，崩缺等現(xiàn)象均未發(fā)生。另外，現(xiàn)階段的涂層設備對于其層厚的控制較難導致金剛石涂層鉆頭的外徑公差很難達到精確的要求，而“比夢”鉆為精磨外周刃，外徑公差為0/-0.012mm，其精度和穩(wěn)定性遠遠高于金剛石涂層鉆頭。圖9是飛機機體構(gòu)件鏈接孔加工的實例。為了在鉆孔的同時將入口處的倒角亦加工完，采用了“比夢”+PCD倒角刃的構(gòu)造。本案例中刀具壽命以孔出口分層來判斷。使用的結(jié)果，加工至1,100個孔，不僅是孔出口處，而且孔入口和倒角部分亦均未發(fā)現(xiàn)毛刺和劈裂。此刀

18、具磨損達到壽命后，同時對前端刃和倒角刃進行重磨的話仍可以保持與新刀具幾乎一樣的性能。圖10是加工機翼構(gòu)件中CFRP與A7075鋁合金疊層板的加工實例。在“比夢”問世之前所使用PCD焊接鉆頭，由于強度不足經(jīng)常突發(fā)崩刃，根本無法進行穩(wěn)定的加工，并且以鋁合金出口出現(xiàn)毛刺作為判斷基準時最多也只能加工1,000個孔?！氨葔簟便@由于具有30°螺旋角，鋒利的金剛石刃口有效地抑制了毛刺的產(chǎn)生，耐用度長達2,000個孔以上，而且其整體燒結(jié)金剛石刃口強度超群，不僅防止了崩刃，而且保證了可進行真正意義上的重磨。也正是由于長壽命、可重磨，所以使用“比夢”鉆的加工成本可削減至焊接金剛石鉆頭的1/3以下?！氨葔?/p>

19、”系列是極具前瞻性和夢想的產(chǎn)品，包括針對GFRP、KFRP以及金屬基復合材料(MMC)等各種新型非金屬材料、有色金屬、石英、硬質(zhì)合金、陶瓷等各種超難加工材料均已經(jīng)得到廣泛的運用并已擴展了端銑刀,球頭銑刀,鏜刀等系列產(chǎn)品。 (六)高效高速加工鋁合金 鋁合金具有優(yōu)異的高比強性能，不僅是作為飛行器的構(gòu)造材料而且在民生行業(yè)的運用也非常廣泛。為了防止偏析，夾砂等對飛行器構(gòu)件強度產(chǎn)生不利影響，往往都是從很大的鍛件或鑄件通過大量的銑削和鉆削加工至最終所需形狀。為提高加工效率，在銑削加工中不僅要求刀具具有足夠的耐磨性能來承受高速加工，而且針對不同加工形狀最好能夠同時具有側(cè)銑，溝槽銑，斜向切

20、入及鉆銑等多項功能以減少停機換刀輔助時間。同時也可減少常備刀具的種類，降低刀具庫存壓力和生產(chǎn)制造成本。另外孔加工與銑削加工具有同樣的特性，每種孔徑均必須常備其相應的尺寸鉆頭，臺階孔還必須準備非標特殊規(guī)格，有資料統(tǒng)計在航空航天行業(yè)所用刀具中鉆削刀具所占比例高達30%以上。因此，具有高耐磨性，可滿足各種形狀尺寸需求的多功能刀具，是解決頻繁換刀造成耗時過長、效率低下造成生產(chǎn)成本過高以及庫存種類過多的極好手段。 圖11是專門針對鋁鎂合金高速高效加工開發(fā)的獲得2008年度日本硬質(zhì)合金協(xié)會技術功勛獎產(chǎn)品AL-OCHE型“萬砍”旋鉆銑刀?！叭f砍”即該刀具針對任何加工要求均可迎刃而解之意。其外形類似

21、整體合金端銑刀，但是無論是各種形式和各種形狀的銑削加工要求，還是在封閉空間內(nèi)切削的孔加工，由于獨特的大螺旋溝槽設計使其仍具有良好的排屑功能。另外，采用耐磨性和耐崩缺性兩者皆優(yōu)的細顆粒低Co硬質(zhì)合金作為基體，在刀具磨削成形，刃部拋光后表面涂上具有更高硬度(>HV4,000)和良好潤滑性的JC20015類金剛石(DLC)涂層，同時帶有螺旋內(nèi)冷孔構(gòu)造，不但保證了高速高效率長壽命加工，而且在各種深槽和窄槽的銑削，深孔鉆削以及臺階擴孔加工中解除了排屑的煩惱。圖12是加工10，12.5和15三種直徑深度為30mm通孔時，常規(guī)的鉆削加工與“萬砍”旋鉆銑孔的效率比較。常規(guī)方法針對各自的直徑采用各自的鉆頭

22、加工，加上其中的停機換刀時間3個孔共用時18.9秒，而采用“萬砍”旋鉆銑孔的方法，由于節(jié)省了停機換刀時間，只用10.4秒即將3孔加工完畢。不僅是節(jié)省了加工時間，而且用1支小直徑的8的“萬砍”旋鉆銑刀代替了3支10以上大直徑的鉆頭，大大地節(jié)省了購買成本和庫存種類。圖13是用“萬砍”旋鉆銑刀AL-OCHES2160(16)在實心鋁合金上加工63沉頭孔(深33mm)和45通孔(深100mm)的臺階孔時的實例。加工工序是先加工31的貫通底孔，然后再螺旋擴孔至45貫通，最后采用螺旋加工沉頭孔至67mm，全過程耗時僅只需135秒。特別是加工31的通孔時，所消耗最大功率僅為3.03KW，一般的小型設備均可以

23、承受。因此，“萬砍”旋鉆銑刀不僅是解決了制作非標特殊臺階鉆的成本和制造周期的難題，而且可以大大地降低對加工設備的苛刻要求。圖14是用“萬砍”旋鉆銑刀AL-OCHES2080(8)在實心硅鋁合金(ZL104)零件上加工直徑10，深度30mm的通孔時的測試結(jié)果。從圖中可以看到，從開始加工直至750個孔之后孔徑的超差均穩(wěn)定地保持在0.02mm之內(nèi)，精度甚至超過了擠光鉆鉸刀，同時表面光潔度亦達到Ra0.8以內(nèi)，大大地優(yōu)于普通精加工Ra1.6的要求。另外，加工孔深總長達22.4m時后刀面磨損寬度VBmax僅為0.074mm，不到傳統(tǒng)端銑刀和鉆頭的1/10，并且在每公轉(zhuǎn)軸向切深達4.65mm的高進給加工中，完全沒有發(fā)生切屑的黏附和擠堵，實現(xiàn)了高效高精度的穩(wěn)定加工。結(jié)言