沈福金

在航空、航天工業(yè)部門，用輕質(zhì)材料的輕型結構件越來越多。輕質(zhì)材料除鋁合金外，主要是鈦、鈦合金和碳素纖維或玻璃纖維增強型復合材料(以下簡稱CFK)及銦康鎳合金(Inconel)等。鈦和CFK的應用日趨廣泛，如在空客A－330飛機上鋁構件的重量占比仍達70%，而A－350 XWB飛機上，鋁則減少為20%，CFK由5%提高到50%以上。但由于CFK和鋁之間的電化學電位差大的原因，這兩種材料的接觸部位很容易產(chǎn)生腐蝕作用。而用鈦合金代替鋁時，這種引起腐蝕的電位差降低約80%，顯然鈦勝過作為輕金屬的鋁。因此，飛機制造商要求在接觸部位盡可能用鈦件替代鋁件。結果在新機型中，鈦制零件從5%增加到14%以上，具體在波音B－787和空客A－350飛機上，鈦合金構件所占比例在15% ～20%之間。

由于鈦和鈦合金具有重量輕、強度如鋼、比重只有一半，且具有堅固、韌性好、抗腐蝕、熱穩(wěn)定性好等非凡的特性，在航空和航天工業(yè)、生物醫(yī)藥以及化學和石油工業(yè)中應用廣泛。特別是在開發(fā)新飛機時，除CFK應用增多外，由鈦或鈦合金制造的主要輕型結構件也越來越多，如飛機機身結構件、起落架構件或渦輪機部件等都是由鈦或鈦合金制作的，所以，航空部門以70%以上的消費量構成鈦產(chǎn)品的最大市場。而歐洲有專家估計，金融危機后的未來20年，世界主要飛機制造商將提供25 000架客機和貨機?？梢姡珻FK件以及鈦和鈦合金件的切削加工數(shù)量會快速增加。尤其是為了減小內(nèi)應力，鈦或鈦合金部件通常是由整塊材料雕銑加工而成的。在飛機工業(yè)中，鈦結構件的切除率可達90%以上。據(jù)報道波音B－787飛機的90多t的鈦合金毛坯件，經(jīng)切削加工成成品結構件后的總重量不足11 t，可見切除量之大。鈦材料的高強度、耐磨、耐高溫等使用性能，優(yōu)點很突出。但其可切削性差，加工困難，加工費用較高。盡管如此，鈦在飛機制造中，現(xiàn)在已是不可或缺的材料。

新型輕質(zhì)高強度材料CFK是由兩種特性完全不同的物質(zhì)——粘結劑和碳纖維相互粘合而成的，抗腐蝕和耐磨性能極強，在飛機制造中的應用份額也在不斷增加。如果說在上世紀80年代飛機還只用不到5%的CFK的話，現(xiàn)在已超過50%了。諸如飛機垂直尾翼加固元件(縱梁)、密封球形罩、蒙皮、橫梁、導向裝置上的各種護板構件等都是由CFK制作的。CFK也是飛機制造不可或缺的材料。

如何解決鈦合金和CFK的加工難題、提高加工效率、降低制造成本的研究探索一直沒有停止，并不斷取得進展。

大家知道，鈦合金材料的可切削性能很差，這是由于其彈性模量低、切削力大和導熱性差的緣故。尤其是因為導熱性差，鈦合金切削加工時的大部分熱量都留給了刀具，而不像鋁切削加工時那樣，75%以上的切削熱由切屑帶走了。這意味著刀具的熱負荷巨大，刀刃上的高溫，再加上溫度梯度大而導致刀刃上熱應力增大，最終使刀具損壞。為了降低制造成本，提高切除率即單位時間內(nèi)的切除量是常用的方法，但用在加工鈦材料上就不那么簡單了。在飛機制造中，許多鈦合金構件常用的加工方法是型腔銑削。

粘合成的CFK材料大多為板材，耐磨性極強，加工以孔加工居多。切削加工時，堅硬的碳纖維引起刀具非常大的磨粒磨損，因此，只能求助于硬度更高的刀具材料和鍍層。鑒于鈦合金加工和CFK加工特點，對機床、刀具和加工策略都提出了特殊要求。

我國航空、航天工業(yè)的快速發(fā)展，也要在生產(chǎn)中解決鈦合金和CFK之類難加工材料的加工難題。他們對機床、刀具提出的許多要求以及采取的加工方法和策略可供我們參考或借鑒?，F(xiàn)在就鈦合金和CFK復合材料的加工特點及對設備的需求情況歸納探討如下。

1 鈦合金加工的特點及對裝備的要求

1.1 鈦和鈦合金對機床的要求

鈦合金的特性是強度高、導熱性差。為了能達到像加工鋁那樣的切削效率，要盡可能提高切削參數(shù)，即加大進給和切深，從而導致加工切削力增大，這可能引起工件和刀具之間產(chǎn)生靜態(tài)偏差，進而引起工件的形狀精度變壞或加工過程不穩(wěn)定，還會加快刀具的磨損。為此，用于鈦合金加工的機床必須具有大功率和盡可能好的靜、動態(tài)特性(靜、動態(tài)剛度高);還需要配備相應的高壓冷卻潤滑設備，以便在低轉速、大扭矩加工情況下及時清除切屑，以減少刀具磨損和加工過程中產(chǎn)生的熱量傳給刀具。為了提高機床的剛度，一些機床制造商采用箱中箱結構或封閉式框架的焊接鋼結構;進給軸用大功率進給電動機驅動和高剛度無間隙導向系統(tǒng)，到了加工位置能夾緊，以進一步提高機床剛度;此外，還必須提高包括主軸－刀具－連接部位以及刀柄夾持器在內(nèi)的整個系統(tǒng)在加工過程中的剛度。

除了靜態(tài)剛度外，機床的動態(tài)特性對于卓有成效的鈦合金加工也是起決定性作用的。控制加工過程的穩(wěn)定性是一個巨大挑戰(zhàn)。如果機床的剛性低和阻尼特性差，由于切削過程中切削力大、轉速較低和激振頻率與機床自身固有頻率相近等動力學效應，可能出現(xiàn)自激振動，導致加工過程顫振。這種顫振除了影響工件表面質(zhì)量(有振紋)外，還會導致機床結構、刀具主軸和刀具產(chǎn)生過載而受損，刀具磨損增大甚至斷裂。加工過程的穩(wěn)定性主要取決于所選用的主軸轉速、切深等參數(shù)。使用者要了解自已機床的性能和可能達到的極限切深，還可以主動積極地采取諸如在機床焊接構件內(nèi)填充礦石、加消振墊、在機床控制裝置里預先置入?yún)?shù)避開極限切深小的轉速范圍等措施，進一步提高機床的抗振性。

鈦合金的切削加工屬于強力切削，所以機床刀具主軸要有大的驅動功率，具有大功率強力切削功能。在航空工業(yè)中，鈦合金構件的加工以型腔銑削居多，為便于切屑清除，要管理好冷卻潤滑裝置，使大量高壓冷卻潤滑劑直接噴向刀具切削刃，這樣，一方面冷卻刀具，另一方面可更好地及時把切屑沖出加工區(qū)，以免切屑遭多次切割而降低刀具壽命，擦傷加工面。德國Heller公司為使機床具有大功率切削功能，有針對性地設計、布置機床結構和坐標軸結構，并配用了剛度極好的強力切削擺動單元安裝刀具主軸，使機床在立、臥和空間任意位置角度都能產(chǎn)生同樣的切削功率。

一句話，加工鈦金屬的機床要求大功率、高剛度、配有大流量高壓冷卻裝置，并且還要接近性好。

1.2 適合鈦合金加工刀具的新發(fā)展

由于鈦的導熱性差，切削過程產(chǎn)生的熱量大部分留在了刀具和刀刃上，所以，加工鈦合金是一種條件惡劣的強力切削，加工鈦合金的刀具必須強度高、耐熱、耐磨損。飛機制造商希望使用的刀具壽命長，加工過程安全可靠。這對于一個刀具制造商來說，無疑是一個很大的技術挑戰(zhàn)。面對需求和挑戰(zhàn)，許多刀具開發(fā)者和科研機構及航空航天部門緊密合作，推動了刀具技術的快速發(fā)展，一批適合切削鈦合金等難加工材料的高性能刀具問世。

例如，一個法國刀具制造商Safety公司專門為飛機制造而新開發(fā)的Aerolong和Aerofinish銑刀(圖1)，這些刀具主要用于飛機機身和起落架的深腔粗、精銑削加工。在起落架框架上粗銑深腔時，也可選用Safety的Penta High－Feed(帶正五角形刀片的大進給平面銑刀)大功率銑刀或Orbi－Saf銑刀，精加工時用新的Aerofinish銑刀。雖然Sefety刀具的刀刃幾何形狀精確，刀具材料為新發(fā)明的大功率切削材料，刀具壽命也很好;但在加工鈦合金材料時，要提高切削速度和切屑厚度都會受到技術限制。若要進一步提高生產(chǎn)率，就要用耐磨的刀具材料并增加刀齒布置密度，以增加同時參與切削的刀刃數(shù)。為此，法國刀具專家開發(fā)了名為Sidelok的刀片夾緊系統(tǒng)。刀片沒有中心孔，而是用螺釘擰緊的方式使刀片牢固夾緊，因此更穩(wěn)定，并在刀體上可提供多達2倍的刀片位置。雙倍的刀齒參與切削，直接增大了銑刀每轉進給量f，即f為每齒進給fz與刀齒數(shù)z的乘積(f=fz×z)。這樣，生產(chǎn)率可提高50%。

加工鈦合金(例如TiAl6V4)或銦康鎳合金(Inconel 718)用專門開發(fā)的PVD－TiAlN鍍層的硬質(zhì)合金銑刀，切深4 mm，進給0.08 mm，壽命達到35 min，這就是很好的結果了。對于加工銦康鎳合金來說，切削速度達34 m/min就意味著近乎高速切削了。為了提高刀具壽命，專為加工航空合金材料而開發(fā)的大功率刀具材料——2003硬質(zhì)合金新品種，命名為“Microform”。通過專門的方法把它制備成粉末并燒結，再直接壓制成刀片。這樣就制成了優(yōu)異的質(zhì)地均勻、顆粒結構精細的刀具材料，基質(zhì)非常堅硬，硬度高達約2 000 HV，幾乎像剛玉或藍寶石那么硬。因此，最適合切削難加工材料。用微縮技術壓制的刀片，材質(zhì)沒有夾雜物，極其柔硬的切削刃呈現(xiàn)很好的熱硬性。

新的Aerofinish航空精加工刀具用于精細加工性能很突出，Sidelok夾緊系統(tǒng)可多容納1倍刀片，致使切削率大幅提高。用于型腔加工的刀具材料還可用硬質(zhì)合金5020，配以PVD－TiAlN－TiN復合鍍層，這樣的刀具有很高的柔韌性和熱穩(wěn)定性。為了更好地在加工過程中冷卻刀具，刀具內(nèi)部設計有冷卻液通道，乳化液通過夾緊系統(tǒng)的夾緊螺釘直接送到切削刃，每個可轉位刀片都與冷卻通道相連，所以冷卻效果很好。

奧地利的硬質(zhì)合金制造企業(yè)Ceratizit與世界領先的航空、航天企業(yè)共同開發(fā)了一種適合鈦合金切削特殊要求的Maximill 211－20銑刀(見圖2)。經(jīng)嚴酷條件下的切削實驗表明，該銑刀加工鈦的切削速度大約60 m/min，同時壽命提高20%～100%，部分可達到200%。大而穩(wěn)固的刀片在切深至19 mm時還能穩(wěn)定地銑削?？赊D位刀片是專門為加工鈦、超級合金和耐熱鋼等難加工材料而設計的，刀片鍍以CTC5240超級鍍層，確保其抗高熱的能力，光滑的表面使切屑很容易滑落，并保護基體免受磨損和腐蝕。由于縮短了加工時間，提高了加工過程的可靠性，Maximill 211－20銑刀可節(jié)省加工成本。其突出的效率特性不僅使航空工業(yè)受益，在能源、渦輪機制造、油氣輸送和化學工業(yè)等部門在加工超級合金、鈦合金、耐熱鋼等難加工材料時，Maximill 211－20銑刀也能得到卓有成效的應用。

Cemecon公司用俄羅斯科學家弗拉基米爾·庫茲涅佐夫(Vladimir Kouznetsov)開發(fā)的HiPIMS技術進行鍍層的刀具，其鍍層質(zhì)量大有改善。HiPIMS鍍層刀具在提高切削參數(shù)、加工鎳基合金和各種奧氏體不銹鋼等難切削材料時更經(jīng)濟，刀具磨損小得多。HiPIMS鍍層法的機理是，使一種陰極真空噴鍍的中間電極材料(施主材料)達到高度電離化，在兆瓦級高能量、大功率脈沖作用下飛向標靶，在靶前形成高密度載流子的等離子區(qū)。這個密度超過一般直流濺射的密度。與其他方法相比，濺射靶材料的高度電離作用改進了鍍層結構，并因此改善了鍍層特性。除了致密的鍍層結構外，鍍層與基體粘結的牢固度比迄今的PVD鍍層大1倍以上。刀刃鋒利，能進行斷續(xù)切削。在銑削鈦合金時，性能提高80%。而車削鎳鉻鐵(Inconel)耐熱耐蝕合金時，性能甚至提高400%。

德國瓦爾特(Walter)公司首次按PVD法在刀具材料上沉積氧化鋁硬鍍層，即所謂PVD－Tiger刀具(虎牌刀具)期間還產(chǎn)生了用于完全銑削和車削的可轉位刀片。這種刀片韌性極好，同時氧化鋁鍍層硬度高，耐熱性好且耐磨，特別適合加工鈦合金、銦康鎳基合金和鈷基合金等耐高溫的材料。瓦爾特的標牌為Ti40的VHM銑刀是加工鈦合金的基本刀具。一種新硬質(zhì)合金基體、新的AlGrN鍍層和優(yōu)化的微幾何結構，使銑刀的切削率可以接近極限值。德國瓦爾特公司的各種加工鈦合金的螺紋銑刀也是其中一部分。

德國達姆斯塔特(Darmstadt)大學PTW研究所的鈦加工研究小組圍繞提高鈦切削加工的生產(chǎn)率，對刀具和刀套進行優(yōu)化，認為在銑削鈦結構件時，一般用直徑8～63 mm的可轉位刀片銑刀(WSP銑刀)和整體硬質(zhì)合金銑刀(VHM銑刀)，粗加工切削速度達50 m/min，精加工時可達200 m/min。他們還得到了兩項特殊的研究成果:一是用CO2冷卻刀具效果很好，既不影響刀具壽命，又大幅提高了切削速度，還明顯改善了表面加工質(zhì)量;二是發(fā)現(xiàn)鈦合金和其他難加工材料的切削熱有新的利用潛力，通過被切削材料局部加熱，人為地使材料軟化，因而改變了材料特性，降低了材料強度。初步調(diào)查表明，這可以使切削參數(shù)提高3倍;同時，機床的驅動力與傳統(tǒng)的切削相比，降低約50%?？梢?，他們的研究對提高鈦加工的經(jīng)濟性是很有意義的。

2 CFK復合材料的加工特點和對刀具的要求

作為基質(zhì)材料的粘合劑和保證拉伸強度的碳纖維組合的CFK是一種強力的研磨劑，在切削加工CFK時，堅硬的碳纖維對刀具產(chǎn)生非常大的磨粒磨損，因而只能求助于硬度更高的刀具材料和鍍層。從CFK的加工機理知道，纖維剝離不是從軟得多且對熱非常敏感的樹脂結合劑熔開的，纖維不是被切割，而是被撕裂的。在不整潔的斷裂面產(chǎn)生的纖維堆積物在鉚接時很可能受到孔擠壓，隨著時間的推移，會導致鉚接松動。因此，航空企業(yè)正是在這方面要求非常嚴格，孔徑必須自始至終符合公差和質(zhì)量要求。對于這些要求，只有硬質(zhì)合金材料和幾何形狀正好合適的最高質(zhì)量的整體硬質(zhì)合金鉆頭才行。

鍍層很重要，Cemecon公司的CCDia系列的多重金剛石鍍層是一種高效率的鍍層方案，底層比較厚，它綜合了粘合力極好的晶體鍍層和納米結晶層結構的優(yōu)點，表面非常光滑。這種鍍層結構在使用時能防護硬質(zhì)合金刀具免受熱滲透的效果比單鍍層的好，非常堅硬，鍍層的拉緊特性優(yōu)良。所以，CCDia系列金剛石多鍍層刀具(見圖3)特別適合加工CFK以及易于粘貼或涂敷的復合材料和夾層材料，進給量大，刀具壽命長。例如加工CFK與AlTiN鍍層刀具相比，壽命可能長8倍;還有，在銑削CFK－Ti－Al多層復合材料時，比不鍍層刀具的切削壽命長約900%。

除金剛石鍍層外，有些輕結構材料用PVD鍍層刀具也是可以加工的。鍍層硬且韌，與基體粘結牢固，這是理想的用于難加工材料的硬切削、高速加工和干切削加工刀具。特別是加工那些硬、難切削、有冷作硬化傾向的材料或者那些導熱性差的材料，要求穩(wěn)定性特別好的鍍層來抗熱影響和抗氧化。

德國瓦爾特公司新的PKD麻花鉆就是為加工CFK之類復合材料而開發(fā)的，其特殊的PKD刀刃能防止刀刃發(fā)生剝離現(xiàn)象。

德國多特蒙德大學的切削加工研究所(ISF der TU Dortmund)試驗了一種用磨頭在CFK板上加工孔的方法，其磨削過程和主要參數(shù)見圖4示意圖。針對由很多單個元件拼組成的結構件(如蒙皮之類構件)的接縫處要鉚接，有很多鉚接孔需要加工。通常用刀刃具有一定幾何形狀的刀具鉆孔，但由于碳纖維強烈的研磨作用，切削刃很快被磨損了。ISF研究所試驗了這種用具有很多切削刃的金剛石空心磨頭鉆孔的方法來替代普通鉆孔刀具。金剛石空心磨頭是一根在端面和內(nèi)、外圓柱面上電鍍了金剛石的空心圓筒，如果是燒結的話，則燒結顆粒被釬焊在鋼筒上。因為刀具是空心筒，切削量和切削力大為減小。不過，應用這種方法的前提是基質(zhì)材料易碎易斷裂的熱固性塑料，還必須用冷卻潤滑劑排屑。

總之，鈦合金和CFK加工方面的新工藝發(fā)展很快，加工難切削材料的高性能刀具發(fā)展很快，新成果很多。現(xiàn)在，我國航空航天工業(yè)正在快速發(fā)展，研制大飛機的項目已經(jīng)啟動，新舟等支線飛機已投產(chǎn)制造，其他工業(yè)部門應用高強度耐熱合金和纖維強化型復合材料也日益增多，加工難題不可避免。在加工難切削材料的刀具方面，我國落后更多，更應加快開發(fā)研究。上述一些信息僅供國內(nèi)業(yè)者參考。

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