航空航天產(chǎn)品中的刀具應(yīng)用

孫 健 謝 華

(四川省宜賓普什集團(tuán)，四川 644007)

隨著航空航天產(chǎn)品的不斷升級，對于材料的要求也越來越高，各類航空鋁合金、鎳基合金以及鈦合金，已經(jīng)成為了航空航天產(chǎn)品的首選材料。但此類材料特別難加工，大大增加了航空航天產(chǎn)品的制造難度。此時(shí)，一些設(shè)備或工藝無法解決的加工難題以及生產(chǎn)效率問題，可以通過選擇合適的刀具來解決。以我公司承接的航空航天產(chǎn)品自制硬質(zhì)合金刀具為例，介紹在航空航天產(chǎn)品中刀具的實(shí)際應(yīng)用。

1 刀具結(jié)構(gòu)應(yīng)用

1.1 靜止葉片加工難點(diǎn)工藝分析

以靜止葉片(圖1)為例，其材質(zhì)為鈦合金TC4，是非常典型的難加工產(chǎn)品。使用常規(guī)鈦合金硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)出現(xiàn)了產(chǎn)品嚴(yán)重變形、刀具磨損快等問題。

產(chǎn)品的加工工藝難點(diǎn)是:

(1)工件材質(zhì)為鈦合金(TC4)，硬度為320HBW，鈦合金的硬度小于350HBW 時(shí)，切削加工特別困難，加工時(shí)容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，刃口積屑瘤大量堆積，導(dǎo)致排屑不暢，切削熱堆積，造成葉片受熱變形。

(2)葉片型線部分最厚處約1 mm，最薄處約0.1 mm，加工時(shí)極易產(chǎn)生振動(dòng)，易變形，而產(chǎn)品要求變形量不得大于0.12 mm。

1.2 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 靜止葉片F(xiàn)igure 1 Static blade

通過以上的分析可以看出，加工中存在的最大問題有兩點(diǎn):熱變形和振動(dòng)變形。針對產(chǎn)生變形的原因不同，我們在刀具設(shè)計(jì)時(shí)也有著不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)熱變形:調(diào)整刀具幾何角度、精拋光刀具槽型前刀面以及多槽型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

加工鈦合金的硬質(zhì)合金刀具前角范圍一般在5°～15°，因?yàn)榇舜稳~片的材料偏軟，粘刀嚴(yán)重，在刀具前角的選擇上，我們選擇了一個(gè)偏大的前角12°(鈦合金刀具常見前角為6°～10°)，讓刀具刃口變的更鋒利，提高刀具切削能力;而且，對槽型前刀面進(jìn)行了一個(gè)精拋光處理，一般刀具的槽型粗糙度在Ra0.8 μm～Ra0.4 μm，這次我們使用D20 砂輪精拋光刀具前刀面，前刀面粗糙度達(dá)到了Ra0.2 μm，減小了鐵屑與刀具前刀面的摩擦力，降低了切削熱在刀具上的堆積;同時(shí)，在刃口6 mm～8 mm 的長度上增加一個(gè)副槽(見圖2)，在保證其刀具剛性的同時(shí)增加其容屑空間，保證排屑順暢。

圖2

(2)振動(dòng)變形:不等槽型、不等螺旋以及減震帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

將等分槽型設(shè)計(jì)為85°、90°、85°、90°不等分槽型(見圖3)，螺旋角設(shè)計(jì)為39°、36°、39°、36°不等分螺旋(見圖4)。這樣的“雙不等”設(shè)計(jì)，使刀具在加工中每個(gè)刃口的切入時(shí)間和切入角度都不同，有效消除在切削過程中產(chǎn)生的低頻率振動(dòng)，起到減小加工振動(dòng)變形的作用。

圖3 不等分槽型Figure 3 Unequal groove shape

圖4 不等分螺旋、減震帶Figure 4 Unequal spiral and vibration reduction zone

同時(shí)，在刀具的后刀面上刃磨出0.05 mm～0.10 mm 的減震刃帶(圖4)，增加刀具后刀面在工件上的支持面積，增加后刀面上的摩擦阻力，也能起到消除振動(dòng)作用。

1.3 實(shí)用效果比對

表1 是常規(guī)鈦合金刀具和定制鈦合金刀具加工靜止葉片的實(shí)用對比情況。

表1 兩種刀具加工靜止葉片的實(shí)用對比情況Table 1 Practical conditions comparison of static blade processed by two types of tools

從表1 可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的刀具成功解決了問題，達(dá)到了我們預(yù)期的目標(biāo)。

2 刀具材料應(yīng)用

2.1 C 型框刀具工藝分析

以C 型框(見圖5)為例，改變刀具材質(zhì)，將高速鋼刀具替換為硬質(zhì)合金刀具，達(dá)到提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。對C 型框刀具的工藝分析如下:

圖5 C 型框Figure 5 C shaped frame

圖6 硬質(zhì)合金的硬度和韌性Figure 6 Stiffness and toughness of hard alloy

(1)C 型框加工時(shí)金屬去除量達(dá)到80%以上，為了提高加工效率，粗加工時(shí)吃刀量大，要求刀具剛性好，且要有一定的韌性。

(2)C 型框材質(zhì)為航空鋁合金，比一般的鋁合金硬得多，且鋁件加工的切屑細(xì)小，要求刀具材料的耐磨性好。

(3)鋁合金在加工中的切削溫度大概在300～400℃，刀具的熱硬性直接影響到刀具的使用壽命，要求刀具材料要有較高的熱硬性。

2.2 硬質(zhì)合金性能分析

從C 型框刀具的工藝性分析看，所選擇的刀具材料必須同時(shí)滿足剛性好、硬度高和熱硬性較高等特點(diǎn)。下面我們分析一下硬質(zhì)合金是否能滿足加工的需要。

(1)硬質(zhì)合金的剛性比高速鋼高，但在韌性上差一些。從圖6 中我們可以看到，硬質(zhì)合金的晶粒度大小直接影響到硬質(zhì)合金的韌性，晶粒越小，韌性越好。所以在為C 型框挑選硬質(zhì)合金刀具材料時(shí)，就應(yīng)該選擇晶粒度最小的合金材料，也就是超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。

(2)硬度高，則耐磨性就好，硬質(zhì)合金的硬度可以達(dá)到301 700HV(92HRA 左右)，比高速鋼的硬度要高出許多，所以硬質(zhì)合金的耐磨性遠(yuǎn)高于高速鋼。

(3)硬質(zhì)合金的熱硬性可以達(dá)到1 000°以上，而高速鋼的熱硬性僅為600°左右，在熱硬性方面硬質(zhì)合金也有巨大的優(yōu)勢。

通過以上分析，說明在加工C 型框這類產(chǎn)品時(shí)，硬質(zhì)合金材料完全可以替代高速鋼。實(shí)際加工也證明了，使用硬質(zhì)合金刀具比高速鋼刀具有著更高的生產(chǎn)效率和更好的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 實(shí)用效果對比

表2 是以D32 的刀具為例加工C 型框的高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具的對比情況。

表2 兩種刀具加工C 型框的對比Table 2 Comparison of C shaped frame processed by two types of tools

從表2 可以看到，刀具成本在價(jià)格上高出了不少，但是由于刀具壽命的大大延長，效率明顯提升，其實(shí)際制造成本并未增加，質(zhì)量也有明顯好轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在該產(chǎn)品中使用的刀具直徑在32 mm 以下均被硬質(zhì)合金刀具所代替。

3 結(jié)論

通過選擇合適的刀具，成功解決了生產(chǎn)中的一些工藝難題。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)被加工材料的不同以及工況的不同，選擇合適的刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)以及刀具涂層。