陶瓷刀具在航空零部件上的應(yīng)用

梁永朝

中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 上海 201306

1 序言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，高溫合金材料的使用非常廣泛，涵蓋高壓壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、渦輪后機(jī)匣及加力燃燒室等高溫部件[1]。高溫合金材料硬度大、加工刀具磨損量大，零件的冷加工對(duì)刀具的依賴程度高。實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率且低成本加工高溫合金零部件，是現(xiàn)代航空制造業(yè)不斷追求的目標(biāo)。陶瓷刀具是現(xiàn)代金屬切削中的一種新型材料刀具，它不僅能提高生產(chǎn)效率，加工普通刀片不能加工的超硬材料，而且是現(xiàn)有各類刀具的補(bǔ)充，是刀具家族中的一支新生力量，近年來在航空制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。

2 陶瓷刀具的分類及性能特點(diǎn)

陶瓷刀具是用特種陶瓷粉末材料高壓研制而成[2]。陶瓷刀具材料的品種、牌號(hào)很多，按其主要成分大致可分為氧化鋁系（Al2O3）陶瓷刀具（見圖1）、氮化硅系（Si3N4）陶瓷刀具（見圖2）、增韌相系陶瓷刀具（見圖3）和金屬陶瓷刀具（見圖4）等。目前世界上生產(chǎn)的陶瓷刀具近九成為氧化鋁系，其他多為氮化硅系，增韌相系陶瓷刀具也是氧化鋁系的一種，是指在Al2O3基體中添加增韌或增強(qiáng)材料燒成的一類刀具。金屬陶瓷刀具作為一種新形刀具，能夠結(jié)合金屬和陶瓷兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)獲得理想的切削性能。根據(jù)金屬陶瓷刀具中主要非金屬相的種類，可將其分為氧化物基金屬陶瓷、碳化物基金屬陶瓷、碳氮化物基金屬陶瓷和硼化物基金屬陶瓷等[3]。

圖1 氧化鋁系陶瓷刀具

圖2 氮化硅系陶瓷刀具

圖3 增韌相系陶瓷刀具

圖4 金屬陶瓷刀具

陶瓷刀具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如高耐熱性、高強(qiáng)度和耐磨性，以及良好的高溫力學(xué)性能等，可以加工傳統(tǒng)刀具很難加工甚至不能加工的超硬材料。陶瓷刀具在1000℃的高溫下切削，可使被加工材料變軟而改善其切削加工性能，而陶瓷刀片仍可保持良好的高溫紅硬性[4]。此外，陶瓷刀具還有良好的抗化學(xué)腐蝕能力，具有極小的金屬親和力。

陶瓷刀具之所以具備優(yōu)良的切削性能，材料的力學(xué)特性是其根本所在。Al2O3系陶瓷刀具的硬度達(dá)77～79.5HRA，在高溫下有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性和耐熱性，高溫硬度大，在1200℃高溫下仍能進(jìn)行切削（此時(shí)硬度為58HRA），如果加入一定的穩(wěn)定劑并采用熱壓成形技術(shù)，可使刀具在1800℃高溫下仍能保持硬度和耐磨性。同時(shí)在高溫下刀具與工件間不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，月牙洼磨損率較低，表面粗糙度值小。Si3N4系陶瓷刀具有最佳的耐熱性，這使其即使在1200～1450℃的高溫下長時(shí)間進(jìn)行切削仍能保持一定硬度和強(qiáng)度。因此用Si3N4系陶瓷刀具加工時(shí)允許采用遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具的切削速度實(shí)現(xiàn)高速切削（其切削速度可比硬質(zhì)合金刀具提高3～10倍）[5]。

陶瓷刀具雖然具有高速高效切削的特點(diǎn)，但切削過程還存在較多的問題，導(dǎo)致其使用壽命短。主要問題一是在高速高溫狀態(tài)下刀具磨損嚴(yán)重，在低速切削時(shí)，一般是磨料磨損為主。隨著切削速度的提高，切削溫度的增加，黏著磨損和化學(xué)磨損越來越突出（見圖5a）。當(dāng)用陶瓷刀具高速切削鎳基高溫合金時(shí)，往往磨損集中在切削刃的一點(diǎn)，磨損形態(tài)與切削普通金屬時(shí)明顯不同，其特點(diǎn)是常出現(xiàn)嚴(yán)重的溝槽磨損（見圖5b），并伴隨后刀面磨損與前刀面磨損，而且前刀面月牙洼磨損常常與后刀面磨損相貫連，使切削刃形狀發(fā)生變化。高速切削時(shí)，刀具的損壞主要是后刀面磨損、前刀面月牙洼磨損、溝槽磨損、微崩刃、剝落和塑性變形等形貌（見圖6）；二是陶瓷刀具抗彎強(qiáng)度、抗沖擊韌性低，脆性大，刀具加工狀態(tài)不好，極易破碎。加工過程中，刀具在碰到零件尖邊、毛刺而受沖擊，或切削刃加工區(qū)域接觸面積急劇增大的情況下，受力就會(huì)突變，易造成崩刃[8]。

圖5 陶瓷刀具刀面磨損形貌[6]

圖6 陶瓷刀具月牙洼形磨損形貌[7]

3 陶瓷刀具的應(yīng)用

3.1 陶瓷刀具應(yīng)用的注意事項(xiàng)

合理的使用方法是保證陶瓷刀具成功應(yīng)用的關(guān)鍵。一般來說，有效使用陶瓷刀具要合理地選擇適用的刀片牌號(hào)、刀具幾何角度和切削參數(shù)，特別是切削參數(shù)，一是要注意切削深度的控制，如圖7所示，在使用三角形或者菱形陶瓷刀片切削過程中，切削深度一般不超過沿切削前進(jìn)方向上與刀具刀尖圓弧半徑成45°深度方向上所形成的厚度，通過這種方法，可以最大程度地減少刀具與工件切削面的碰磨破壞；二是要注意進(jìn)給方式，其直接影響著刀具的使用壽命和切削表面質(zhì)量。采用變深度切削的方式（見圖8a），改變切削深度，可以擴(kuò)大刀具表面磨損的分布面積，進(jìn)而降低刀面同一接觸點(diǎn)的磨損，從而提高刀具使用壽命；采用斜線進(jìn)給方式使切削深度逐漸降低，刀具與工件的接觸面積逐漸變化，在進(jìn)行下一刀切削時(shí)，采用直線進(jìn)刀方式，此時(shí)工件表面已經(jīng)是斜面，斜向切削時(shí)切削深度由深到淺，此時(shí)刀具表面與工件的接觸點(diǎn)也在逐漸變化（見圖8b），通過這種循環(huán)往復(fù)的變深度切削方式，降低了刀具面同一接觸點(diǎn)的磨損，延長刀具的使用壽命，工件加工表面質(zhì)量也會(huì)得到較大改進(jìn)。

圖7 陶瓷刀具的切削深度

圖8 陶瓷刀具的進(jìn)給方式

此外還要注意的是：①陶瓷刀具適合高速和小進(jìn)給量切削，要求功率大，轉(zhuǎn)速高，剛性與穩(wěn)定性好的機(jī)床，這是由于陶瓷刀具對(duì)沖擊和振動(dòng)載荷比較敏感，系統(tǒng)剛性差會(huì)使陶瓷刀具壽命降低或引起崩刃。②陶瓷刀具達(dá)到磨損標(biāo)準(zhǔn)要及時(shí)換刀，否則會(huì)造成刀具嚴(yán)重崩刃或破損，因此在使用過程中要開展相關(guān)切削試驗(yàn)，針對(duì)特定加工工件，測(cè)量陶瓷刀具模型極限，建立陶瓷刀具磨損標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)換刀。③由于陶瓷刀具對(duì)熱應(yīng)力很敏感，當(dāng)高速切削時(shí)，刀具溫度會(huì)逐漸升高，陶瓷刀具的高溫韌性會(huì)得到充分發(fā)揮，因此切削時(shí)一般不用切削液。干切削過程中的陶瓷刀具如圖9所示。

圖9 干切削過程中的陶瓷刀具[9]

3.2 陶瓷刀具在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上的應(yīng)用

近年來隨著航空制造業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具已難以滿足生產(chǎn)需要，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域，陶瓷刀具以其優(yōu)良的切削性能和高的性價(jià)比得到越來越廣泛的應(yīng)用。

（1） 陶瓷刀具在鼓筒軸零件上的應(yīng)用 航空鼓筒軸零件（見圖10）屬于薄壁空腔結(jié)構(gòu)類零件，零件整體剛性差、加工余量較大且加工效率低。鼓筒軸材料為Inconel 718（GH4169），是一種時(shí)效沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金。作為一種難加工材料，Inconel 718具有導(dǎo)熱性較差、加工硬化嚴(yán)重和易粘刀等特點(diǎn)，切削加工性能較差。

圖10 航空鼓筒軸零件

鼓筒軸零件毛坯質(zhì)量約50kg，最初加工時(shí)，粗車加工過程采取傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金菱形刀去除毛坯余量，進(jìn)行內(nèi)外形面加工，如圖11a所示，采用DNMG 150612-TF刀尖半徑為1.2mm的硬質(zhì)合金菱形刀分層加工余量，余量去除效率低，生產(chǎn)周期長，不利于大批量生產(chǎn)。為了盡快轉(zhuǎn)變加工現(xiàn)狀，提高加工效率，縮短生產(chǎn)周期，嘗試采用陶瓷刀具進(jìn)行內(nèi)外形余量加工，如圖11b所示。

圖11 硬質(zhì)合金刀具余量加工與陶瓷刀具對(duì)比

實(shí)際加工過程采用美國綠葉公司的RNGN-120700 T1型WG-300晶須增強(qiáng)型陶瓷刀具，該刀片為圓形，直徑為12.7mm，如圖12所示。WG-300最大的特點(diǎn)就是必須維持一定的溫度，才能最大限度地發(fā)揮晶須陶瓷的高硬度和高韌性的優(yōu)勢(shì)[10]。

圖12 WG-300晶須增強(qiáng)型陶瓷刀具

通過現(xiàn)場(chǎng)加工試驗(yàn)，不斷摸索適合的加工參數(shù)，最終確定了加工參數(shù)的線速度為200m/min，進(jìn)給量為0.25mm/r，切削深度為2mm。同時(shí)在前期多輪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)陶瓷刀具的進(jìn)給方式進(jìn)行了調(diào)整，進(jìn)給時(shí)，采用了斜向進(jìn)給與直線進(jìn)給交替進(jìn)行的方式。該進(jìn)給方式的最大優(yōu)勢(shì)是每次切削時(shí)切削刃與加工零件的接觸點(diǎn)在不斷變化，這樣能夠有效減小刀具在同一接觸點(diǎn)的持續(xù)磨損，減小溝槽磨損的程度，50倍放大后刀具磨損帶測(cè)量值為0.472mm（見圖13），未出現(xiàn)崩刃或打刀的現(xiàn)象，磨損狀態(tài)正常，與硬質(zhì)合金刀具相比，不僅減少了換刀時(shí)間，而且大大提高了刀具的使用壽命。陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具的加工參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具的加工參數(shù)對(duì)比

圖13 50倍放大刀具磨損帶測(cè)量

在半精加工過程中，特別是在內(nèi)形面車削時(shí)，最初采用陶瓷刀具去除余量，之后再采用硬質(zhì)合金刀具清根的方式，但是實(shí)際過程中操作人員要進(jìn)行頻繁換刀、對(duì)刀，不利于加工效率的提升，因此，對(duì)加工方式進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)試驗(yàn)。具體方式是在采用陶瓷刀具完成形面半精加工后，不再采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行清根處理，而是繼續(xù)采用陶瓷刀具進(jìn)行清根，加工參數(shù)與之前試驗(yàn)參數(shù)接近，這樣大大縮短了換刀、對(duì)刀時(shí)間，加工效率得到進(jìn)一步的提升，陶瓷刀具的加工作用得到了進(jìn)一步的發(fā)揮。加工方式改進(jìn)前后對(duì)比如圖14所示。

圖14 陶瓷刀具內(nèi)形面車削加工方式改進(jìn)前后對(duì)比

（2）陶瓷刀具在彈性支承零件上的應(yīng)用 彈性支承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上一類重要零件，主要用來減少轉(zhuǎn)子的支承剛性，降低轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速（或共振轉(zhuǎn)速），使發(fā)動(dòng)機(jī)常用的工作轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速。某發(fā)動(dòng)機(jī)上籠式彈性支承件材料為15-5PH不銹鋼，零件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部基本為空腔結(jié)構(gòu)，如圖15所示。

該彈性支承件材料為馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，材料硬度38～42HRC，屬于難加工材料，其加工難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

1）刀具容易磨損，不銹鋼中的碳化物硬質(zhì)點(diǎn)使刀具加劇磨損，在前刀面上產(chǎn)生月牙洼磨損。

2）加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，硬化層的硬度可達(dá)基體硬度的1.4～2.2 倍。

3）切削溫度高，在相同切削條件下，比45鋼高200～300℃。

4）切削力大，在相同切削條件下，比45鋼高1.25 倍以上。

5）切屑不易折斷，車削時(shí)，切屑連綿不斷，容易損傷已加工表面，同時(shí)為切屑控制帶來困難。

6）切削過程中，容易產(chǎn)生積屑瘤，不僅加劇刀具磨損，而且會(huì)導(dǎo)致已加工表面出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。

針對(duì)彈性支承零件上述加工難點(diǎn)，特別是粗加工毛料工序，最初采用普通DNMG 150612尖刀去除大余量，速度慢，刀片消耗大，加工效率低。零件毛料尺寸圖16a所示，粗加工毛料工序尺寸如圖16b所示。

通過圖16可知，零件在粗加工工序時(shí)，加工余量較大，單邊余量最大處為70mm，加之零件材料的可切削性能較差，之前采用的DNMG 150612硬質(zhì)合金菱形刀片磨損較嚴(yán)重，刀片消耗量較大，為了解決這一問題，提高加工效率，考慮采用陶瓷刀具進(jìn)行提效加工試驗(yàn)。刀片型號(hào)為RCGX 070600，刀具半徑為3.97mm，如圖17所示。

圖17 RCGX 070600型陶瓷刀

采用該陶瓷刀具進(jìn)行粗加工時(shí)（見圖18），切削過程采用切削深度遞減的切削方式來延長刀片使用壽命，通過切削試驗(yàn)不斷摸索加工參數(shù)，陶瓷刀具與硬質(zhì)合金加工刀具加工參數(shù)對(duì)比見表2。通過對(duì)比可知，采用陶瓷刀具粗加工零件效率得到大幅度提升，同時(shí)刀具消耗量明顯下降，刀具成本有效降低，陶瓷刀具的作用得到充分發(fā)揮。

圖18 陶瓷刀具粗加工

表2 粗加工時(shí)陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具的加工參數(shù)對(duì)比

4 陶瓷刀具的最新進(jìn)展

近年來陶瓷刀具在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用在不斷擴(kuò)展，隨著越來越多新材料在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用，材料性能在不斷提升，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)的要求也在逐步提高，因此，對(duì)新型陶瓷刀具研究與應(yīng)用的需求也在不斷擴(kuò)展。雖然陶瓷刀具有著優(yōu)良的切削性能，但由于刀具材料脆性較大，強(qiáng)度和韌性較低，因此在很大程度上限制了它的推廣應(yīng)用。事實(shí)上，硬度高的材料往往強(qiáng)度和韌性低，如果要提高韌性，往往是以硬度的下降為代價(jià)。正是由于這種矛盾的存在，使得尋找一種既具有高硬度（包括高溫硬度）又具有高強(qiáng)度和韌性的陶瓷成為陶瓷刀具材料研究的熱點(diǎn)。

現(xiàn)階段，陶瓷刀具新材料的研究主要集中在4個(gè)方面：超微粉陶瓷刀具、復(fù)相陶瓷刀具、涂層刀具以及金屬陶瓷刀具。其中，復(fù)相陶瓷刀具的研究尤為突出[11]，其增韌機(jī)理是通過控制燒結(jié)工藝使其內(nèi)部微觀組織產(chǎn)生增韌相以實(shí)現(xiàn)增韌的效果，添加的增強(qiáng)相如TiC、TiN、TiB、SiCp、SiCw、（W，Ti）C、WC、Mo2C、ZrO2及Y2O3等成分，利用第二相、第三相材料進(jìn)行顆粒彌散強(qiáng)化、纖維補(bǔ)強(qiáng)、晶須增韌、相變?cè)鲰g或協(xié)同增韌補(bǔ)強(qiáng)，可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高[12]。

在Al2O3陶瓷中加入微量的鎳或鉬等金屬，經(jīng)過加熱壓制處理而形成的陶瓷叫做金屬陶瓷。金屬陶瓷刀具的抗彎性以及剛度都比較強(qiáng)，主要應(yīng)用于切削調(diào)制合金鋼，它的切削速度以及刀具比一般的刀具要高，使用壽命長并且因?yàn)榻饘偬沾芍泻猩倭康慕饘俪煞?，所以可以獲得較細(xì)的表面質(zhì)量[13]。

隨著其組成結(jié)構(gòu)和壓制工藝的不斷改進(jìn)，特別是納米技術(shù)的發(fā)展，使得陶瓷刀具的增韌成為可能[14]。

5 結(jié)束語

通過對(duì)陶瓷刀具的分類及性能特點(diǎn)分析，總結(jié)了陶瓷刀具使用過程中的注意事項(xiàng)，并根據(jù)陶瓷刀具在航空鼓筒軸零件及彈性支承零件上的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)陶瓷刀具在切削鎳基高溫合金材料（Inconel 718）及馬氏體不銹鋼材料（15-5PH）時(shí)的切削性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，摸索出了加工相應(yīng)材料零件的切削參數(shù)，并與硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了對(duì)比分析，通過試驗(yàn)可知，陶瓷刀具的線速度可達(dá)200m/min，是硬質(zhì)合金刀具線速度的5倍，大幅提高了零件的加工效率，有效降低了加工成本。同時(shí)嘗試采用變切削深度加工及直線進(jìn)給與斜線進(jìn)給往復(fù)交替式的新型進(jìn)給方式，有效降低了刀面同一接觸點(diǎn)的持續(xù)磨損，提高了刀具的使用壽命。