航空材料加工中刀具材料的選用

邵芳

（貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550003）

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航空材料加工中刀具材料的選用

邵芳

（貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550003）

摘要：隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，新型的復(fù)合材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，可供于航空產(chǎn)品制作的材料越來(lái)越多，在航空材料加工過(guò)程中，刀具的選用成為重點(diǎn)。結(jié)合航空材料加工過(guò)過(guò)程中的刀具材料選用要求，分析了多種材料的選用方法。

關(guān)鍵詞：航空材料；加工；刀具材料；選用方法

航空材料的種類較多，主要分為金屬材料和非金屬材料，常見(jiàn)的金屬材料有結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高溫合金、金屬合金等，常見(jiàn)的非金屬材料有膠黏劑、絕緣材料、潤(rùn)滑材料、塑料等。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品材料的加工過(guò)程提出了較高的要求。為了提高加工質(zhì)量，需要明確不同刀具材料的特點(diǎn)，選用正確的加工刀具。本文旨在明確航空材料加工中刀具的選用要求，結(jié)合常見(jiàn)材料的特征，在此基礎(chǔ)上總結(jié)刀具材料的選用方法。

1　刀具材料的選用要求

在刀具材料的選用過(guò)程中，需要明確產(chǎn)品加工的效率和切削速度、進(jìn)給速度和材料的切除率，其中切削速度和緊急速度的標(biāo)準(zhǔn)單位為m/min，材料切除率的標(biāo)準(zhǔn)單位為mm3/min.在實(shí)際加工過(guò)程中，如果只提高材料的切削速度，必將導(dǎo)致熱量上升，產(chǎn)品的加工效率就會(huì)受到散熱條件和材料導(dǎo)熱性能的影響。因此在材料選用的同時(shí)，需要充分考慮環(huán)境效應(yīng)，盡量保證在加工的過(guò)程中應(yīng)用干切削的方法，需要選用紅硬性的干切削材料，例如陶瓷、金屬陶瓷、氮化硼等，陶瓷的影響一般大于硬質(zhì)合金。結(jié)合實(shí)際加工過(guò)程來(lái)看，切削溫度達(dá)到700～800℃時(shí)，金剛石刀具的表面會(huì)出現(xiàn)輕微的碳化問(wèn)題，因此在干切削的過(guò)程中也要嚴(yán)格控制溫度。另外，如果刀具材料與產(chǎn)品的材料的相對(duì)硬度較大，可以適當(dāng)提高切削速度[1]。

在選用航空材料加工刀具的過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮產(chǎn)品材料與刀具材料之間的化學(xué)作用。例如在加工鎂鋁鈦等金屬時(shí)，由于活性較高，需要選用金剛石刀具或者氮化硼刀具。

在粗加工和斷屑加工的過(guò)程中需要保證刀具材料的韌性滿足加工需求，在精加工中可以選用韌性較低的刀具材料，通常情況下，斷裂韌性和沖擊韌性較高，此時(shí)的刀具材料也具有較高的可靠性，韌性較低的刀具材料可靠性也較低。另外，熱等靜壓的方法可以提高刀具材料結(jié)構(gòu)的均勻性，可以降低性能的離散性。

2　航空材料加工過(guò)程中刀具材料的選用

2.1鋁合金

在選用鋁合金材料加工的過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮鋁材料的化學(xué)活性，鋁材料會(huì)與多種刀具材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但與碳不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以一般選用金剛石刀具對(duì)鋁合金材料進(jìn)行加工。例如在加工高硅鋁合金的過(guò)程中，刀具的切削刃十分鋒利，可以切屑很薄的切屑，在產(chǎn)品材料加工的同時(shí)可以有效避免冷硬問(wèn)題，摩擦系數(shù)較低，在切削的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量的切削瘤，可以將材料表面的粗糙度控制在0.16 μm以下，通常應(yīng)用于超精密零件的加工中。在鋁合金材料的精加工過(guò)程中，可以選用氮化硅基陶瓷，簡(jiǎn)化后期精打磨的工作。

2.2鋼鐵

一般鋼鐵逐漸產(chǎn)品的加工，切削速度都會(huì)高于350 m/min，此時(shí)將這個(gè)過(guò)程稱為高速加工，但必須注意切削速度對(duì)刀具材料的影響。如果加工中的切削速度在750 m/min以下，可以應(yīng)用金屬陶瓷刀具和涂層硬質(zhì)合金；如果加工中的切削速度在510～2000 m/min時(shí)，可以選用氮化硅Si3N4陶瓷刀具；如果加工中的切削速度在2000～4500 m/min時(shí)，可以選用CBN刀具。針對(duì)高硬度鋼的加工，在高速切削的過(guò)程中可以選用金屬陶瓷、TiC涂層硬質(zhì)合金等道具材料。另外，可以將Al2O3-Ti（NC）基系列陶瓷刀具用于合金鋼材料的加工，實(shí)現(xiàn)大型薄壁零件的快速切削。在加工高錳剛和高鉻鉬鑄鐵零件的過(guò)程過(guò)程中可以選用氮化硅Si3N4陶瓷刀具。復(fù)合型碳化硅材料刀具是提高高錳剛加工效率的理想刀具，切削效率和經(jīng)濟(jì)效益高于涂層硬質(zhì)合金和復(fù)合型氮化硅Si3N4材料刀具。

2.3高溫合金

在加工高溫合金材料的過(guò)程中，一般選用高性能高速鋼材料、氮化硅陶瓷和氧化鋁陶瓷刀具，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削。在加工鎳基高溫合金的過(guò)程中，可以應(yīng)用增強(qiáng)型Al2O3陶瓷刀具，加工溫度可以達(dá)到950℃，與硬質(zhì)合金刀具相比，材料的去除率較高，可以加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤上的復(fù)雜零件，同時(shí)應(yīng)用鉆銷、銑削和磨削的方法提高加工質(zhì)量，優(yōu)化加工參數(shù)，保證零件中的孔結(jié)構(gòu)加工符合質(zhì)量要求。

2.4鈦合金

在加工鈦合金材料的過(guò)程中一般選用粉末高速鋼刨刀和銑刀。由于鈦金屬有較強(qiáng)的化學(xué)活性，在加工過(guò)程中不能應(yīng)用陶瓷刀具。由于鈦金屬在空氣中的燃點(diǎn)較低，同時(shí)陶瓷刀具和鈦合金的導(dǎo)熱性能不強(qiáng)，在干切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，如果溫度超過(guò)鈦金屬的著火點(diǎn)，將引起金屬燃燒。另外，在加工鈦合金或者含鈦金屬的不銹鋼材料時(shí)，不得選用硬質(zhì)合金刀具，一般硬質(zhì)合金中的鈦元素與或產(chǎn)品材料中的鈦元素會(huì)產(chǎn)生一定的親和作用，刀具磨損問(wèn)題十分嚴(yán)重。在高壓冷卻劑的作用下，應(yīng)用聚晶金剛石刀具對(duì)鈦合金材料進(jìn)行精加工，可以將產(chǎn)品的粗糙度控制在1.6 μm以內(nèi)。另外，在加工的過(guò)程中必須重點(diǎn)考慮刀具的使用壽命，避免刀具材料與產(chǎn)品材料之間發(fā)生反應(yīng)。

2.5金屬基復(fù)合材料

含鋁的氮化硅材料是常見(jiàn)的金屬基復(fù)合材料，在加工該類材料的過(guò)程中，可以選用立方氮化硼材料和聚晶金剛石材料刀具。在加工過(guò)程中，氮化硅顆粒逐漸破裂，加工材料時(shí)可以選用人造聚晶金剛石刀具，值得注意的是，應(yīng)用硬質(zhì)合金刀具有時(shí)會(huì)在材料的表面留下殘留的進(jìn)給痕跡，但是表面光亮齊整，可以將材料表面的粗糙度控制在0.8 μm以下。應(yīng)用人造聚晶金剛石刀具加工時(shí)，材料表面的輪廓十分清晰，可以將材料表面的粗糙度控制在0.4 μm以下[2]。

2.6纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（例如玻璃纖維復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料）中都含有一定量的增強(qiáng)物質(zhì)，在實(shí)際切削加工中會(huì)遇到困難，一般應(yīng)用硬質(zhì)合金材料刀具和陶瓷材料刀具，但是刀具的壽命較短。因此在眾多刀具材料中進(jìn)行優(yōu)選，超硬材料刀具成為加工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的理想刀具，超硬材料刀具的使用壽命較長(zhǎng)，可以廣泛應(yīng)用于材料的精加工在紅，另外，不能將薄膜金剛石刀具應(yīng)用于增強(qiáng)型復(fù)合材料的加工，高速鋼、硬質(zhì)合金和聚晶金剛石材料刀具可以應(yīng)用加工鉆孔中。

3　結(jié)束語(yǔ)

金屬材料的加工過(guò)程中，需要避免產(chǎn)品材料與刀具材料之間發(fā)生反應(yīng)，避免材料之間含有較多相同的元素，避免發(fā)生親和作用而引起刀具磨損。一般情況下，陶瓷材料和超硬材料的可以作為刀頭，針對(duì)形狀復(fù)雜的零件，可以選用高速鋼和硬質(zhì)合金材料的刀具，精加工時(shí)可以應(yīng)用細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒的合金材料為刀具。最后，在選用刀具的同時(shí)，不僅要考慮到材料的費(fèi)用，還要重視加工過(guò)程中的環(huán)保效益，控制加工成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]程艷.航空材料加工刀具的選用要求[J].中國(guó)航空航天大學(xué)，2014，15（6）:18-19.

[2]趙峻霆，韓小龍.新型機(jī)械加工刀具的應(yīng)用和選擇[J].華中科技大學(xué)，2015，15（4）:202.

中圖分類號(hào):V261

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0246-02

收稿日期：2016-01-22

基金項(xiàng)目：1.國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)基金項(xiàng)目（51465009）；2.貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目（黔科合J字[2014]2085號(hào)）；3.貴州理工學(xué)院院士工作站（黔科合院士站（2014）4007）；4.貴州省教育廳125計(jì)劃（黔教合重大專項(xiàng)字[2014]035號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：邵芳（1970-），女，山東濱州人，工學(xué)博士，教授，數(shù)控刀具設(shè)計(jì)及材料研發(fā)。

Selection of Cutting Tool Materials in Aerospace Materials Processing

SHAO Fang
（Guizhou Institute of Technology，Guiyang Guizhou 550003，China）

Abstract:With the continuous development of material science，new type of composite material was developed，more and more in aviation products made of materials，in the process of aviation materials processing，the selection of cutting tool become a focus.Based on the aviation materials processed in the process of cutting tool material selection requirements，material selection of a variety of methods were analyzed.

Key words:aviation materials；processing；cutting tool materials；selection methods