車削銑削航空用金屬難加工材料的新刀片

尚亞國際貿(mào)易公司 章宗城

航空關(guān)鍵用零部件的材料要求在高溫和低溫條件下，比強(qiáng)度高、綜合性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好而且質(zhì)量輕。當(dāng)代作為航空用金屬材料有鋁合金、鈦合金、超耐熱合金等。其中屬難于加工材料的鈦合金和超耐熱合金，主要用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。低溫低壓部分一般用鈦合金，高溫高壓部分多用的是鎳基超耐熱合金，如Inconel718、Hastelly、Waspaloy、Rene41等和鈷基的Trilbaloy，司太立合金等。

鈦合金和超耐熱合金的難切削程度，若以含硫易削鋼的易削指數(shù)為100。奧氏體不銹鋼為45，鈦合金中的Ti-6Al-4V為26，Inconel718為12，Rene41則在5以下，可知難削性依次以2的冪指數(shù)增加。

鈦合金及其加工特性

（1）切削過程中生成的切削熱高，且導(dǎo)熱性差（約為鋼的1/7，鋁的1/16），從而使溫度集中在刀尖刃口，常高達(dá)1000℃以上，易使刀具因高熱性能下降而損傷。

（2）鈦合金彈性模量小，切削后鈦材彈性恢復(fù)壓向刀具，會(huì)加劇與刀具的摩擦，進(jìn)一步增加切削溫度，加速刀具磨損。還易引起振動(dòng)。

（3）易加工硬化，且自身化學(xué)活性大，易與空氣中氧等反應(yīng)，使表面變硬，加劇刀具的磨損。特別是造成刀具的邊界溝狀磨損(Groving wear)。

（4）鈦合金的切屑易黏結(jié)在刀具上，在加工中黏結(jié)物被持續(xù)的后加工強(qiáng)制除去時(shí)，刀具表面部分材料會(huì)隨切屑帶走，從而造成粘結(jié)損傷，降低刀具壽命。最廣泛使用的鈦合金是α-β相的Ti-6Al-4V。波音787型多用的鈦合金是β相的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr，更難加工。

鎳基超耐熱合金及其加工特性

鎳基超耐熱合金含合金成分比率多，合金元素與碳構(gòu)成各種碳化物和復(fù)雜碳化物，這些碳化物不溶于合金，而是以極細(xì)顆粒形式彌散分布在晶界，強(qiáng)化晶界，阻止在外力作用下晶面滑移，使得合金顯示超強(qiáng)硬的性質(zhì)，比強(qiáng)度大。

要加工它們，必須用更大的力，作更多的功，這必然同時(shí)產(chǎn)生更高的熱。這些材料本身導(dǎo)熱性又差，切削中生成的熱量不易排出，使溫度非常高、磨損加劇，一般刀片材料無法持續(xù)加工。鈦合金的難加工特點(diǎn)許多在超耐熱合金中顯示得更劇烈，其機(jī)械、粘結(jié)、擴(kuò)散和氧化磨損更嚴(yán)重，因此它們比鈦合金更難以加工。

為開發(fā)鈦合金與超耐熱合金加工用的優(yōu)秀車、銑刀具，應(yīng)該采用最先進(jìn)的刀片材料和涂層，提高其高溫硬度，綜合機(jī)械性能。同時(shí)要研究設(shè)計(jì)新型刀片的幾何形狀，合理的斷屑槽，使切削熱下降，使熱量加快導(dǎo)出，加速排屑，減少各類損傷。

車削新涂層的開發(fā)

圖1 新高鋁PVD涂層及其性能提高原理

三菱公司在這方面作出許多努力，有不少成果。多年前他們?cè)谟操|(zhì)合金中改善了碳化物的分布，開發(fā)了易導(dǎo)熱以R打頭基體硬質(zhì)合金材料系列。如RT9005，RT9010等。在此基礎(chǔ)上以他們獨(dú)特的MIRACLE物理涂層技術(shù)，涂覆（Al、Ti）N又取得了較好的加工效果。一般來說；涂層中Al含量增多，高溫中形成優(yōu)秀的抗粘附、硬度又高的非晶質(zhì)鋁氧化合物層，加工中會(huì)不斷地自行更新，防止涂層和涂層下基體材料發(fā)生氧化損失、Al含量增多，尚可促使組織微結(jié)構(gòu)化，合金化進(jìn)一步提高涂層的機(jī)械、物理、化學(xué)性能。Al增多，鋁氮化物的優(yōu)良的性能也可得以更大發(fā)揮。但是Al含量增多也可如圖1所示，超過一定的量后，膜層中形成軟質(zhì)相，反使表面硬度下降，性能變壞。三菱最近開發(fā)了能使鋁含量大幅增加、形成高鋁單層均質(zhì)涂層的PVD新技術(shù)。它不生成軟質(zhì)相，硬度反可提高到HV3000，而且熱穩(wěn)定性好。使耐后刀面機(jī)械磨損、耐前刀面月牙洼磨損和耐粘結(jié)損傷性能均得以大幅提高。其涂層牌號(hào)有適合精車到半精車用的MP9005和適合粗車到半精車的MP9015。前者耐磨性更高，適合在切削超耐熱合金時(shí)，切削速度高至100M/min左右的加工，后者綜合性能優(yōu)異，適合有一定沖擊負(fù)荷的加工。

斷屑槽的形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斷屑槽的形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響刀具的切削性能，非常重要。各個(gè)加工階段切削用量不同，這就需要不同結(jié)構(gòu)的斷屑槽。為順利切削航空金屬難加工材料。三菱分別為精，半精，粗三階段加工，設(shè)計(jì)造出LS、MS、RS三種斷屑槽。它們適合這些材料在以上三階段的連續(xù)切削和輕微斷續(xù)切削。涂層和斷屑槽MP9005+LS的CNMG型刀片，以V=100m/min，f=0.15mm/r，ap=0.25mm的切削用量，精車發(fā)動(dòng)機(jī)零件Inconel718，外圓、端面、內(nèi)孔連續(xù)切削，比起過去的刀片材料，壽命提高2～5倍。在半精車中，采用MP9015+MS涂層和斷屑槽的CNMG型刀片。以V=40m/min，f=0.2，ap=2mm比以往刀片材料，壽命提高2倍。

車削注意事項(xiàng)

在切削難加工材料時(shí)，還要注意的是——它們易加工硬化，前道工序留下的表面硬度很高，易形成切深邊界的溝狀磨損。為此需要正確地選擇刀尖的圓弧半徑R，三菱推薦的經(jīng)驗(yàn)是——應(yīng)使R大于切削深度ap×1.5。如ap=0.6mm，0.6×1.5mm=0.9mm，那么可以選用R=1.2mm，的標(biāo)準(zhǔn)刀尖圓弧半徑的刀片。適當(dāng)?shù)卦龃驲的實(shí)質(zhì)是；可減小主偏角如圖2所示?？梢奟增大，主偏角減小，使切深邊界處切削力分散，減小，緩和了該處的磨損。另外，為減少切屑纏繞可多采用提拉式加工，（見圖3）。

圖2 減少主偏角改善邊界磨損

圖3 提拉加工圖

鈦合金車削特點(diǎn)

鈦合金一般涂層中多含鈦，車削鈦合金時(shí)，往往由于車刀與工件持續(xù)接觸加工，切削區(qū)域溫度特別高，再加二者同含鈦，親和力大，互相黏附力強(qiáng)，持續(xù)加工強(qiáng)使它們分離時(shí)造成黏結(jié)磨損大、涂層剝落、崩刃以及加工表面質(zhì)量差等問題。故車削鈦合金時(shí)，采用無涂層優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金材料為好。三菱公司為此開發(fā)了耐熱耐磨性耐破損性均高，切削刃可磨制鋒利，專適于鈦合金從粗車到精車的MT9015材料。再結(jié)合上述三種斷屑槽LS、MS、RS，可在粗、半精、精三加工階段得到滿意的結(jié)果。

銑削新涂層的開發(fā)

三菱在新的銑削超耐熱合金刀片涂層開發(fā)上也有作為。銑削是斷續(xù)切削，不斷地承受沖擊載荷。他們開發(fā)了特別耐沖擊、韌性高的AL-Ti-Cr-N類,超強(qiáng)韌PVD多層涂層MP9120（見圖4），由圖可知膜層中加含了Cr，形成優(yōu)秀鋁鉻復(fù)合氮化物，加入鉻、釔、硅等元素彌補(bǔ)，不能過多增加鋁，以提高性能的不足。MP9120涂層加入Cr后，硬度也達(dá)到3000HV，開始氧化溫度提高到1100℃。它既適合銑削超耐熱合金不適合銑削鈦合金。圖4中還可見，因新涂層是多層結(jié)構(gòu)，尚可阻止裂紋的延伸和擴(kuò)展，提高耐破損性。（圖中的MP6120是適合切削炭鋼和合金鋼的涂層品種）。MP9120涂層最外表有摩擦系數(shù)抵的抗粘附膜層。以往一般刀片涂層和鈦合金間的摩擦系數(shù)是0.7，MP9120降為0.3。同樣依據(jù)不同的切削階段和切削用量。三菱也設(shè)計(jì)準(zhǔn)備了由精加工到準(zhǔn)重切削的JL和JM兩種斷屑槽。通過許多試驗(yàn)和比較，與以往同條件的各情況相比，MP9120比以往的涂層提高壽命約1.2到2.5倍。以后又在此基礎(chǔ)上開發(fā)了硬度比它稍低韌性高于它的MP9130涂層，涂敷在APX型立銑刀的帶二段前角強(qiáng)韌凸形刀片上加工發(fā)動(dòng)機(jī)Inconel 718零件V=30m/min，fz=0.03mm，vf=40mm/min，刀片的壽命提高了2倍以上。

針對(duì)為提高對(duì)難加工材料的切削效率及刀具壽命經(jīng)濟(jì)性。從涂層，基體材料和斷屑槽等幾何結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行不斷地改進(jìn)是我們的方向?！?/p>