圖1  VFX型銑刀

航空航天由于特殊嚴(yán)酷的工況，其零部件需要由具有優(yōu)良溫度性能且質(zhì)輕的材料制成，但往往這些材料性能優(yōu)異卻難以加工。

我國(guó)航母艦載飛機(jī)和重載飛機(jī)等的試飛的成功，標(biāo)志著我國(guó)航空設(shè)計(jì)制造水平已邁上新的高度，也激勵(lì)著我們?nèi)パ芯块_(kāi)發(fā)更高質(zhì)量、更和更經(jīng)濟(jì)的加工技術(shù)以保證*產(chǎn)品的不斷研發(fā)制造。

以航空工業(yè)*的美國(guó)波音飛機(jī)為例，原有的747型飛機(jī)目前已發(fā)展到787型，其機(jī)體部分材料構(gòu)成，原來(lái)廣泛應(yīng)用的鋁合金由81%降為20%，鋼由13%降為5%，而鈦合金由4%增加到15%，復(fù)合材料由4%大幅度增加到50%。同樣歐洲的型空客A350XWB，目前鋁合金只占20%，鋼僅占7%，而鈦合金增至14%，復(fù)合材料更高達(dá)52%。

在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，低溫低壓部分一般用鈦合金，zui近也有部分使用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）。高溫高壓部分多用的是鎳基等超耐熱合金如Inconel718、Hasly、Waspaloy以及Rene41等。在一定切削條件下，切削不同材料的難易程度由一般材料、高硅鋁合金、不銹鋼、鈦合金、高硬度鋼、超耐熱合金、CFRP以及陶瓷，加工難度逐步增大。當(dāng)今航空材料主要有金屬材料的鈦合金與超耐熱合金以及以CFRP為代表的復(fù)合材料等，可知均屬難加工材料。

鈦合金特性為：⑴切削過(guò)程中生成的切削熱高，而導(dǎo)熱性差（大約為鋼的1/7，鋁的1/16），切削時(shí)溫度集中在刀尖刃口，可高達(dá)1000℃以上，使刀具高熱易損。⑵鈦合金彈性模量小，易振動(dòng)。切削受力后，彈性恢復(fù)，會(huì)加劇刀具前后刀面的摩擦，進(jìn)一步增加切削溫度，加速刀具磨損。⑶易被加工硬化，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。⑷鈦與耐熱合金的切屑易黏結(jié)在刀具上，在加工中粘結(jié)物被持續(xù)的后加工強(qiáng)制除去時(shí)，刀具會(huì)造成粘結(jié)損傷，而降低刀具壽命。zui廣用的鈦合金是α-β相的Ti-6Al-4V。波音787型用的鈦合金是β相的Ti-l-5V-5Mo-3Cr，更難加工。

鎳基超耐熱合金合金成分比率多，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，阻止在外力作用下滑移，使得合金顯示*硬的性質(zhì)，比強(qiáng)度大，要加工它們，必須作更大的功，產(chǎn)生更多的熱。其導(dǎo)熱性又差，切削中生成的熱量不易排出，使溫度達(dá)到更高。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，它們的機(jī)械，粘結(jié)，擴(kuò)散和氧化等磨損更嚴(yán)重，因此它們比鈦合金更難以加工。

圖2  CoolSter系列整體立銑刀

刀具新材料的開(kāi)發(fā)

新刀具開(kāi)發(fā)的方向應(yīng)是更耐熱，導(dǎo)熱更好，更耐磨，韌性也更高。循此方向三菱公司開(kāi)發(fā)了RT9005和RT9010等新型硬質(zhì)合金。因?yàn)閿嗬m(xù)切削需更高的韌性，就直接使用了超細(xì)微粒硬質(zhì)合金TF15（晶粒在1μm以下具細(xì)小組織，其強(qiáng)度、硬度和韌性綜合性能均高）。

對(duì)于鈦合金，RT9005較硬、耐熱、耐磨且耐塑性變形，但韌性稍差，故用于對(duì)其高速連續(xù)加工；RT9010耐磨性韌性較平衡，一般為車削時(shí)的；TF15則用于斷續(xù)表面不穩(wěn)定加工時(shí)。在這三種刀片上用MIRACLE*物理涂層技術(shù)涂以AlTiN時(shí)，其硬度和氧化起始溫度提高，與基體結(jié)合力也好，而摩擦系數(shù)降低，適用于超耐熱合金的相應(yīng)加工。這類刀片材料除了用于車削外，也可用作銑刀的可轉(zhuǎn)位刀片材料。

斷屑槽設(shè)計(jì)

現(xiàn)代斷屑槽的概念不僅是為斷屑和排屑，還包含在保證刀片足夠的強(qiáng)度條件下，在粗、半精和精加工等不同的加工階段的切削用量下，以不同的斷屑槽結(jié)構(gòu)，減少切削力和切削熱，使切屑順利被切下，及時(shí)彎曲，折斷并排出。斷屑槽的合理設(shè)計(jì)選用和能否實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、率、低成本及無(wú)人化加工等直接相關(guān)。三菱公司專為加工難加工材料，研究開(kāi)發(fā)了具有12°~20°可變前角特殊結(jié)構(gòu)斷屑槽，其中有適宜于準(zhǔn)重切削的GJ斷屑槽和適宜半精加工到精加工的MJ斷屑槽，這兩種用于模壓制出M級(jí)精度刀片。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件上有許多槽，槽加工由于是三面受力，切削力大、切削熱高，散熱、排屑、冷卻和剛性等條件差。三菱開(kāi)發(fā)了三面鎖緊的GY系列刀柄，大大地提高了剛性和抗振性能，再配以合適的各種斷屑槽，可進(jìn)一步改善切削。在冷卻系統(tǒng)上，切外圓槽時(shí)采用雙向冷卻孔噴射冷卻液，在內(nèi)圓切槽時(shí)，噴出的冷卻液利用工件的旋轉(zhuǎn)力，沖向刀尖，故加工效率很高，加工精度與表面質(zhì)量好。

銑削刀具設(shè)計(jì)

三菱公司zui近在鈦合金粗銑加工方面研發(fā)制造了VFX系列立銑刀（圖1），其外圓周刃可加工側(cè)面和臺(tái)階面的立面。底刃可加工平面。粗大的刀體結(jié)構(gòu)和立裝刀片使其整體剛性提高。刀片下部形狀為V形，刀片被在刀體上的雙V形定位塊定位。雙V形塊的角度較大，有一定的厚度，再加側(cè)面定位，刀片在刀體上被定位卡緊后安裝剛性很高。高剛性使刀具在加工中變形，振動(dòng)得以改善，立銑刀與工件相對(duì)位置穩(wěn)定，加工精度和加工表面質(zhì)量可保證提高。VFX系列銑刀的刀片材料是MP9030，這是針對(duì)鈦合金新開(kāi)發(fā)的。刀片的刀刃呈曲線形，切入工件平穩(wěn)，切削力減小，生成熱量較小，加工的質(zhì)量得以提高。內(nèi)部的冷卻液可直接作用在剛分離的切屑上，使切屑抬離前刀面，并強(qiáng)制排出，以防止黏結(jié)在刀片上，從而延長(zhǎng)刀具壽命，并能提高切削用量和加工效率。VFX系列銑刀的冷卻潤(rùn)滑液噴嘴可據(jù)機(jī)床所供壓力進(jìn)行更換，不同的壓力有不同的孔徑，不同的流量的噴嘴。VFX系列鈦合金加工用立銑刀粗加工效率特別高，以直徑為63mm為例，zui大排屑量可達(dá)400cm3/min。

較粗大帶可轉(zhuǎn)位立銑刀為保證冷卻液的良好供應(yīng)必須裝有帶冷卻孔的刀盤(pán)。一般立銑粗加工大工件時(shí)，為經(jīng)濟(jì)起見(jiàn)可用帶可轉(zhuǎn)位刀片的立銑刀，而精加工則多應(yīng)用精度較高的整體立銑刀。三菱公司為精加工鈦合金，耐熱合金等開(kāi)發(fā)了一系列整體硬質(zhì)合金立銑刀，大大提高了抗振性能和加工質(zhì)量，排屑更順暢，有利地實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定加工。

另外，在上述整體硬質(zhì)合金立銑刀型號(hào)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的CoolStar系列整體立銑刀（圖2），其zui大特點(diǎn)是整個(gè)立銑刀切削部分分布許多冷卻液孔，這些冷卻液孔的位置均經(jīng)過(guò)優(yōu)化，能夠發(fā)揮優(yōu)異的冷卻作用，提高加工穩(wěn)定性。由于刀具整體各處均能穩(wěn)定地供應(yīng)冷卻液，可以順利地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的各種加工。

復(fù)合材料的加工刀具

復(fù)合材料是兩種或兩種以上不同特性材料組合，從而具有某種特定性能的材料。碳纖維復(fù)合材料主要用在飛機(jī)機(jī)體，故它的加工多用鉆削和銑削。鉆削通常用的麻花鉆由于頂部存在橫刃，橫刃不產(chǎn)生切削作用，只是擠壓滾卷纖維，是鉆削軸向分力和切削熱的主要來(lái)由。再加上碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性極差，很易造成燒傷。

三菱新開(kāi)發(fā)的MCS型鉆頭首先在其后刀面（頂面）修磨去橫刃并構(gòu)成三重后刀面，減少了軸向力和頂端的摩擦發(fā)熱。主刀刃設(shè)計(jì)為專適用于CFRP及其與鋁合金的復(fù)合板加工用的鋒利波形刃。它優(yōu)化了主刀刃各處的前角分布，從而減少了切削力和可能產(chǎn)生的毛刺。為了減少切削熱，MCS型鉆頭設(shè)計(jì)具有三角形冷卻孔的TRI-cooling技術(shù)，并在鉆頭結(jié)構(gòu)上增大了容屑排屑空間。為使鉆頭在這樣嚴(yán)酷的條件下還能耐磨，其表面采用的CVD法沉積的多層微粒金剛石涂層DD220，其耐磨性與平滑性俱佳。它在加工CFRP及其與鋁合金的復(fù)合板時(shí)，進(jìn)出口處及鋁合金兩端精度都較過(guò)去大幅度提高。

在立銑刀方面三菱也是采用了以CVD法構(gòu)成的金剛石涂層。立銑刀的結(jié)構(gòu)有兩種，一是重視加工表面質(zhì)量的DFC-4JC型，其螺旋角小，可降低軸向阻力，減少毛刺和分層，從而獲得良好的加工表面；一是重視加工效率的DFC-JRT型，其采取交叉分屑槽結(jié)構(gòu)，從而降低切削力和切削熱，實(shí)現(xiàn)加工。二者加工時(shí)的冷卻方式是吹壓縮空氣。有些情況下GFRP（玻璃纖維復(fù)合材料）使用較多時(shí)，切削加工用各種刀具基體材料可同上，表面可用三菱特殊開(kāi)發(fā)的DLC（類金剛石）涂層，加工效率高，而且非常經(jīng)濟(jì)。