航空難加工材料加工技術(shù)探析

顏帆帆+羅彪

【摘 要】：在全球工業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步以及先進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新的背景下，很多領(lǐng)域都對(duì)一些重要的零部件的材料性能，尤其是機(jī)械性能和力學(xué)性能方面提出了更高的要求，如，在航空航天產(chǎn)品加工制造領(lǐng)域。航空產(chǎn)品對(duì)技術(shù)和零部件材料的性能有著非常嚴(yán)格和高的要求，對(duì)材料的強(qiáng)度、硬度、耐熱性、耐磨性、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等都有很高的標(biāo)準(zhǔn)，在航空業(yè)不斷發(fā)展進(jìn)步的前提下，航空難加工材料的加工技術(shù)成為關(guān)注的重點(diǎn)，本文將對(duì)航空難加工材料的加工技術(shù)進(jìn)行分析和討論，為航空加工制造業(yè)提供可行性建議，提高難加工材料技術(shù)水平和能力。

【關(guān)鍵詞】：航空，難加工材料，加工技術(shù)，探析

【引言】：航空航天事業(yè)一直是各個(gè)大國(guó)搶占的制高點(diǎn)，也是促進(jìn)和帶動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。近年來，隨著各國(guó)在航空航天領(lǐng)域的擴(kuò)展和實(shí)施，航空產(chǎn)品的技術(shù)水平和標(biāo)準(zhǔn)不斷升級(jí)優(yōu)化，尤其是對(duì)各種難加工材料的使用，例如，對(duì)金屬切削刀具和技術(shù)提出了更高的要。難加工材料在很多領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用，由于機(jī)械零部件設(shè)計(jì)在負(fù)重減小和體積緊湊上有較高要求，使得很多零部件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)怪異、型面多樣的情況，導(dǎo)致很多高科技新型難加工材料不斷涌現(xiàn)，雖然符合機(jī)械零部件的高強(qiáng)度、高剛性和高密度以及體積小、重量輕的設(shè)計(jì)要求，但是給后期的機(jī)械制造的可加工性和產(chǎn)品性能帶來很大的影響。為了應(yīng)對(duì)這種情況的出現(xiàn)，各國(guó)技術(shù)研究部門都在探究如何讓難加工材料的加工技術(shù)得到改進(jìn)和優(yōu)化，滿足高精尖行業(yè)的需求，尤其是在迫切需要此類材料的航空航天業(yè)中。

1.航空難加工材料及加工技術(shù)關(guān)鍵

航空難加工材料包含鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料和超高強(qiáng)度鋼等，在航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中幾乎沒有普通的工程材料，都是超高強(qiáng)度和高性能的高精尖材料，因此也都是比較難加工的材料。在航空難加工材料中，加工過程中最容易出現(xiàn)的問題為刀具磨損，它直接導(dǎo)致加工成本增加和加工效率降低，另外，加工質(zhì)量也是目前遇到的較大困難和挑戰(zhàn)，影響到產(chǎn)品的使用性能和安全系數(shù)。

2.航空難加工材料的具體加工技術(shù)分析

2.1鈦合金及其加工技術(shù)

鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低，它的切削溫度能夠超出切削45號(hào)鋼的時(shí)候大約數(shù)百度以上，而且鈦合金的彈性模量比較低，加工的時(shí)候容易出現(xiàn)變形，導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)回彈。另外，鈦合金切削和前刀面的接觸長(zhǎng)度比較短，它的化學(xué)活性大，能夠和刀具產(chǎn)生較大的親和力，和大氣中的多種元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成硬且脆的外皮。

鈦合金材料的加工刀具材料選擇及加工條件選擇：如果是低速加工，則可采用高釩高速鋼和高鈷高速鋼；如果是中速加工，則要注意在加工細(xì)晶粒硬質(zhì)合金時(shí)，粘結(jié)磨損較嚴(yán)重，就不宜使用含鈦的刀具，可以使用三氧化二鋁的涂層刀具；如果是高速加工，可以選用涂層硬質(zhì)合金刀具、含鈦涂層硬質(zhì)合金刀具和基體含鈦硬質(zhì)合金刀具。

加工刀具要確保后角較大，最少要大于15°，并且保證前角不能夠過大，從而保證前·后角平衡，確保刃口強(qiáng)度的穩(wěn)定性。在刀具的考慮上，最好選用大螺旋角銑刀。切削液的選擇，應(yīng)該選用含極壓添加劑的油基切削液，但是，其中不可以含氯；采用高壓噴射冷卻液能夠使刀具耐用度得到成倍的提高，從而提升加工的質(zhì)量。

2.2高溫合金及其加工技術(shù)

高溫合金的切削加工特點(diǎn)包含以下幾個(gè)方面：導(dǎo)熱系數(shù)非常低，小于45號(hào)鋼的1/3；高溫下強(qiáng)度比較高，在600-900℃下能夠保持中碳鋼的室溫強(qiáng)度；高溫合金中含有大量的組織較為致密的固溶體，導(dǎo)致切削時(shí)容易出現(xiàn)晶格扭曲，并且扭曲很嚴(yán)重，也容易導(dǎo)致冷卻嚴(yán)重的現(xiàn)象；高溫合金中含有大量的金屬碳化物、氧化物、硼化物和金屬間化物這些硬質(zhì)點(diǎn)。在加工時(shí)，高溫合金材料的切削力是切削一般鋼材的2至3倍，它的切削功耗較大，產(chǎn)生了大量的切削熱量，導(dǎo)致切削溫度非常高。

高溫合金材料的刀具材料及其使用條件如下：拉刀和絲錐等材料的條件為：鈷高速鋼，速度是10m/min；超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金或者涂層硬質(zhì)合金刀具，使用速度為30-70m/min，此時(shí)硬度提升而速度降低；如果是陶瓷材質(zhì)刀具，如Sialon陶瓷、Si3N4陶瓷，則使用速度要大于200m/min，因?yàn)榈退贄l件下刀具磨損會(huì)比較嚴(yán)重，所以速度要有較高的標(biāo)準(zhǔn)，且陶瓷刀具主要用在半精加工過程中。

高溫合金的加工刀具加工時(shí)的技術(shù)參數(shù)為：車刀前角小于10°，后角保持在15°左右；銑刀的前角保持在10°左右、后角15°左右，螺旋角在30-45°范圍內(nèi)；陶瓷刀具或者CBN刀具要使用負(fù)前角。高溫合金材料的切削液使用條件為：如果是高速鋼刀具則使用水基切削液，并以冷卻方式為主，從而避免刀具熱塑變形的出現(xiàn)；如果是硬質(zhì)合金刀具加工，那么最好使用極化切削油，可以達(dá)到抑制粘結(jié)和擴(kuò)散磨損的效果；如果是陶瓷或者CBN刀具加工，那么切削液的使用最好嚴(yán)格而謹(jǐn)慎，可先通過工件熱軟化處理，讓材料更容易切削，然后要注意刀具的韌性，避免熱疲勞以及激冷裂紋的出現(xiàn)。

2.3高強(qiáng)度鋼的切削加工特點(diǎn)和加工技術(shù)

高強(qiáng)度鋼的切削加工特點(diǎn)包含以下特點(diǎn)：切削力度大，因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼的強(qiáng)度非常高，能達(dá)到1960MPa，并具有一定的韌性和硬度，有非常好的綜合機(jī)械性能，所以高強(qiáng)度鋼的切削力較大。例如，在同等條件下，它的切削力可比45號(hào)鋼的單位切削力高出1.17-1.49倍；切削溫度較高，高強(qiáng)度鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，只是45號(hào)鋼的60%，因?yàn)樗那邢鞴谋容^大，切削溫度也就比45號(hào)鋼高出100℃，使得加工刀具的磨損速度比較快；斷削較為困難，高強(qiáng)度鋼的韌性和可塑性非常好，因此，切削時(shí)不容易折斷，導(dǎo)致在切削時(shí)經(jīng)常纏繞在刀具和工件上，影響了切削的進(jìn)度和效果。

那么，對(duì)高強(qiáng)度鋼的加工刀具選擇上，要遵守以下幾點(diǎn)原則：如果是高速鋼刀具，則可以選用Al高速鋼、涂層高速鋼、粉末冶金高速鋼或者Co高速鋼刀具；如果是硬質(zhì)合金刀具，則可以選用添加了鈮、稀土元素的P類合金或者P類涂層合金、TiC基、Ti（C、N）基合金材料刀具；如果選用CBN刀具，那么要選用低含量且高強(qiáng)度的材質(zhì)。

加工刀具的基本參數(shù)要遵循以下幾點(diǎn)要求：刀具刃部強(qiáng)度要比較高，如果是硬質(zhì)合金刀，其前角要在-2°至-4°范圍內(nèi)；如果是陶瓷刀具或者CBN刀具，則前角要在10°左右；刀尖的圓弧半徑在精加工的時(shí)候在0.5-0.8mm范圍內(nèi)，在粗加工時(shí)在1-2mm范圍內(nèi)。

高強(qiáng)度鋼的切削用量技術(shù)要求為：切削速度保持在45號(hào)鋼加工的30%左右，鋼強(qiáng)度高則速度要低；高速鋼加工速度小于10m/min、硬質(zhì)合金加工速度30-80m/min、陶瓷和CBN加工速度為高于100-150m/min。高強(qiáng)度鋼的斷屑技術(shù)注意選擇合適的斷屑臺(tái)和斷屑槽，并根據(jù)斷屑的目標(biāo)設(shè)定而進(jìn)行且削用量的優(yōu)化，可采用振動(dòng)斷屑這些強(qiáng)制斷屑技術(shù)來提高斷屑質(zhì)量和技術(shù)水平。

結(jié)語

航空難加工材料是航空產(chǎn)品加工和生產(chǎn)中較為關(guān)鍵的核心的技術(shù)攻堅(jiān)方向，對(duì)加工工藝、加工方法及加工刀具的技術(shù)提升和優(yōu)化是重點(diǎn)。難加工材料的切削刀具和加工技術(shù)，在刀片基體、幾何角度、涂層技術(shù)以及難加工材料的加工方法上都應(yīng)該不斷突破和創(chuàng)新，根據(jù)不同難加工材料性能選擇不同的刀具和加工條件及參數(shù)，提高航空產(chǎn)品的性能，確保航空事業(yè)的發(fā)展。

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