陶瓷刀具在航空零部件上的應用

梁永朝

中國航發商用航空發動機有限責任公司 上海 201306

1 序言

在航空發動機領域，高溫合金材料的使用非常廣泛，涵蓋高壓壓氣機、燃燒室、渦輪、渦輪后機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，零件的冷加工對刀具的依賴程度高。實現高質量、高效率且低成本加工高溫合金零部件，是現代航空制造業不斷追求的目標。陶瓷刀具是現代金屬切削中的一種新型材料刀具，它不僅能提高生產效率，加工普通刀片不能加工的超硬材料，而且是現有各類刀具的補充，是刀具家族中的一支新生力量，近年來在航空制造業中的應用越來越廣泛。

2 陶瓷刀具的分類及性能特點

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，能夠結合金屬和陶瓷兩種材料的性能優勢獲得理想的切削性能。根據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

陶瓷刀具有許多獨特的優點，如高耐熱性、高強度和耐磨性，以及良好的高溫力學性能等，可以加工傳統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腐蝕能力，具有極小的金屬親和力。

陶瓷刀具之所以具備優良的切削性能，材料的力學特性是其根本所在。Al2O3系陶瓷刀具的硬度達77～79.5HRA，在高溫下有較好的化學穩定性、耐磨性和耐熱性，高溫硬度大，在1200℃高溫下仍能進行切削（此時硬度為58HRA），如果加入一定的穩定劑并采用熱壓成形技術，可使刀具在1800℃高溫下仍能保持硬度和耐磨性。同時在高溫下刀具與工件間不產生化學反應，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℃的高溫下長時間進行切削仍能保持一定硬度和強度。因此用Si3N4系陶瓷刀具加工時允許采用遠高于硬質合金刀具的切削速度實現高速切削（其切削速度可比硬質合金刀具提高3～10倍）[5]。

陶瓷刀具雖然具有高速高效切削的特點，但切削過程還存在較多的問題，導致其使用壽命短。主要問題一是在高速高溫狀態下刀具磨損嚴重，在低速切削時，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，黏著磨損和化學磨損越來越突出（見圖5a）。當用陶瓷刀具高速切削鎳基高溫合金時，往往磨損集中在切削刃的一點，磨損形態與切削普通金屬時明顯不同，其特點是常出現嚴重的溝槽磨損（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，使切削刃形狀發生變化。高速切削時，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度、抗沖擊韌性低，脆性大，刀具加工狀態不好，極易破碎。加工過程中，刀具在碰到零件尖邊、毛刺而受沖擊，或切削刃加工區域接觸面積急劇增大的情況下，受力就會突變，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 陶瓷刀具的應用

3.1 陶瓷刀具應用的注意事項

合理的使用方法是保證陶瓷刀具成功應用的關鍵。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、刀具幾何角度和切削參數，特別是切削參數，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；二是要注意進給方式，其直接影響著刀具的使用壽命和切削表面質量。采用變深度切削的方式（見圖8a），改變切削深度，可以擴大刀具表面磨損的分布面積，進而降低刀面同一接觸點的磨損，從而提高刀具使用壽命；采用斜線進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，在進行下一刀切削時，采用直線進刀方式，此時工件表面已經是斜面，斜向切削時切削深度由深到淺，此時刀具表面與工件的接觸點也在逐漸變化（見圖8b），通過這種循環往復的變深度切削方式，降低了刀具面同一接觸點的磨損，延長刀具的使用壽命，工件加工表面質量也會得到較大改進。

圖7 陶瓷刀具的切削深度

圖8 陶瓷刀具的進給方式

此外還要注意的是：①陶瓷刀具適合高速和小進給量切削，要求功率大，轉速高，剛性與穩定性好的機床，這是由于陶瓷刀具對沖擊和振動載荷比較敏感，系統剛性差會使陶瓷刀具壽命降低或引起崩刃。②陶瓷刀具達到磨損標準要及時換刀，否則會造成刀具嚴重崩刃或破損，因此在使用過程中要開展相關切削試驗，針對特定加工工件，測量陶瓷刀具模型極限，建立陶瓷刀具磨損標準，及時換刀。③由于陶瓷刀具對熱應力很敏感，當高速切削時，刀具溫度會逐漸升高，陶瓷刀具的高溫韌性會得到充分發揮，因此切削時一般不用切削液。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 陶瓷刀具在航空發動機零部件上的應用

近年來隨著航空制造業的迅速發展，傳統硬質合金刀具已難以滿足生產需要，特別是在航空發動機制造領域，陶瓷刀具以其優良的切削性能和高的性價比得到越來越廣泛的應用。

（1） 陶瓷刀具在鼓筒軸零件上的應用 航空鼓筒軸零件（見圖10）屬于薄壁空腔結構類零件，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），是一種時效沉淀強化型鎳基高溫合金。作為一種難加工材料，Inconel 718具有導熱性較差、加工硬化嚴重和易粘刀等特點，切削加工性能較差。

圖10 航空鼓筒軸零件

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

圖11 硬質合金刀具余量加工與陶瓷刀具對比

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

圖12 WG-300晶須增強型陶瓷刀具

通過現場加工試驗，不斷摸索適合的加工參數，最終確定了加工參數的線速度為200m/min，進給量為0.25mm/r，切削深度為2mm。同時在前期多輪試驗的基礎上，對陶瓷刀具的進給方式進行了調整，進給時，采用了斜向進給與直線進給交替進行的方式。該進給方式的最大優勢是每次切削時切削刃與加工零件的接觸點在不斷變化，這樣能夠有效減小刀具在同一接觸點的持續磨損，減小溝槽磨損的程度，50倍放大后刀具磨損帶測量值為0.472mm（見圖13），未出現崩刃或打刀的現象，磨損狀態正常，與硬質合金刀具相比，不僅減少了換刀時間，而且大大提高了刀具的使用壽命。陶瓷刀具和硬質合金刀具的加工參數對比見表1。

表1 陶瓷刀具和硬質合金刀具的加工參數對比

圖13 50倍放大刀具磨損帶測量

在半精加工過程中，特別是在內形面車削時，最初采用陶瓷刀具去除余量，之后再采用硬質合金刀具清根的方式，但是實際過程中操作人員要進行頻繁換刀、對刀，不利于加工效率的提升，因此，對加工方式進行了進一步的改進試驗。具體方式是在采用陶瓷刀具完成形面半精加工后，不再采用硬質合金刀具進行清根處理，而是繼續采用陶瓷刀具進行清根，加工參數與之前試驗參數接近，這樣大大縮短了換刀、對刀時間，加工效率得到進一步的提升，陶瓷刀具的加工作用得到了進一步的發揮。加工方式改進前后對比如圖14所示。

圖14 陶瓷刀具內形面車削加工方式改進前后對比

（2）陶瓷刀具在彈性支承零件上的應用 彈性支承是航空發動機上一類重要零件，主要用來減少轉子的支承剛性，降低轉子的臨界轉速（或共振轉速），使發動機常用的工作轉速大于臨界轉速。某發動機上籠式彈性支承件材料為15-5PH不銹鋼，零件結構較為復雜，內部基本為空腔結構，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，其加工難點主要有以下幾點。

1）刀具容易磨損，不銹鋼中的碳化物硬質點使刀具加劇磨損，在前刀面上產生月牙洼磨損。

2）加工硬化現象嚴重，硬化層的硬度可達基體硬度的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，切屑連綿不斷，容易損傷已加工表面，同時為切屑控制帶來困難。

6）切削過程中，容易產生積屑瘤，不僅加劇刀具磨損，而且會導致已加工表面出現撕裂現象。

針對彈性支承零件上述加工難點，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，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硬質合金菱形刀片磨損較嚴重，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行提效加工試驗。刀片型號為RCGX 070600，刀具半徑為3.97mm，如圖17所示。

圖17 RCGX 070600型陶瓷刀

采用該陶瓷刀具進行粗加工時（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，通過切削試驗不斷摸索加工參數，陶瓷刀具與硬質合金加工刀具加工參數對比見表2。通過對比可知，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揮。

圖18 陶瓷刀具粗加工

表2 粗加工時陶瓷刀具和硬質合金刀具的加工參數對比

4 陶瓷刀具的最新進展

近年來陶瓷刀具在航空制造領域的應用在不斷擴展，隨著越來越多新材料在航空制造領域的應用，材料性能在不斷提升，對數控加工技術的要求也在逐步提高，因此，對新型陶瓷刀具研究與應用的需求也在不斷擴展。雖然陶瓷刀具有著優良的切削性能，但由于刀具材料脆性較大，強度和韌性較低，因此在很大程度上限制了它的推廣應用。事實上，硬度高的材料往往強度和韌性低，如果要提高韌性，往往是以硬度的下降為代價。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）又具有高強度和韌性的陶瓷成為陶瓷刀具材料研究的熱點。

現階段，陶瓷刀具新材料的研究主要集中在4個方面：超微粉陶瓷刀具、復相陶瓷刀具、涂層刀具以及金屬陶瓷刀具。其中，復相陶瓷刀具的研究尤為突出[11]，其增韌機理是通過控制燒結工藝使其內部微觀組織產生增韌相以實現增韌的效果，添加的增強相如TiC、TiN、TiB、SiCp、SiCw、（W，Ti）C、WC、Mo2C、ZrO2及Y2O3等成分，利用第二相、第三相材料進行顆粒彌散強化、纖維補強、晶須增韌、相變增韌或協同增韌補強，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，主要應用于切削調制合金鋼，它的切削速度以及刀具比一般的刀具要高，使用壽命長并且因為金屬陶瓷中含有少量的金屬成分，所以可以獲得較細的表面質量[13]。

隨著其組成結構和壓制工藝的不斷改進，特別是納米技術的發展，使得陶瓷刀具的增韌成為可能[14]。

5 結束語

通過對陶瓷刀具的分類及性能特點分析，總結了陶瓷刀具使用過程中的注意事項，并根據陶瓷刀具在航空鼓筒軸零件及彈性支承零件上的實際應用，對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）時的切削性能進行了試驗分析，摸索出了加工相應材料零件的切削參數，并與硬質合金刀具進行了對比分析，通過試驗可知，陶瓷刀具的線速度可達200m/min，是硬質合金刀具線速度的5倍，大幅提高了零件的加工效率，有效降低了加工成本。同時嘗試采用變切削深度加工及直線進給與斜線進給往復交替式的新型進給方式，有效降低了刀面同一接觸點的持續磨損，提高了刀具的使用壽命。