目前,航空航天制造業(yè)廣泛應(yīng)用的刀具材料主要有以下幾大類:工具鋼(碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼)、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬刀具材料。 其中,硬質(zhì)合金刀具所占比重最大,在航空制造中是主導(dǎo)刀具,應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。與硬質(zhì)合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、熱硬性和耐磨性,且化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金,因此,陶瓷刀具已經(jīng)成為航空航天業(yè)刀具發(fā)展的一個(gè)主流。 在航空航天材料加工過程中,槽加工和孔加工是加工難點(diǎn)。像發(fā)動(dòng)機(jī)盤類零件、軸類零件、機(jī)匣類零件加工對(duì)加工刀具的要求非常高,因此,在這類零部件的加工中高性能硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)刀具和硬質(zhì)合金非標(biāo)刀具使用量非常大。
在實(shí)際加工中刀具的選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素:工件材料、工件形狀、加工要求、加工機(jī)床、系統(tǒng)剛性以及表面質(zhì)量技術(shù)要求等。 以渦輪機(jī)匣零件為例: 1. 從工件材料上分析,變形高溫合金、鑄造高溫合金等難加工材料大量采用,這些難加工材料導(dǎo)熱系數(shù)小、強(qiáng)度大、切削溫度高,易產(chǎn)生加工硬化,切削時(shí)刀具磨損快,刀具壽命短,刀具消耗量大,因此必須合理選擇刀具幾何角度。 2. 從工件結(jié)構(gòu)上來看,壁薄、剛性差、難加工。加工零件凸起部分時(shí),刀具系統(tǒng)容易與零件、夾具干涉,因此,必須對(duì)刀具路徑進(jìn)行優(yōu)化,如插銑加工代替?zhèn)茹?,空行程快速走刀,?yōu)化抬刀位置,采用螺旋插補(bǔ)等方式進(jìn)行銑削。 3. 從加工工序上分析,機(jī)匣需要經(jīng)過粗加工、半精加工、精加工,為了節(jié)省刀具費(fèi)用,在制造這類零件時(shí),粗加工時(shí)可采用高性能陶瓷銑刀,半精加工和精加工時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀具和非標(biāo)高性能專用刀具,這樣可顯著提高生產(chǎn)效率。 4. 從加工經(jīng)濟(jì)性方面上來說,刀具配置方案需要不斷改進(jìn),盡量采用刀具商最新研發(fā)的產(chǎn)品。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、整體葉盤、渦輪葉片等零件的材料大多為鈦合金和鎳基高溫合金,如圖所示,由于大多是薄壁件,因此對(duì)其制造精度要求極高,對(duì)其加工刀具要求亦很高。高溫合金加工時(shí)由于其切削力大、加工硬化傾向大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重使其成為典型的難加工材料。 高溫合金家族共有的特點(diǎn):導(dǎo)熱性差、彈性模量小、化學(xué)活性高和摩擦系數(shù)大,還具有其他高溫合金不具備的高強(qiáng)度、高韌性和高硬度的特點(diǎn)使得其歸屬于難加工材料行列。在車削過程中主要表現(xiàn)在切屑與前刀面接觸面積小,刀尖應(yīng)力集中,切削溫度高,切屑不易折斷并且鋸齒化嚴(yán)重,刀具磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致加工效率很低,工件加工表面質(zhì)量較差。