航空難加工材料加工技術探析

顏帆帆+羅彪

【摘 要】：在全球工業(yè)技術不斷進步以及先進技術不斷發(fā)展創(chuàng)新的背景下，很多領域都對一些重要的零部件的材料性能，尤其是機械性能和力學性能方面提出了更高的要求，如，在航空航天產(chǎn)品加工制造領域。航空產(chǎn)品對技術和零部件材料的性能有著非常嚴格和高的要求，對材料的強度、硬度、耐熱性、耐磨性、抗壓強度和抗拉強度等都有很高的標準，在航空業(yè)不斷發(fā)展進步的前提下，航空難加工材料的加工技術成為關注的重點，本文將對航空難加工材料的加工技術進行分析和討論，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水平和能力。

【關鍵詞】：航空，難加工材料，加工技術，探析

【引言】：航空航天事業(yè)一直是各個大國搶占的制高點，也是促進和帶動全球經(jīng)濟技術進步的關鍵。近年來，隨著各國在航空航天領域的擴展和實施，航空產(chǎn)品的技術水平和標準不斷升級優(yōu)化，尤其是對各種難加工材料的使用，例如，對金屬切削刀具和技術提出了更高的要。難加工材料在很多領域都有非常廣泛的應用，由于機械零部件設計在負重減小和體積緊湊上有較高要求，使得很多零部件結構出現(xiàn)形狀復雜、結構怪異、型面多樣的情況，導致很多高科技新型難加工材料不斷涌現(xiàn)，雖然符合機械零部件的高強度、高剛性和高密度以及體積小、重量輕的設計要求，但是給后期的機械制造的可加工性和產(chǎn)品性能帶來很大的影響。為了應對這種情況的出現(xiàn)，各國技術研究部門都在探究如何讓難加工材料的加工技術得到改進和優(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關鍵

航空難加工材料包含鈦合金、高溫合金、復合材料和超高強度鋼等，在航空產(chǎn)品結構中幾乎沒有普通的工程材料，都是超高強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分析

2.1鈦合金及其加工技術

鈦合金的導熱系數(shù)較低，它的切削溫度能夠超出切削45號鋼的時候大約數(shù)百度以上，而且鈦合金的彈性模量比較低，加工的時候容易出現(xiàn)變形，導致加工表面出現(xiàn)回彈。另外，鈦合金切削和前刀面的接觸長度比較短，它的化學活性大，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)生化學反應，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，則要注意在加工細晶粒硬質(zhì)合金時，粘結磨損較嚴重，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

高溫合金的切削加工特點包含以下幾個方面：導熱系數(shù)非常低，小于45號鋼的1/3；高溫下強度比較高，在600-900℃下能夠保持中碳鋼的室溫強度；高溫合金中含有大量的組織較為致密的固溶體，導致切削時容易出現(xiàn)晶格扭曲，并且扭曲很嚴重，也容易導致冷卻嚴重的現(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。在加工時，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，因為低速條件下刀具磨損會比較嚴重，所以速度要有較高的標準，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的技術參數(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，可以達到抑制粘結和擴散磨損的效果；如果是陶瓷或者CBN刀具加工，那么切削液的使用最好嚴格而謹慎，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高強度鋼的切削加工特點和加工技術

高強度鋼的切削加工特點包含以下特點：切削力度大，因為高強度鋼的強度非常高，能達到1960MPa，并具有一定的韌性和硬度，有非常好的綜合機械性能，所以高強度鋼的切削力較大。例如，在同等條件下，它的切削力可比45號鋼的單位切削力高出1.17-1.49倍；切削溫度較高，高強度鋼材料的導熱系數(shù)很低，只是45號鋼的60%，因為它的切削功耗比較大，切削溫度也就比45號鋼高出100℃，使得加工刀具的磨損速度比較快；斷削較為困難，高強度鋼的韌性和可塑性非常好，因此，切削時不容易折斷，導致在切削時經(jīng)常纏繞在刀具和工件上，影響了切削的進度和效果。

那么，對高強度鋼的加工刀具選擇上，要遵守以下幾點原則：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度的材質(zhì)。

加工刀具的基本參數(shù)要遵循以下幾點要求：刀具刃部強度要比較高，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候在0.5-0.8mm范圍內(nèi)，在粗加工時在1-2mm范圍內(nèi)。

高強度鋼的切削用量技術要求為：切削速度保持在45號鋼加工的30%左右，鋼強度高則速度要低；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。高強度鋼的斷屑技術注意選擇合適的斷屑臺和斷屑槽，并根據(jù)斷屑的目標設定而進行且削用量的優(yōu)化，可采用振動斷屑這些強制斷屑技術來提高斷屑質(zhì)量和技術水平。

結語

航空難加工材料是航空產(chǎn)品加工和生產(chǎn)中較為關鍵的核心的技術攻堅方向，對加工工藝、加工方法及加工刀具的技術提升和優(yōu)化是重點。難加工材料的切削刀具和加工技術，在刀片基體、幾何角度、涂層技術以及難加工材料的加工方法上都應該不斷突破和創(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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