航空材料加工中刀具材料的选用

邵芳

（贵州理工学院，贵州 贵阳550003）



航空材料加工中刀具材料的选用

邵芳

（贵州理工学院，贵州 贵阳550003）

摘要：随着材料科学的不断发展，新型的复合材料被开发出来，可供于航空产品制作的材料越来越多，在航空材料加工过程中，刀具的选用成为重点。结合航空材料加工过过程中的刀具材料选用要求，分析了多种材料的选用方法。

关键词：航空材料；加工；刀具材料；选用方法

航空材料的种类较多，主要分为金属材料和非金属材料，常见的金属材料有结构钢、不锈钢、高温合金、金属合金等，常见的非金属材料有胶黏剂、绝缘材料、润滑材料、塑料等。随着航空工业的发展，对产品材料的加工过程提出了较高的要求。为了提高加工质量，需要明确不同刀具材料的特点，选用正确的加工刀具。本文旨在明确航空材料加工中刀具的选用要求，结合常见材料的特征，在此基础上总结刀具材料的选用方法。

1　刀具材料的选用要求

在刀具材料的选用过程中，需要明确产品加工的效率和切削速度、进给速度和材料的切除率，其中切削速度和紧急速度的标准单位为m/min，材料切除率的标准单位为mm3/min.在实际加工过程中，如果只提高材料的切削速度，必将导致热量上升，产品的加工效率就会受到散热条件和材料导热性能的影响。因此在材料选用的同时，需要充分考虑环境效应，尽量保证在加工的过程中应用干切削的方法，需要选用红硬性的干切削材料，例如陶瓷、金属陶瓷、氮化硼等，陶瓷的影响一般大于硬质合金。结合实际加工过程来看，切削温度达到700～800℃时，金刚石刀具的表面会出现轻微的碳化问题，因此在干切削的过程中也要严格控制温度。另外，如果刀具材料与产品的材料的相对硬度较大，可以适当提高切削速度[1]。

在选用航空材料加工刀具的过程中，需要重点考虑产品材料与刀具材料之间的化学作用。例如在加工镁铝钛等金属时，由于活性较高，需要选用金刚石刀具或者氮化硼刀具。

在粗加工和断屑加工的过程中需要保证刀具材料的韧性满足加工需求，在精加工中可以选用韧性较低的刀具材料，通常情况下，断裂韧性和冲击韧性较高，此时的刀具材料也具有较高的可靠性，韧性较低的刀具材料可靠性也较低。另外，热等静压的方法可以提高刀具材料结构的均匀性，可以降低性能的离散性。

2　航空材料加工过程中刀具材料的选用

2.1铝合金

在选用铝合金材料加工的过程中，需要重点考虑铝材料的化学活性，铝材料会与多种刀具材料发生化学反应，但与碳不会发生化学反应，所以一般选用金刚石刀具对铝合金材料进行加工。例如在加工高硅铝合金的过程中，刀具的切削刃十分锋利，可以切屑很薄的切屑，在产品材料加工的同时可以有效避免冷硬问题，摩擦系数较低，在切削的过程中不会产生大量的切削瘤，可以将材料表面的粗糙度控制在0.16 μm以下，通常应用于超精密零件的加工中。在铝合金材料的精加工过程中，可以选用氮化硅基陶瓷，简化后期精打磨的工作。

2.2钢铁

一般钢铁逐渐产品的加工，切削速度都会高于350 m/min，此时将这个过程称为高速加工，但必须注意切削速度对刀具材料的影响。如果加工中的切削速度在750 m/min以下，可以应用金属陶瓷刀具和涂层硬质合金；如果加工中的切削速度在510～2000 m/min时，可以选用氮化硅Si3N4陶瓷刀具；如果加工中的切削速度在2000～4500 m/min时，可以选用CBN刀具。针对高硬度钢的加工，在高速切削的过程中可以选用金属陶瓷、TiC涂层硬质合金等道具材料。另外，可以将Al2O3-Ti（NC）基系列陶瓷刀具用于合金钢材料的加工，实现大型薄壁零件的快速切削。在加工高锰刚和高铬钼铸铁零件的过程过程中可以选用氮化硅Si3N4陶瓷刀具。复合型碳化硅材料刀具是提高高锰刚加工效率的理想刀具，切削效率和经济效益高于涂层硬质合金和复合型氮化硅Si3N4材料刀具。

2.3高温合金

在加工高温合金材料的过程中，一般选用高性能高速钢材料、氮化硅陶瓷和氧化铝陶瓷刀具，同时还可以实现断续切削。在加工镍基高温合金的过程中，可以应用增强型Al2O3陶瓷刀具，加工温度可以达到950℃，与硬质合金刀具相比，材料的去除率较高，可以加工航空发动机涡轮盘上的复杂零件，同时应用钻销、铣削和磨削的方法提高加工质量，优化加工参数，保证零件中的孔结构加工符合质量要求。

2.4钛合金

在加工钛合金材料的过程中一般选用粉末高速钢刨刀和铣刀。由于钛金属有较强的化学活性，在加工过程中不能应用陶瓷刀具。由于钛金属在空气中的燃点较低，同时陶瓷刀具和钛合金的导热性能不强，在干切削过程中会产生较高的温度，如果温度超过钛金属的着火点，将引起金属燃烧。另外，在加工钛合金或者含钛金属的不锈钢材料时，不得选用硬质合金刀具，一般硬质合金中的钛元素与或产品材料中的钛元素会产生一定的亲和作用，刀具磨损问题十分严重。在高压冷却剂的作用下，应用聚晶金刚石刀具对钛合金材料进行精加工，可以将产品的粗糙度控制在1.6 μm以内。另外，在加工的过程中必须重点考虑刀具的使用寿命，避免刀具材料与产品材料之间发生反应。

2.5金属基复合材料

含铝的氮化硅材料是常见的金属基复合材料，在加工该类材料的过程中，可以选用立方氮化硼材料和聚晶金刚石材料刀具。在加工过程中，氮化硅颗粒逐渐破裂，加工材料时可以选用人造聚晶金刚石刀具，值得注意的是，应用硬质合金刀具有时会在材料的表面留下残留的进给痕迹，但是表面光亮齐整，可以将材料表面的粗糙度控制在0.8 μm以下。应用人造聚晶金刚石刀具加工时，材料表面的轮廓十分清晰，可以将材料表面的粗糙度控制在0.4 μm以下[2]。

2.6纤维增强复合材料

纤维增强复合材料（例如玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料）中都含有一定量的增强物质，在实际切削加工中会遇到困难，一般应用硬质合金材料刀具和陶瓷材料刀具，但是刀具的寿命较短。因此在众多刀具材料中进行优选，超硬材料刀具成为加工纤维增强复合材料的理想刀具，超硬材料刀具的使用寿命较长，可以广泛应用于材料的精加工在红，另外，不能将薄膜金刚石刀具应用于增强型复合材料的加工，高速钢、硬质合金和聚晶金刚石材料刀具可以应用加工钻孔中。

3　结束语

金属材料的加工过程中，需要避免产品材料与刀具材料之间发生反应，避免材料之间含有较多相同的元素，避免发生亲和作用而引起刀具磨损。一般情况下，陶瓷材料和超硬材料的可以作为刀头，针对形状复杂的零件，可以选用高速钢和硬质合金材料的刀具，精加工时可以应用细晶粒和超细晶粒的合金材料为刀具。最后，在选用刀具的同时，不仅要考虑到材料的费用，还要重视加工过程中的环保效益，控制加工成本。

参考文献：

[1]程艳.航空材料加工刀具的选用要求[J].中国航空航天大学，2014，15（6）:18-19.

[2]赵峻霆，韩小龙.新型机械加工刀具的应用和选择[J].华中科技大学，2015，15（4）:202.

中图分类号:V261

文献标识码：B

文章编号：1672-545X（2016）04-0246-02

收稿日期：2016-01-22

基金项目：1.国家自然科学基金地区基金项目（51465009）；2.贵州省科学技术基金项目（黔科合J字[2014]2085号）；3.贵州理工学院院士工作站（黔科合院士站（2014）4007）；4.贵州省教育厅125计划（黔教合重大专项字[2014]035号）

作者简介：邵芳（1970-），女，山东滨州人，工学博士，教授，数控刀具设计及材料研发。

Selection of Cutting Tool Materials in Aerospace Materials Processing

SHAO Fang
（Guizhou Institute of Technology，Guiyang Guizhou 550003，China）

Abstract:With the continuous development of material science，new type of composite material was developed，more and more in aviation products made of materials，in the process of aviation materials processing，the selection of cutting tool become a focus.Based on the aviation materials processed in the process of cutting tool material selection requirements，material selection of a variety of methods were analyzed.

Key words:aviation materials；processing；cutting tool materials；selection methods