航空难加工材料加工技术探析

颜帆帆+罗彪

【摘 要】：在全球工业技术不断进步以及先进技术不断发展创新的背景下，很多领域都对一些重要的零部件的材料性能，尤其是机械性能和力学性能方面提出了更高的要求，如，在航空航天产品加工制造领域。航空产品对技术和零部件材料的性能有着非常严格和高的要求，对材料的强度、硬度、耐热性、耐磨性、抗压强度和抗拉强度等都有很高的标准，在航空业不断发展进步的前提下，航空难加工材料的加工技术成为关注的重点，本文将对航空难加工材料的加工技术进行分析和讨论，为航空加工制造业提供可行性建议，提高难加工材料技术水平和能力。

【关键词】：航空，难加工材料，加工技术，探析

【引言】：航空航天事业一直是各个大国抢占的制高点，也是促进和带动全球经济技术进步的关键。近年来，随着各国在航空航天领域的扩展和实施，航空产品的技术水平和标准不断升级优化，尤其是对各种难加工材料的使用，例如，对金属切削刀具和技术提出了更高的要。难加工材料在很多领域都有非常广泛的应用，由于机械零部件设计在负重减小和体积紧凑上有较高要求，使得很多零部件结构出现形状复杂、结构怪异、型面多样的情况，导致很多高科技新型难加工材料不断涌现，虽然符合机械零部件的高强度、高刚性和高密度以及体积小、重量轻的设计要求，但是给后期的机械制造的可加工性和产品性能带来很大的影响。为了应对这种情况的出现，各国技术研究部门都在探究如何让难加工材料的加工技术得到改进和优化，满足高精尖行业的需求，尤其是在迫切需要此类材料的航空航天业中。

1.航空难加工材料及加工技术关键

航空难加工材料包含钛合金、高温合金、复合材料和超高强度钢等，在航空产品结构中几乎没有普通的工程材料，都是超高强度和高性能的高精尖材料，因此也都是比较难加工的材料。在航空难加工材料中，加工过程中最容易出现的问题为刀具磨损，它直接导致加工成本增加和加工效率降低，另外，加工质量也是目前遇到的较大困难和挑战，影响到产品的使用性能和安全系数。

2.航空难加工材料的具体加工技术分析

2.1钛合金及其加工技术

钛合金的导热系数较低，它的切削温度能够超出切削45号钢的时候大约数百度以上，而且钛合金的弹性模量比较低，加工的时候容易出现变形，导致加工表面出现回弹。另外，钛合金切削和前刀面的接触长度比较短，它的化学活性大，能够和刀具产生较大的亲和力，和大气中的多种元素产生化学反应，从而形成硬且脆的外皮。

钛合金材料的加工刀具材料选择及加工条件选择：如果是低速加工，则可采用高钒高速钢和高钴高速钢；如果是中速加工，则要注意在加工细晶粒硬质合金时，粘结磨损较严重，就不宜使用含钛的刀具，可以使用三氧化二铝的涂层刀具；如果是高速加工，可以选用涂层硬质合金刀具、含钛涂层硬质合金刀具和基体含钛硬质合金刀具。

加工刀具要确保后角较大，最少要大于15°，并且保证前角不能够过大，从而保证前·后角平衡，确保刃口强度的稳定性。在刀具的考虑上，最好选用大螺旋角铣刀。切削液的选择，应该选用含极压添加剂的油基切削液，但是，其中不可以含氯；采用高压喷射冷却液能够使刀具耐用度得到成倍的提高，从而提升加工的质量。

2.2高温合金及其加工技术

高温合金的切削加工特点包含以下几个方面：导热系数非常低，小于45号钢的1/3；高温下强度比较高，在600-900℃下能够保持中碳钢的室温强度；高温合金中含有大量的组织较为致密的固溶体，导致切削时容易出现晶格扭曲，并且扭曲很严重，也容易导致冷却严重的现象；高温合金中含有大量的金属碳化物、氧化物、硼化物和金属间化物这些硬质点。在加工时，高温合金材料的切削力是切削一般钢材的2至3倍，它的切削功耗较大，产生了大量的切削热量，导致切削温度非常高。

高温合金材料的刀具材料及其使用条件如下：拉刀和丝锥等材料的条件为：钴高速钢，速度是10m/min；超细晶粒硬质合金或者涂层硬质合金刀具，使用速度为30-70m/min，此时硬度提升而速度降低；如果是陶瓷材质刀具，如Sialon陶瓷、Si3N4陶瓷，则使用速度要大于200m/min，因为低速条件下刀具磨损会比较严重，所以速度要有较高的标准，且陶瓷刀具主要用在半精加工过程中。

高温合金的加工刀具加工时的技术参数为：车刀前角小于10°，后角保持在15°左右；铣刀的前角保持在10°左右、后角15°左右，螺旋角在30-45°范围内；陶瓷刀具或者CBN刀具要使用负前角。高温合金材料的切削液使用条件为：如果是高速钢刀具则使用水基切削液，并以冷却方式为主，从而避免刀具热塑变形的出现；如果是硬质合金刀具加工，那么最好使用极化切削油，可以达到抑制粘结和扩散磨损的效果；如果是陶瓷或者CBN刀具加工，那么切削液的使用最好严格而谨慎，可先通过工件热软化处理，让材料更容易切削，然后要注意刀具的韧性，避免热疲劳以及激冷裂纹的出现。

2.3高强度钢的切削加工特点和加工技术

高强度钢的切削加工特点包含以下特点：切削力度大，因为高强度钢的强度非常高，能达到1960MPa，并具有一定的韧性和硬度，有非常好的综合机械性能，所以高强度钢的切削力较大。例如，在同等条件下，它的切削力可比45号钢的单位切削力高出1.17-1.49倍；切削温度较高，高强度钢材料的导热系数很低，只是45号钢的60%，因为它的切削功耗比较大，切削温度也就比45号钢高出100℃，使得加工刀具的磨損速度比较快；断削较为困难，高强度钢的韧性和可塑性非常好，因此，切削时不容易折断，导致在切削时经常缠绕在刀具和工件上，影响了切削的进度和效果。

那么，对高强度钢的加工刀具选择上，要遵守以下几点原则：如果是高速钢刀具，则可以选用Al高速钢、涂层高速钢、粉末冶金高速钢或者Co高速钢刀具；如果是硬质合金刀具，则可以选用添加了铌、稀土元素的P类合金或者P类涂层合金、TiC基、Ti（C、N）基合金材料刀具；如果选用CBN刀具，那么要选用低含量且高强度的材质。

加工刀具的基本参数要遵循以下几点要求：刀具刃部强度要比较高，如果是硬质合金刀，其前角要在-2°至-4°范围内；如果是陶瓷刀具或者CBN刀具，则前角要在10°左右；刀尖的圆弧半径在精加工的时候在0.5-0.8mm范围内，在粗加工时在1-2mm范围内。

高强度钢的切削用量技术要求为：切削速度保持在45号钢加工的30%左右，钢强度高则速度要低；高速钢加工速度小于10m/min、硬质合金加工速度30-80m/min、陶瓷和CBN加工速度为高于100-150m/min。高强度钢的断屑技术注意选择合适的断屑台和断屑槽，并根据断屑的目标设定而进行且削用量的优化，可采用振动断屑这些强制断屑技术来提高断屑质量和技术水平。

结语

航空难加工材料是航空产品加工和生产中较为关键的核心的技术攻坚方向，对加工工艺、加工方法及加工刀具的技术提升和优化是重点。难加工材料的切削刀具和加工技术，在刀片基体、几何角度、涂层技术以及难加工材料的加工方法上都应该不断突破和创新，根据不同难加工材料性能选择不同的刀具和加工条件及参数，提高航空产品的性能，确保航空事业的发展。

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