航空制造技術(shù)不但是一個(gè)國(guó)家國(guó)防能力的重要保證，同時(shí)也是其工業(yè)制造技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)逐漸成為世界飛機(jī)零部件的重要轉(zhuǎn)包生產(chǎn)國(guó)，波音、麥道、空客等世界著名飛機(jī)制造公司都在我國(guó)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)尾翼、機(jī)身、艙門和發(fā)動(dòng)機(jī)等各種零部件。目前國(guó)家又從戰(zhàn)略高度決定自主研制大型民用客機(jī)，即大飛機(jī)項(xiàng)目。這些飛機(jī)零部件的加工生產(chǎn)必須采用先進(jìn)的加工裝備和加工工藝。
為此，國(guó)內(nèi)各飛機(jī)制造公司均進(jìn)行了大規(guī)模的技術(shù)改造，引進(jìn)了大量國(guó)外先進(jìn)的加工裝備，使我國(guó)的飛機(jī)制造業(yè)設(shè)備的數(shù)控程度越來(lái)越高。與此同時(shí)，大量高速、高效、柔性、復(fù)合、環(huán)保的國(guó)外切削加工新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使切削加工技術(shù)發(fā)生了根本的變化。刀具在航空加工領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)入了以發(fā)展高速切削、開(kāi)發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的新階段。但我國(guó)的裝備制造業(yè)和以制造業(yè)為主要服務(wù)對(duì)象的傳統(tǒng)的工具工業(yè)目前還不能滿足航空航天工業(yè)對(duì)現(xiàn)代制造裝備和先進(jìn)加工工藝的要求。本文結(jié)合我國(guó)航空制造技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求，分析了我國(guó)刀具制造技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
航空制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)切削加工技術(shù)的要求
1 航空零件結(jié)構(gòu)和材料發(fā)展的新趨勢(shì)
?。?）以整體件為代表的鋁合金結(jié)構(gòu)件。
在航空產(chǎn)品制造中，鋁合金切削加工量很大。首先，鋁合金構(gòu)件比重大。在一架高性能的戰(zhàn)斗機(jī)中，高強(qiáng)度鋁合金構(gòu)件占飛機(jī)整機(jī)重量的比例高達(dá)70%～80%。其次，材料去除率高。為了提高零件的可靠性和減輕重量，傳統(tǒng)的鉚接結(jié)構(gòu)逐步被整體薄壁的機(jī)加工結(jié)構(gòu)件所代替。這類零件多數(shù)采用整體實(shí)心鋁合金材料制成，70%～95%的材料要在加工中去除。如機(jī)身隔框毛坯是重達(dá)0.5t鋁合金鍛件，加工成薄壁整體結(jié)構(gòu)框架時(shí)，重量?jī)H有40kg左右。再次，薄壁、細(xì)筋結(jié)構(gòu)件多，不能承受較大切削力。
?。?）以鈦基和鎳基合金零件為代表的難切削材料零件。
由于鈦（鎳）合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度好、化學(xué)活性大等特點(diǎn)，目前飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件采用鈦基和鎳基合金材料的逐漸增多。這類材料的加工特點(diǎn)是：切削力大、切削溫度高、加工硬化和粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具易磨損。
?。?）以碳纖維復(fù)合材料零件為代表的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。
復(fù)合材料現(xiàn)已成為新一代飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)主要材料之一，如飛機(jī)上的大型整體成形的翼面壁板、帶縱墻的整體下翼面等。主要切削工藝是切長(zhǎng)邊和大量孔加工。
2 航空結(jié)構(gòu)件的切削加工技術(shù)要求及國(guó)產(chǎn)刀具應(yīng)用情況
從航空零件結(jié)構(gòu)和材料的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)可以看出，航空結(jié)構(gòu)件的切削加工技術(shù)主要包括針對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件的高速切削加工技術(shù)和針對(duì)鈦（鎳）基合金等難加工材料的切削加工技術(shù)2個(gè)方面，而切削加工中的突出問(wèn)題是提高生產(chǎn)效率、降低切削力和控制切削溫度。
?。?）鋁合金高速切削加工技術(shù)。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)兩大航空集團(tuán)的飛機(jī)制造骨干企業(yè)均進(jìn)行了大規(guī)模的技術(shù)改造，引進(jìn)的數(shù)控金切機(jī)床總數(shù)就已超過(guò)500臺(tái)，絕大多數(shù)是從歐洲、美國(guó)、日本進(jìn)口的高速加工機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速一般都在10000r/min以上，有的高達(dá)60000～100000r/min，切削速度達(dá)2000～5000m/min，加工進(jìn)給速度達(dá)2～20m/min，材料的去除率達(dá)到30～40kg/h，工作臺(tái)的加（減）速度達(dá)到1～10g。但由于高速加工的相關(guān)配套條件（如刀具技術(shù)、高速加工工藝技術(shù)）未能及時(shí)跟上，大多數(shù)設(shè)備在生產(chǎn)中的實(shí)際使用主軸轉(zhuǎn)速在10000r/min左右，未能充分發(fā)揮設(shè)備的效能。有的企業(yè)采用國(guó)產(chǎn)刀具僅能在6000r/min以下使用，15000r/min以上必須采用進(jìn)口刀具。
?。?）難加工材料的切削加工技術(shù)。
航空動(dòng)力部門大量采用鎳基合金（如Inconel718）和鈦合金（如TiAl6V4）制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件。對(duì)于這些難加工材料，目前國(guó)內(nèi)的切削加工技術(shù)水平還比較低，僅少數(shù)企業(yè)開(kāi)展了部分研究應(yīng)用，切削速度僅能達(dá)到80～100m/min，還沒(méi)有在生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用。
高速切削加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
（1）加工效率高，時(shí)間短。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～5倍，鋁合金切削速度可提高到100m/min以上，為常規(guī)切削速度的10倍。
?。?）刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，進(jìn)刀量很小，剪切變形區(qū)窄，變形系數(shù)ξ減小，切削力降低大概30%～90%。同時(shí)，由于切削力小，讓刀也小，從而提高了加工質(zhì)量。
?。?）刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。
?。?）工件表面質(zhì)量好。首先ap與ae小，工件粗糙度好，其次切削線速度高，機(jī)床激振頻千術(shù)道具率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動(dòng)很小，十分容易獲得好的表面質(zhì)量。
?。?）高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動(dòng)的切屑所帶走，可進(jìn)行高速干切削，不用冷卻液，減少了對(duì)環(huán)境的污染，能實(shí)現(xiàn)綠色加工。
?。?）可完成高硬度材料和硬度高達(dá)HRC40-62淬硬鋼的加工。如采用帶有特殊涂層(TiAlN)的硬質(zhì)合金刀具，在高速、大進(jìn)給和小切削量的條件下，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工，不僅效率高出電加工(EDM)的3～6倍，而且獲得十分高的表面質(zhì)量(Ra0.4)，基本上不用鉗工拋光
高速切削對(duì)刀具制造技術(shù)的新要求
正因?yàn)楦咚偾邢骶哂星邢髁π?、產(chǎn)生的熱量少和零件變形小等優(yōu)點(diǎn)，所以采用四軸或五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行高速銑削加工成為目前提高航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)效率的主要途徑。但高速切削同時(shí)也對(duì)刀具制造技術(shù)提出新的要求，具體包括：哪種好有效的眼霜排行榜補(bǔ)水深層清潔面膜哪種好排名什么止汗好曬后什么牌子的美容工具好
1 精準(zhǔn)設(shè)計(jì)
高速刀具的非正常失效形式有刀體折斷、振動(dòng)、崩刃和過(guò)快磨損，失效的主要機(jī)理是高速切削狀態(tài)下引起局部應(yīng)力集中和加工振動(dòng)，因此，與傳統(tǒng)刀具相比，高速切削刀具的設(shè)計(jì)要求更精密。
（1）在設(shè)計(jì)方法上，應(yīng)通過(guò)建立力學(xué)模型，進(jìn)行應(yīng)力分析和振動(dòng)分析來(lái)計(jì)算或驗(yàn)證刀具的結(jié)構(gòu)形式和具體尺寸。傳統(tǒng)刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用類比法確定。
?。?）在具體設(shè)計(jì)內(nèi)容上，各參數(shù)的確定都要根據(jù)降低慣性離心力、避免應(yīng)力集中、減小彎曲變形、減少磨擦和增加疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則精密確定，各項(xiàng)參數(shù)甚至非工作部位（如頸部、芯部）的尺寸都要嚴(yán)格規(guī)定，切削角度的確定還應(yīng)通過(guò)切削試驗(yàn)確定。在傳統(tǒng)刀具設(shè)計(jì)中，一般只對(duì)直徑尺寸、刃部跳動(dòng)和前后刀面的粗糙度嚴(yán)格要求，其余各參數(shù)則是給出較大的允許范圍，頸部、芯部處的過(guò)渡R而由加工者根據(jù)情況自行確定。
?。?）根據(jù)切削速度規(guī)定合理的動(dòng)平衡精度等級(jí)（或許用不平衡量）。當(dāng)加工中心機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)10000r/min以上時(shí)，刀具系統(tǒng)(含刀刃、刀柄、夾緊裝置)存在不平衡量所產(chǎn)生的慣性離心力會(huì)對(duì)主軸軸承、機(jī)床部件施加周期性載荷，從而引起振動(dòng)，這將影響主軸軸承、刀具壽命、工件表面質(zhì)量，降低工件加工尺寸精度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸬毒咂茡p出現(xiàn)安全事故。因此，對(duì)高速切削刀具必須規(guī)定合理的動(dòng)平衡精度等級(jí)（或許用不平衡量）。
2 采用高性能材料
現(xiàn)有高性能刀具材料包括PCD、CBN、陶瓷刀具、金屬陶瓷、涂層刀具和超細(xì)硬質(zhì)合金刀具等。為了有效預(yù)防高速刀具的提前失效，高速銑刀材料應(yīng)采用具有良好抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞特性的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金或細(xì)晶粒基體+高耐磨性涂層（TiAlN不宜用于鋁合金加工）。當(dāng)WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時(shí)，材料的硬度、韌性、強(qiáng)度、耐磨性等均可提高。普通硬質(zhì)合金晶粒度為3～5?m，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為1～1.5?m(微米級(jí))，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)0.5?m以下(亞微米、納米級(jí))。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗彎強(qiáng)度可提高600～800MPa。目前大多數(shù)國(guó)內(nèi)硬質(zhì)合金材質(zhì)的性能達(dá)不到航空制造業(yè)高速切削的要求，因此國(guó)內(nèi)刀具廠家必須盡快提高超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的制造技術(shù)和涂層工藝水平，并加大新一代抗熱振性好、耐磨性好、壽命長(zhǎng)的刀具材料的研制，加工超級(jí)合金、高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是發(fā)展的重點(diǎn)。超硬材料由于受制造工藝和成本限制，目前多用于車刀等簡(jiǎn)單形狀刀具和難加工材料。
3 精確制造
?。?）用精密數(shù)控設(shè)備加工。實(shí)踐表明，用國(guó)外高精度磨削設(shè)備制造的全磨制銑刀能夠達(dá)到ISO1940標(biāo)準(zhǔn)中要求的G2.5-G6等級(jí)，否則需要G2.5-G6等級(jí)要求進(jìn)行動(dòng)平衡。
?。?）加工刀具時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制磨削速度、磨削深度、進(jìn)給量等參數(shù)，防止被加工刀具表面出現(xiàn)粗糙度超差和磨削燒傷等微觀缺陷。普通銑刀非工作部位出現(xiàn)的微觀缺陷往往容易被忽略，但對(duì)高速銑刀卻可能是致命的，伴隨燒傷會(huì)出現(xiàn)的很大表面殘余應(yīng)力，甚至導(dǎo)致微細(xì)裂紋產(chǎn)生，從而引起刀具的折斷破損。
?。?）確定并標(biāo)注極限轉(zhuǎn)速和不平衡量。刀具上應(yīng)標(biāo)定最大轉(zhuǎn)速值Nmax和不平衡量U，并進(jìn)行在N=2Nmax條件下不發(fā)生彎曲或斷裂的安全試驗(yàn)。
4 科學(xué)使用
與傳統(tǒng)刀具相比，高速切削刀具有較高的使用要求，只有正確的使用條件下才能實(shí)現(xiàn)高效率、高精度、高壽命和低成本的加工目標(biāo)。
首先，通過(guò)切削試驗(yàn)確定高速切削加工的最佳切削用量并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，根據(jù)具體加工對(duì)象選擇合理銑削方式。如，銑槽時(shí)采用短刃刀具分層切削，減短刀具懸伸量，銑內(nèi)腔R時(shí)采用擺線切削，以減小切削力變化量，銑曲面外輪廓時(shí)采用環(huán)形等高銑，避免爬坡銑。此外，還應(yīng)開(kāi)發(fā)適于高速切削加工的編程技術(shù)。
5 精密裝夾
高速切削用的刀具，尤其是高速旋轉(zhuǎn)刀具，由于旋轉(zhuǎn)速度很高，無(wú)論從保證加工精度方面考慮，還是從操作安全方面考慮，對(duì)它的裝夾技術(shù)都有很高的要求。7:24錐柄、彈簧夾頭、螺釘?shù)葌鹘y(tǒng)的刀柄形式和刀具的裝夾方式已不能滿足高速加工的需要。開(kāi)發(fā)新型的高速工具系統(tǒng)已成為高速切削系統(tǒng)的重要組成部分。在刀柄方面：ISO標(biāo)準(zhǔn)的HSK刀柄已成為高速切削刀柄的主流。在夾緊部位方面：國(guó)外各刀具公司研制開(kāi)發(fā)了液壓夾頭、熱裝夾頭、壓入式夾頭等各種刀具夾緊系統(tǒng)。
高速切削存在的問(wèn)題及發(fā)展展望
高速切削是切削加工發(fā)展的主要方向之一，它除依賴于數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新穎構(gòu)件等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展外，自身亦存在著一系列亟待攻克的技術(shù)問(wèn)題，如刀具磨損嚴(yán)重，高速切削刀具切入切出時(shí)破損問(wèn)題，高速切削用刀具材料價(jià)格昂貴，銑、鏜等回轉(zhuǎn)刀具及主軸需要?jiǎng)悠胶猓毒邐A持要牢靠安全，主軸系統(tǒng)昂貴且壽命短，而且所用高速加工機(jī)床及其控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，使得高速切削的一次性投入較大，這些問(wèn)題制約著高速切削的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
高速切削發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)研究方向歸納起來(lái)主要有：(1)新一代高速大功率機(jī)床的開(kāi)發(fā)與研制；(2)高速切削動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性的研究；(3)高速切削機(jī)理的深入研究；(4)新一代抗熱振性好、耐磨性好、壽命長(zhǎng)的刀具材料的研制及適宜于高速切削的刀具結(jié)構(gòu)的研究；(5)進(jìn)一步拓寬高速切削工件材料及其高速切削工藝范圍；(6)開(kāi)發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)；(7)建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)適于高速切削加工的編程技術(shù)以進(jìn)一步推廣高速切削加工技術(shù)；(8)基于高速切削工藝，開(kāi)發(fā)推廣干式(準(zhǔn)干式)切削綠色制造技術(shù)；(9)基于高速切削，開(kāi)發(fā)推廣高能加工技術(shù)。
高效率、高精度、高柔性和環(huán)保性是機(jī)械加工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。高速切削加工技術(shù)必將沿著安全、清潔生產(chǎn)和降低制造成本的方向繼續(xù)發(fā)展，而成為21世紀(jì)切削技術(shù)的主流。
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