车削铣削航空用金属难加工材料的新刀片

尚亚国际贸易公司 章宗城

航空关键用零部件的材料要求在高温和低温条件下，比强度高、综合性能好、化学稳定性好而且质量轻。当代作为航空用金属材料有铝合金、钛合金、超耐热合金等。其中属难于加工材料的钛合金和超耐热合金，主要用于喷气发动机。低温低压部分一般用钛合金，高温高压部分多用的是镍基超耐热合金，如Inconel718、Hastelly、Waspaloy、Rene41等和钴基的Trilbaloy，司太立合金等。

钛合金和超耐热合金的难切削程度，若以含硫易削钢的易削指数为100。奥氏体不锈钢为45，钛合金中的Ti-6Al-4V为26，Inconel718为12，Rene41则在5以下，可知难削性依次以2的幂指数增加。

钛合金及其加工特性

（1）切削过程中生成的切削热高，且导热性差（约为钢的1/7，铝的1/16），从而使温度集中在刀尖刃口，常高达1000℃以上，易使刀具因高热性能下降而损伤。

（2）钛合金弹性模量小，切削后钛材弹性恢复压向刀具，会加剧与刀具的摩擦，进一步增加切削温度，加速刀具磨损。还易引起振动。

（3）易加工硬化，且自身化学活性大，易与空气中氧等反应，使表面变硬，加剧刀具的磨损。特别是造成刀具的边界沟状磨损(Groving wear)。

（4）钛合金的切屑易黏结在刀具上，在加工中黏结物被持续的后加工强制除去时，刀具表面部分材料会随切屑带走，从而造成粘结损伤，降低刀具寿命。最广泛使用的钛合金是α-β相的Ti-6Al-4V。波音787型多用的钛合金是β相的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr，更难加工。

镍基超耐热合金及其加工特性

镍基超耐热合金含合金成分比率多，合金元素与碳构成各种碳化物和复杂碳化物，这些碳化物不溶于合金，而是以极细颗粒形式弥散分布在晶界，强化晶界，阻止在外力作用下晶面滑移，使得合金显示超强硬的性质，比强度大。

要加工它们，必须用更大的力，作更多的功，这必然同时产生更高的热。这些材料本身导热性又差，切削中生成的热量不易排出，使温度非常高、磨损加剧，一般刀片材料无法持续加工。钛合金的难加工特点许多在超耐热合金中显示得更剧烈，其机械、粘结、扩散和氧化磨损更严重，因此它们比钛合金更难以加工。

为开发钛合金与超耐热合金加工用的优秀车、铣刀具，应该采用最先进的刀片材料和涂层，提高其高温硬度，综合机械性能。同时要研究设计新型刀片的几何形状，合理的断屑槽，使切削热下降，使热量加快导出，加速排屑，减少各类损伤。

车削新涂层的开发

图1 新高铝PVD涂层及其性能提高原理

三菱公司在这方面作出许多努力，有不少成果。多年前他们在硬质合金中改善了碳化物的分布，开发了易导热以R打头基体硬质合金材料系列。如RT9005，RT9010等。在此基础上以他们独特的MIRACLE物理涂层技术，涂覆（Al、Ti）N又取得了较好的加工效果。一般来说；涂层中Al含量增多，高温中形成优秀的抗粘附、硬度又高的非晶质铝氧化合物层，加工中会不断地自行更新，防止涂层和涂层下基体材料发生氧化损失、Al含量增多，尚可促使组织微结构化，合金化进一步提高涂层的机械、物理、化学性能。Al增多，铝氮化物的优良的性能也可得以更大发挥。但是Al含量增多也可如图1所示，超过一定的量后，膜层中形成软质相，反使表面硬度下降，性能变坏。三菱最近开发了能使铝含量大幅增加、形成高铝单层均质涂层的PVD新技术。它不生成软质相，硬度反可提高到HV3000，而且热稳定性好。使耐后刀面机械磨损、耐前刀面月牙洼磨损和耐粘结损伤性能均得以大幅提高。其涂层牌号有适合精车到半精车用的MP9005和适合粗车到半精车的MP9015。前者耐磨性更高，适合在切削超耐热合金时，切削速度高至100M/min左右的加工，后者综合性能优异，适合有一定冲击负荷的加工。

断屑槽的形状结构设计

断屑槽的形状结构设计直接影响刀具的切削性能，非常重要。各个加工阶段切削用量不同，这就需要不同结构的断屑槽。为顺利切削航空金属难加工材料。三菱分别为精，半精，粗三阶段加工，设计造出LS、MS、RS三种断屑槽。它们适合这些材料在以上三阶段的连续切削和轻微断续切削。涂层和断屑槽MP9005+LS的CNMG型刀片，以V=100m/min，f=0.15mm/r，ap=0.25mm的切削用量，精车发动机零件Inconel718，外圆、端面、内孔连续切削，比起过去的刀片材料，寿命提高2～5倍。在半精车中，采用MP9015+MS涂层和断屑槽的CNMG型刀片。以V=40m/min，f=0.2，ap=2mm比以往刀片材料，寿命提高2倍。

车削注意事项

在切削难加工材料时，还要注意的是——它们易加工硬化，前道工序留下的表面硬度很高，易形成切深边界的沟状磨损。为此需要正确地选择刀尖的圆弧半径R，三菱推荐的经验是——应使R大于切削深度ap×1.5。如ap=0.6mm，0.6×1.5mm=0.9mm，那么可以选用R=1.2mm，的标准刀尖圆弧半径的刀片。适当地增大R的实质是；可减小主偏角如图2所示。可见R增大，主偏角减小，使切深边界处切削力分散，减小，缓和了该处的磨损。另外，为减少切屑缠绕可多采用提拉式加工，（见图3）。

图2 减少主偏角改善边界磨损

图3 提拉加工图

钛合金车削特点

钛合金一般涂层中多含钛，车削钛合金时，往往由于车刀与工件持续接触加工，切削区域温度特别高，再加二者同含钛，亲和力大，互相黏附力强，持续加工强使它们分离时造成黏结磨损大、涂层剥落、崩刃以及加工表面质量差等问题。故车削钛合金时，采用无涂层优质硬质合金材料为好。三菱公司为此开发了耐热耐磨性耐破损性均高，切削刃可磨制锋利，专适于钛合金从粗车到精车的MT9015材料。再结合上述三种断屑槽LS、MS、RS，可在粗、半精、精三加工阶段得到满意的结果。

铣削新涂层的开发

三菱在新的铣削超耐热合金刀片涂层开发上也有作为。铣削是断续切削，不断地承受冲击载荷。他们开发了特别耐冲击、韧性高的AL-Ti-Cr-N类,超强韧PVD多层涂层MP9120（见图4），由图可知膜层中加含了Cr，形成优秀铝铬复合氮化物，加入铬、钇、硅等元素弥补，不能过多增加铝，以提高性能的不足。MP9120涂层加入Cr后，硬度也达到3000HV，开始氧化温度提高到1100℃。它既适合铣削超耐热合金不适合铣削钛合金。图4中还可见，因新涂层是多层结构，尚可阻止裂纹的延伸和扩展，提高耐破损性。（图中的MP6120是适合切削炭钢和合金钢的涂层品种）。MP9120涂层最外表有摩擦系数抵的抗粘附膜层。以往一般刀片涂层和钛合金间的摩擦系数是0.7，MP9120降为0.3。同样依据不同的切削阶段和切削用量。三菱也设计准备了由精加工到准重切削的JL和JM两种断屑槽。通过许多试验和比较，与以往同条件的各情况相比，MP9120比以往的涂层提高寿命约1.2到2.5倍。以后又在此基础上开发了硬度比它稍低韧性高于它的MP9130涂层，涂敷在APX型立铣刀的带二段前角强韧凸形刀片上加工发动机Inconel 718零件V=30m/min，fz=0.03mm，vf=40mm/min，刀片的寿命提高了2倍以上。

针对为提高对难加工材料的切削效率及刀具寿命经济性。从涂层，基体材料和断屑槽等几何结构上，进行不断地改进是我们的方向。□