株洲湘冶數(shù)控刀具技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，數(shù)控高速切削技術(shù)是近20年來迅速崛起的一項先進(jìn)制造技術(shù)，在以高效率、高質(zhì)量為特點(diǎn)在航空、航天、汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。在航空新材料不斷發(fā)展的今天，高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金、復(fù)合材料等難加工材料日益增多，這對推動和促進(jìn)數(shù)控刀具技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。在數(shù)控高速切削技術(shù)發(fā)展過程中，刀具及刀具技術(shù)的關(guān)鍵地位日益顯現(xiàn)。

數(shù)控刀具技術(shù)

1 數(shù)控高速切削對刀具材料的要求

在數(shù)控高速切削時產(chǎn)生的切削熱和對刀具的磨損要比普通速度切削時高得多，因此，數(shù)控高速切削使用的刀具材料與普通速度切削用的刀具材料有很大的不同，對刀具材料有更高的要求，主要包括：

?高硬度、高強(qiáng)度和耐磨性；

?韌度高，抗沖擊能力強(qiáng)；

?高的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性；

?抗熱沖擊能力強(qiáng)。

目前已出現(xiàn)不少新的刀具材料，但要同時滿足上述要求的刀具材料是很難找到的。因此，在具有比較好的抗沖擊韌度的刀具材料基體上，鍍上高熱硬性和耐磨性鍍層的刀具技術(shù)發(fā)展很快。另外，還可以把CBN和金剛石等硬度很高的材料燒結(jié)在抗沖擊韌度好的硬質(zhì)合金或陶瓷材料的基體上，形成綜合切削性能非常好的數(shù)控高速加工刀具。

2 數(shù)控高速刀具材料選擇

隨著高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金及復(fù)合材料等難加工材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加，現(xiàn)代數(shù)控刀具材料已不能局限于目前廣泛使用的高速鋼和普通硬質(zhì)合金，應(yīng)根據(jù)不同的加工材料，并考慮刀具使用壽命和加工質(zhì)量來選擇刀具材料。以下按國內(nèi)航空制造業(yè)中常用材料的分類對數(shù)控刀具材料進(jìn)行選擇：

(1）鋁合金：鋁合金在航空領(lǐng)域應(yīng)用最多，常用的數(shù)控刀具材料有鋁高速鋼、K10和K20 等系列硬質(zhì)合金。

（2）普通鋼：對于普通鋼的數(shù)控切削，在國內(nèi)航空制造業(yè)中主要采用鈷高速鋼M42、硬質(zhì)合金和金屬陶瓷等作為刀具材料。

（3）高強(qiáng)度鋼、高溫合金：在航空制造領(lǐng)域，高強(qiáng)度鋼、高溫合金在材料中占的比重越來越大，加工此類零件的刀具主要采用具有高強(qiáng)度、高韌性和高耐磨性的超細(xì)晶粒合金基體與TiAlN涂層組合的硬質(zhì)合金材料及金屬陶瓷材料來加工。

（4）鈦合金：鈦合金強(qiáng)度高，沖擊韌性大，其加工硬化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，在切削加工時出現(xiàn)溫度高、刀具磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，加工鈦合金材料時常選用鈷高速鋼M42及株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)的KMG405等系列硬質(zhì)合金涂層刀具材料。

（5）復(fù)合材料：復(fù)合材料已在航空領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，且用量正迅猛增長，加工此類材料主要采用PCD涂層硬質(zhì)合金和陶瓷作為刀具材料。

3 數(shù)控高速切削對刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)的要求

（1) 數(shù)控高速切削對刀具幾何參數(shù)的要求。除了刀具材料的選擇外，正確選擇刀具切削刃的幾何參數(shù)以及刀具的斷屑方式等對數(shù)控高速切削的效率、加工表面質(zhì)量、刀具壽命以及切削熱量的產(chǎn)生等都有很大影響，這是數(shù)控高速刀具技術(shù)中的一個重要因素。刀具切削刃的幾可參數(shù)選擇應(yīng)從以下幾方面考慮：

?合適的刀具后角和合理的進(jìn)給速度，能產(chǎn)生足夠大的切屑厚度，以便帶走熱量，避免切削硬化。

?刀刃前角是影響刀具切削載荷的重要參數(shù)，應(yīng)合理選擇。

?切削載荷與刀具每切刃的進(jìn)給量有關(guān)。對于多片鑲嵌刀具，切削載荷作用于每一個刀片上；對于實體刀具，切削載荷作用在每個齒上。因此，應(yīng)該在一個合理的數(shù)值之間選擇進(jìn)給量。

一般來說，數(shù)控高速刀具的幾何角度大都與傳統(tǒng)的刀具有對應(yīng)關(guān)系。選擇合理的刀具參數(shù)，除了使刀具保持刃鋒利的切削和足夠的強(qiáng)度外，一個重要目的是能形成足夠厚度的切屑，讓切屑成為切削過程的散熱片。切削速度越高，產(chǎn)生的熱量越多，所以在數(shù)控高速切削過程中，很關(guān)鍵的問題是要想辦法把切削熱盡可能多地傳給切屑，并利用高速切離的切屑把切削熱迅速帶走。

（2) 根據(jù)工件材料和加工工序，正確選擇刀具材料和切削參數(shù)，是保證數(shù)控高速切削能夠達(dá)到預(yù)期效果的重要環(huán)節(jié)。目前，數(shù)控高速切削參數(shù)還不能像普通切削加工那樣通過有關(guān)切削手冊來選擇，數(shù)控高速加工還沒有完整的工藝參數(shù)表和數(shù)控高速切削數(shù)據(jù)庫，對于每一種刀具也還沒有特定的公式來確定最佳的切削參數(shù)組合。在實際生產(chǎn)中，要根據(jù)所加工的材料、工序特征等因素通過試驗來確定最佳的切削速度和進(jìn)給速度。

4 數(shù)控高速切削對刀體的要求

（1）高連接強(qiáng)度的鑲嵌式刀具。數(shù)控高速切削中，大量應(yīng)用鍍層、壓層刀具技術(shù)和鑲嵌式刀具。對于鑲嵌式刀具，嵌入刀體的刀片如果沒有足夠的連接強(qiáng)度，就會在很大的離心力作用下與刀體分離，轉(zhuǎn)速在10000r/min以上的刀具都有這種危險。因此，在高轉(zhuǎn)速下只靠一個夾緊螺釘來壓緊刀片是不安全的。高速切削使用的嵌入式刀具同普通刀具不一樣，刀片要安全地嵌入刀體中，即緊嵌入刀體的卡槽里，并且在與離心力垂直的方向上用螺釘把刀片緊固在刀體上。

（2）刀具和刀柄的連接方法。對于數(shù)控高速切削使用的刀柄和刀具夾頭的要求是：夾緊精度高；傳遞扭矩大；結(jié)構(gòu)對稱性好，有利于刀具的動平衡；外形尺寸小，但應(yīng)適當(dāng)加大刀具的懸伸量，以擴(kuò)大加工范圍。5數(shù)控高速切削對刀具動平衡的要求和其他要求在數(shù)控高速切削中，應(yīng)考慮動平衡問題。影響數(shù)控高速切削的動平衡主要表現(xiàn)在刀具與刀柄的不平衡和機(jī)床主軸不平衡2個方面。高速旋轉(zhuǎn)刀具安全標(biāo)準(zhǔn)ISO15641 中規(guī)定的刀具動平衡精度等級應(yīng)在G40以內(nèi)。因此，用于數(shù)控高速切削的刀具，對刀具的每一個方面都應(yīng)進(jìn)行全面考慮，如在立銑刀的設(shè)計中，盡量采用對稱性好的整體式刀具，刀柄采用直柄，齒數(shù)選用偶數(shù)，刀具材料選用材質(zhì)較好的進(jìn)口材料。嚴(yán)格控制切削跳動量、切削刃與刀柄的同軸度、切削刃和刀柄的尺寸精度，以保證刀具的動平衡要求。在數(shù)控高速切削刀具的實際應(yīng)用中，除了正確選擇刀具材料、切削參數(shù)和刀具動平衡外，還要考慮與刀具有關(guān)的其他問題，主要包括：提高切削系統(tǒng)的剛度；考慮刀具承受的離心力；需要增加特殊的安全設(shè)施。

數(shù)控刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計和刀具制造

  1 數(shù)控刀具工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（1）數(shù)控立銑刀的前角和后角。

  研究表明，刀具前角是影響零件材料加工質(zhì)量的主要因素，過大或過小對加工質(zhì)量都會產(chǎn)生很大的影響，并且使刀具的耐用度降低。而刀具后角的選擇會影響刀具剛度，增大后角有利于提高刀具壽命，但會降低刀刃剛度。經(jīng)過多年對航空材料的加工實踐，刀具前角和后角應(yīng)根據(jù)被加工材料的不同做不同的選擇。

  （2）螺旋角。

  根據(jù)切削原理，增大螺旋角可以增加同時工作的齒數(shù)，即實際增大了工作前角，使切削鋒利，工作平穩(wěn)。但是，當(dāng)螺旋角增大到一定程度后會破壞刀齒強(qiáng)度，降低整體剛性，增加了切削過程中的振動，加劇了刀齒磨損，從而會降低刀具的使用壽命?？紤]到數(shù)控加工的高速切削特點(diǎn)，可以將加工鋁合金時的螺旋角取為25°～30°；加工高強(qiáng)度鋼、高溫合鋼時的螺旋角取為35°～40°加工鈦合金時的螺旋角取為30°～40°。為了切削鋒利，可適當(dāng)增大螺旋角，例如在加工鈦合金時，刀具材料為KMG405的φ25mm 整體硬質(zhì)合金立銑刀的螺旋角可增大到45°，效果比較理想。

  （3）刀齒橫截面形狀。

  加工鋁合金用二、三齒的立銑刀，加工鋼件用四、六齒，刀齒背后是凸臺刃帶，齒背型面為圓弧曲線。這種結(jié)構(gòu)制造工藝性好，外形美觀、切削加工振動小，切削平穩(wěn)，排屑順利，提高了刀具壽命。齒數(shù)少的立銑刀雖然容屑槽大，切屑排出性好，但橫截面小、剛性低，切削加工中易產(chǎn)生彎曲變形，影響被加工面的垂直度和表面質(zhì)量。為了增強(qiáng)刀具剛性，我們在航標(biāo)銑刀基礎(chǔ)上加大了刀具芯部直徑。增大芯部直徑以后雖然容屑槽變小，但高速切削時切屑被高速旋轉(zhuǎn)的刀具飛快甩出，不存在切屑排不出去的問題。

  （4）刃長。

  刃長越短，刀具的剛性和切削性能越好。當(dāng)橫截面積相同時，立銑刀的刃長增加一倍，其剛度僅為原剛度的1/8。試驗表明，當(dāng)立銑刀刃長增加一倍時，其刀具壽命僅為原壽命的1/10以下，所以在數(shù)控刀具設(shè)計中要盡可能設(shè)計符合加工要求的短刃型刀具。

　　（5）數(shù)控刀具的精度。

  為保證數(shù)控立銑刀與工具系統(tǒng)的連接剛性和連接精度，柄部直徑公差精度等級提高到h6，大大提高了刀具的裝夾精度和安全可靠性；為保證加工質(zhì)量和提高刀具壽命，將數(shù)控立銑刀直徑偏差提高到0.05mm，齒圓弧的公差提高為±0.02mm；為保證刀具自身的動平衡性，將數(shù)控立銑刀的周齒跳動、端齒跳動和端齒圓弧跳動都提高到0.01mm。

  （6）刀具涂層。

  涂層刀具通過在刀具基體上涂覆金屬化合物薄膜，以獲得遠(yuǎn)高于基體的表面硬度和優(yōu)良的切削性能。常用的刀具基體材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷等。涂層既可以是單涂層、雙涂層和多涂層，也可由幾種涂層材料構(gòu)成復(fù)合涂層。西飛公司在數(shù)控刀具制造中與陜西地金成表面工程公司合作，加工有色金屬的數(shù)控刀具采用TiCN復(fù)合涂層DJC-1，加工各類鋼件采用TiAlN復(fù)合涂層DJC-2及金剛石納米復(fù)合涂層DJC-3。涂層刀具在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，涂層工藝使刀具具有光滑的表面和較高的耐磨損性能。由于刀具涂層的使用顯著提高了刀具切削性能，為工廠帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

  2 數(shù)控刀具制造

  數(shù)控刀具的制造和測量必須通過高質(zhì)量的設(shè)備和檢測手段來保證。西飛公司的技術(shù)裝備制造總廠從國外引進(jìn)了3臺數(shù)控磨刀機(jī)和多臺數(shù)控刀具測量機(jī)。如五坐標(biāo)數(shù)控刀具磨床（H P R），該磨刀機(jī)工作臺尺寸為660mm×490mm×320mm，能磨削直徑為φ3～240mm，長度240mm以內(nèi)的立銑刀、錐度立銑刀、鉆頭、階梯鉆、三面刃盤銑刀及階梯銑刀等多種刀具。該設(shè)備的定位精度：X ,Y ,Z:≤ 0.008mm ；重復(fù)定位精度：X,Y,Z:≤0.004mm,設(shè)備操作方便，穩(wěn)定性好，加工刀具的幾何精度高。在加工高品質(zhì)刀具如整體合金刀具中有很強(qiáng)的優(yōu)勢；數(shù)控刀具測量機(jī)的設(shè)備精度和設(shè)備測量精度均為±2μ m，屬全自動非接觸高精度刀具測量系統(tǒng)，能夠測量X≤310mm ,Y≤290mm,Z≤500mm范圍內(nèi)的刀具。對刀具的前角、后角、螺旋角、刃寬、齒圓弧、錐度等進(jìn)行完整的測量。此外，還有高精度數(shù)控萬能內(nèi)外圓磨床S21 等多種數(shù)控機(jī)床設(shè)備，為刀具的制造質(zhì)量和測量技術(shù)提供了有力的保證。

  結(jié)束語

  株洲湘冶數(shù)控刀具技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，數(shù)控高速切削刀具及相關(guān)技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)控高速切削加工的基本條件，由于高速加工過程及其機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，目前仍缺少成熟、可靠的加工仿真技術(shù)，對數(shù)控高速加工刀具工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化仍主要依賴于切削試驗。因此，今后應(yīng)結(jié)合航空材料加工的實際情況，立足于現(xiàn)有的刀具設(shè)計和制造能力，并借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗，重視和加強(qiáng)對數(shù)控刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、刀具切削機(jī)理的研究和開發(fā)，建立起完整的工藝參數(shù)表和數(shù)控高速切削數(shù)據(jù)庫。同時，對數(shù)控高速刀具在線監(jiān)視系統(tǒng)，數(shù)控高速刀具動平衡等也需深入研究，以進(jìn)一步提高航空工業(yè)數(shù)控加工技術(shù)水平。