航天新型刀具材料

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1、随着复合材料、钛合金以及由两种材料构成的叠层材料在飞机结构件中的应用日益增多，飞机机身制造业正在发生巨大的变化，同时也对需要使用高硬度、高韧性刀具材料的切削加工提出了具有挑战性的要求。    机身制造技术的变化    为了提高飞机的飞行效率，降低其生命周期成本，飞机制造商正在越来越多地使用复合材料和钛合金。例如，波音787和空客A350的机身大部分将用复合材料制成（按重量计）。在商务客机市场上，豪客比奇（HawkerBeechcraft）公司的PremierIA型和Hawker4000型客机的机身将全部采用复合材料制造；Eviation公司的EV-20Vantage型飞

2、机的机翼和机身也将采用全复合材料。    复合材料的使用推动了零件的合并和连接，减少了所需紧固件的数量。但是，大多数被取消的紧固件都属于“面积紧固件”——即可用自动化工序加工的大量小直径紧固件。因此，保留下来的大部分紧固件的安装孔直径和厚度都较大，并由多种材料叠合而成，加工难度也更大。由于石墨复合材料与铝之间的接触可能会引起化学电流腐蚀，而安装在石墨复合材料上的结构件通常都是铝制件。这两种材料的钻削加工都很困难，而将它们组合为叠层后进行钻削加工难度就变得更大。因此，除了钻削参数与加工传统工件材料不同以外，还需要采用不同的刀具材料。    碳纤维的加工难点    碳纤维复

3、合材料的加工难点包括：    （1）材料具有很高的磨蚀性，使刀具的磨损率很高；    （2）材料具有各向异性（由较软的基底与按不同方向排列的硬质纤维组合而产生），意味着刀具必须承受不同的切削抗力；    （3）塑性基底限制了切削温度；    （4）加工增强纤维时，为了获得干净整齐的孔口，需要采用锋利的切削刃、高剪切刀刃几何形状和高转速；    （5）如切削力过大（如强力钻削时），工件的叠层结构可能出现各层分离现象；    （6）加工时会产生粉尘（而不是切屑），需要采用真空吸尘或加注冷却液加以控制。    钛合金的加工难点    钛合金材料所特有的加工难点包括：    （

4、1）钛的弹性模量低，由于切削加工时材料被刀具推开，然后又回弹，因此刀具需要采用较大的后角；    （2）钛的导热性差，导致切削温度很高（80％的切削热被传入刀具，而切削钢时仅为50％）；    （3）钛在高温下化学反应性强，容易与刀具发生融焊现象，造成刀具崩刃和失效；    （4）容易产生加工硬化现象（尤其在低进给率加工时）；    （5）温度升高时仍能保持高强度；    （6）产生分段切屑，使刀具循环受力，易发生金属疲劳；    （7）在加工时，材料表面损坏的可能性较大，从而会略微降低工件的疲劳寿命。    除了钻削加工这些由不同材料复合在一起的新型材料的挑战外，目前

5、的飞机机身装配对钻削加工的性能和质量也提出了新的挑战：    （1）需要在厚度更大的叠层复合材料上钻削直径更大的孔；    （2）为了缩短机身装配时间，对“一次过”钻削、干式或近干式钻削以及高效装配的需求日益增加；    （3）尽管大规模和小规模的自动化加工的应用日益增多，但在最终装配工序仍然主要使用气动钻机；    （4）精益加工原则的应用越来越多。    上述这些因素都会大幅缩短刀具的使用寿命。因此，为了降低每孔加工成本、提高生产率，就需要采用新的刀具材料。此外，为了缩短最终装配工序的流程时间，也必须提高刀具的使用寿命。例如，波音787最终装配工序的目标流程时间仅为

6、3天；洛克希德马丁公司F-35闪电II的最终装配工序目标流程时间则是每天装配出一架飞机。与此对照，波音737目前该流程时间为10天（2000年时为22天，今后的目标为8天）；波音777的流程时间则为25天。波音787的流程时间可以缩短到3天，部分原因是将某些加工操作转移到了上游工序，到达装配工序的各个部件都预装好了飞机的各种系统。但是，正如前面所指出的，钻孔是最终装配工序中最具挑战性的加工。    理想的刀具材料    一般来说，我们所希望的刀具材料特性包括：    （1）晶粒尺寸较小，从而能制造出更锋利的切削刃；    （2）具有高硬度（包括高的热硬性），从而能提供优

7、异的耐磨性能；    （3）具有良好的韧性（高的抗拉强度和断裂韧性），从而能在动态变化的切削力作用下，保持锋利的切削刃不发生崩刃或变形；    （4）具有良好的热传导性，从而能使切削区迅速散热；    （5）具有良好的热稳定性，从而能使刀具在切削高温下保持完整性；    （6）与工件材料之间具有较低的化学亲合力或反应活性。    刀具材料所需要的每一种特性的优劣程度都取决于工件材料。要求同一种刀具材料具有以上所有特性非常困难，因此，通常需要在硬度与韧性之间进行权衡取舍。但是，这两种特性对于碳纤维增强聚合物和铝基复合材料的加工都必不可少。