航空制造技術(shù)不但是一個國家國防能力的重要保證，同時也是其工業(yè)制造技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。從20世紀(jì)90年代開始，我國逐漸成為世界飛機零部件的重要轉(zhuǎn)包生產(chǎn)國，波音、麥道、空客等世界著名飛機制造公司都在我國轉(zhuǎn)包生產(chǎn)尾翼、機身、艙門和發(fā)動機等各種零部件。目前國家又從戰(zhàn)略高度決定自主研制大型民用客機，即大飛機項目。這些飛機零部件的加工生產(chǎn)必須采用先進的加工裝備和加工工藝。

       為此，國內(nèi)各飛機制造公司均進行了大規(guī)模的技術(shù)改造，引進了大量國外先進的加工裝備，使我國的飛機制造業(yè)設(shè)備的數(shù)控程度越來越高。與此同時，大量高速、高效、柔性、復(fù)合、環(huán)保的國外切削加工新技術(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)進入了以發(fā)展高速切削、開發(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。但我國的裝備制造業(yè)和以制造業(yè)為主要服務(wù)對象的傳統(tǒng)的工具工業(yè)目前還不能滿足航空航天工業(yè)對現(xiàn)代制造裝備和先進加工工藝的要求。本文結(jié)合我國航空制造技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實要求，分析了我國刀具制造技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

　　航空制造技術(shù)的發(fā)展趨勢及其對切削加工技術(shù)的要求

　　1 航空零件結(jié)構(gòu)和材料發(fā)展的新趨勢

　　（1）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)斗機中，高強度鋁合金構(gòu)件占飛機整機重量的比例高達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加工結(jié)構(gòu)件所代替。這類零件多數(shù)采用整體實心鋁合金材料制成，70%～95%的材料要在加工中去除。如機身隔框毛坯是重達0.5t鋁合金鍛件，加工成薄壁整體結(jié)構(gòu)框架時，重量僅有40kg左右。再次，薄壁、細筋結(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）合金具有比強度高、熱強度好、化學(xué)活性大等特點，目前飛機發(fā)動機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)已成為新一代飛機機體結(jié)構(gòu)主要材料之一，如飛機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)展趨勢和特點可以看出，航空結(jié)構(gòu)件的切削加工技術(shù)主要包括針對鋁合金結(jié)構(gòu)件的高速切削加工技術(shù)和針對鈦（鎳）基合金等難加工材料的切削加工技術(shù)2個方面，而切削加工中的突出問題是提高生產(chǎn)效率、降低切削力和控制切削溫度。

　　（1）鋁合金高速切削加工技術(shù)。

　　近年來，國內(nèi)兩大航空集團的飛機制造骨干企業(yè)均進行了大規(guī)模的技術(shù)改造，引進的數(shù)控金切機床總數(shù)就已超過500臺，絕大多數(shù)是從歐洲、美國、日本進口的高速加工機床，主軸轉(zhuǎn)速一般都在10000r/min以上，有的高達60000～100000r/min，切削速度達2000～5000m/min，加工進給速度達2～20m/min，材料的去除率達到30～40kg/h，工作臺的加（減）速度達到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)）未能及時跟上，大多數(shù)設(shè)備在生產(chǎn)中的實際使用主軸轉(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)采用國產(chǎn)刀具僅能在6000r/min以下使用，15000r/min以上必須采用進口刀具。

　　（2）難加工材料的切削加工技術(shù)。

　　航空動力部門大量采用鎳基合金（如Inconel718）和鈦合金（如TiAl6V4）制造飛機發(fā)動機零件。對于這些難加工材料，目前國內(nèi)的切削加工技術(shù)水平還比較低，僅少數(shù)企業(yè)開展了部分研究應(yīng)用，切削速度僅能達到80～100m/min，還沒有在生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用。

　　高速切削加工技術(shù)的優(yōu)點

　?。?）加工效率高，時間短。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。

　　（2）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，由于切削力小，讓刀也小，從而提高了加工質(zhì)量。

　　（3）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，機床激振頻千術(shù)道具率遠高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動很小，十分容易獲得好的表面質(zhì)量。

　　（5）高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動的切屑所帶走，可進行高速干切削，不用冷卻液，減少了對環(huán)境的污染，能實現(xiàn)綠色加工。

　　（6）可完成高硬度材料和硬度高達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

高速切削對刀具制造技術(shù)的新要求

　　正因為高速切削具有切削力小、產(chǎn)生的熱量少和零件變形小等優(yōu)點，所以采用四軸或五軸聯(lián)動機床進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。但高速切削同時也對刀具制造技術(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

　　高速刀具的非正常失效形式有刀體折斷、振動、崩刃和過快磨損，失效的主要機理是高速切削狀態(tài)下引起局部應(yīng)力集中和加工振動，因此，與傳統(tǒng)刀具相比，高速切削刀具的設(shè)計要求更精密。

　?。?）在設(shè)計方法上，應(yīng)通過建立力學(xué)模型，進行應(yīng)力分析和振動分析來計算或驗證刀具的結(jié)構(gòu)形式和具體尺寸。傳統(tǒng)刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用類比法確定。

　?。?）在具體設(shè)計內(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度的設(shè)計原則精密確定，各項參數(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)通過切削試驗確定。在傳統(tǒng)刀具設(shè)計中，一般只對直徑尺寸、刃部跳動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)定合理的動平衡精度等級（或許用不平衡量）。當(dāng)加工中心機床主軸轉(zhuǎn)速高達10000r/min以上時，刀具系統(tǒng)(含刀刃、刀柄、夾緊裝置)存在不平衡量所產(chǎn)生的慣性離心力會對主軸軸承、機床部件施加周期性載荷，從而引起振動，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)重時甚至?xí)鸬毒咂茡p出現(xiàn)安全事故。因此，對高速切削刀具必須規(guī)定合理的動平衡精度等級（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晶粒硬質(zhì)合金或細晶?；w+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，材料的硬度、韌性、強度、耐磨性等均可提高。普通硬質(zhì)合金晶粒度為3～5?m，細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為1～1.5?m(微米級)，超細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達0.5?m以下(亞微米、納米級)。超細晶粒硬質(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，抗彎強度可提高600～800MPa。目前大多數(shù)國內(nèi)硬質(zhì)合金材質(zhì)的性能達不到航空制造業(yè)高速切削的要求，因此國內(nèi)刀具廠家必須盡快提高超細晶粒硬質(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、壽命長的刀具材料的研制，加工超級合金、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。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單形狀刀具和難加工材料。

　　3 精確制造

　　（1）用精密數(shù)控設(shè)備加工。實踐表明，用國外高精度磨削設(shè)備制造的全磨制銑刀能夠達到ISO1940標(biāo)準(zhǔn)中要求的G2.5-G6等級，否則需要G2.5-G6等級要求進行動平衡。

　?。?）加工刀具時應(yīng)嚴(yán)格控制磨削速度、磨削深度、進給量等參數(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，但對高速銑刀卻可能是致命的，伴隨燒傷會出現(xiàn)的很大表面殘余應(yīng)力，甚至導(dǎo)致微細裂紋產(chǎn)生，從而引起刀具的折斷破損。

　　（3）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，并進行在N=2Nmax條件下不發(fā)生彎曲或斷裂的安全試驗。

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，通過切削試驗確定高速切削加工的最佳切削用量并建立數(shù)據(jù)庫。其次，根據(jù)具體加工對象選擇合理銑削方式。如，銑槽時采用短刃刀具分層切削，減短刀具懸伸量，銑內(nèi)腔R時采用擺線切削，以減小切削力變化量，銑曲面外輪廓時采用環(huán)形等高銑，避免爬坡銑。此外，還應(yīng)開發(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，無論從保證加工精度方面考慮，還是從操作安全方面考慮，對它的裝夾技術(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：國外各刀具公司研制開發(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)問題，如刀具磨損嚴(yán)重，高速切削刀具切入切出時破損問題，高速切削用刀具材料價格昂貴，銑、鏜等回轉(zhuǎn)刀具及主軸需要動平衡，刀具夾持要牢靠安全，主軸系統(tǒng)昂貴且壽命短，而且所用高速加工機床及其控制系統(tǒng)價格昂貴，使得高速切削的一次性投入較大，這些問題制約著高速切削的進一步推廣應(yīng)用。

　　高速切削發(fā)展趨勢和未來研究方向歸納起來主要有：(1)新一代高速大功率機床的開發(fā)與研制；(2)高速切削動態(tài)特性及穩(wěn)定性的研究；(3)高速切削機理的深入研究；(4)新一代抗熱振性好、耐磨性好、壽命長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)進一步拓寬高速切削工件材料及其高速切削工藝范圍；(6)開發(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，開發(fā)適于高速切削加工的編程技術(shù)以進一步推廣高速切削加工技術(shù)；(8)基于高速切削工藝，開發(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)保性是機械加工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。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。