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　　在制造業中，重量更輕、強度更高的新材料不斷涌現，使加工問題變得更多、更難，由此也推動著CVD、PVD涂層技術的持續發展，以滿足提高新材料加工效率的要求。本文針對航空航天鈦合金新牌號的銑削加工和復合材料的加工，介紹了刀具涂層的選擇和難加工材料的加工對策。
　　
　　刀具涂層對切削過程的影響
　　為什么航空航天工業所用材料比通常用于汽車工業的鑄鐵、鋼材等更難加工？金屬切除過程是工件材料由塑性變形到斷裂并形成切屑的過程。由材料學的標準拉伸試驗獲得的應力—應變圖，給出了材料在達到斷裂或強度極限時的塑性變形量，其相關數據可從標準的材料手冊中查到。各種鋼材根據其不同成分和熱處理狀態，大體上可分為普通碳鋼、未淬硬的合金鋼和淬硬的合金鋼。硬度低、延伸率大的材料在加工時產生較大的塑性變形，形成長切屑；相反，硬度高、延伸率小的材料形成短切屑。
　　材料的單位斷裂能與斷裂應力和斷裂應變的乘積成正比，它是材料塑性變形消耗的能量，并在切屑形成過程中轉變為熱量，是切削區的第一個熱源。切削區的第二個熱源是切屑與前刀面摩擦產生的熱，材料的韌性越好，與前刀面的接觸長度越長，產生的摩擦熱也越多。
　　在各種工件材料中，強度或硬度高、切削力大、韌性好、切屑長的材料其可加工性較差。材料金相特性（如析出的硬質相、夾雜物、加工硬化等）也會影響其可加工性和刀具壽命。
　　航空航天工業用的鈦合金、鎳基超級合金（Inconel等）由于具有很高的強度和韌性，切削時需要很大的塑性變形能，并與刀刃摩擦產生大量切削熱，而它們很低的導熱系數使熱量集中在切削區和刀/屑界面，對刀具壽命造成不利影響。因此，如何有效加工此類材料是對切削加工的極大挑戰。
　　刀具涂層技術是針對切屑形成過程中產生很高的力和熱對刀具造成不利影響而開發的新技術，根據不同的應用領域，涂層刀具比未涂層刀具的壽命可提高2～10倍。
　　涂層的正確選擇應與工件材料、切屑變形特性和切削條件相匹配，早期開發的TiN和TiCN涂層仍然適用于在一般切削條件下加工碳鋼和合金鋼。但是，隨著切削速度的提高，就需要采用TiAlN涂層，因為這種涂層在高溫下具有很好的穩定性。
　　加工難切削的航空航天材料時，要求刀具有最佳的切削刃設計，包括與切削刃鋒利性相關的微觀幾何形狀。例如，切削刃的倒棱或鈍化，鈍化程度在切削刃全長上有的要求均勻一致，有的要求有所變化。典型的鈍化圓弧半徑為0.025mm，以降低刃口應力的集中程度，更好地保護PVD涂層。
　　為了更好地加工難加工材料，材料科學家已經開發了新的涂層牌號，包括添加Si到TiN中形成的TiSiN涂層，或在AlTiN涂層中增加Al 含量，或用Cr代替Ti開發出AlCrN涂層，以及具有更高硬度、韌性和抗高溫氧化性能的納米結構涂層。與未涂層刀具相比，涂層刀具可以在其它條件相同的情況下采用更高的切削速度和獲得更長的刀具壽命。一些研究成果解釋了在不同切削條件下涂層的工作機理，開發了耐磨粒磨損、抑制微觀裂縫、降低摩擦系數、形成穩定的AlCr氧化膜和更好耐熱性等多樣化的涂層功能。
　　
　　鈦合金的銑削加工
　　在航空航天工業，出現了很多難加工的高性能材料，如合成材料、鈦合金和高溫合金等。這些材料具有很高的強度，制造的零件更輕，可使飛機的燃油效率更高。然而，這些零件的加工需要采用新的切削技術。
　　例如，波音公司新推出的中等型號波音787飛機，在其主體結構件重量中，合成材料約占50%，鈦合金約占15%。由于這兩種材料重量輕、強度重量比高，使787飛機與相同大小的普通噴氣式客機777－200相比，重量更輕，可節省20%的燃油。此外，與鋁合金相比，這兩種材料除了重量更輕以外，鈦與合成材料的兼容性也比鋁好（鋁更容易與合成纖維產生蝕電反應）。此外，鈦比鋁合金更耐腐蝕，其維護保養也更容易。
　　然而，鈦合金的可加工性不好，通常只能采用較低的切削速度和進給量，為了防止熱量聚積，徑向切深不能超過30%，軸向切深量也小。
　　目前，已有一種新的鈦合金——Ti5553（Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr），屬于近ß型鈦合金。與最常用的Ti-6Al-4V相比，該材料具有更好的淬硬性和疲勞強度，更適合制作關鍵零件。但它比傳統的鈦合金更難加工，刀具壽命更短。
　　為了解決這種新型鈦合金的加工，美國Niagara刀具公司與航空公司合作，共同開發適用的刀具和加工參數。試驗工作在實驗室和生產現場進行，內容包括刀具的幾何參數、刃口處理和涂層的選擇。
　　目前，該公司已經開發了用于銑削Ti5553鈦合金的粗加工、半精加工和精加工的工藝指南：粗加工推薦采用M42鈷高速鋼或粉末冶金高速鋼制造的細齒立銑刀，刀具經TiCN或TiAlN涂層，切削速度40～60英尺/分，進給速度3～5英寸/分；半精加工采用TiAlN涂層的4齒整體硬質合金立銑刀，切削速度70～100英尺/分，進給速度5～7英寸/分；精加工則采用TiAlN涂層的6～8齒整體硬質合金立銑刀，切削速度400英尺/分，進給速度5～7英寸/分。
　　該公司稱，新的刀具幾何形狀（波形刃）與涂層和正確的切削參數相結合，改進了切屑的形成過程，避免了切屑堵塞。
　　
　　復合材料的切削加工
　　目前，復合材料已越來越多地應用于制造飛機零部件。復合材料通常由樹脂、增強纖維和一種或多種填充材料合成，具有很高的比強度和良好的機械特性和熱特性，是替代金屬材料的最佳選擇。
　　根據美國金剛石涂層公司總裁的說法，CVD金剛石涂層刀具是加工許多復合材料的最佳刀具。該公司向洛克希德馬丁飛機公司提供用于加工先進復合材料的刀具涂層。開始時，刀具壽命較短，并且材料有分層現象。后來采用了20µm厚的CVD金剛石涂層，并對刀具幾何參數作了改進，使刀具壽命提高6倍以上，并減少了工件的分層現象。
　　刀具切削性能的改進必須依賴刀具材料、涂層和幾何參數的擇優匹配。近年來，涂層（尤其是PVD涂層）的發展已經使航空工業難加工材料的切削效率得到提高。隨著PVD Al2O3涂層的問世，PVD涂層技術的優勢將更加明顯。圖6是美國從1990年以來各種PVD涂層所占的比例，其中TiN涂層的比例在持續下降，TiAlN涂層以其優良的綜合性能得到更多的應用。