摘要：随着航空零件的高强度化和轻量化的需求日益凸显，超硬合金在这一领域得到广泛地使用。针对超硬合金的特点，本文分析了超硬合金的切削加工特征，并提出了超硬合金加工所使用的工艺。从当前的实践来看，机械冷加工方式仍然是超硬合金加工的主要方向之一。
关键词：航空；超硬合金；加工
引言：在航空制造领域，为了降低重量以及提升比强度，超硬合金业已成为航空结构件的重要材料。因为超硬合金在这一领域的应用，刀具磨损、表面质量、加工效率以及加工成本等问题逐渐暴露出来，业已成为这一领域所面临的技术瓶颈。而要有效解决这些问题，关键之处就在于优化刀具材料以及几何参数，适当的冷却和润滑条件，并优化工艺参数。
一、超硬合金的切削特性
（一）切削力大
与其他材料相比，超硬合金通常表现出较高的硬度和机械强度。其金属原子密度和原子之间具有较强的结合力，具有较高的断裂韧性和耐久性。当我们切削高硬度合金之时，单位切削力通常达到45号钢单位切削力的1.25倍至2.5倍。
（二）切削温度高
对于大部分超硬合金来说，其在室温和高温环境中的硬度和强度特性大多能够保持不变，这就造成在切削过程中需要使用大量的机械能来抵消切削变形能。而且，由于硬质机械材料的导热系数较小，切割区产生的切割热难以得到有效扩散，在这种情况下就会形成较高的切割温度。
（三）加工硬化倾向大
因为某些超硬合金具有相对高的塑性、硬化系数和韧性，如果受到切削力和切削热的共同作用，往往就会发生塑性变形现象，导致加工硬化的结果。通常而言，超硬合金的硬化程度和硬化层深度要比45号钢高很多。而且，在切削热的作用下，这种材料本身能很容易地吸收周围介质中的氮、氧、氢等各种元素，形成脆硬的表面，由此给切削加工过程造成较大障碍。
（四）刀具磨损严重
在高压和高温的共同作用下，刀具与切屑之间的摩擦十分强烈，刀具与工件材料之间的亲和力很强。由于材料中硬颗粒和加工硬化的共同作用，所使用的刀具就易于发生结合磨损以及扩散磨损等状况，导致刀具逐渐失去切削能力。
二、钛合金及加工技术
（一）钛合金的特性
当前，钛合金材料被人们广泛应用在发动机零部件、蒙皮、骨架、紧固件和起落架的制造过程中。从上世纪五十年代起，高温钛合金和结构钛合金先后在西方国家研制出来，七十年代又出现了耐腐蚀钛合金材料。上个世纪八十年代之后，这类材料主要用于制造航空发动机压缩机的关键部件。此后，该材料的适用范围又扩展到高速飞机、导弹、火箭等结构部件的制造中。钛合金的性能主要包括以下几点：第一，这一材料的比强度高，密度为4.5g/cm3，仅仅是钢的五分之三，而部分高强度钛合金的强度则超过大部分合金结构钢。第二，热强度高，钛合金能承受比铝合金几倍的温度。在四百五十至五百摄氏度下能实现稳定工作，在中温下保持原有强度。第三，这一材料具备良好的耐腐蚀属性，能够适应潮湿的条件。第四，钛合金的耐低温性能良好，在低温和超低温环境中仍然可以保持本来的力学性能。
（二）钛合金材料加工特性
钛合金的弹性模量大约为钢的百分之五十左右。因此，在使用钛合金作为细长杆件和薄壁件的时候，有可能会产生变形现象，刚性较差。钛合金切削的回弹量较大，约为不锈钢切削回弹量的二至三倍。因而，在加工时就易于造成在刀具侧面产生强烈的摩擦、粘附和粘结磨损现象。由于钛具有较强的化学活性，易于在高压和高温环境中于大气中的氮和氧进行结合，产生脆性材料，造成刀具磨损速度很快，使用寿命减少。第三，钛合金的导热性差，在攻丝、扩孔、拉削过程中导热性不大，仅仅是45号钢的五分之一至七分之一。因而，切削热通常集中在切削刃附近，提高了切削温度，达到45号钢的两倍左右。在这种情况下，机械加工表面经常出现硬而脆的上皮，给后续的加工环节造成困难。图1为钛合金的加工特性。
（三）钛合金加工技术
鉴于钛合金所具有的上述特点，高钴、高钒高速钢一般适用于低速加工，而硬质合金刀具则通常适用于中速加工，由于在中速加工中结合磨损严重，因而我们不应适用含钛刀具；可选择CBN刀具、涂层后的硬质合金刀具进行高速切削。由于钛合金材料会产生严重回弹现象，我们应当选择较大的背角，在一般情况下，应选择十五度的后角。对于铣刀，我们可以考虑使用较大的螺旋角来提升其锋利度，但前角不应过大，同时也还要考虑刀刃所具有的强度。在应用切削液时，应采用没有氯成分的油基切削液。冷却液喷射压力应大于10MPa，这样就能够有效提升刀具的耐久性。
三、超高强度钢及加工技术
（一）超高强度钢材料特性
超高强度钢起源于上个世纪四十年代，我国则是从五十年代对这种材料进行研究和生产。这种材料按照其合金化程度和微观结构，可具体分为低、中、高合金超高强度钢三大类。其中，高合金超高强度钢又可分为马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢。通常而言，这些材料具备较高的拉伸强度和较强的韧性、较高的比强度以及较高的屈强度，因而能够有效降低部件的重量，同时还具备优良的焊接性和成形性，在航空领域得到较多应用。
（一）超高强度钢材料加工特性
因为这种材料中添加了不同数量的合金元素，经热处理后，超高强度钢金相组织大多为马氏体，具有强度高、硬度高、冲击韧性强等特征。其加工具有下列特征：第一，使用的刀具容易出现磨损现象，耐久性不足。超高强度钢淬火回火后硬度一般在HRC50以下。由于刀具与切屑的接触长度不够，切削区的应力和热量相对集中，就易于前刀面月牙洼上形成磨损、裂纹或烧伤的状况。第二，切削力较大。这一材料的剪切强度高，变形较为困难，在切削条件相同的情况下，单位切削力达到45号钢的1.17-1.49倍。第三，切削温度高。因为材料的导热性不好，切屑主要集中在切削刃周围，就会迅速造成切削温度持续升高，难以散热。第四，断屑困难。这一材料具备优良的塑性和韧性，因此切屑难以卷曲和断裂，经常会缠绕在工件或刀具上。
图2超高强度钢切削特性
（二）超高强度钢加工技术
这一材料具有很高的强度和硬度，加工时刀具应具有很高的红硬性、耐磨性以及抗冲击性。第一，对于高速钢来说，当加工系统刚度较好时，可采用钨系和钨钼系高钒高钴高速钢；对于复杂的表面结构，则可以应用钨钼系、含铝的高碳低钒高速钢；如果加工系统刚性不佳，此时则可应用钼系列低钒高钴高速钢；冲击条件下，可以使用钨钼系高钒高速钢或钨钼系高速钢配铌。第二，对于硬质合金，通常要加入钽、铌活性稀土元素、P型合金或P型陶瓷以及TiC基和TiCN基合金，通常硬质合金刀具前角选择-2-4°，CBN和陶瓷一般选用-10°；第三，CBN刀具，一般选用低含量高强度材料；切削速度和超高强度一般选用45号钢切削时的百分之三十左右。在强度升高的同时，速度应当随之降低。
结语：当前，超硬合金在航空领域得到广泛的应用。超硬合金具有切削力大、切削温度高、加工硬化倾向大以及刀具磨损严重等特性。尽管不少新的加工工艺如硬切削等业已在实践中得到了应用，但就当前的实践来看，机械冷加工方式仍然是超硬合金加工的主要方向之一。
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论文作者:李华林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/21
标签：合金论文; 加工论文; 刀具论文; 材料论文; 强度论文; 钛合金论文; 磨损论文; 《基层建设》2019年第20期论文;