复合材料和钛合金的切削加工.doc

复合材料和钛合金的切削加工 　　近年来，航空、航天、汽车、船舶、能源等行业发展迅猛，对结构材料性能的要求不断提高，同时航空领域对材料加工的要求也越来越高，尤其航空材料中一些加工难度较大的材料，因此，增进对刀具材料与被加工材料各项性能和特性的了解有助于正确选择刀具材料，并通过对难加工材料的加工归纳出航空材料加工中选用刀具材料的一般方法是非常必要的。 　　航空材料分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。金属材料包括结构钢、不锈钢、变形高温合金、铸造高温合金、铝合金、镁合金、钛合金、铜合金、粉末冶金材料、精密合金与功能材料等。非金属材料包括胶粘剂、塑料、透明材料、绝缘材料、橡胶、密封剂、涂料、镀覆层、防锈材料、燃料、润滑材料与纺织材料等。复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同，从而获得原组分材料无法比拟的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。由于航空领域钛合金和复合材料应用较多，故以下将着重对这2种材料进行介绍。 刀具材料的分类及其性能 　　切削常用的刀具材料主要有超硬刀具、硬质合金、高速钢、陶瓷等。由于在加工钛合金和复合材料时，超硬刀具和硬质合金刀具有一定加工优势，本文将着重介绍超硬刀具和硬质合金刀具。 1 超硬刀具 　　常用的超硬刀具有天然金刚石刀具、聚晶金刚石刀具、聚晶立方氮化硼刀具等。 　　（1）天然金刚石刀具。天然金刚石刀具是目前超精密切削加工领域中常用的刀具，其刃口极其锋利，在显微镜下观察，刃口平直，无崩口，加工工件表面粗糙度值极低，常用于铜、铝及其合金材料的精加工。 　　（2）聚晶金刚石刀具。常用于切削有色金属及其合金材料。实践表明，在切削有色金属时，刀具的寿命是硬质合金刀具的几十至几百倍。经现场使用表明，车削电机整流子时，一次刃磨寿命可达一万只。刀具在加工铝硅合金时，比硬质合金刀具寿命至少大两个数量级。 　　（3）立方氮化硼刀具。立方氮化硼刀具能胜任切削淬硬钢（HRC60）、模具钢、冷硬铸铁的粗加工和半精加工，同时还能高速切削HRC35以上的钻基和镍基高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料。被加工材料的硬度越高越能体现出刀具的优越性，是实现以车、铣代磨削的最佳刀具之一。 　　由上述介绍可知，一般超硬刀具材料具有很高的硬度、很高的弹性模量、很好的导热性、较小的密度、很小的热膨胀和较低的断裂韧性。而在化学性质方面CBN的热稳性好，对铁族元素呈惰性，在酸中不受浸蚀，金刚石在常温下化学性质稳定，在酸、碱中均不受浸蚀。 2 硬质合金刀具 　　硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物粉末(WC、TiC等)，用钴或镍等金属做黏结剂压坯、烧结而成的粉末冶金制品。它的耐热性好，能耐高达800℃～1000℃的切削温度。同时由于硬质合金刀具的硬度高、锋利性好、耐磨损、比高速钢刀具耐用，其形状保持性更是高速钢无法比拟的，另外，硬质合金刀具使用寿命长、加工质量好、精度高。 复合材料和钛合金的切削 1 切削复合材料 　　复合材料是由2种或2种以上性质不同的材料、用人工方法制成的多相固体材料，它可以充分发挥单一组成材料的优点，克服其弱点。例如树脂基、碳纤维、玻璃纤维加强的复合材料(即玻璃钢)等，具有很高的强度、韧性和耐磨性，这是单一组成材料所不能达到的。先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空领域得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。由于复合材料的广泛应用，因此相应的对加工复合材料的刀具也提出了新的要求，国内外学者也进行了许多这方面的研究。 　　（1）不同刀具材料切削复合材料时的磨损。 　　根据国外资料所述，刀具材料的硬度与刀具的磨损率之间不完全是线性关系，一般分为2种情况:一种是当刀具基体材料的硬度大于增强体材料时，如PCD、CBN刀具，刀具的磨损率与硬度成线性关系，随着刀具基体材料的硬度升高，其磨损率下降；另一种当刀具基体材料的硬度低于增强体材料时，刀具的磨损与其硬度没有呈现单调的趋势。 　　为了比较刀具材料对刀具磨损的影响，分别采用PCD和YG6两种切削方式进行刀具磨损试验。2种刀具材料切削18%的SiCP/Al复合材料。PCD和YG6两种刀具在相同条件下PCD刀具的磨损值都约为YG6刀具磨损值的1/10，这是因为PCD刀具的硬度、耐磨性远远高于YG6硬质合金刀具。 　　碳纤维复合材料因其优良的性能在航天领域获得广泛的应用，其构件质量轻、比刚度高，但成型后的构件精度往往达不到要求。由于碳纤维复合材料属难加工材料，其加工过程中易产生分层、撕裂、毛刺、拉丝、崩块等缺陷，尺寸控制比较困难，加工时刀具温度很高，极易