航空难加工材料加工技术研究

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航空发动机中很难找到不难加工的材料
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难加工材料加工技术 Machining of aerospace materials
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难加工材料加工技术关键
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航空难加工材料有高温合金、钛合金、超高强度钢、 复合材料等，普通工程材料在航空结构中难觅踪迹， 航空难加工材料加工的最突出问题是刀具磨损问题， 直接影响加工效率和成本；此外加工质量也经常成为 瓶颈， 实现难加工材料的有效加工，关键在于：
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优选刀具材料：高性能高速钢、新型硬质合金、涂层刀具、 陶瓷刀具、CBN刀具和金刚石刀具； 选择合适的刀具几何参数； 采用适当的冷却润滑条件； 采用优化的加工参数。
航空结构件特点
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减重措施2：采用高比强度结构Structure of high specific strength
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薄壁加筋结构：结构复杂、刚性弱， 切削加工量大，95％以上材料被去除， 壁厚最薄不足1 mm，加工颤振、变形严重。
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粉末冶金高速钢：粉末冶金高速钢无碳化物偏析，晶粒粉 细小均匀，杂质含量少，
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抗弯强度比冶炼高速钢提高2倍以上，在600℃时的高温硬度 高出2～3HRC，刀具寿命提高0.5～2倍。 进口牌号ASP2060、ASP2080 ，国产牌号M42-PM
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细化晶粒：减小晶粒尺寸可以提高硬质合金的硬度、耐磨性、韧 性。
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普通硬质合金的晶粒尺寸约10微米以下，细晶粒<1微米、超细晶粒 <0.5微米。
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梯度材质：采用梯度材质可以兼顾硬质合金的硬度和韧性。梯度 结构硬质合金具有特殊的结构或成分梯度变化，对不同的部位赋 予不同的性能，使整体制品获得优异的综合机械性能。
目录
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航空结构件特点Demanding for aerospace materials 难加工材料加工技术Machining of aerospace materials 切削条件优选技术Optimization of machining parameters
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80 70 60 50 40 30 20 10 0 YF-17 F/A-18A/B F/A-18C/D F/A-18E/F 飞机型号 钛合金 复合材料 铝合金 YF-22 F-17 材料质量百分比(%)
钢
其它
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Specific modular (MPa) 0.27×105 0.26×105 0.25×105 0.97×105
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机翼 蒙皮：复合材料 翼身结合接头：钛合金 前梁：钛合金 中间梁：钛合金、复合材料 后梁：钛合金、复合材料 后机身 隔框、框架：钛合金 龙骨镶板：复合材料 上蒙皮：钛合金、复合材料 尾翼 蒙皮：复合材料 蒙皮壁板：铝合金蜂窝夹芯结构 翼梁翼肋：复合材料 起落架：超高强度钢 中机身 蒙皮：复合材料、钛合金 隔框：钛合金、铝合金、复合材料 油箱底板：复合材料 武器舱：复合材料
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性能：
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用途：硬态干式切削难加工材料，加工硬度高于50HRC 的材料，实 现高硬度零件的以切代磨加工。
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难加工材料加工用刀具
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金刚石刀具：
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特点：
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是最硬的刀具(8000～12000HV)，高的导热性，低的热胀系数，高的弹 性模量和较低的摩擦系数。
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进气道蒙皮：复合材料
前机身 蒙皮：复合材料 隔框：铝合金、复合材料 油箱框架：复合材料 航电、雷达舱：复合材料
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航空结构件特点
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飞机难加工材料
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钛合金Titanium alloys：用量越来越大，一般采用锻造毛坯，余量 大，切削量大需要考虑粗精加工； 复合材料CFRP：用量越来越大，但一般近净成形，尚未用于配合尺 寸，不需要车、铣、磨等加工，机械加工包括制孔、切边； 超高强度钢High strength steel：用量较小，仅用于起落架等强承力 零件，需要粗精加工，尤其是深孔加工。
难加工材料加工用刀具
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硬质合金Cemented carbide：当前硬质合金刀具材料的进展主 要体现在以下几个方面
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涂层技术：涂层技术分为化学气相涂层（CVD）和物理气相涂层 （PVD）。
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涂层材料： n 传统：C、N或 O的二元化合物，如 TiC、TiN、Al 2O3等。 n 新型多元化合物： TiCN、TiAlN、TiCrN、AlCrN、TiAlSiN 等；氮化碳（CNx）、氮化物（TiN/NbN、TiN/VN）等， n 软涂层刀具：MoS2、WS2。 涂层结构：多层沉积、复合涂层、纳米涂层，涂层数达2000层，每 层厚度为2.5nm。
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高速钢High speed steel
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高速钢可以锻造，淬火前可以切削加工，强度高，所以广 泛用于齿轮刀具、螺纹刀具、拉刀等复杂刀具。 高性能高速钢：增加V、Co、Al、稀土等元素，提高高速 钢的性能。
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Co 高速钢M42：是当前航空航天生产中应用较广泛的高性 能高速钢， Al高速钢501：在加工高强度钢等难加工材料时也具有良好 的性能。
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The பைடு நூலகம்ey: suitable tool material, tool geometry, cutting fluids, cutting regime
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难加工材料加工用刀具
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刀具材料进展Development of tool materials
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难加工材料加工用刀具
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陶瓷刀具Ceramic
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高速钢与硬质合金的主要成分钨、钴资源在全球范围内日趋枯竭， 陶瓷刀具材料使用的主要成分铝、硅、氧、氮等在地壳中含量丰富； 氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、氧化铝氮化硅复合陶瓷（Sialon）和 晶须增韧陶瓷。 很高的硬度和耐磨性，硬度达93～95HRA，适于加工50～65HRC的高 硬度材料；高温性能好，在1200℃的高温下仍能进行切削；与金属的 亲和力小，具有良好的抗粘结性能；化学稳定性好，扩散磨损小，抗 氧化能力好；摩擦系数也低于硬质合金。 强度和断裂韧性较低，脆性较大，导热性差，抗热震性不高。 提高陶瓷刀具的力学性能的研究：采用热压和热等静压工艺，加入各 种增韧补强相，如金属碳化物、氮化物、硼化物、稀土元素及纯金属 和晶须等。一些陶瓷刀具的强度和韧性已接近硬质合金。 陶瓷刀具占刀具市场的份额将增加到15%～20%，金属切削加工工业 即将进入新的“石器时代”。
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分类：
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优点：
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缺点：
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发展和预测：
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难加工材料加工用刀具
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超硬刀具：立方氮化硼刀具和金刚石刀具CBN & Diamond
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立方氮化硼刀具
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材质：
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立方氮化硼(CBN)是氮化硼(BN)的同素异构体，其结构、化学键类型、 晶格常数与金刚石相似，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。 PCBN刀具粘结剂组分包括金属粘结剂、陶瓷粘结剂和金属－陶瓷组合 粘结剂三大类，CBN含量在40%～95%之间，CBN晶粒尺寸发展到微米 和亚微米级。不同的粘结剂组分、CBN含量和晶粒尺寸适应于不同的工 件材料和不同的加工条件。 硬度：单晶的硬度为8000～9000HV，聚晶烧结体PCBN的硬度为3000～ 5000HV。在切削耐磨材料时其耐磨性是硬质合金刀具的30～50倍； 耐热性：达1400℃～1500℃，在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金 的常温硬度； 其它：较好的化学稳定性、较好的导热性和较低的摩擦系数，
航空难加工材料加工技术研究 Machining of aerospace materials
北京航空航天大学 Beihang University
国防科技工业高效数控加工研究应用中心
陈五一 教授 博士导师 Professor W. Chen
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大量采用耐高温、高强度的难加工和极难加工材料，以承 受高温和极端载荷； 工作在高温、大应力、动载荷条件下，对零件表面质量有 极高要求，零件表面粗糙度、加工残余应力、组织和缺陷 对零件寿命极其重要。
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用途：加工有色金属和非金属材料效果良好。但其主要成分C，在Fe 中有较高的溶解度，所以不能加工铁族金属。 分类：单晶、聚晶 (PCD)、CVD厚膜和CVD涂层四类
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单晶金刚石刀具：用单个金刚石大晶粒做刀具，各向异性，主要用于精 密、超精密加工。 PCD刀具：将金刚石粉末在高温高压下压制成多晶体压块作为刀片，其 晶粒呈无序排列，不具方向性。 CVD厚膜金刚石刀具：利用化学气相沉积（CVD）技术沉积厚度达 0.5~1mm的无衬底的金刚石厚层膜，将厚膜切割后钎焊在硬质合金基片 上作为刀片。同PCD相比，其热稳定性更好，但脆性较高。因导电性 差，不能用电加工(EDM)制造成形。其应用领域与PCD相近，由于其高 纯度以及由此带来的耐磨性和热稳定性的提高，所以更适应于高耐磨工 件的加工。 CVD涂层金刚石刀具：是在硬质合金基体上采用CVD技术沉积小于 30µm的薄膜。目前CVD涂层金刚石产品的市场还不是很大。
航空结构件特点
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发动机难加工材料
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钛合金Ti alloys：冷端零件如压气机叶片、叶轮、盘、机匣； 高温合金High temperature alloys（锻造、铸造、粉末冶金、 定向结晶、单晶）：热端零件如涡轮叶片、盘、机匣； 不锈耐蚀钢、高强度钢Stainless/high strength steels：冷端叶 片、轴、传动件 复合材料PMC/MMC/CMC：树脂基复材风扇叶片、风扇机匣， 陶瓷基复材涡轮静子叶片等
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比强度＝强度/密度，提高材料强度或者降低材料密度均可提高比强度， 高强度难加工材料和低密度轻质材料成为航空结构件的两大类主要材料，
Tensile Specific Young’s modulus Specific Material strength strength density (MPa) (MPa) (MPa) Steel 7.8 1030 2.1×105 130 Al alloy 2.7 410 0.75×105 170 Ti alloy CFRP 4.5 1.45 900 1500 1.14×105 1.4×105 210 1030
航空结构件特点
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航空发动机难加工材料Aero engine materials
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航空结构件特点
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发动机结构材料的应用
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航空发动机工作在数百至上千K的温度，旋转速度 上万转/分，零件既要轻又在高温下承受极端载 荷，所以航空发动机零件有以下特点：
航空结构件特点 Demanding for aerospace materials
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航空结构件特点
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减轻重量是航空结构件设计的永恒主题Lighter structure forever 减重措施1：采用高比强度材料Material of high specific stength