陶瓷刀具在航空零部件上的应用

梁永朝

中国航发商用航空发动机有限责任公司 上海 201306

1 序言

在航空发动机领域，高温合金材料的使用非常广泛，涵盖高压压气机、燃烧室、涡轮、涡轮后机匣及加力燃烧室等高温部件[1]。高温合金材料硬度大、加工刀具磨损量大，零件的冷加工对刀具的依赖程度高。实现高质量、高效率且低成本加工高温合金零部件，是现代航空制造业不断追求的目标。陶瓷刀具是现代金属切削中的一种新型材料刀具，它不仅能提高生产效率，加工普通刀片不能加工的超硬材料，而且是现有各类刀具的补充，是刀具家族中的一支新生力量，近年来在航空制造业中的应用越来越广泛。

2 陶瓷刀具的分类及性能特点

陶瓷刀具是用特种陶瓷粉末材料高压研制而成[2]。陶瓷刀具材料的品种、牌号很多，按其主要成分大致可分为氧化铝系（Al2O3）陶瓷刀具（见图1）、氮化硅系（Si3N4）陶瓷刀具（见图2）、增韧相系陶瓷刀具（见图3）和金属陶瓷刀具（见图4）等。目前世界上生产的陶瓷刀具近九成为氧化铝系，其他多为氮化硅系，增韧相系陶瓷刀具也是氧化铝系的一种，是指在Al2O3基体中添加增韧或增强材料烧成的一类刀具。金属陶瓷刀具作为一种新形刀具，能够结合金属和陶瓷两种材料的性能优势获得理想的切削性能。根据金属陶瓷刀具中主要非金属相的种类，可将其分为氧化物基金属陶瓷、碳化物基金属陶瓷、碳氮化物基金属陶瓷和硼化物基金属陶瓷等[3]。

图1 氧化铝系陶瓷刀具

图2 氮化硅系陶瓷刀具

图3 增韧相系陶瓷刀具

图4 金属陶瓷刀具

陶瓷刀具有许多独特的优点，如高耐热性、高强度和耐磨性，以及良好的高温力学性能等，可以加工传统刀具很难加工甚至不能加工的超硬材料。陶瓷刀具在1000℃的高温下切削，可使被加工材料变软而改善其切削加工性能，而陶瓷刀片仍可保持良好的高温红硬性[4]。此外，陶瓷刀具还有良好的抗化学腐蚀能力，具有极小的金属亲和力。

陶瓷刀具之所以具备优良的切削性能，材料的力学特性是其根本所在。Al2O3系陶瓷刀具的硬度达77～79.5HRA，在高温下有较好的化学稳定性、耐磨性和耐热性，高温硬度大，在1200℃高温下仍能进行切削（此时硬度为58HRA），如果加入一定的稳定剂并采用热压成形技术，可使刀具在1800℃高温下仍能保持硬度和耐磨性。同时在高温下刀具与工件间不产生化学反应，月牙洼磨损率较低，表面粗糙度值小。Si3N4系陶瓷刀具有最佳的耐热性，这使其即使在1200～1450℃的高温下长时间进行切削仍能保持一定硬度和强度。因此用Si3N4系陶瓷刀具加工时允许采用远高于硬质合金刀具的切削速度实现高速切削（其切削速度可比硬质合金刀具提高3～10倍）[5]。

陶瓷刀具虽然具有高速高效切削的特点，但切削过程还存在较多的问题，导致其使用寿命短。主要问题一是在高速高温状态下刀具磨损严重，在低速切削时，一般是磨料磨损为主。随着切削速度的提高，切削温度的增加，黏着磨损和化学磨损越来越突出（见图5a）。当用陶瓷刀具高速切削镍基高温合金时，往往磨损集中在切削刃的一点，磨损形态与切削普通金属时明显不同，其特点是常出现严重的沟槽磨损（见图5b），并伴随后刀面磨损与前刀面磨损，而且前刀面月牙洼磨损常常与后刀面磨损相贯连，使切削刃形状发生变化。高速切削时，刀具的损坏主要是后刀面磨损、前刀面月牙洼磨损、沟槽磨损、微崩刃、剥落和塑性变形等形貌（见图6）；二是陶瓷刀具抗弯强度、抗冲击韧性低，脆性大，刀具加工状态不好，极易破碎。加工过程中，刀具在碰到零件尖边、毛刺而受冲击，或切削刃加工区域接触面积急剧增大的情况下，受力就会突变，易造成崩刃[8]。

图5 陶瓷刀具刀面磨损形貌[6]

图6 陶瓷刀具月牙洼形磨损形貌[7]

3 陶瓷刀具的应用

3.1 陶瓷刀具应用的注意事项

合理的使用方法是保证陶瓷刀具成功应用的关键。一般来说，有效使用陶瓷刀具要合理地选择适用的刀片牌号、刀具几何角度和切削参数，特别是切削参数，一是要注意切削深度的控制，如图7所示，在使用三角形或者菱形陶瓷刀片切削过程中，切削深度一般不超过沿切削前进方向上与刀具刀尖圆弧半径成45°深度方向上所形成的厚度，通过这种方法，可以最大程度地减少刀具与工件切削面的碰磨破坏；二是要注意进给方式，其直接影响着刀具的使用寿命和切削表面质量。采用变深度切削的方式（见图8a），改变切削深度，可以扩大刀具表面磨损的分布面积，进而降低刀面同一接触点的磨损，从而提高刀具使用寿命；采用斜线进给方式使切削深度逐渐降低，刀具与工件的接触面积逐渐变化，在进行下一刀切削时，采用直线进刀方式，此时工件表面已经是斜面，斜向切削时切削深度由深到浅，此时刀具表面与工件的接触点也在逐渐变化（见图8b），通过这种循环往复的变深度切削方式，降低了刀具面同一接触点的磨损，延长刀具的使用寿命，工件加工表面质量也会得到较大改进。

图7 陶瓷刀具的切削深度

图8 陶瓷刀具的进给方式

此外还要注意的是：①陶瓷刀具适合高速和小进给量切削，要求功率大，转速高，刚性与稳定性好的机床，这是由于陶瓷刀具对冲击和振动载荷比较敏感，系统刚性差会使陶瓷刀具寿命降低或引起崩刃。②陶瓷刀具达到磨损标准要及时换刀，否则会造成刀具严重崩刃或破损，因此在使用过程中要开展相关切削试验，针对特定加工工件，测量陶瓷刀具模型极限，建立陶瓷刀具磨损标准，及时换刀。③由于陶瓷刀具对热应力很敏感，当高速切削时，刀具温度会逐渐升高，陶瓷刀具的高温韧性会得到充分发挥，因此切削时一般不用切削液。干切削过程中的陶瓷刀具如图9所示。

图9 干切削过程中的陶瓷刀具[9]

3.2 陶瓷刀具在航空发动机零部件上的应用

近年来随着航空制造业的迅速发展，传统硬质合金刀具已难以满足生产需要，特别是在航空发动机制造领域，陶瓷刀具以其优良的切削性能和高的性价比得到越来越广泛的应用。

（1） 陶瓷刀具在鼓筒轴零件上的应用 航空鼓筒轴零件（见图10）属于薄壁空腔结构类零件，零件整体刚性差、加工余量较大且加工效率低。鼓筒轴材料为Inconel 718（GH4169），是一种时效沉淀强化型镍基高温合金。作为一种难加工材料，Inconel 718具有导热性较差、加工硬化严重和易粘刀等特点，切削加工性能较差。

图10 航空鼓筒轴零件

鼓筒轴零件毛坯质量约50kg，最初加工时，粗车加工过程采取传统的硬质合金菱形刀去除毛坯余量，进行内外形面加工，如图11a所示，采用DNMG 150612-TF刀尖半径为1.2mm的硬质合金菱形刀分层加工余量，余量去除效率低，生产周期长，不利于大批量生产。为了尽快转变加工现状，提高加工效率，缩短生产周期，尝试采用陶瓷刀具进行内外形余量加工，如图11b所示。

图11 硬质合金刀具余量加工与陶瓷刀具对比

实际加工过程采用美国绿叶公司的RNGN-120700 T1型WG-300晶须增强型陶瓷刀具，该刀片为圆形，直径为12.7mm，如图12所示。WG-300最大的特点就是必须维持一定的温度，才能最大限度地发挥晶须陶瓷的高硬度和高韧性的优势[10]。

图12 WG-300晶须增强型陶瓷刀具

通过现场加工试验，不断摸索适合的加工参数，最终确定了加工参数的线速度为200m/min，进给量为0.25mm/r，切削深度为2mm。同时在前期多轮试验的基础上，对陶瓷刀具的进给方式进行了调整，进给时，采用了斜向进给与直线进给交替进行的方式。该进给方式的最大优势是每次切削时切削刃与加工零件的接触点在不断变化，这样能够有效减小刀具在同一接触点的持续磨损，减小沟槽磨损的程度，50倍放大后刀具磨损带测量值为0.472mm（见图13），未出现崩刃或打刀的现象，磨损状态正常，与硬质合金刀具相比，不仅减少了换刀时间，而且大大提高了刀具的使用寿命。陶瓷刀具和硬质合金刀具的加工参数对比见表1。

表1 陶瓷刀具和硬质合金刀具的加工参数对比

图13 50倍放大刀具磨损带测量

在半精加工过程中，特别是在内形面车削时，最初采用陶瓷刀具去除余量，之后再采用硬质合金刀具清根的方式，但是实际过程中操作人员要进行频繁换刀、对刀，不利于加工效率的提升，因此，对加工方式进行了进一步的改进试验。具体方式是在采用陶瓷刀具完成形面半精加工后，不再采用硬质合金刀具进行清根处理，而是继续采用陶瓷刀具进行清根，加工参数与之前试验参数接近，这样大大缩短了换刀、对刀时间，加工效率得到进一步的提升，陶瓷刀具的加工作用得到了进一步的发挥。加工方式改进前后对比如图14所示。

图14 陶瓷刀具内形面车削加工方式改进前后对比

（2）陶瓷刀具在弹性支承零件上的应用 弹性支承是航空发动机上一类重要零件，主要用来减少转子的支承刚性，降低转子的临界转速（或共振转速），使发动机常用的工作转速大于临界转速。某发动机上笼式弹性支承件材料为15-5PH不锈钢，零件结构较为复杂，内部基本为空腔结构，如图15所示。

该弹性支承件材料为马氏体沉淀硬化型不锈钢，材料硬度38～42HRC，属于难加工材料，其加工难点主要有以下几点。

1）刀具容易磨损，不锈钢中的碳化物硬质点使刀具加剧磨损，在前刀面上产生月牙洼磨损。

2）加工硬化现象严重，硬化层的硬度可达基体硬度的1.4～2.2 倍。

3）切削温度高，在相同切削条件下，比45钢高200～300℃。

4）切削力大，在相同切削条件下，比45钢高1.25 倍以上。

5）切屑不易折断，车削时，切屑连绵不断，容易损伤已加工表面，同时为切屑控制带来困难。

6）切削过程中，容易产生积屑瘤，不仅加剧刀具磨损，而且会导致已加工表面出现撕裂现象。

针对弹性支承零件上述加工难点，特别是粗加工毛料工序，最初采用普通DNMG 150612尖刀去除大余量，速度慢，刀片消耗大，加工效率低。零件毛料尺寸图16a所示，粗加工毛料工序尺寸如图16b所示。

通过图16可知，零件在粗加工工序时，加工余量较大，单边余量最大处为70mm，加之零件材料的可切削性能较差，之前采用的DNMG 150612硬质合金菱形刀片磨损较严重，刀片消耗量较大，为了解决这一问题，提高加工效率，考虑采用陶瓷刀具进行提效加工试验。刀片型号为RCGX 070600，刀具半径为3.97mm，如图17所示。

图17 RCGX 070600型陶瓷刀

采用该陶瓷刀具进行粗加工时（见图18），切削过程采用切削深度递减的切削方式来延长刀片使用寿命，通过切削试验不断摸索加工参数，陶瓷刀具与硬质合金加工刀具加工参数对比见表2。通过对比可知，采用陶瓷刀具粗加工零件效率得到大幅度提升，同时刀具消耗量明显下降，刀具成本有效降低，陶瓷刀具的作用得到充分发挥。

图18 陶瓷刀具粗加工

表2 粗加工时陶瓷刀具和硬质合金刀具的加工参数对比

4 陶瓷刀具的最新进展

近年来陶瓷刀具在航空制造领域的应用在不断扩展，随着越来越多新材料在航空制造领域的应用，材料性能在不断提升，对数控加工技术的要求也在逐步提高，因此，对新型陶瓷刀具研究与应用的需求也在不断扩展。虽然陶瓷刀具有着优良的切削性能，但由于刀具材料脆性较大，强度和韧性较低，因此在很大程度上限制了它的推广应用。事实上，硬度高的材料往往强度和韧性低，如果要提高韧性，往往是以硬度的下降为代价。正是由于这种矛盾的存在，使得寻找一种既具有高硬度（包括高温硬度）又具有高强度和韧性的陶瓷成为陶瓷刀具材料研究的热点。

现阶段，陶瓷刀具新材料的研究主要集中在4个方面：超微粉陶瓷刀具、复相陶瓷刀具、涂层刀具以及金属陶瓷刀具。其中，复相陶瓷刀具的研究尤为突出[11]，其增韧机理是通过控制烧结工艺使其内部微观组织产生增韧相以实现增韧的效果，添加的增强相如TiC、TiN、TiB、SiCp、SiCw、（W，Ti）C、WC、Mo2C、ZrO2及Y2O3等成分，利用第二相、第三相材料进行颗粒弥散强化、纤维补强、晶须增韧、相变增韧或协同增韧补强，可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高[12]。

在Al2O3陶瓷中加入微量的镍或钼等金属，经过加热压制处理而形成的陶瓷叫做金属陶瓷。金属陶瓷刀具的抗弯性以及刚度都比较强，主要应用于切削调制合金钢，它的切削速度以及刀具比一般的刀具要高，使用寿命长并且因为金属陶瓷中含有少量的金属成分，所以可以获得较细的表面质量[13]。

随着其组成结构和压制工艺的不断改进，特别是纳米技术的发展，使得陶瓷刀具的增韧成为可能[14]。

5 结束语

通过对陶瓷刀具的分类及性能特点分析，总结了陶瓷刀具使用过程中的注意事项，并根据陶瓷刀具在航空鼓筒轴零件及弹性支承零件上的实际应用，对陶瓷刀具在切削镍基高温合金材料（Inconel 718）及马氏体不锈钢材料（15-5PH）时的切削性能进行了试验分析，摸索出了加工相应材料零件的切削参数，并与硬质合金刀具进行了对比分析，通过试验可知，陶瓷刀具的线速度可达200m/min，是硬质合金刀具线速度的5倍，大幅提高了零件的加工效率，有效降低了加工成本。同时尝试采用变切削深度加工及直线进给与斜线进给往复交替式的新型进给方式，有效降低了刀面同一接触点的持续磨损，提高了刀具的使用寿命。