航空工業用材料的特點是要求質量輕，在高溫和低溫條件下，比強度高、綜合性能好、化學穩定性好。為此，人們開發了許多新的材料。當今可作為航空材料的金屬有鋁合金、鈦合金和超耐熱合金。航空用復合材料有CFRP（碳纖維復合材料）等。這些材料大多數都是難加工的材料。

    以先進的美國波音飛機為例，三十年間已從原有的747型飛機，發展到目前的787型，其機體部分材料構成為：開始廣用的鋁合金由81﹪降為20﹪，鋼由13﹪降為5﹪，而鈦合金由4﹪增加到15﹪，復合材料則由4﹪大幅度增加到50﹪。同樣，歐洲的最新型空客A350XWB使用的鋁合金只占20﹪，鋼僅占7﹪，而鈦合金增至14﹪，復合材料更高達52﹪。

    在噴氣發動機中，低溫低壓部分一般用鈦合金，最近也有部分使用復合材料CFRP。高溫高壓部分多用鎳基等超耐熱合金，如Inconel718，Hastelly，Waspaloy，Rene41等。

    難加工金屬材料的鈦合金和超耐熱合金，難切削程度若以含硫易削鋼易削指數為100計，則奧氏體不銹鋼為45，鈦合金中的Ti-6Al-4V為26，Inconel718為12，Rene41則在5以下，可知難切削性依次以2倍多地增加。

鈦合金和超耐熱合金的特性

    鈦合金有以下加工特性：（1）切削過程中生成的切削熱高，且導熱性差（約為鋼的1/7，鋁的1/16），從而使溫度集中在刀尖刃口，常高達1000℃以上，故易使刀具因高熱而損傷。（2）鈦合金彈性模量小，切削受力后，彈性恢復，會加劇刀具前后刀面的摩擦，進一步增加切削溫度，加速刀具磨損，還易振動。（3）易被加工硬化，且自身化學活性大，易與空氣中的氧等反應，使表面變硬，加劇刀具的磨損。（4）鈦與耐熱合金的切屑易黏結在刀具上，在加工中粘結物被后續加工強制除去時，會造成刀具粘結損傷，降低刀具壽命。最廣泛使用的鈦合金是α-β相的Ti-6Al-4V。波音787型用的鈦合金是β相的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr，更難加工。

    鎳基超耐熱合金的加工特性：首先，其含合金成分比率多，合金元素與碳構成各種碳化物和復雜碳化物，這些碳化物不溶于合金，而是以極細的顆粒形式彌散分布在晶界，可以強化晶界，阻止外力作用下的滑移，使得合金顯示超強硬的性質。其次，比強度大，要加工鎳基超耐熱合金，必須做更大的功，以產生更多的熱。而導熱性差，使得切削中生成的熱量不易排出，從而讓溫度達到更高。鈦合金許多難加工的特點在超耐熱合金中表現得更劇烈，其機械、粘結、擴散和氧化磨損更嚴重，因此超耐熱合金比鈦合金更難以加工。

鈦合金與超耐熱合金加工用刀具

    為開發鈦合金與超耐熱合金加工用的優秀刀具，應該研究改善影響切削力、熱的各因素，提高冷卻效果，使切削力、熱下降，熱加快導出；提高工藝系統各部分剛性，以抑制振動；減少黏結，加速排屑等。這些原則如何在切刀、立銑刀、面銑刀、鉆頭的具體設計、選材和切削條件設定上落實，下面以國外的SIMTEK和SGS公司為例，進行說明。

    先介紹他們為此開發的新材料和涂層，德國SIMTEK公司開發了車削切內外槽的GT45、FT45、HT45及GX79，用于銑槽的GT42和GT79。既可用于鈦合金，也可用于超耐熱合金的加工。美國SGS公司開發的特殊涂層Ti-NAMITE-A(AlTiN)，由于其特殊的沉積技術與組織結構，加工鈦合金和超耐熱合金時取得了很好的效果。SGS公司開發的另一種Ti-NAMITE-B(TiB2)涂層，硬度達到了HV4000，可用于加工鋁硅合金。他們用于制造刀具基體的材料都是超微粒硬質合金，加以獨自開發的專用涂層，實現了硬度和韌性等綜合機械性能的進一步提高。

    航空發動機零件上有許多槽加工需要使用性能優異的切槽刀（見圖1）。槽加工由于三面受力，切削阻力大，切削熱高，散熱、冷卻、排屑及剛性等條件差。德國SIMTEK公司開發了多種V形塊定位夾緊模塊化結構，大大提高了刀片的安裝剛性。除了可加工各種槽外，換上別的刀頭還可以加工各種孔，以及不同標準的螺紋。這對航空零件整體制造，保證在一次安裝中能加工出許多表面，要求保證相互位置精度高的零件非常有利。針對包括鈦合金和超耐熱合金在內的航空難加工材料，SIMTEK公司的優質刀片材料在車削切槽時，鈦合金切削速度為60～110米/分，而鎳基耐熱合金的切削速度為30～50米/分。車削切槽所用刀片對應不同的加工有各自適合的斷屑槽。

圖1 SIMTEK的各類切槽刀及常加工的發動機零件

    對一般的立銑刀而言，刀齒的進入、退出是周期性的，這可能會形成破壞性的簡諧振動，并進而造成整個刀具的共振損傷。美國SGS公司的專利特色設計使得其多款立銑刀從很大程度上抑制了加工中的振顫。如Z-CARB-AP型不但具有不等齒槽螺旋角，齒槽間的間距也不等，還具有專利的可變前角結構等，從多方面來抑制振動，減少并穩定切削力，使加工質量、效率、刀具壽命等均得以提高（見圖2）。圖2中標明的諸功能，均由經過特殊設計的幾何結構來保證。該銑刀在切削鈦合金時的速度為91～104米/分，切削超耐熱合金（硬度≤300）時的速度為24～30米/分。

圖2 Z-CARB-AP型立銑刀

    Z-CRAB-HTA系列立銑刀則專門針對高溫合金的加工進行了獨特的幾何形狀設計，也具有專利的多種螺旋角、可變的螺距，且可抑制諧振。此外，其螺旋角較大，從而改善了對耐熱合金的剪切和切離功能，也使加工的平衡和穩定性得到了提高。精心設計的芯部結構提高了其在嚴酷加工環境中的強度和剛性。在工件硬度≤300時，切削速度達27～40米/分。而硬度≥300時，切削速度可達24～37米/分。

    V-CRAB5刃立銑刀由于具有奇數刃、變化的齒距和齒形，可降低諧振，提高加工光潔度，減少切削力，增強剛性，提高生產效率。奇數多刃齒的立銑刀若再增加齒數，例如增加到7刃、9刃、11刃等，除了保持上述優點外，由于每分鐘的進給量F=N（每分鐘轉數）×fz(每刃齒進給量)×Z（刃齒數），因此，刃齒數的增加會直接使每分鐘進給量與生產效率按比例地增加。多刃齒立銑刀一般齒槽多，但齒槽淺，芯部較粗，刀具剛性高，加工精度、穩定性、刀具壽命均得以改善。SGS的許多立銑刀都采用了專利的冷卻射流技術（見圖3），通過可中心供冷卻液的機床主軸，使冷卻液沿立銑刀外四條相互成90°油槽和螺旋槽一直通達切削部位。它能更好地實現冷卻效果，保持恒定適當的切削溫度，防止過熱，減少黏附和積屑瘤，提高切削速度和刀具壽命，加速排屑，防止切屑損傷工件，并提高加工精度和表面質量。

圖3 Z-Crab立銑刀的冷卻特色

    SGS公司有一種Hi-PerCarb高性能雙刃帶鉆頭的特點是；由于在原螺旋槽外，刃背再開出了一條螺旋槽，從而構成了雙刃帶（見圖4）。雙刃帶結構使導向、定心點增多，且加工穩定性高，冷卻液暢通，冷卻性能好，排屑性能大為提高，切削熱生成少，加工表面光潔度高，刃口的特殊處理保護了刀刃。頂部螺旋槽構成的前刀面上磨出的兩凹槽修磨了橫刃，能分斷切屑，增大了進給能力，且減少了軸向力。鉆頭表面有耐高溫特殊的Ti-NAMITE-A(AlTiN)涂層，可提高切削速度，進行高效加工。它除了適合航空難加工材料鉆削外，也適合一般鋼、鑄鐵、不銹鋼的鉆削。其加工精度高，很多情況下，可省去鉸孔工序。在普通設備上可方便地進行磨損后的重磨。

圖4 Hi-PERCarb高性能雙刃帶鉆頭

復合材料及其加工用刀具

    復合材料是將兩種或兩種以上不同特性的材料組合起來，使之成為某種特定性能的材料。其基體材料常用的有樹脂、陶瓷和金屬等，增強材料則主要是纖維材料。過去，玻璃纖維應用很廣泛，它們和樹脂復合構成的GFRP被稱為玻璃鋼。芳綸復合材料AFRP使用得也很多。當今以特殊熱處理工藝制成微細碳結晶而構成的碳纖維，因其質輕又具有優良的性能，應用日益廣泛。常用的碳纖維復合材料CFRP是以碳纖維為增強材料，以環氧樹脂等為基體材料構成的。碳原子固有的特性是低密度、低熱膨脹率、耐熱性好、化學穩定性好，以及自潤滑性好。CFRP硬度高（HRC53～65），導熱性差（導熱性僅為奧氏體不銹鋼的1/5～1/10），但它的比強度、比剛度高，抗疲勞性好，耐熱性好。切削加工時，由于其導熱性差，局部熱量集中，易發生燒傷；由于各向異性，層間強度低，加工中易產生分層，撕裂，毛邊，表面質量差等缺陷；再加上切屑為粉塵狀，污染環境，危害人體健康。故屬于難加工材料。

    碳纖維等復合材料和金屬的切削原理和過程不同。金屬切削是切刃切入使被切金屬產生剪切滑移形成各類切屑的過程，而碳纖維復合材料是通過鋒利的刀刃去強制折斷纖維和切斷環氧樹脂層的。纖維如磨料反過來摩擦磨損刀具。

    碳纖維復合材料主要用在飛機機體上，故其加工多用鉆削和銑削。鉆削通常用的麻花鉆由于頂部存在橫刃，橫刃不產生切削作用，只是擠壓滾卷纖維，是鉆削軸向分力和切削熱的主要來由。再加上碳纖維復合材料導熱性極差，很易造成燒傷。

    SGS公司的120系列8面4刃雙刃帶特殊鉆頭，載荷分配平滑均勻，加工精度高，加工表面質量好，鉆孔進出口處分層、毛刺很少，磨損磨蝕小，鉆頭壽命長。特別是再加上金剛石涂層Di-NAMITE，其加工質量更高，壽命更長。

    SGS公司的20-CCR系列是他們專為航空碳纖維材料設計開發的立銑刀，在大多數情況下，可降低甚至消除纖維的破裂。減少分層剝離。其直徑有公制、英制兩種，公制的直徑為6～12毫米。刀齒有帶金剛石涂層Di-NAMITE和不帶涂層兩類。圖5為SGS的各類復合材料立銑刀。

圖5 SGS的各類復合材料立銑刀

    在復合材料精銑加工方面，SGS公司還有一種獨特結構的25系列立銑刀（見圖6）。此系列立銑刀同時具有左右螺旋槽和由它們形成的兩圓周刃。由于左右螺旋對工件作用力相反，原有的拉扯力量被壓縮力量抵消，最大限度地減少了復合材料加工中出現的分層，毛邊等損傷。該系列立銑刀還帶有金剛石涂層Di-NAMITE，進一步提高了立銑刀的硬度和耐磨性，可長期保持切刃的鋒利，減少了切削負荷，延長了刀具壽命，并提高了加工質量。

圖6 左右螺旋槽復合材料精銑刀