尚亚（上海）国际贸易有限公司顾问章宗城

为开发加工钛合金与超耐热合金用的优秀车、铣刀具，应该采用最先进的刀片材料和涂层，提高其高温硬度和综合机械性能。同时要研究设计新型刀片的几何形状，合理的断屑槽，使切削力、切削热下降，加快热量的导出，加速排屑、减少黏结损伤。

用于航空部件的材料特点是重量轻，在高温和低温条件下的强度高、综合性能好以及化学稳定性好。现今用于航空的金属材料有铝合金、钛合金和超耐热合金等。其中的钛合金和超耐热合金属于难加工材料，主要应用于喷气发动机，一般钛合金用于低温低压部分，镍基超耐热合金等用于高温高压部分。

钛合金和超耐热合金的难切削程度可以这样形容：若含硫易削钢的易削指数为100，则奥氏体不锈钢为45，钛合金中的Ti-6Al-4V为26，Inconel718为12，Rene41则在5以下，可知难切削性是以2倍多、2倍多递增。

加工特性

钛合金在切削过程中生成的切削热较高，且导热性差（约为钢的1/7，铝的1/16），从而使温度集中在刀尖刃口，常高达1000℃以上，故易使刀具因高热而导致性能下降易造成损伤。钛合金的弹性模量较小，切削后，钛合金弹性恢复从而压向刀具，由此会加剧与刀具的摩擦，进一步增加切削温度，加速刀具磨损。还易引起振动。钛合金还易产生加工硬化的现象，且自身化学活性大，易与空气中的O2等成分发生反应，使表面变硬，加剧刀具的磨损，尤其是造成刀具的边界磨损。钛合金的切屑易黏结在刀具上，在加工中黏结物被持续的后加工强制除去时，刀具表面部分材料会随切屑而被带走，从而造成黏结损伤，降低刀具寿命。最为广泛使用的钛合金是α-β相的Ti-6Al-4V，在波音787中使用较多的钛合金是β相的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr，更难加工。

镍基超耐热合金所含的合金成分比率较多，合金元素与碳构成各种碳化物和复杂碳化物，这些碳化物不溶于合金，而是以极细颗粒形式弥散分布在晶界，以此强化晶界，阻止外力作用产生的晶面滑移，使合金的强度、硬度更高。为了加工它们，必须使用更大的力，做更多的功，这必然同时产生更高的热。本身这些材料的导热性较差，切削中生成的热量不易排出，从而更加剧了热磨损，因此一般材料的刀片无法持续加工。钛合金的许多难加工特点在超耐热合金中都有所体现，而且更为严重，其机械、黏结、扩散和氧化磨损更为严重，因此它们比钛合金更难加工。

为开发加工钛合金与超耐热合金用的优秀车、铣刀具，应该采用最先进的刀片材料和涂层，提高其高温硬度和综合机械性能。同时要研究设计新型刀片的几何形状，合理的断屑槽，使切削力、切削热下降，加快热量的导出，加速排屑、减少黏结损伤。

努力成果

三菱公司在这方面作出了诸多努力，并有不少成果。多年前，他们在硬质合金中改善了碳化物的分布，开发了以R打头的易导热材料系列。如RT9005、RT9010等。在此基础上以他们独特的MIRACLE物理涂层技术，又取得了较好的加工效果。一般来说，涂层中Al含量增多，使其复合氮化物的优良性能可以实现更大的发挥。但是若没有特殊的先进物理气相沉积技术，Al含量增多将在膜层中形成软质相，反而使材料的表面硬度下降（图1）。三菱开发了能使Al含量大幅增加的高铝新PVD单层涂层，硬度可达到HV3000，不会形成软质相，而且热稳定性好。使后刀面的抗机械磨损、前刀面的抗月牙洼磨损和抗黏结损伤性能均得以大幅提高。

最近新开发的超耐热合金涂层有：适合精车到半精车用的MP9005和适合粗车到半精车的MP9015。前者耐磨性更高，适高达100m/min左右的切削速度的加工；后者综合性能优异，适具有一定冲击的负荷条件下的加工。

断屑槽形状的结构设计，直接影响刀具的切削性能。各个加工阶段均有不同的切削用量，因此就需要不同结构的断屑槽。为顺利切削航空金属的难加工材料。三菱分别为精、半精、粗三个加工阶段，设计造出LS、MS、RS三种断屑槽。它们适合航空金属难加工材料在以上三阶段的连续切削和轻微断续切削。如MP9005＋LS的CNMG型刀片，以V＝50m/min，f＝0.15mm/m，ap＝0.5mm为基本参数，精车Inconel718.可连续切削66min，比起过去的刀片材料，寿命提高了2～3倍。在增加切削速度、进给量、切深的试验中，也得到提高寿命的效果。

在切削难加工材料时，还要注意的是：由于它们易发生加工硬化的现象，前道工序留下的表面硬度很高，故易形成切深边界的沟状磨损。为此需要正确地选择刀尖的圆弧半径R，三菱推荐的经验是：使R大于切削深度ap×1.5，这将会减小沟状磨损。

一般涂层中多含钛，车削方式加工钛合金时，往往由于持续切削导致温度升高，再加二者同含钛，导致亲和力强，造成黏附磨损大、加工表面质量差，故车削钛合金时，采用无涂层优质硬质合金材料更好。三菱公司为此开发了耐热性、耐磨性、耐破损性均高，切削刃可锋利，专适于钛合金，从粗车到精车的MT9015材料。再结合上述三种断屑槽LS、MS 、RS，也可在粗、半精、精三阶段得到满意的结果。

三菱在新的铣削超耐热合金刀片涂层开发上也有作为。铣削是断续切削，不断地承受冲击载荷。他们开发了特别耐冲击，韧性高的Al-Ti-Cr-N类，超强韧PVD多层涂层MP9120（图2），由图可知膜层中加含了Cr，形成优秀Cr的氮化物，从而进一步提高膜层的机械性能，硬度达到了HV3000，氧化温度提高到1100℃。它既适合铣削超耐热合金也适合铣削钛合金。多层涂层可阻止裂纹延伸提高耐破损性，为减少黏附磨损，MP9120涂层最外表有摩擦系数低的抗黏附膜层。以往一般刀片涂层和钛合金间的摩擦系数是0.7，MP9120因优异的表面膜层降为0.3。同样依据不同的切削阶段和切削用量。三菱也设计准备了由精加工到准重切削的JL和JM两种断屑槽。通过许多试验和比较，与以往的各情况相比，寿命提高约1.2～2.5倍。