图1  黛杰针对加工钛合金而开发的精加工刀具S-Head可换头端铣刀拥有75%D的大芯厚

随着航空航天器的起飞重量和续航距离的要求不断提高，其构件结构材料的高强度低比重化要求也越发加强。超耐磨，耐高温材料在其构件中的使用已相当普及，同时CFRP、KFRP（纤维强化塑料）、MMC（金属基复合材料）等高机能新型材料的运用也日益广泛。而这些最新材料的切削加工也是最令人困扰的一大难题。

航空航天器主要构件材料以及加工问题

最新航空航天器主要构造材料为耐热合金、钛合金、复合材料及铝合金。耐热合金材料是航空航天器动力构件的重要组成部分。随着发动机推力的不断提高，其内部燃烧温度也随之上升，材料的耐温能力也越来越强。而这些材料在切削加工中，由于材料的高温强度和切削温度极高，不断导致刀具使用寿命缩短，加工效率低。高效稳定地切削耐热合金是一个亟待解决的难题。

钛合金具有高强度、高断裂韧性以及良好的抗腐蚀性，其用于机身结构件的比例日益增大。由于钛合金的热传导率很低，在加工中所产生的热量不能有效扩散，短时间内易造成切削温度急剧上升，加快刀具磨损。同时由于钛合金的强度高而弹性模量较低，在切削时产生的切削力较大，因此在切削力作用下构件容易产生变形，构件的加工精度难以保证。

复合材料是由两种或者多种材料复合而成的材料，具有密度低，强度高，抗疲劳性和减震性优异等特点，一般多用于机翼以及飞行器结构框架等受力部件上。复合材料由于材料易分层、表面剥离、起毛刺以及树脂纤维崩缺的问题，尤其是在机翼，结构架的连接处的孔加工，其质量直接影响整块构件的可靠性，并且由于加工量较大，这对刀具的耐磨性提出了相当苛刻的要求。

铝合金在航天航空产业中运用最为广泛，但为了确保材料本身的可靠性，大部分铝合金零件是由整块铝合金锻材或锭材通过铣削、钻削而成。普通铣削、钻削耗时长，且需要准备大量的刀具来满足尺寸和形状的需要，因此铝合金加工用刀具的集约化和高效化是现代铝合金加工必然要面对的一个课题。

耐热合金高效稳定的加工

耐热合金加工中由于材料的热传导率低，导热性很差，在高温状态下仍保持极高的拉伸和剪断强度，以致刀具刃口很难切入材料，无法进行正常的切削。在切削温度超过600˚时，其表面容易形成加工硬化层从而导致刃口边界磨损加快，短时间内造成刃口崩缺。针对这些加工特点，其切削刀具首先必须具有足够的刚性和强度，同时刃口必须保持最大的锋利度以保证稳定有效的切入。其次要具有最大限度降低切削阻力的几何形状，以杜绝颤振的发生。刃口必须保持足够的硬度和化学稳定性，以提高刀具的使用寿命。

黛杰为满足这些要求所研制的最新概念铣刀QM系列产品，采用了达刃径75%~80%的超大芯厚设计，同时采用具有极优耐热性能的强韧特殊钢加上表面硬度高达65HRC以上GN处理刀体材质，极大地提高了刀体的抗热变形能力，高刚性且同时具有极强的振动衰减性能，可使其刀片使用寿命至少提高30%以上。该系列刀具刀体采用了轴向+8˚大前角设计，采用尽可能多刃且不等分构造，切削阻力低且极大程度地抑制了颤振的发生。

图2  “万砍”旋钻铣刀AL-OCHE型的特长

QM系列另一个最重要的特点是其高效切削部的主偏角仅为12˚，不仅极大地降低了切削阻力，而且也保证了在大进给高效加工中切削阻力不会发生太大变化，保证切削过程的平稳顺畅。同时此形状亦使切削力的分力主要作用于刀具轴向，径向分力很小，不但保证了加工精度也大幅度降低了刀具发生颤振的风险。

钛合金的高效率、高精度加工

钛合金根据其结晶构造分为α、β和α＋β相合金3种，各种合金的加工性能趋势相近而刀具寿命相差较大。钛合金在切削加工中的热传导率很低，很难通过切屑和工件把切削热带走，切削热的大部分（约75%）均堆积在刀具刃口。钛合金的化学活性较强，在高温环境下极易促使刀具材料表面发生扩散和粘结，形成粘连损耗。同时使用钛含量高的刀具材质将会导致钛合金表面产生隐性裂纹，造成构件的疲劳强度大幅降低，因此针对航空航天行业产品加工的刀具材料选择的局限性很大。钛合金加工中切削剪切角大，切削变形小而薄，加之剪切变形区域窄，导致切削力的压强很大，容易产生刃口崩缺。在航空航天行业中，钛合金大部分运用于薄壁件，由于切削时的切削力较大，因此在切削力作用下构件容易产生变形，构件的加工精度难以保证。因此加工钛合金的刀具必须具有的要素和性能在原则上与耐热合金刀具基本相同，但在注重刀具高刚性，刃口高强度的同时，刃口必须有极高的锋利度；必须采用低钛甚至无钛的合金基体和涂层材质；必须有充分的容屑空间和很强的排屑能力；抑振能力超群的同时，必须保证造成变形方向的切削力很小。

黛杰针对加工钛合金而开发的精加工刀具S-Head可换头端铣刀系列产品，采用颗粒度为1μm细颗粒无钛整体硬质合金基体加低钛高硬度涂层JC8000，硬度高达Hv3500的同时，氧化开始温度高达1300℃，同时具有耐磨和耐化学反应的双重优点。75%D的大芯厚、螺旋前刀面结构做到了刚性和锋利度的两全其美。45˚大螺旋角带断屑槽螺旋沟槽保证了排屑性能和变形力的完美平衡。刃尖圆角设计和端面大斜楔有效地提高刃口强度的同时，极大限度地提高了容屑空间，防止因啃屑，挤屑产生刃口的崩缺和加工精度的变化。带内冷的设计更进一步有利冷却和排屑效果的发挥，降低切削温度，延长刀具的使用寿命。另外可换头的紧固部分采用磨制螺纹的专利技术，不但保证了刀具的高刚性和高精度，且由于整体硬质合金基体的耐磨性非常高，其重复定位精度可保证在0.01mm以内。

图3  AL-OCHES2160“万砍”旋钻铣刀加工φ63/φ45台阶孔

复合材料的高效高质加工

复合材料（FRP/MMC）由高硬度超细纤维或高硬颗粒添加进基体材料进行强化而成。最具有代表性的是CFRP（碳纤维强化环氧树脂）。在其切削加工中，虽然切削温度不高，但由于碳纤维强度、硬度高且直径在1μm以下，所以对刀具刃口的磨料磨损作用极强，硬质合金材质在很短的时间内即造成刃口磨钝，从而导致加工孔部分层，材料表面剥离，孔进出口处起毛刺以及树脂和纤维的崩缺等问题。同时由于刃口磨钝造成切削区域温度上升而大多数加工中又禁止使用冷却液，于是导致树脂发生软化，更进一步加剧分层和劈裂的产生。因此CFRP的加工所用刀具材料必须采用超耐磨（高硬度）、超传热（高热传导率）的材料。

现在实用的金刚石刀具材质分为金刚石涂层和聚晶金刚石（PCD）两种，金刚石涂层由于涂层本身的性能以及与基体的付着力等原因，仍无法满足现场的高质量加工需求。因此要做到稳定高效高质地加工FRP材料，只有使用聚晶金刚石（PCD）。传统的PCD刀具是将PCD板片用线切割切成小片之后焊接在刀体刃口部分而成。针对航空航天行业中CFRP材料加工最多的孔加工而言，其尺寸在φ6以下，传统的PCD焊接刀具由于焊接接合面积尺寸过小容易导致在加工中PCD片脱落，以及重磨将使其刃口几何形状发生改变，造成加工质量和刀具寿命极大地波动，无法进行稳定的加工。

高效高速加工铝合金

铝合金不仅是飞行器的构造材料而且在民生行业的运用也非常广泛。为了防止偏析、夹砂等对飞行器构件强度产生不利影响，往往都是从很大的锻件或铸件通过大量的铣削和钻削加工至最终所需形状。为提高加工效率，在铣削加工中不仅要求刀具具有足够的耐磨性能来承受高速加工，而且针对不同加工形状最好能够同时具有侧铣、沟槽铣、斜向切入及钻铣等多项功能以减少停机换刀辅助时间。同时也可减少常备刀具的种类，降低刀具库存压力和生产制造成本。另外孔加工与铣削加工具有同样的特性，每种孔径均必须常备其相应的尺寸钻头，台阶孔还必须准备非标特殊规格，有资料统计在航空航天行业所用刀具中钻削刀具所占比例高达30%以上。因此，具有高耐磨性，可满足各种形状尺寸需求的多功能刀具，是解决频繁换刀造成耗时过长、效率低下造成生产成本过高以及库存种类过多的极好手段。

黛杰专门针对铝镁合金高速高效加工开发了获得2008年度日本硬质合金协会技术功勋奖产品AL-OCHE型“万砍”旋钻铣刀。“万砍”即该刀具针对任何加工要求均可迎刃而解之意。其外形类似整体合金端铣刀，但是无论是各种形式和各种形状的铣削加工要求，还是在封闭空间内切削的孔加工，由于独特的大螺旋沟槽设计使其仍具有良好的排屑功能。另外，采用耐磨性和耐崩缺性两者皆优的细颗粒低Co硬质合金作为基体，在刀具磨削成形，刃部抛光后表面涂上具有更高硬度（＞HV4000）和良好润滑性的JC20015类金刚石（DLC）涂层，同时带有螺旋内冷孔构造，不但保证了高速高效率长寿命加工，而且在各种深槽和窄槽的铣削，深孔钻削以及台阶扩孔加工中解除了排屑的烦恼。

图3是用“万砍”旋钻铣刀AL-OCHES2160（φ16）在实心铝合金上加工φ63沉头孔（深33mm）和φ45通孔（深100mm）的台阶孔时的实例。加工工序是先加工φ31的贯通底孔，然后再螺旋扩孔至φ45贯通，最后采用螺旋加工沉头孔至67mm，全过程耗时仅只需135s。特别是加工φ31的通孔时，所消耗最大功率仅为3.03kW，一般的小型设备均可以承受。因此，“万砍”旋钻铣刀不仅是解决了制作非标特殊台阶钻的成本和制造周期的难题，而且可以大大地降低对加工设备的苛刻要求。