2015年日本本田HondaJet小型商务飞机红极一时，卖450万美元，外界评论它：“一个小可爱，浑身是复材”。在机体结构上，HondaJet采用了重量轻、强度高的碳复合材料。在机体的安装中，将蜂窝夹板层和补强板两种结构组合成复合材料。碳复合材料和一体成型技术的采用，不仅实现了轻量化，还成就了HondaJet的漂亮外观。一体成型的复合材料机体是该飞机的一项重要的革新之处。可见，飞机要“瘦身”，复材是关键。除了复合材料以外，钛合金等难加工材料在航空航天领域的使用也越来越多，那么，如何加工才能让航空飞行器更轻便、更结实、更安全呢？
随着制造技术的不断发展，各种新型材料得到了开发和广泛应用，这些新型材料中有很多都属于难加工材料，如钛合金、高温合金以及复合材料等，一方面，大大提升了产品性能，另一方面也给加工制造带来了很大困难。针对各种难加工材料的特点，采取相应的措施，高效率、低成本、保质保量地完成加工任务，满足加工要求，符合航空航天产业的发展的需要，利于生产出更轻便、更安全、更优质的飞行器。
01
钛合金的性能和切削难点
钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优点，因此在航空、航天、发电设备、核能、船舶、化工、医疗器械等领域中得到了越来越广泛的应用。由于钛合金热传导能力差且粘着性明显高于不锈钢等材料，加工过程中刀具切削刃的温度会显著上升，刀具容易老化，影响刀具寿命。
钛合金难切削的原因
原因说明刀-屑接触长度短钛合金的切屑在空气中的氧和氮的作用下，会形成硬脆的化合物，使切屑成短碎片状，因而刀-屑接触长度很短，切削力和切削热集中在切削刃附近，刀具容易崩刃导热性差钛合金的导热系数小，仅为45钢的1/6～1/7，而且密度小，切削热量集中在切削刃附近，刃区温度高，刀具磨损剧烈化学亲合力大与含Ti的硬质合金粘结严重弹性模量小约为45钢的弹性模量的1/2，故弹性恢复大，摩擦严重。同时，工件也容易发生装夹变形钛屑易燃在高温下（600℃），钛屑容易燃烧冷硬现象严重钛的化学活性大，在高的切削温度下，很易吸收空气中的氧和氮，形成硬而脆的外皮，同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损
02
复合材料性能和切削措施
相信“轻量化”对于大家来说并不陌生，在飞机制造中有一句名言是：“为减轻每一克重量而奋斗”。飞机轻量化能带来更低的油耗、更高的运力以及一系列绿色经济效益。飞机“轻量化”的关键是使用复合材料。
为了追求飞机的轻量化，制造飞机用的材料也在一代一代的改变，“一代材料，一代飞机”，为了达到这个目的，国内外航空、汽车的制造厂商都在不断大量的使用复合材料。有些飞机的复合材料应用甚至达到80%~90%。空客飞机使用复合材料的比重越来越高，在空客A350XWB的中复合材料的使用占比已经达到53%，超过了金属材料使用量。被称为“空中巨无霸”的空客A380则约有25%由先进轻质复合材料制造。
大量采用高性能复合材料是航空飞行器发展的重要方向，复合材料用量已成为目前衡量飞机先进性的一个重要标志。由于复合材料具有轻质、高强、性能可剪裁等诸多优点，美国科学院一项研究报告中指出，未来20～30 年，唯一能使飞行器性能提升20%～25%的只有复合材料。
复合材料虽然已经成为飞机制造中的新宠儿，但是在加工制造过程中存在着诸多的困难。其加工难点在于材料脆性大；纤维复合强度较高，均匀性较差；如果使用的刀具不锋利或者切削进给量较大，会引起纤维密集处不易切断。
复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质，经人工制成的多相组成的固体材料。其组成分为两大类，即基体相和增强相，前者起粘结作用，后者起提高强度和刚度的作用。作为工程结构材料应用最多的是纤维增强复合材料，如玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、碳纤维增强复合材料（CFRP），芳纶纤维增强复合材料（KFRP）和硼纤维增强复合材料。它们都属于树脂纤维增强复合材料，也可称为纤维增强树脂基复合材料（FRP）。
1纤维增强树脂基复合材料（FRP）的性能特点
具有高比强度和比刚度（比强度是材料的强度和材料的密度之比；比刚度是材料的弹性模量与材料的密度之比）；抗疲劳性能好；减振能力强；断裂安全性好。
2切削纤维增强树脂基复合材料的具体措施
措施说明刀具材料选择
1.要选择耐磨和导热性好的刀具材料
2.高速钢刀具可选用粉末冶金高性能高速钢和氮化钛涂层的高速钢
3.硬质合金刀具可选用导热性好的YG类硬质合金或涂层硬质合金
4.超硬刀具材料可选用PCD复合片刀具和人造金刚石厚膜刀片
刀具几何角度
的选择
切削FRP复合材料，要求刀具刀刃锋利，具有一定强度，同时散热条件要好，通常选取的刀具前角γo=－5°～10°，后角αo=10°～12°，为改善散热条件，刀尖圆弧宜选大一些，刀具主偏角κr＜60°
切削用量选择切削用量的合理选择与刀具材料密切相关，采用高速钢刀具切削FRP复合材料时，切削速度vc=10～15m/min，硬质合金刀具vc=40～80m/min，人造聚晶金刚石复合片刀具的切削速度vc=80～120m/min，进给量f=0.2～0.5 mm/r，在切入和切出时，为防止分层、崩刃，应适当减小走刀量或在工件两端进行45°倒角
其他对FRP复合材料的切断，在一般情况下，可采用薄金刚石锯片进行切割，也可采用超高压水，压力为400MPa，由口径小于φ1mm的喷嘴喷出，以2～3倍声速的超高速冲击被加工表面，进行切割加工。在铣削时，为避免铣削时工件切离处掉渣，应采取顺铣，并在即将铣完时，采用手动进给
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加工方案
难加工材料在加工时虽然存在着诸多困难，但是机加行业从业者们一直在努力研究更好地加工难加工材料的方案，致力于为航空飞行器“瘦身”服务。首先为您推荐一款加工中心，它就像手术室的操作台一样必不可少。它就是格劳博五轴联动通用加工中心G系列G350(第二代)/G550(第二代)/G750(第一代)产品，它们是加工航空航天难加材料的利器。
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手术台
格劳博五轴联动通用加工中心
格劳博中国
格劳博五轴联动通用加工中心G系列G350(第二代)/G550(第二代)/G750(第一代)拥有紧凑的设计，卓越的加工效率和稳定性。它们既能独立完成航空航天工件的加工，也能配合各种自动化设备提供完整的解决方案。卧式主轴结构保证了同级机床中最长的Z轴行程，A'轴和B'轴分别达到230°和360°的倾角范围也能实现最大程度的加工自由度，非常适合航空航天领域有大切削量要求的高精度复杂组件加工，尤其是能够轻松高效攻克难加工材料的技术难题。↑↑格劳博五轴联动通用加工中心第二代G550加工航空航天钛合金轴承座
由于钛合金热传导能力差且粘着性明显高于不锈钢等材料，加工过程中刀具切削刃的温度会显著上升，引起刀具快速老化，严重影响使用寿命。尤其是在加工例如钛合金轴承座这类材料去除率相对较高的工件时，材料本身所具有的高强度对于加工中心的刚性和稳定性而言就是一个考验，另外在加工时大量产生的切屑，以及钛合金切屑易与刀刃发生粘结所带来的一系列问题也亟待解决。
然而这些考验和问题在格劳博五轴联动通用加工中心G350（第二代）/G550（第二代）/G750（第一代）卓越的性能面前全都不在话下。
机床床身采用固有的刚性焊接设计，其静态和动态刚性相较铸造床身的加工中心，能够提高25%至40%且具有较大的弹性模量，在卧式结构的基础上可实现最佳的机械刚性和稳定性，避免加工过程中产生的共振现象影响工件的表面质量和加工精度，同时也支持使用更大的主轴功率和扭矩以实行更加强劲的加工。
机床独特的轴布局比如从-185°到+45°的A'轴旋转范围可以实现翻转式加工，使切屑直接落入排屑槽内，令工件几乎不受切屑粘结和累积所造成的任何困扰，从而带来最佳排屑效果。这不仅避免了因切屑残留而造成的故障，减少了加工完成后清洁组件的工作量，还使得加工钛合金时产生的高热量不会随着残留在工件和夹紧装置上的碎屑流入到机床中。
除此之外，在基础配置中集成的机床冷却系统还可以依据客户需求进行升级，使用配备冷却设备的切削液高压泵，最高可达80bar的压力将进一步提升散热性能。在优秀的排屑和散热条件下，刀具磨损情况将得以明显改善，减少换刀次数的同时还能延长刀具使用寿命，节约刀具成本，带来显著的经济效益。另外，格劳博五轴联动通用加工中心还支持微量润滑（MQL）加工，为客户利用尖端技术实现的绿色、经济加工提供了更多的选择。
↑↑格劳博五轴联动通用加工中心G系列_G350(第二代) & G550(第二代) & G750(第一代)
面对难加工材料大多具有的高强度，高韧性特征，格劳博五轴联动通用加工中心具备高动态性，加速度和扭矩的电主轴能够保证超强稳定性的高精度加工。另外，由格劳博设计并生产的电主轴不仅种类繁多，更可以与机床完美匹配，且有HSK-A63和HSK-A100两种刀具接口可供选择。
得益于广泛的主轴转速功率范围和刀具接口组合，格劳博五轴联动通用加工中心可以轻松应对难加工材料特殊的物理化学性质所带来的独特加工要求。例如在使用*瓷刀陶具**加工航空航天领域的镍铬高温合金凸缘法兰工件时，选取合适的主轴转速和功率能够充分发挥刀具性能，配合合理的机床结构设计和可靠的床身刚性，带来媲美机械主轴切削不锈钢材料的加工效果，在提高加工效率的同时保证卓越的工件表面质量，避免切削过程中崩刃现象的发生。
↑↑使用格劳博五轴联动通用加工中心第二代G350加工的航空航天镍铬高温合金凸缘法兰
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手术刀
用于复合材料的锯齿立铣刀
山特维克可乐满
1.公司介绍
山特维克可乐满隶属于全球工业集团山特维克，是世界领先的金属切削刀具制造商，同时也是刀具解决方案和专业加工知识的提供者。
2.解决方案
无论是加工碳纤维、玻璃纤维还是芳纶纤维，山特维克可乐满对其在加工过程的复杂性有充分了解。与金属材料相比，由于受到更多种因素的影响，因此复合材料的断裂更难预测。这些影响因素包括纤维类型、复合材料厚度、基体硬度、热灵敏度、接触点处的纤维取向和复合材料结构。
复合材料和碳纤维增强塑料加工面临的普遍挑战包括:
■ 纤维碎裂
■ 分层
■ 表面质量差
■ 高温
■ 材料振动
■ 刀具的快速磨损
CoroMill Plura 锯齿立铣刀2P350具有可减少分层和振动双重作用的专利槽形，槽型为一次走刀解决方案而设计，能够实现非常高的材料去除率，既可以干切也可以湿切。
CoroMill Plura 锯齿立铣刀2P350适合于侧铣加工，应用范围为：心轴、无支撑、真空夹具和夹紧夹具。可以用于航空航天行业中机翼、安定面、机身、桁条、地板梁、压力舱、舱底结构、翼肋等的加工。
3.加工实例
客户案例
所属行业航空航天
工序连续切削
切削时间(分钟/零件)10
零件机翼蒙皮
工件材料CFRP
乳化液湿切(外冷)
切削参数
Vc m/min (ft/min)125(410)
Fn mm/r(inch/rev)0.15(0.006)
ap mm(英寸)8.0(.315)
ae mm(英寸)9.5(.375)
在确定加工零件的质量时，表面质量和分层是使用的两个标准。使用轮廓仪测量零件的表面质量, 它清楚的表明：CoroMill Plura 锯齿立铣刀大大优于竞争对手的刀具。该测试的测量值是取自垂直于刃口的值，下面图片显示了CoroMill Plura 锯齿立铣刀是如何加工出一个整齐表面，同时没有分层或纤维毛边的。
纤维毛边 整齐的切边
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03
手术刀
多晶金刚石（PCD）刀具
肯纳刀具
碳纤维增强复合材料（CFRP）具有极高的强度重量比，并且在极端条件下具有稳定的材料属性，因此在全球航天航空行业内有着广泛的应用。这种材料可以单独使用，也可以与钛板和铝板配合使用。举例而言，波音787梦幻客机80%的制造材料为复合材料，相当于其重量的50%，可以减少1,500张铝板和50,000个固定件的使用。与波音767相比，可以节省20%的燃油消耗。
目前，如胶粘和焊接之类的连接技术还有很多问题；因此，铆接固定技术在实际应用中依然占有主流地位。因为碳纤维材料和金属材料的机械性能有极大的差别，在对紧固孔进行有效的钻孔加工时，需要使用具有高耐磨性和优化槽型的切削刀具产品。
在加工航天航空行业内的零配件时，多晶金刚石（PCD）刀具要比传统的碳化钨硬质合金刀具有更高的加工效率。一些领先的刀具制造商正在开发并生产PCD钎焊钻头产品。这些刀具产品的切削刃采用PCD材料，钻体部分为整体硬质合金材料。硬质合金钻体有很好的刚性和尺寸精度，确保钻孔的加工质量，同时具有内部螺旋冷却通道，螺旋式排屑槽可以提高冷却性能和排屑性能，这些特性对钻孔加工是非常必要的。位于功能区的切削刃部分采用PCD材料，具有极好的耐磨性，提高加工效率。
优化的刀具设计具有关键性的作用，在加工先进的航空航天复合材料时可以确保极好的钻孔质量。在刀具尺寸设计中，很多必要因素对钻孔质量都起着重大的影响作用，例如，为了降低切削力而提高刀尖半径的锐度，增大前角等。其它因素还包括：为了减小推进力，以及避免纤维材料的撕裂现象而减小钻尖角度；为了改善毛口高度控制性能而优化刃口设计。机床刀具、主轴及整体刀具的刚性、刀柄、内冷或射流冷却方式，以及钻孔工件材料在刀具设计过程中也都是需要考虑的重要因素。在多数情况下，为了满足客户的不同需求，需要为客户及时提供定制刀具产品。为了开发一款高性能的PCD刀具产品，在考虑综合因素的情况下进行深入的研究。这种开发过程不仅决定了刀具的性能，还对刀具的加工效率和成本起到了重要的影响作用。
这款展示的钻头产品另一个优势在于其具备内冷性能。在对纯CFRP板材进行钻孔时，在压缩空气的作用下，内冷孔可以促进CFRP切屑经钻头排屑槽快速排出。在对CFRP/钛层叠板材料进行加工时，可以通过密封的内部冷却通道进行微量润滑（MQL），在促进润滑的同时还可以降低在钛材料加工中形成的高热，因为这种材料的热传导率较低。在使用PCD刀具进行钻孔加工时，微量润滑是绝对必要的；否则切削刃部位形成的高热会导致石墨化，或相应形成碳化钛。这种反应会形成排屑槽部位出现化学磨耗，最终会导致排屑槽内的PCD材料崩裂。
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04
手术刀
SD500系列PCD波浪刃铣刀
厦门金鹭
厦门金鹭特种合金有限公司（GESAC）是中外合资的国家高新技术企业，隶属于中国六大*土稀**集团之一的厦门钨业股份有限公司。公司致力于高品质钨粉末材料、硬质合金、精密切削工具等钨系列产品的研发、生产、销售，以及行业专业解决方案的提供，是世界知名的钨粉末、硬质合金及切削工具供应商。
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手术刀
金刚石涂层细菱齿铣刀
欧士机（OSG）
复合材料由于具有多功能性、结构整体性、可设计性等众多优良特点，在各个领域都被广泛推广和使用。而复合材料应用量最大、技术含量最高的是航空航天领域，使用复材能够结构减重10~40%，成本降低15~30%。但是对于复合材料的机械加工并不容易，其加工难点在于材料脆性大；纤维复合强度较高，均匀性较差；如果使用的刀具不锋利或者切削进给量较大，会引起纤维密集处不易切断。
OSG DIA涂层系列刀具可完美应对复合材料从粗加工到精加工的过程，为客户提供完整复合材料解决方案。
刀具介绍
1.采用多刃设计，提升加工寿命和加工效率，同时细齿波浪刃型还可降低切削阻力。
2.多刃底刃的设计能够实现低加工阻力和较好的加工面粗糙度。
3.表面涂层采用已取得日本专利的OSG自主研发微粒金刚石涂层，具有高耐磨损性，实现刀具长寿命。
4.可对应多种加工应用，除了槽铣削以外，轴向切削，坡铣加工的效果也很好。
加工数据：
DIA-BNC进行CFRP修边加工，耐久性是其他公司产品的4倍。
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手术刀
全新精加工用刀盘MFF
京瓷
1.公司简介
京瓷（中国）商贸有限公司机械工具事业部，负责销售工业金属机械加工用全系列硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、CBN、人造金刚石等材料制造的切削工具。包括各种标准车刀片、切槽、切断刀片、搪孔刀片、多功能刀片、螺纹刀片、一般钻孔刀片、特殊超微细钻孔钻头、平面铣、端铣及球头铣等各种可转位刀片及其配套刀柄，刀盘。产品涵盖汽车、模具加工、航空航天、轨道交通、工程机械、能源、精密加工等各种领域所需要的各种标准和非标准刀具。
2.加工工艺介绍
铣削加工中，如果想要比当前加工效率提高2倍以上的话，大家会考虑采用何种方法呢？若想使用普通刀具实现加工效率大幅提升是非常困难的。
其中，一个原因就是刀具寿命。加工参数设定较高的情况下，寿命不稳定的案例比比皆是。另一个原因是需要维持精度。例如，维持Ra=1.6以下，平面度10μm的同时，意图提高效率的情况下，相信大多数人会选择带刀尖跳动调整的刀具，或是选择修光刃刀具。
然而，带刀尖跳动调整的刀具由于刃数较多，切削阻力变动幅度增大，如果提高进给的话，维持平面度就变得较为困难了。另外，刀尖调整也非常耗费时间。
选择普通修光刃刀具的情况下，平面度虽然可以得到改善，但是考虑到修光刃长度及倾斜角度这两个方面，需要设定进给。这样的话，想要大幅提升效率就有难度了。
3.全新精加工用刀盘MFF
今天要向大家介绍的是一款为实现高效率精加工而开发的全新刀盘——MFF。这款全新的刀盘，尤其是在BT50设备上进行精加工时，可以实现加工效率提升2倍，大家可以拭目以待。
事实上，我们甚至有加工效率提升5倍的成功案例。
为什么会取得如此惊人的成果呢？大家是不是很好奇呢？那么，在此简单向大家介绍一下该产品的特长。
首先，该刀盘无论何种刀具直径，全部采用2枚刃。由于刃数较少的原因，切削阻力变动较小，从而使平面度较为稳定。另外，刀片采用带修光刃3维断屑槽，因为刀片精度较高，因此可以达到稳定的粗糙度。并且，调整刀尖高度的刀片仅有1枚，在非常短的时间内即可完成设置。
4.实现加工时间缩短70%
本次建议采用高进给刀盘MFH进行粗加工， 通过与精加工用刀盘MFF组合加工的形式，实现加工时间缩短。
事实上，该MFF刀盘最初开发的目的是为了在短时间内加工大面积的板材。加工面积越宽广，该刀盘提升加工效率的效果就越显著。
迄今为止的成功案例中，约60%的案例都达成了3倍以上的加工效率提升。
还有，如果与京瓷以往的主力产品——高进给刀盘MFH组合使用，可进一步提高加工效率。以下视频是客户现场实际加工的成功案例。相比采用普通面铣刀进行粗加工+精加工，加工时间缩短了70%，在此情况下拍摄的视频。粗加工：Vc=200min，fz=1.2mm/t，ap=0.7mm x2次
精加工：Vc=300min，f=5.0mm/rev，ap=0.1mm
为寻求大幅提升加工效率的途径，新的构思及将创意转变为现实的制造力是不可或缺的。京瓷今后也将一如既往地提供超出客户期望值的产品和服务，持之以恒地创新开发出理想的刀具。
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