航空制造領(lǐng)域一直是先進技術(shù)高度密集的行業(yè)之一，主要是因為航空產(chǎn)品的零部件形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料多種多樣、加工精度要求嚴(yán)格。航空產(chǎn)品零件制造的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在：（1）通常帶有復(fù)雜的理論外形曲面、縱橫交錯的加強筋結(jié)構(gòu)、厚度較小的薄壁結(jié)構(gòu)等；（2）零件材料以高強度鋁合金、鈦合金、高溫合金、不銹鋼、復(fù)合材料、蜂窩結(jié)構(gòu)為主，多數(shù)為難加工材料；（3）現(xiàn)代飛機具有長壽命、高可靠性要求，這使零件表面的質(zhì)量控制要求更為嚴(yán)格；（4）越來越多地采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，零件的外廓尺寸也越來越大。為滿足航空產(chǎn)品的設(shè)計性能與使用要求，零部件的制造往往采用多種工藝手段，如切削加工、電物理加工、電化學(xué)加工、束流加工、精密鑄造及精密鍛造等，其中切削加工仍然是目前在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用最多、使用最廣的加工方法。
　　在現(xiàn)代飛機和發(fā)動機的主承力結(jié)構(gòu)中，整體結(jié)構(gòu)件所占的比例快速增加，這類零件通常采用整體毛坯(板材或鍛件)進行切削加工，零件成品的重量只有毛坯的10%～20%，其余的80%～90%材料都成了切屑。飛機機體的梁、框、肋、壁板以及發(fā)動機的壓氣機風(fēng)扇、整體葉盤等都是現(xiàn)代飛機、航空發(fā)動機的關(guān)鍵零件，使用的材料涉及高強鋁合金、鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料等，大多以整體結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料去除量大、精度及表面質(zhì)量要求高，加工周期較長。這些零件的切削加工過程對于實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確加工有著迫切的需求。
　　切削加工一直是零件加工的主要技術(shù)手段之一，盡管隨著科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展，新的加工方法不斷涌現(xiàn)并且得到了日益廣泛的應(yīng)用，但是切削加工仍然是目前應(yīng)用最多、使用最為廣泛的加工方法，對于尺寸和形狀的配合精度要求越高的零件，就越需要采用切削加工手段來完成，至今還沒有更好的加工方法[1]。
　　切削刀具是支撐和促進切削加工技術(shù)進步的關(guān)鍵因素。近年來，高速高效數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用使現(xiàn)代切削加工技術(shù)發(fā)展到了一個新的階段，先進高效刀具的應(yīng)用是使昂貴的數(shù)控機床充分發(fā)揮其高效加工能力的基本前提之一。
　　切削刀具的應(yīng)用基礎(chǔ)
　　制造技術(shù)一直是伴隨人類文明的發(fā)展而前進的。18世紀(jì)后期，有移動刀架和導(dǎo)軌的機床的出現(xiàn)標(biāo)志著機械加工生產(chǎn)時代的開始。隨著19世紀(jì)新型冶煉技術(shù)、內(nèi)燃機技術(shù)、電氣技術(shù)的發(fā)明與完善，以及H·福特大規(guī)模生產(chǎn)方式和泰勒科學(xué)管理理論的出現(xiàn)，機械制造業(yè)開始進入大批量生產(chǎn)時代。切削加工是現(xiàn)代制造技術(shù)中最基本的加工方法之一，它是利用刀具(或工具)去除被加工對象上多余的材料，從而得到形狀、精度和表面質(zhì)量都符合預(yù)定要求的表面。在由機床、刀具、工件和夾具組成的切削加工工藝系統(tǒng)中，刀具是富于變化、影響加工狀態(tài)的活躍因素。
　　刀具材料的選擇與發(fā)展是實現(xiàn)切削加工過程、推動切削加工技術(shù)進步的關(guān)鍵。人類使用工具是從天然材料開始的，經(jīng)過石器時代、青銅時代、鐵器時代的發(fā)展，準(zhǔn)備切削工具經(jīng)過石頭、獸骨、青銅制備切削/切割工具，發(fā)展到工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬合金制成的先進切削刀具，被加工材料也從石頭、木材、獸骨等天然材料發(fā)展到銅、鐵、鋼、各類金屬合金、非金屬材料等不同的類型，到現(xiàn)在已經(jīng)形成了金屬材料、陶瓷材料、有機高分子材料“三足鼎立”的新局面，而由2種以上在物理和化學(xué)性質(zhì)上不同的物質(zhì)結(jié)合起來而得到的多項固體材料——復(fù)合材料是現(xiàn)代材料革命的一個重要方向[2]，在構(gòu)件制造過程中也同樣需要切削加工技術(shù)。
　　刀具性能的優(yōu)劣取決于構(gòu)成刀具的材料和結(jié)構(gòu)。刀具材料的切削性能必須滿足以下基本要求：
　?。?）硬度。刀具材料必須高于工件材料的硬度，現(xiàn)代刀具材料常溫硬度通常要求在HRC60以上。
　?。?）強度和韌性。較高的強度則能承受較大的切削力，較好的韌性可以承受較大的沖擊載荷和振動。
　?。?）耐磨性。刀具材料應(yīng)具有較好的抵抗磨損的能力，是刀具材料強度、硬度和組織結(jié)構(gòu)等因素的綜合反映。
　?。?）熱硬性。刀具在高溫下保持材料硬度、強度、韌性和抗氧化的能力[3]。
　　各種不同的刀具材料只能在一定溫度范圍下維持其切削性能，常見刀具材料的主要性能和正常工作溫度如表1所示。
　　切削加工過程中，刀具切削刃要承受高切削溫度、高壓強、高應(yīng)變速率，這就要求刀具既要有較高的高溫硬度和耐磨性能，又要有較高的強度和韌性，刀具涂層技術(shù)和刀具表面處理技術(shù)便是為滿足切削加工對刀具材料的這些綜合性能要求而發(fā)展起來的。涂層刀具是采用物理或化學(xué)方法，在刀具基體材料上覆蓋一層或多層耐高溫、耐磨損的涂層材料，使刀具既有強韌的基體，又具有高硬度、高耐磨性的表面?；镜牡毒咄繉硬牧峡煞譃閱瓮繉印⒍嘣繉?、軟涂層等[4]，常見的涂層材料性能和應(yīng)用范圍如表2所示。單一涂層在應(yīng)用中有一定的局限性，而多涂層結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代涂層刀具中使用較廣泛，多層涂層可以有效地改善涂層的組織結(jié)構(gòu)，提高刀具的使用性能。由于涂層材料的耐熔結(jié)、耐磨損和耐熱性能優(yōu)于基體，因此能以超過基材的切削速度進行切削。此外，由于涂層的摩擦系數(shù)小，因而可以延長刀具的使用壽命。
　　航空零件切削加工中刀具的應(yīng)用現(xiàn)狀
　　航空產(chǎn)品零件使用的材料主要涉及高強鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料等多種類型。飛機機體上涉及切削加工的零件主要使用鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料、高強度鋼等材料，其結(jié)構(gòu)尺寸大，尺寸協(xié)調(diào)部位多；航空發(fā)動機上涉及切削加工的零件主要使用鈦合金、高溫合金、不銹鋼、復(fù)合材料，其加工精度要求較高。
　　從加工形式上看，飛機機體結(jié)構(gòu)件以機翼梁、機身框、翼肋、壁板為典型代表，零件形式為扁平形結(jié)構(gòu)，尺寸較大，帶有機身、機翼理論外形。這類零件主要以銑削加工為主，采用不同形式的銑削刀具在龍門結(jié)構(gòu)、五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床上完成加工，常用的刀具有盤銑刀、立銑刀、球頭銑刀等，更為常用的是帶有刀尖圓角的專用銑刀；航空發(fā)動機零件以機匣、整體葉盤、葉片以及軸、盤為典型代表，除軸、盤類零件適合采用車削加工外，其他零件為回轉(zhuǎn)形結(jié)構(gòu)，部分部位需要車削加工，大部分涉及安裝及氣流通道的部位還需要在五坐標(biāo)聯(lián)動控制、轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床上進行銑削加工，加工過程都需要多種形式和結(jié)構(gòu)的刀具，如外圓車刀、內(nèi)圓車刀、立銑刀、球頭銑刀等。
　　在零件加工過程中，鑲齒刀具、焊接式刀具、整體刀具都有廣泛的應(yīng)用，近年來，鑲齒刀具、整體刀具逐漸成為現(xiàn)場主要使用的刀具結(jié)構(gòu)，焊接式刀具應(yīng)用范圍已逐漸縮小。這些刀具主要來源于3個途徑：企業(yè)自制、國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠和國外刀具供應(yīng)商，其中高檔刀具主要以國外刀具廠商的產(chǎn)品為主，國產(chǎn)刀具的主要問題是制造精度較低、表面處理技術(shù)尚存在差距、刀具質(zhì)量不夠穩(wěn)定，各批次刀具的精度和壽命有時不一致，從而導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場難以穩(wěn)定控制零件加工精度的一致性。
　　高速加工已經(jīng)進入實用化階段，飛機結(jié)構(gòu)件是應(yīng)用高速加工的主要領(lǐng)域，特別是在鋁合金結(jié)構(gòu)件、復(fù)合材料構(gòu)件的切削中應(yīng)用廣泛。目前，鋁合金材料切削速度已達(dá)到1500～5500m/min(最高速度為5000～7500m/min)，鑄鐵精加工和半精加工速度為500～1500m/min，精銑灰鑄鐵最高可達(dá)2000m/min，普通鋼為300～800m/min，淬硬鋼(HRC45～65)速度為100～500m/min[5]。高速加工的切削速度為常規(guī)切削的5～10倍，刀具的安全性、高溫穩(wěn)定性、動平衡已成為高速加工刀具的關(guān)鍵。目前，航空零件切削加工現(xiàn)場配備的高速銑削設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到24000r/min，使用的高速切削加工刀具主要以國外品牌為主，鋁合金零件切削速度已經(jīng)達(dá)到1300m/min以上。高速銑削加工中使用的刀具主要是鑲齒、整體2種結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具，新型超硬材料(如PCD、PCBN)刀具則應(yīng)用較少。
　　航空產(chǎn)品零件的加工通常需要使用數(shù)量不等、規(guī)格和結(jié)構(gòu)不同的刀具才能完成，并且要求不同刀具加工的表面之間連續(xù)、無接差、無干涉。在大多數(shù)情況下，生產(chǎn)現(xiàn)場中切削刀具的應(yīng)用主要還是粗放型的，對于切削刃形狀對加工精度的影響、粗精加工刀具的接刀誤差、刀具安裝調(diào)整精度等問題缺少細(xì)致、深入地分析和控制，主要通過對刀儀、機床上對刀和名義尺寸值獲得刀具的直徑、安裝長度、關(guān)鍵部位的尺寸(如刀尖圓角)。不同刀具之間的關(guān)鍵尺寸至少存在0.05mm以上的誤差(特別是鑲齒刀具)，這使得加工出來的工件表面存在殘留、臺階和損傷，不得不依靠后續(xù)的人工修整和拋光進行處理。
　　從切削參數(shù)方面看，由于各生產(chǎn)現(xiàn)場的技術(shù)水平和配套環(huán)境不同，刀具切削時使用的切削參數(shù)差異較大，切削參數(shù)的選擇和使用主要以工藝人員或機床操作者的經(jīng)驗為主。鋁合金材料的切削速度在200～2000m/min之間，單位時間材料的去除率為10～30kg/h不等；鈦合金材料切削速度在9～50m/min之間，單位時間材料的去除率一般不超過1～2kg/h。從刀具壽命方面看，生產(chǎn)現(xiàn)場基本上都沒有嚴(yán)格控制，主要是由操作者憑經(jīng)驗判定刀具的可用狀態(tài)，這也是造成工件加工表面質(zhì)量不穩(wěn)定的原因之一。