随着合金和复合材料的广泛应用，飞机零部件的性能(如强度、硬度、耐磨性、耐热性等)越来越高。)得到了不断的改进，这也给加工制造带来了更大的挑战。从物理性能来看，上述材料都属于难加工材料的范畴，而普通工程材料还没有在重要的航空结构中使用过。在现代飞机的主要承力结构中，整个结构件通常采用切削加工，成品件质量只占毛坯质量的10%~20%，甚至更低，其余材料都变成了碎片。在切削过程中，刀具和被加工材料是对立又相互联系的，新材料需要更新的刀具和更新的方法来实现高效加工。对于难加工材料，通常的方法是：根据材料的特性，列出合适的替代刀具，在不同的切削参数下用替代刀具进行试切削，在加工过程中通过测量切削力、刀具磨损和加工表面质量来选择最佳刀具。图1是典型钛合金TC4的切削试验现场。切削难加工材料最突出的问题是刀具磨损过快，导致加工效率低，工件质量差。从加工角度看，影响刀具寿命的关键因素是刀具材料、刀具几何参数和切削参数的选择和优化。摘要：通过对TC4材料切削参数的测试和分析，从刀具选择、切削状态数据采集和分析测试、切削参数优化等方面探讨了难加工材料切削参数优化的途径和技术发展趋势。刀具材料刀具材料是影响切削性能的最重要因素之一，刀具制造中使用的材料种类繁多。航空工业常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、金刚石、陶瓷、立方氮化硼(CBN)和涂层刀具材料，每种刀具都有其特殊的性能和应用范围。(1)高速钢。早在20世纪初，高速钢就被用于切削。由于其良好的可加工性，常被用于制造形状复杂的刀具(如铣刀、钻头、齿轮刀具等。).通过添加V、Co、Al等合金元素，可以大大提高高速钢的性能，可用于切削高强度钢、高温合金和钛合金。粉末冶金高速钢的出现解决了碳化物偏析问题，细化了晶粒，增强了高速钢的强度、韧性和热硬度，刀具寿命提高了0.5~2倍。(2)硬质合金。硬质合金由高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC、NbC、TaC等)制成。)粉末作为基体和低熔点金属(钴或镍等。)粉末作为粘结剂，然后在高压下烧结。硬质合金刀具的耐热温度和最大允许切削速度远高于普通高速钢刀具，但强度不如高速钢，抵抗切削振动和冲击的能力也较差。切削量大时，经常出现崩边。硬质合金刀具的最新发展主要是细化晶粒和梯度材料。普通硬质合金的晶粒度小于10m，超细硬质合金的晶粒度小于1 m，晶粒细化可提高硬质合金的强度、硬度和韧性，刀具寿命可提高1~2倍。梯度材料是指硬质合金刀具的材料根据切削要求呈现梯度分布，赋予不同的零件不同的性能，从而获得最佳的整体性能。(3)超硬刀具材料。超硬工具材料主要包括金刚石、陶瓷和立方氮化硼(CBN)。钻石是自然界中最坚硬的材料，硬度高达HV10000。用于工具的金刚石包括各向异性单晶和各向同性多晶金刚石。单晶金刚石可用于加工材料晶粒内的超精密切割，而多晶金刚石可用于切割有色金属、陶瓷和硬质合金等难加工材料。由于金刚石硬度高，可以制成非常锋利的工具，在切割复合材料时可以保证快速切断纤维。这是一个理想的工具。这
陶瓷刀具具有较高的硬度、耐磨性和热硬度，可用于加工淬硬钢等高硬度材料。而且陶瓷的主要成分是Al、Si、O，比合金工具丰富。陶瓷刀具的主要缺点是强度低、脆性大、抗振性差。目前可以通过热压等工艺在陶瓷材料中添加碳化物和金属，以增强其强度和韧性。立方氮化硼(CBN)硬度仅次于金刚石，耐热1400，化学稳定性好。它可用于加工淬火钢、冷硬铸铁和高温合金。切削耐磨材料时，CBN刀具的耐磨性是硬质合金刀具的30~50倍，切削速度是硬质合金刀具的5倍。CBN可制成整体刀具，也可与硬质合金制成复合刀片。(4)涂层刀具材料。涂层刀具材料是指通过气相沉积或其他技术方法在硬质合金或高速钢基体上涂覆一层具有极高耐磨性的化合物。传统涂层主要包括TiC、TiN和Al2O3。最新的涂层材料有TiAlN、AlCrN、聚晶金刚石等。图3显示了具有AlCrN涂层的硬质合金工具。目前，纳米结构涂层工具的涂层数量达到1000层以上，每层厚度只有几纳米。涂层刀具有效地解决了刀具材料的硬度、耐磨性、强韧性之间的矛盾，在切削中具有以下特点：涂层刀具可大大延长刀具的切削寿命；涂层与被加工材料之间的摩擦系数小，切削力减小。涂层刀具加工的零件表面质量好；涂层工具具有良好的通用性。用涂层刀具切削时，应考虑涂层材料的物理和化学性质。TiAlN纳米、聚晶金刚石涂层刀具和无涂层硬质合金刀具在切削参数fz=0.08mm/齿、ap=2mm、ae=4mm、v=20m/min下铣削TC4钛合金时的最大铣削力见表1。TiAlN涂层易于与钛结合。
金发生亲和，加速了刀具的扩散磨损，使摩擦系数增大，所以加工钛合金时的铣削主切削力要大于无涂层刀具；多晶金刚石涂层耐热温度低，而钛合金导热系数小，切削热难以扩散，导致刀具无法在正常状态进行切削，其主切削力也大于无涂层刀具。 刀具的几何参数和结构 除了刀具材料外，刀具的几何参数和结构对切削力、加工表面质量、刀具寿命和加工效率都有很大的影响。针对不同材料和加工情况，选择合适的前角、后角以及刀尖圆角半径等刀具参数对减小切削力和提高刀具寿命有很大的影响。 前角越大，刀具越锋利，切削力越小，但刀刃强度也会越低，断屑效果和加工表面质量也会受影响。例如，加工超高强度钢时，为了增加刀刃强度和利于断屑，可以选择前角为负值的硬质合金刀具。 后角增大可以减少刀具与工件表面的摩擦，使刀具更加锋利，精加工时常选取较大后角；粗加工时，为了提高刀具强度，则选用小后角。在前、后角的选用上，必须综合考虑，兼顾各种矛盾。例如，在加工钛合金时，由于材料回弹较大、与刀具摩擦剧烈，应采用大后角；但考虑到材料切削应力大、刀具容易崩刃，所以前角应选取较小值。对难加工材料的铣削，在粗加工时应尽量选择刀尖圆角半径R不为0的铣刀。当R=0时，铣刀齿参与切削的面积更多，铣削力更大，而且刀尖容易崩刃。在参数fz=0.05mm/齿，ap=3mm，ae=4mm，v=80m/min下，使用R=0mm和R=3mm的2种相同牌号铣刀铣削TC4 时的铣削力测量曲线。nextpage随着设计制造水平的日益提高和刀具厂家的不断创新，出现了很多新结构和复杂形状的刀具。为了提高刀具的经济性，出现了主切削刃和刀具主体部分相分离的可转位刀具，带有螺旋角的刀刃被呈螺旋状的叠加刀片代替；为了方便断屑和排屑，切削刃被设计成了复杂的形状并增加了锯齿形的断屑槽；可变螺旋角立铣刀则可以减少刀具振动，减少加工表面粗糙度值。 航空领域的整体件、薄壁件不仅采用难加工材料，而且结构复杂、刚性弱，切削加工过程中有大量材料需要去除，而且容易变形，对刀具也提出了更高的要求。一些刀具厂家提出了面向上述零件各个加工环节的解决方案，针对钛合金的粗精加工、整体件型腔的铣削、复合材料的钻孔以及复杂曲面的多坐标加工等问题，设计了专用刀具，并给出了相应的切削参数，使刀具寿命和加工效率得到提高。 切削参数优化在刀具确定的情况下，切削加工希望选择合理的切削参数，以达到切削效率的最大和加工目标（如刀具寿命、切削力和表面粗糙度等）的最优，可以通过建立切削参数和加工目标之间的经验公式来反映二者的关系。
以材料TC4的铣削试验为例，为了提高刀具寿命、控制铣削薄壁件的精度，需要建立铣削力和铣削参数的关系。试验的优化目标为铣削力，加工参数为切削速度v、每齿进给量fz、切削深度ap、切削宽度ae。通过测定不同参数组合下的各目标值（如正交试验、单因素试验等），采用多元线性回归等数学方法可以建立加工参数和加工目标的数学表达式。该方法的优点是不必考虑复杂的材料机理和切削过程，只对测量结果进行数学分析，也适用于粗糙度、温度和刀具寿命的计算。
表2为实测不同铣削参数下加工的铣削力值。
选用指数模型F = CFapx f yvnaek（也可使用其他模型），对上述参数进行回归分析，得到切削力和切削参数的经验公式：
Fy = 356.041ap1.4251 f 0.4836v0.0269ae0.321 Fx = 64.4169ap1.4354 f 0.0484v0.2493ae0.3753 Fz = 76.7892ap1.4031 f 0.1835v0.2353ae0.3011。 切削力是反映切削加工过程的最基本的物理量[8]，刀具温度、磨损和加工变形都与其有关。对于给定刀具和材料，切削力和切削参数的关系最为密切，加工弱刚性零件时，若要实现精确加工，必须考虑工件在切削力作用下的变形对铣削用量产生的影响。实际铣削过程可以这样理解：铣刀首先按照名义铣削厚度进行走刀，作用的铣削力使工件发生变形，发生让刀，铣刀实际切削的厚度会小于理论厚度，铣削厚度的减小也导致铣削力的减小，铣削力减小的同时工件也产生回弹，使切削厚度增大，切削力也随之增大，切削力增大将再次使工件变形增大、实际切削厚度减小……该过程在铣削加工中不断往复。图6是铣削加工中让刀变形示意图。
此时，实际切除的材料厚度已经不等于加工前给定的参数，存在加工误差，需要重新计算。应用上述公式，计算给定切削参数下的最大铣削力，建立刀具和工件的力学模型或利用有限元进行受力分析，预测工件在铣削时的变形，根据减去变形量后的切削厚度重新计算切削力和变形，如此反复迭代，最终得到趋近于实际值的加工误差。当计算结果超出给定公差范围时，通过调整切削参数来控制切削力，可以减小铣削变形，提高加工精度，实现切削参数的优化。
结束语 解决难加工材料的切削加工在很大程度上依赖刀具材料、结构的合理组合与切削参数的优化。每一种刀具材料和结构都有其适用的加工范围和最合理的切削参数，为了达到加工目标，往往要根据被加工材料的特性及其实际加工条件，综合考虑刀具材料的物理、化学性能优选刀具，通过试验和数学归纳获得优化切削加工解决方案。