傳統上，飛機發動機中的渦輪葉片是金屬的（左）?，F在，正在探索陶瓷基復合材料（CMC）版本（右），以提高其在高溫環境中的效率和有效性。Hufschmied開發的切削刀具提供了專門用于CMC加工需求的優化微觀幾何形狀。來源| Hufschmied Zerspanungssysteme（左）和DLR（CC BY-NC-ND 3.0）（右）

極端高溫和強烈的溫度波動對飛機發動機中的材料構成了重大挑戰。為了提高發動機的效率和有效性，趨勢是朝著更高的工作溫度發展。特別是陶瓷材料，具有優異的高溫性能，具有提高耐溫性的潛力。然而，單片陶瓷很脆，因此不適合作為結構部件。然而，通過在陶瓷基質中添加纖維增強材料，即陶瓷基復合材料（CMC-ceramic matrix composites），可以獲得耐損傷性能。德國航空航天中心（DLR，Augsburg）開發的碳化硅（SiC/SiC）CMC目前可以承受高達1250°C的非制冷連續負載，甚至可能承受更高的溫度。此外，這些材料的較低密度為進一步減輕飛機發動機重量提供了可能性，從而提高了推重比以提高效率，這是航空脫碳所必需的。

一個目標是使用CMC代替飛機發動機中的金屬渦輪葉片。但由于幾個原因，這一計劃一再推遲，包括缺乏高效的生產工藝和精密公差葉片所需的CMC毛坯的加工/后處理。DLR和Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH（德國博賓根）及其美國子公司Hufschmed Tools Corp.（HZS）與奧格斯堡應用科學大學（德國奧格斯堡）在SCANCUT項目中合作，開發CMC渦輪機部件的新制造技術。

Hufschmied在行業內以CFRP和GFRP復合材料加工的工藝優化而聞名，并且已經擁有加工SiC/SiC的經驗。2018年，該公司與CMC材料制造商合作，成功地將SiC/SiC軸承套筒的研磨工藝替換為銑削工藝，將整體加工時間縮短了約70%。作為DLR資助的SCANCUT項目的合作伙伴，Hufschmied又向前邁出了一步。

CMC特性需要一種新方法

 

 

傳統金剛石涂層整體硬質合金刀具的問題是在加工CMC時會發生碎裂。

CMC的理想特性也是那些使加工和后處理變得如此困難的特性。纖維增強陶瓷具有耐高溫、高剛性和高韌性，而SiC纖維使材料具有準延性行為。近凈形狀組件也需要后處理，以產生光滑的表面并實現盡可能嚴格的公差。因此，CMC大多是通過研磨而不是切削加工的，因為SiC的極高硬度和耐熱性導致銑刀切削刃上的負載非常高。

傳統上，這種情況將通過使用金剛石涂層工具來解決。對于CMC，這在以前是不可能的，因為金剛石涂層會在短時間內剝落。因此，在2018年的項目中，Hufschmied開發了一種專門用于SiC/SiC軸承套筒的聚晶金剛石（PCD-polycrystalline diamond）銑刀。但這是唯一的選擇嗎？

Hufschmied Zerspanungssysteme的開發工程師喬舒亞·麥肯（Joshua Macken）解釋說：“PCD刀具昂貴且制造復雜，因此這種材料更常用于切削刀片。在Hufschmed，切削刃的幾何形狀一直是我們實現加工最大改進的因素之一。然而，PCD為此提供的可能性有限。因此，我們需要開發一種新方法。”

使用替代材料的測試系列

SCANCUT項目中的工作是使用一種更常見、更便宜的CMC進行的，該CMC由碳纖維增強的碳/SiC基質制成，稱為C/C-SiC。除了使測試系列價格合理外，還發現C/C-SiC的行為與SiC/SiC的行為幾乎沒有區別。因此，在奧格斯堡南部博賓根的Hufschmied技術中心開始了測試，目的是找到PCD的替代品，以便更經濟有效地在CMC坯料上生產復雜的表面。麥肯說：“與PCD刀具相比，金剛石涂層整體硬質合金刀具可以以更低的成本實現更大的幾何形狀自由度，前提是可以找到一種方法來避免涂層刀具不受控制的磨損。”

試錯與突破

請注意，加工CMC的新標準工具尚未上市。然而，發展已經到了一個階段，很明顯，使用金剛石涂層整體硬質合金刀具進行高效加工是可能的。為了繼續推進這項技術，Hufschmied使用四種不同的工具變體進行了一系列測試。三個方面各不相同，并研究了它們之間的相互作用：切削刃幾何形狀、涂層技術和切削參數。

 

新開發的切削刀具特寫

當談到刀具切削刃幾何形狀時，開發人員最初只關注切削刃的微觀幾何形狀。切削刃數量或宏觀幾何形狀等問題暫時被忽略，將在計劃的后續項目中加以探討。研究的第二個方面是涂層。Hufschmied為特殊研磨材料（如CFRP、GFRP、石墨）開發了許多解決方案，并已獲得自己的微晶金剛石涂層專利。因此，它試驗了該技術的變體，以測試是否可以為CMC開發耐用的涂層。第三個方面是切削參數的變化，這對任何加工優化都是至關重要的。實驗是在0.05-1毫米的進給量、0.01-0.2毫米的每齒進給量和1000-20000轉/分鐘的主軸速度下進行的。

通過新開發的微觀幾何形狀和針對CMC優化的金剛石涂層，可以開發出具有可控磨損行為的切削刀具原型。這意味著涂層會逐漸磨損，但在遇到纖維增強陶瓷時不會剝落，就像傳統的金剛石涂層工具一樣。

Hufschmied加工系統董事總經理克里斯特爾.赫夫施邁德（Christel Hufschmed）解釋說：“基于這一初步成功，我們將繼續開發和測試，直到我們為CMC在航空航天工業及其他領域的成功發展做出貢獻。”。“我們已經開始了，現在是時候比較新刀具和PCD刀具的刀具壽命了。兩者越接近，我們的新方法在經濟上就越有趣。”

原文《Developing milling for CMC because grinding takes too long 》2024.10.23