传统上，飞机发动机中的涡轮叶片是金属的（左）。现在，正在探索陶瓷基复合材料（CMC）版本（右），以提高其在高温环境中的效率和有效性。Hufschmied开发的切削刀具提供了专门用于CMC加工需求的优化微观几何形状。来源| Hufschmied Zerspanungssysteme（左）和DLR（CC BY-NC-ND 3.0）（右）

极端高温和强烈的温度波动对飞机发动机中的材料构成了重大挑战。为了提高发动机的效率和有效性，趋势是朝着更高的工作温度发展。特别是陶瓷材料，具有优异的高温性能，具有提高耐温性的潜力。然而，单片陶瓷很脆，因此不适合作为结构部件。然而，通过在陶瓷基质中添加纤维增强材料，即陶瓷基复合材料（CMC-ceramic matrix composites），可以获得耐损伤性能。德国航空航天中心（DLR，Augsburg）开发的碳化硅（SiC/SiC）CMC目前可以承受高达1250°C的非制冷连续负载，甚至可能承受更高的温度。此外，这些材料的较低密度为进一步减轻飞机发动机重量提供了可能性，从而提高了推重比以提高效率，这是航空脱碳所必需的。

一个目标是使用CMC代替飞机发动机中的金属涡轮叶片。但由于几个原因，这一计划一再推迟，包括缺乏高效的生产工艺和精密公差叶片所需的CMC毛坯的加工/后处理。DLR和Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH（德国博宾根）及其美国子公司Hufschmed Tools Corp.（HZS）与奥格斯堡应用科学大学（德国奥格斯堡）在SCANCUT项目中合作，开发CMC涡轮机部件的新制造技术。

Hufschmied在行业内以CFRP和GFRP复合材料加工的工艺优化而闻名，并且已经拥有加工SiC/SiC的经验。2018年，该公司与CMC材料制造商合作，成功地将SiC/SiC轴承套筒的研磨工艺替换为铣削工艺，将整体加工时间缩短了约70%。作为DLR资助的SCANCUT项目的合作伙伴，Hufschmied又向前迈出了一步。

CMC特性需要一种新方法

 

 

传统金刚石涂层整体硬质合金刀具的问题是在加工CMC时会发生碎裂。

CMC的理想特性也是那些使加工和后处理变得如此困难的特性。纤维增强陶瓷具有耐高温、高刚性和高韧性，而SiC纤维使材料具有准延性行为。近净形状组件也需要后处理，以产生光滑的表面并实现尽可能严格的公差。因此，CMC大多是通过研磨而不是切削加工的，因为SiC的极高硬度和耐热性导致铣刀切削刃上的负载非常高。

传统上，这种情况将通过使用金刚石涂层工具来解决。对于CMC，这在以前是不可能的，因为金刚石涂层会在短时间内剥落。因此，在2018年的项目中，Hufschmied开发了一种专门用于SiC/SiC轴承套筒的聚晶金刚石（PCD-polycrystalline diamond）铣刀。但这是唯一的选择吗？

Hufschmied Zerspanungssysteme的开发工程师乔舒亚·麦肯（Joshua Macken）解释说：“PCD刀具昂贵且制造复杂，因此这种材料更常用于切削刀片。在Hufschmed，切削刃的几何形状一直是我们实现加工最大改进的因素之一。然而，PCD为此提供的可能性有限。因此，我们需要开发一种新方法。”

使用替代材料的测试系列

SCANCUT项目中的工作是使用一种更常见、更便宜的CMC进行的，该CMC由碳纤维增强的碳/SiC基质制成，称为C/C-SiC。除了使测试系列价格合理外，还发现C/C-SiC的行为与SiC/SiC的行为几乎没有区别。因此，在奥格斯堡南部博宾根的Hufschmied技术中心开始了测试，目的是找到PCD的替代品，以便更经济有效地在CMC坯料上生产复杂的表面。麦肯说：“与PCD刀具相比，金刚石涂层整体硬质合金刀具可以以更低的成本实现更大的几何形状自由度，前提是可以找到一种方法来避免涂层刀具不受控制的磨损。”

试错与突破

请注意，加工CMC的新标准工具尚未上市。然而，发展已经到了一个阶段，很明显，使用金刚石涂层整体硬质合金刀具进行高效加工是可能的。为了继续推进这项技术，Hufschmied使用四种不同的工具变体进行了一系列测试。三个方面各不相同，并研究了它们之间的相互作用：切削刃几何形状、涂层技术和切削参数。

 

新开发的切削刀具特写

当谈到刀具切削刃几何形状时，开发人员最初只关注切削刃的微观几何形状。切削刃数量或宏观几何形状等问题暂时被忽略，将在计划的后续项目中加以探讨。研究的第二个方面是涂层。Hufschmied为特殊研磨材料（如CFRP、GFRP、石墨）开发了许多解决方案，并已获得自己的微晶金刚石涂层专利。因此，它试验了该技术的变体，以测试是否可以为CMC开发耐用的涂层。第三个方面是切削参数的变化，这对任何加工优化都是至关重要的。实验是在0.05-1毫米的进给量、0.01-0.2毫米的每齿进给量和1000-20000转/分钟的主轴速度下进行的。

通过新开发的微观几何形状和针对CMC优化的金刚石涂层，可以开发出具有可控磨损行为的切削刀具原型。这意味着涂层会逐渐磨损，但在遇到纤维增强陶瓷时不会剥落，就像传统的金刚石涂层工具一样。

Hufschmied加工系统董事总经理克里斯特尔.赫夫施迈德（Christel Hufschmed）解释说：“基于这一初步成功，我们将继续开发和测试，直到我们为CMC在航空航天工业及其他领域的成功发展做出贡献。”。“我们已经开始了，现在是时候比较新刀具和PCD刀具的刀具寿命了。两者越接近，我们的新方法在经济上就越有趣。”

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