加工航空工业难加工材料

作者：伊斯卡刀具国际贸易有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 1 车刀/镗刀展厅 车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ... 对轻质飞机及更佳的燃油效能喷气发动机的持续追求，带来了新材料的变革，诸如：镍基合金，钛合金，复合高强度铝合金。轻而坚固的飞机材料不易加工，但他们却因其固有特性成为了航空工业领域的理想材料。切削刀具制造商则需持续开发适用于此领域的先进刀具，以实现高生产率。 经过对此类材料刀具磨损，生产率，材料去除率，切削力，成屑，工件的整体结构性的评估，验证了其加工的难度。总体说来，加工先进合金部件的费用是加工常规含铁基及非铁基材料的5-10倍。这意味着低生产率，非标刀具，特殊的机床要求，先进切削液及其供应系统，操作技巧，严格的质量控制程序。与此同时，尽管PCD及合金刀具已能解决碳素纤维强化金属合成材料的加工，而镍基合金及钛合金难于加工的问题仍然尚待解决。 镍基超级合金在40年代初期被研制成功，之后随着燃气轮机发动机的发展，对高温及高强度承受的需求，镍基超级合金技术在一段时间内也取得了进步。镍基超级合金依据热处理的情况，维氏硬度范围从150HV到450 HV，包括：nimonics、renes、 inconels、 incoloys、 hastelloys、 waspaloys 和 udimets。超级合金构成了航空发动机总重量的一半，具有抗氧化，耐腐蚀，抗变形能力，在1000℃高温下，依旧能保持其强度。 从50年代开始钛基合金被应用于航空发动机，最初应用于燃烧室及发动机舱，随后应用于压气机盘，叶片，机壳。钛基合金轻于镍基合金。Ti-6Al-4V是钛基合金量中最常见的一种，大约占据了的50%，其密度为inconel 718的一半，占发动机重量的三分之一。 镍基合金 镍基合金兼具了韧性及粘性，表现出耐高温性及耐磨性。从可加工性来看，镍基合金具有快速硬化的趋势。切削过程中的高压力，将引起每齿高负荷，并产生积屑瘤。加工硬化现象会对切削过程造成不利影响，致使切削速度降低，而在加工小零件时，有变形的趋势。综上，推荐消除冷拔工件应力有利于加工。由于在许多的应用中，退火并不为大家所接受，因此热轧件毛坯只作为备选方案。 通常，推荐采用带大正前角切削刃的切削刀具来加工这些材料，以实现真正地在切削材料而不是挤压材料。为达到理想的剪切效果，大进给率及切深是重要的；而为避免摩擦，选刀片时也需留意刀片的几何形体。 即便在最佳切削条件下，应力也可能产生，这将可能造成工件的变形。为最大化保障尺寸的稳定性，工件最好进行粗加工，使得其尽可能接近所需尺寸，释放应力，再精加工至所需尺寸。需要提及的是，释放应力对尺寸的影响不大，但会影响工件的机械性能。 由于被加工材料的抗磨损性，切削镍基合金时，想进行切屑，获得小切屑并不容易。也因此切削区域的温度非常高。切削过程中，如遇刀具与工件连续接触的情况（例如槽铣），切削热及产生的压力易导致切削刃的塑性变形。因此，推荐采用锋利的切削刃，使工件应力最小化，促进断屑。 刀具系统的刚性，以及冷却液及时到达切削刃的设计，也非常重要。太低的切削速度产生的积屑瘤直接影响刀具寿命。当应用于多于4齿的立铣刀，进行快速金属切削时，在不提高每齿负载及工件应力前提下，低进给率和适中的切削速度经证明效果较好。 ◆切削液： 水基冷却液（水溶基润滑液或化学溶液）因其优异的冷却性能，适合用于高速车削及铣削。在低速应用中，比如：钻削，镗削，螺纹加工，拉削，需要浓度高的润滑液及化学溶液。高压冷却刀具可提高冷却性能使冷却液深入抵达切削刃，并帮助排屑。常规流量冷却液也能控制切削区域的温度。 ◆车削： 用于车削镍基合金的单头车刀，建议采用正前角车刀以实现切削，而不是采用负前角时的挤压。正前角的另一作用是引导切屑远离精加工表面。刀片正前角大到拥有足够排屑空间；同时小到确保切削刃的强度。刀尖圆角半径，连接主切削刃及副切削刃，强固刀尖，帮助传递加工中的切削热。 ◆切屑控制： 当采用硬质合金刀具加工镍基合金时，可能遇见排屑问题，这就需要设计合适的卷屑槽或断屑槽。加工镍基合金的刀尖需要正确设计的前角，且需要足够宽足够深以卷屑乃至断屑，防止切屑形成紧密的结。基于此，刀具前刀面延伸止于断屑部位。连接断屑部位与前刀面的R需非常小。小的R及合适的前角，可预防切屑粘结至断屑槽。而断屑槽的宽度及深度取决于采用的进给率。 ◆铣削： 对铣削更高的要求是精度与表面光洁度。因此，有必要采用锋利的刀具，高刚性的机床及设备。由于铣削意味着断续切削，选择正确的进给量及切削速度是非常重要的。太低的进给，导致的刮擦工件表面，将引起加工表面硬化。 优先推荐选择顺铣方式而不是逆铣方式，顺铣可避免逆铣之始的摩擦。另外，顺铣的运动路线，有利于保持刚性及降噪防振。顺铣的不利因素是需全面控制工作台进给过程中的反向窜动。面铣刀常用于阔面铣，因面铣可降低工件硬化及振动。与车削一样，铣削过程也会有排屑的问题。标准铣刀有足够的排屑空间。重型铣刀—带大正前角及45°主偏角——推荐用于所有合金的粗铣。带大正前角及螺旋槽的轻型铣刀适合于加工高强度合金。而所有合金的精铣，刀具需为螺旋切削刃，带大正前角及螺旋槽。 粗加工立铣刀，不同的螺旋槽间的刀片交错排列，推荐用于槽铣加工。 当需要快速铣削难加工材料及钛基合金时，推荐选用 HELIDO 490 及 HELIDO 845 系列以实现高生产率。 另外， HELITANG 刀片推荐用于重型加工，当其安装于玉米铣刀时，效果更加明显。 ◆孔加工： 伊斯卡 SUMOCHAM 束魔钻头钻削钛基合金及铬镍铁耐热合金时表现优异。其后序铰削工序推荐采用模块式的 BAYO-T-REAM 卡口式铰刀，实现高速铰削加工。 钛合金 钛合金中添加的铬铁钼锰及钒元素，对其机械加工性能有负面的影响，切削参数也得依据钛合金牌号而做出调整。α相, α + β相 以及β相由其金相组织决定，是钛合金的三种基本相，其加工难度也依次提高。而β相在航空工业中应用日渐增多。 ◆钛基合金分类： 钛合金的基体组织： - α钛合金—添加铝，氧和/或氮。 - β钛合金—添加钼，铁，钒，铬和/或镁。 - α + β钛合金是应用最为广泛的钛合金，包括：Ti-6Al-4V 及 Ti5553。 ◆钛合金的加工： 推荐采用与镍基合金相似的加工方式。切削热会引起冷硬现象，并导致刀具提前失效。切削区域的切削热局部集中，当切削速度提高时，会加速刀具的磨损。另外，钛的化学活性大，就意味着产生目前尚无法解决得磨损机理—刀具的化学元素会扩散至切屑中。 此外，钛合金的弹性模量相对于钢更小，因此，即使轻型负荷加工中，需从工艺的角度提高加工系统的刚性，并采用大正前角的刀片以降低振动。 切削状况要求采用大正前角，锋利切削刃的刀片，并且，比起切削速度，更强调进给量。以上切削方式可实现高生产率及表面光洁度。刚性的刀柄有利于防振降噪。与加工镍基合金类似，加工钛合金同样需要将充裕的冷却液在高压下喷射至切削区域。高压冷却液有利于断屑及排屑。 加工难加工材料的革新刀具 多年以来，加工过程中切削刃发生了怎样的变化，一直是如此神秘并为大家所探寻。作为金属加工业的领导者，ISCAR 在此领域投入了大量的研发资金，并获取了丰厚的信息回馈，获悉了剪切过程中复杂的机理。此知识被有效地转化为创新的解决方案，切削热传导更佳，设计独特的断屑槽用于更适合的刀具几何形体。超细颗粒基体及先进的涂层技术迎合了以上的机理，提供了兼具高生产率，高精度，高表面质量的领先解决方案。所有的一切，都直指提升最终客户的竞争力。 加工难加工材料有一个实例，ISCAR 的CHATTERFREE 防振降噪立铣刀有效提高生产率及表面光洁度。不同齿距的排列避免了共振，此振动被视为产生噪音的主要来源，主要发生在刀具上。在槽铣，方肩铣，型腔铣的粗精加工中，此刀具可同时满足快速金属切削与高表面质量的要求。此外，CHATTERFREE 防振降噪立铣刀由于降低了振动及噪音，刀具寿命更长。 另一个实例是，革新的 FINISHRED 精加工波形刃立铣刀仅需采用一把立铣刀，即可同时完成粗精加工。FINISHRED精加工波形刃立铣刀是一款高效铣刀，采纳粗加工切削参数，获取精加工的表面质量。 独特的设计降低了高负载时的振动，同时产生长屑及短屑—是槽铣及型腔铣的出色解决方案。 在车削领域，伊斯卡开发了车削-切槽刀具，用于加工钛合金及超级合金。这个理念迅速为航空制造企业所认可，他们采用伊斯卡 的CUT-GRIP霸王刀系列进行切断及车削-切槽，用于加工喷气发动机组件的复杂形状的零件。 此外，伊斯卡专为加工镍基合金，高温合金，钛合金开发了IC907和IC3028 合金牌号。 切槽加工更进一步的解决方案是采用 JETCUT 内冷式切断刀，冷却液穿过刀片，从紧邻切削刃的喷嘴喷出。此冷却方式避免了切屑粘结于切削刃，消除了积屑瘤产生的可能性。冷却喷液也有助于断屑及排屑。

文章内容仅供参考 (投稿) (1/5/2013)