切削加工模具和航空零件的共性技术
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正确选用刀具几何形状、切削速度和进给量以及加工编程技术,对于成功地加工模具零件和航空合金零件都会起到重要作用。一旦所有这些工艺要素都被正确应用,加工将会变得简单而可以预测。
目前,模具制造商面临订单不足的压力,需要寻找额外的加工任务。对于模具加工车间来说,另一个可以施展拳脚的领域可能是航空零件的加工。模具加工的许多成熟技术也可以用于难加工航空材料的切削加工。随着商用客机和军用飞机上需要加工的钛合金、Inconel合金和高温合金零部件日益增多,需要采用更先进的切削加工技术。多年来,有许多航空加工新技术也在模具制造业获得了广泛应用。

图1 切削的径向宽度

图3 持续冷却效应

图4 两种典型的立铣刀

图5 切削的轴向深度

图6 摆线刀轨铣槽

切削热的控制

切削加工淬硬工模具钢的许多难题与切削难加工航空材料是相同的。其中一个主要的共性问题是切削热的控制。控制切削热的一种有效方式是减小切削的径向宽度。切削径向宽度是指在逐行切削时,每两次平行切削的中心线之间的距离。通常,切削径向宽度应等于刀具直径的2%-10%(图1)。
切削的径向宽度(步距)决定了每个刀齿参与切削时间的长短,以及它在进入下一次切削之前的冷却时间,从而也决定了会有多少切削热积聚在刀具和工件之中。图2显示了径向宽度对产生切削热的影响。

图2 径向宽度与切削热
多年来,为了成功地制造模具,刀具制造商采用了控制刀具切削步距的方法。最近,这种技术也在航空零件加工中获得了应用。如果切削步距过大,由于刀齿参与切削时间过长,而在再次切入工件之前的冷却时间不足,切削热就会越积越多。而采用较小的切削步距,可使刀齿产生持续冷却效应,从而控制切削热的产生。
通过利用持续冷却效应来调节切削热的产生,就可以采用较高的主轴转速进行加工,而不会达到会使刀具涂层失效的高温。而一旦达到涂层失效温度,刀具的切削刃就会快速磨损,并使切削力增大,刀具和工件温度升高。如果采用了正确的加工工艺,切削热就不会在工件中积聚(图3)。

刀具涂层

通过选用正确的涂层,就能在切削温度较高的加工条件下不会危及刀具的安全。例如,TiCN涂层的最高工作温度为400℃;与之相比,AlTiN涂层的最高工作温度为800℃。由于AlTiN涂层具有极佳的耐热性,因此它通常是高速加工淬硬模具材料以及难加工航空材料的首选刀具涂层。利用AlTiN涂层的高耐热性,可以采用较高的主轴转速而不会损坏刀具。
加工航空合金与模具材料的一个主要区别是,大多数航空合金的加工都采用浇注冷却方式。如今,在难加工材料(如钛合金)的加工中,高压冷却技术正变得日益流行,并有效提高了刀具寿命。

进给量和切削速度

采用适当的切削速度和进给量对于控制热量积聚至关重要。当切屑负荷较大时,大部分切削热被切屑带走,因此不会积聚在刀具和工件中。如果切屑负荷过小,就会产生磨擦或磨削效应,从而导致热量积聚。因此,在不会损坏刀具或工件的条件下,采用尽可能大的切屑负荷对于延长刀具寿命非常重要。
例如,如果合理的每齿切屑负荷应为0.127mm,而实际采用的切屑负荷为0.0635mm,一个本来只需20分钟就能加工完的工件就要耗时40分钟,这就意味着,刀具花费在切削上的时间比实际需要增加了一倍。

刀具几何形状

刀具几何形状的设计对于控制切削热和延长刀具寿命也发挥着重要作用。尽管模具加工和航空零件加工采用了类似的技术,但二者所用的刀具并不相同。这两类刀具在外形上可能有相似之处(图4),但在几何形状设计和硬质合金牌号上却有较大差别。

加工编程

模具加工编程人员将会发现,如果他们转向航空零件加工编程,可能并不是一件十分困难的事。
加工编程决定了刀具切入工件材料的路径,以及作用于刀具的切削力类型。因此,加工编程是高速切削模具钢、钛合金、Inconel合金和高温航空合金的关键要素。
在加工型腔或凹腔时,切入工件应采用螺旋插补运动或钻预孔的方式,以尽量减小对刀具头部的损伤。加工程序应避免直接插铣(仅在Z轴方向插铣)。前面已经讨论过切削径向宽度的重要性,但也可能会出现切削轴向深度(Z轴方向)过大的情况。通常,如果采用典型的模具加工技术,每次走刀可以采用1.5倍刀具直径的切削深度(图5)。
在淬硬模具钢和难加工航空材料上加工通槽是一种相当困难的切削任务。不过,采用摆线刀轨编程,就可以快速、轻松、可靠地实现铣槽加工。摆线刀轨用于铣槽和铣削凹腔,通常可采用直径为所需槽宽50%-62%的刀具来进行加工。例如,如果需要加工宽度为25.4mm的槽,可以采用直径为12.7-15.9mm的立铣刀。按照这一比例选用刀具,就可以最大限度地减小热量积聚和表面接触。还可以按照前述说明来选择切削的径向宽度(刀具直径的2%-5%)和轴向深度(刀具直径的1.5倍)。大多数CAD/CAM系统都提供了摆线刀轨,但却很少被应用,甚至不太为人所知。

小结

在航空零件加工领域,经验丰富的模具制造商确实具有很大优势。采用高速切削技术加工难加工航空合金与切削加工淬硬模具零件在工艺上具有许多共同之处。正确选用刀具几何形状、切削速度和进给量以及加工编程技术,对于成功地加工模具零件和航空合金零件都会起到重要作用。一旦所有这些工艺要素都被正确应用,加工将会变得简单而可以预测。
本文作者:马传荣(译) 赵炳桢(校)
原载:《工具展望》2010年第3期
上载于:2013-7-30 17:05:41

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