应对难加工金属材料的切削挑战
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刀具制造商必须具备不同行业的加工知识,以帮助自己的客户找到难加工金属材料的高效加工解决方案。
图1 航空制造是难加工材料的典型(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
刀具制造商必须具备不同行业的加工知识,以帮助自己的客户找到难加工金属材料的高效加工解决方案。在一些大量使用钛合金、不锈钢、Inconel合金和其它高温耐热合金(HRSA)的行业,越来越多的制造商正在寻求能延长刀具寿命、提高生产效率、提供可靠一致的零件质量以及充分利用机床技术最新进展(最好能同时实现所有这些目标)的加工解决方案。在加工这些材料时,切削热以及这些金属独特的加工特性成了“拦路虎”。这些工件材料成本高,加工过程耗资不菲、耗时费力,一旦加工失败,将为此付出高昂的代价。因此,刀具供应商已在真正意义上成为其客户宝贵的工程资源。

先进的加工解决方案是应对难加工材料挑战的有效手段

航空制造商面临着一些影响产能、加工周期、刀具安全性、刀具寿命、重复性、零件使用寿命和质量的严峻问题。为了按时交付高质量的零部件,以满足逐月提高的商用飞机生产率,整个供应链承受着很大的压力。根据强劲的需求预测和未来25年需要生产飞机的庞大数量,飞机发动机、框架结构、起落架等所有重要组件的生产量将会迅猛增加。
在山特维克的航空航天应用中心,他们为客户提供各种加工解决方案:从某种特定工件材料或零部件特征的加工策略和工艺制定,到刀具的设计与应用,以及包括CAM编程和验证在内的全程交钥匙服务。其真正优势来自于向客户展示最新技术的能力,为客户演示如何利用先进刀具获得最高的生产效率。此外,还具有脱机制定加工解决方案,然后将其集成到客户加工设备中的能力。
钛合金(尤其是6AL4V钛)应用于飞机零部件已有相当长的历史,航空制造业已经较好地掌握了其加工方法。现在寻求的是更快速、更可靠的钛合金加工方法和成本效益更好的切削工艺。为了实现这一目标,山特维克正在研究开发一些先进的加工方法,如采用有助于提高刀具寿命和切削速度的低温冷却剂,以及在切削前利用激光技术加热软化钛合金材料。为了改进飞机的设计,航空制造业总是在不断寻找新的材料。β21钛就是一种越来越被关注的新材料,它特别适合用于制造尺寸较小的零部件。虽然这种材料不难切削,但由于它对切削力和振动十分敏感,因此其加工仍然颇具挑战性。另一种β类钛合金5553钛是仅仅几年前才开始使用的新材料,主要用于制造一些要求强度高、重量轻的零部件,如起落架零部件和某些结构件,但它似乎并不像想象的那样可能会侵占或取代6AL4V钛的应用。
这些硬金属加工机床采用大功率、大扭矩设计,配备了最大流量可达189L/min(50gpm)的高压内冷却系统。这种大流量对于尽可能保持从刀具喷出冷却液的压力非常重要。此外,切削加工行业正在不断优化主轴技术,使其不易挠曲变形。例如,山特维克的CAPTO C10主轴联接技术目前已被至少一家机床制造商应用于其加工中心产品线。C10夹头采用了牢固可靠的结构设计,其法兰尺寸为100mm,需要很大的拉紧力才能实现对刀具的夹持。而拉紧力越大,刀具组件具有的刚性和强度就越高。这种高刚性对航空零部件的加工极为有利,因为在加工结构件或向下伸入管状筒型零部件(如发动机外壳)进行加工时,要求刀具有很大的悬伸长度。
图2 用CoroMill 690铣刀和主轴内冷却系统对钛合金零件进行2D仿形铣削(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

切削参数的优化至关重要

说起难加工材料,首先想到的就是钛合金。此外,Inconel合金、不锈钢也很难加工。这些材料的韧性很好,并具有彼此较为接近的屈服强度和抗拉强度,使其很难剪切和断屑。
加工钛合金时,切削热和切削力是硬质合金刀具的大敌,因此优化切削参数至关重要。刀具必须采用合适的PVD涂层、强韧的基体、恰当的几何槽型、合理的刃口制备和能产生较大剪切力的几何刃形,而且刀片切削刃上不宜制备较大的T型棱带。与加工钢件不同,钛合金的导热性差,加工时传入切屑的热量很少。因此,为了防止刀具过热,大多数钛合金加工都必须使用大量冷却液。
肯纳斯特拉姆(Stellram)的7792VX大进给铣刀和X牌号硬质合金是专门为加工镍基、钴基和钛基合金而设计的。由于对刀体上的刀片角度进行了优化,使切削力向上传入主轴之中,因此在加工这些高强韧材料时,刀具不会产生较大的挠曲变形。此外,由于采用了优化的几何刃形,因此切削刃非常锋利。
图3 在三井精机的HU100-5XLL卧式加工中心上用肯纳的螺旋铣刀试切钛合金工件(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

应对长悬伸铣削的加工挑战

长悬伸铣削面临许多挑战,尤其是难加工材料(如钛合金或高温合金)的。几乎每个行业都有超过正常、可靠的刀具长径比的长悬伸加工需求。在此类加工中,刀具的挠曲变形会降低生产率,并对刀具寿命产生不利影响。对于许多主轴联接系统尺寸较小的轻型机床来说,其影响程度更严重。
为了解决这一问题,减小径向吃刀量和增大轴向切削长度可以获得更高的金属切除率。如果使用能把切屑分断为小块的刀具,还可以进一步减小刀具变形。其中一个例子就是伊斯卡的P290铣削系统。与传统的高速钢粗铣刀类似,P290刀片可将工件材料切成细屑,从而大幅减小径向切削力。在使用加长型铣刀的情况下,P290系统能以最大0.35倍直径的径向吃刀量和大于152mm的轴向切削长度,对任何工件材料进行高效加工。该系统在每个刀片处都配置了冷却液出口,非常适合长悬伸铣削加工。
近年来车削加工最显著的技术进步之一就是高压冷却刀具的开发。伊斯卡的JetHP系列刀具与压力为6.89 MPa(1000psi)的高压冷却液供液系统配套使用,可以获得更长的刀具寿命和实现更好的切屑控制。由于可实现精确定位供液,即使在冷却液压力较低的情况下,也能明显改善切削性能。JetHP车刀可从两个不同的方向提供冷却液:从刀片顶部喷出的冷却液有助于控制切屑;而另一股冷却液则从刀片底部喷出。除了车刀以外,JetHP高压冷却技术还被应用于伊斯卡的切槽刀、切断刀、螺纹刀具和镗削刀具产品线。

用于加工钛合金、镍基合金的创新型丝锥

与大多数合金材料相比,钛合金(如6AL4V钛)的攻丝加工更为困难。但只要选用具有创新几何刃形和涂层的合适丝锥和螺纹铣刀,就能最大限度地提高其切削性能和排屑性能,成功实现钛合金的螺纹加工。航空航天、发电、石油天然气等行业常用的镍基合金具有高硬度和极强的弹性记忆(回弹性),其螺纹加工的难度也很大。此外,不锈钢(如304、316等牌号的不锈钢)的高韧性、低屈服应力和较高的极限拉伸强度可能也会对螺纹加工带来挑战。
埃莫克(Emuge)公司最近推出了用于加工要求严苛的钛合金材料的高效螺纹刀具综合产品线,从具有独特、新颖几何刃形设计的丝锥,到性能可靠的整体硬质合金螺纹铣刀。新开发的钛合金螺纹加工刀具采用先进的大铲背刃形技术,增大了刀具与工件摩擦面之间的空隙,从而改善了润滑性能,减小了正向进刀和反向退刀时的扭矩负荷。这种新技术可以抵消钛的高回弹性所产生的大压缩力。
图4 钛合金的螺纹加工需要使用高性能刀具(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
埃莫克公司新开发的C-Ti通孔丝锥采用了先进的左旋螺旋槽和倒棱刃形,加上进刀方向排屑性能的优化和切削齿强度的提高,可以延长刀具寿命,提高钛合金攻丝的工艺安全性。该公司最近还推出了用于镍基合金攻丝的螺旋槽平底丝锥。这种丝锥的设计采用了10°可变螺旋修正角,在第一切削区采用了专门磨制的倒棱刃形,可形成卷曲裹紧的小切屑,从而避免了加工时丝锥刀齿被切屑堵塞。
为了应对不锈钢和合金钢的攻丝挑战,埃莫克公司还推出了采用先进的倒棱刃形和前刀面/排屑槽型的Z型丝锥。该丝锥涂覆了新开发的GLT-1多层涂层,可提高成屑的一致性和可控性,从而实现快速、顺畅、高效的排屑。GLT-1涂层的独特结构使其具有优异的耐热性,其表面层则具有良好的抗摩擦性能。
为了获得最佳加工效果,应使用装夹刚性好的高性能丝锥夹头。在理想情况下,埃莫克公司建议使用亚刚性(Softsynchro)丝锥夹头,并采用刚性/同步攻丝方式。该公司的KSN/HD Softsynchro丝锥夹头的设计特点是:采用分离结构来实现扭矩和轴向力的传递。这一专利技术可以提高螺纹加工质量,还能延长刀具寿命。

利用合作伙伴的知识解决加工难题

山高刀具公司零部件工程刀具(CET)经理Ken Bellinger表示,来自技术合作伙伴的知识在解决一个客户的旧航空零件生产难题时发挥了很大作用。他说,“这个钛合金零件的图纸是20年以前的,加工难度相当大。我们找到一家3D扫描公司,对该零件进行扫描测量,然后根据图纸上的原始参数创建出该零件的3D模型,而且发现有些加工特征在图纸上并未标注出来。该零件为铣制件,其中有一根轴还需要进行车削和螺纹加工。我们制定的加工解决方案无需进行车床加工和一系列二次加工,使加工周期缩短了一半,并取消了手工钻孔。最终结果是,该零件的加工变得可控,按每年500件的批量生产,可以为企业创造不少利润。”
Bellinger表示,CET小组作为客户的一种工程资源,可凭借全球各地12个技术中心的丰富经验,为客户提供技术支持,并定期召开会议,探讨在汽车、发电、医疗设备、大型装备制造等行业经常遇到的加工问题。CET工艺工程师与我们的知识合作伙伴(包括机床制造商、夹具制造商、测量技术提供商和CAD/CAM系统开发商)合作,为客户提供工程刀具解决方案。我们的解决方案可能包括刀具库存管理、培训计划、技术资源、定制刀具和设计资源,以及提供技术培训。

根据客户需求提供标准刀具和专用刀具解决方案

加工钛合金和镍基合金Inconel的主要挑战是尽量延长刀具寿命和缩短加工周期。但在大多数情况下,人们都没有采用正确的切削参数,或没有使用合适的刀具。你必须了解工件材料的特性,并选择最合适的刀具刃形来加工它。在航空航天制造业,大约有60%的加工都是非标加工,但与专用刀具配套使用的很多都是标准刀片。切削高温合金时,不宜用刀具推挤工件材料。由于其加工特性与钢或铸铁大相径庭,因此必须选用为被加工材料专门设计的刀片或立铣刀几何刃形,且刀具必须非常锋利。
瓦尔特公司的Proto-max Inox整体硬质合金铣刀是为解决钛合金和其他高温合金的加工硬化问题而专门设计的。它具有锋利的切削刃、适合加工钛合金的强韧基体和薄涂层。该刀具出色的润滑性能有助于切屑流动,并能处理加工产生的切削热。与Proto-max Inox整硬铣刀一样,瓦尔特的高质量刀片也采用了强韧的基体和PVD Al2O3薄涂层,并具有非常锋利的切削刃。采用PVD涂层工艺可以降低涂覆温度,有助于保持硬质合金基体的结构完整性,以及Al2O3涂层的耐热性和耐磨性。
原载:工具技术
上载于:2016-3-10 10:28:18

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