针对钛合金材料开发的瓦尔特刀具

　　钛合金的特点是重量轻，强度高并且具有极强的耐腐蚀性，但是这些特性对于加工刀具而言却具有极大的挑战性。现在，很多刀具正在往如何更加自如的加工这一材料而研发。
　　根据飞机制造商的信息，现在使用钛合金的工件比以往翻了二倍多。新型飞机如波音梦想客机或者空中客车A350 XWB 等，所使用的钛合金材料已占到15-20%，而以往的飞机使用的钛合金材料仅占到7%。不仅如此，随着钛合金工件需求的增多，具有高耐温性的Ti6Al4V合金、新型Ti5553 (Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr)材料显得日益重要。
　　当钛合金材料的应用越来越广泛，刀具技术及其应用技术也更加受到挑战。譬如航空航天工件的加工很有特点：工件壁薄，形状复杂；深型腔铣加工工艺多。另外在高档摩托车及医疗器械制造业中，钛合金也常应用在连接件等小型工件的制造。
　　三个因素严重影响了加工钛合金时的刀具寿命：非常低的热传导系数 (Ti6Al4V = 7.56 W/mK; 钢Ck45 = 51.9 W/mK), 相对比较低的弹性模量(Ti6Al4V = 110 kN/mm2; 钢 Ck45 = 210 kN/mm2) 和鲜明的橡胶特性趋势. 切削刃主要集中在切削刃上，而不会象加工钢件一样被铁屑带走. 由于切深相对较浅，所以刃口的很小区域必须能够极高的热负荷和机械负荷. 这就决定了必须采用冷却液加工. 而较低的材料弹性模量非常容易引起振动, 而材料同时具有鲜明的橡胶特性趋势, 易使切削刃产生积屑瘤. 所以切削速度必须大幅下降.加工难题: Ti5553
　　新材料Ti5553的出现使加工变得更槽。  Ti6Al4V 是一种平衡的阿尔法-贝塔微晶体结构合金(阿尔法 =六角形微晶结构, 贝塔 = 中央正方体微晶结构)，而Ti5553, 则是一种接近于贝塔但更高阶的结构，这种结构不仅使合金更加耐热，同时也使得这种材料更加难以切削,并且Ti5553抗位强度接近于900 N/mm2。
　　在描述这种状况时，Josef Giessler, 瓦尔特圆转类刀具研发经理强调“专业的钛合金加工需要优化的刀具方案”。当加工直径在 20-25 mm左右时, 通常会使用整体硬质合金刀具。为减少震动和降低积屑瘤的产生，刀具的设计极其重要，抛光的前刀面可以带来极佳的切屑去除，使用AlCrN涂层, 带内冷等都可以大大提高钛合金加工的质量和效率。
　　瓦尔特-普瑞特（Walter Prototyp）就以采用了这种解决方案：Duo Protostar® Ti40/Ti45整体硬质合金铣刀就具有上述特点。Ti40是带内冷的粗加工刀具，Ti45则是精加工刀具。从2007年推广在市场后, 加工钛合金的新纪元就开始了。在空客的一个项目中，Ti40刀具使一个Ti6Al4V材料工件的加工寿命增加了2倍。最高切削量达到了80 cm3/分钟 (Vc = 25 m/分钟), 并达到了HSS-E刀具加工的直径32 mm。在空客，这种成绩自1990年到现在，是首次达到，是长久以来的第一次效率改进。新一代的整硬刀具在25mm加工直径的情况下，创造了一个标志性的标杆，达到了 160-200 cm3/分钟 (Vc = 50-60 m/分钟) 。对于HSS整体铣刀而言，其发展已到了一个相对的阶段高点“最新的整硬立铣刀– Ti40/Ti45 – 极其的坚韧并且加工时震动很小。” Josef Giessler.
瓦尔特的专家对于加工Ti5553 进行了进一步的实验，其目的是确定新一代的刀具如何应对更复杂的加工。此次使用的材料其抗拉强度为1,400 N/mm2 并且布氏硬度在430。测试刀具为Protostar® Ti40，直径为16 mm，z = 4。切削数据与加工Ti6Al4V相比，有了很明显的下降。对于其他加工方式，在刀具直径为16 mm时，可以使用以下建议参数:
　　1. 槽铣 (ae = 16 mm, ap = 8 mm): Vc = 25 m/minute, fz = 0.06 mm
　　2. 侧面铣, 粗加工 (ae = 4 mm, ap = 8 mm): Vc = 50 m/minute, fz = 0.08 mm
　　3. 侧面铣, 精加工 (ae = 0.3 mm, ap = 50 mm): Vc = 100 m/minute, fz = 0.12 mm
　　加工效果见后文附件[图3a, Ti6Al4V – Ti5553 对比]。Ti5553材料的加工需要降低切削速度约50 % (中等加工条件)。该结果也显示也，槽铣时降低的速度更多，而侧面铣时降低的速度可以少些。
　　大型加工时需要使用可转位刀片
　　大型工件，或者金属去除率较大的加工应用中，就需要使用大型刀具，如可转位刀具。可转位刀具这2年和整体硬质合金刀具的发展极其相近，主攻方向也在如何加工难加工材料，即针对包含钛合金材料的 (ISO-S)材料组。现在瓦尔特（Walter）加工难加工材料的标帜产品是带PVD氧化铝涂层的Tiger.tec® 材质(“PVD-Tiger”)。现在，另外2种材质，带高耐磨涂层的WSM35和极强韧的WSP45也已上市， “由于加工Ti5553合金需要很高的强度，所以WSP45 PVD-Tiger.tec® 是最可靠和最稳定的选择” Siegfried Bohnet解释到, 瓦尔特（Walter）刀片研发部。
　　与PVD-Tiger同期研发的另一项目, 则是为了适应航空工件的加工应用 - G77槽型的设计，该槽型的设计同样适用于钛合金的加工应用。其最大特点是带有一个20度的前角，并且在该槽型上另有一个特殊的微型槽型. Siegfried Bohnet 说: “ 我们现在正在将多种技术溶合在一起：Tiger.tec® 老虎技术, PVD涂层, 高正型槽型和特殊的刀片圆角。” ，该项技术将会结合成一款新刀片ADGT (适用于方肩铣刀，玉米铣刀) 或者 RO.X (圆刀片刀具)。 现在，这系列新产品已成为航空或者钛合金加工应用中的中坚力量。

[图1: 瓦尔特-普瑞特（Walter Prototyp） Protostar® Ti40 整硬立铣刀]

　　瓦尔特-普瑞特（Walter Prototyp） Protostar® Ti40 是整硬粗加工立铣刀，可用于钛合金加工

[图片2: 测试]
加工测试，工件使用 Ti5553 材料，测试刀具瓦尔特-普瑞特（Walter Prototyp） Protostar® Ti40整硬立铣刀 D = 16 mm， Z = 4.

[图3, Ti6Al4V – Ti5553 对比]
加工Ti6Al4V 和Ti5553时的切削速度的对比。 Ti5553 在中等加工条件下需要降低50% 的加工速度；粗加工需要降的更多；精加工则降速少一些。

[图 4a, b: Tiger.tec® 可转位刀片ADGT, RO.X]

　　瓦尔特（Walter）新技术Tiger.tec® 刀片ADGT和RO.X，优化的槽型，用于航空工件加工，适用于钛合金加工。

[图5: Josef Giessler]
Josef Giessler, 圆转类刀具发展经理: “ 专业的钛合金加工需要优化的刀具” 
 
[图6: Siegfried Bohnet]
 Siegfried Bohnet, 刀片研发专家“ 由于加工Ti5553合金需要很高的强度，所以WSP45 PVD-Tiger.tec® 是最可靠和最稳定的选择”

[图 7: Xtra.tec® F4138 玉米铣刀]

　　Xtra.tec® F4138 玉米铣刀，加工型腔和槽时经常使用的刀具。配备有ADGT刀片，PVD-Tiger.tec® 刀片配上优化的槽型，在加工钛合金和航空工件时十分高效。

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