加工航空工业难加工材料的有效方法

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450HV，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inconel718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HELIDO490及HELIDO845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。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。