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采用伊斯卡刀具為鈦合金銑削加工帶來競爭優(yōu)勢

2022-3-25 來源：伊斯卡技術(shù)經(jīng)理作者： Andrei Petrilin

前言

鈦金屬材料具有出色的比強(qiáng)度和高耐腐蝕性能，這些優(yōu)點(diǎn)使得鈦合金成為了重要的工程材料，在許多要求高的領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。使用鈦材料制造的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，在確保所需的性能和可靠性的同時能顯著減小結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，這點(diǎn)在航空航天工業(yè)表現(xiàn)尤為突出，因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)正好可以提高航空器的整體性能以及燃油經(jīng)濟(jì)性。

鈦的加工性

鈦材料屬于難加工材料，因此在生產(chǎn)過程中需要權(quán)衡許多加工過程中可能會遇到的問題。在金屬加工行業(yè)中，“鈦”材料通常不僅指純鈦材料，還包括鈦合金材料。根據(jù)冶金特性，依據(jù)所含元素不同可以將鈦分為：商業(yè)純鈦（非合金）、α-鈦合金、β-鈦合金、α-β-鈦合金，以及其它鈦合金材料。人們有時認(rèn)為鈦的切削性能與奧氏體不銹鋼相似；不過這種說法僅適用于純鈦材料，并不適用于α-β-鈦合金材料，尤其是β-鈦合金材料。

可加工性評定在很大程度上取決于鈦的類型及其熱處理方法。廣泛應(yīng)用的退火鈦TiAl6V4的加工性能比退火不銹鋼AISI 304的加工性能低35-40%左右。但是，如果我們將退火鈦TiAl6V4的加工性視為100％，那么讓眾多加工車間感到頭痛的Ti5553（人們也稱之為”TRIPLE 5”）的加工困難程度是退火鈦TiAl6V4的兩倍。

隨著機(jī)床制造商們持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)，鈦材料的加工越來越高效。現(xiàn)代化機(jī)床使得操作人員能采用更先進(jìn)的加工策略和小余量、短接觸加工方法。但是，鈦加工中的低切削速度嚴(yán)重抑制了機(jī)床高效率加工的潛能，同時也導(dǎo)致切削刀具成為整個技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。簡而言之，切削刀具成為鈦材料加工中的生產(chǎn)效率分水嶺，因此，其也成為尋求徹底改善這一狀況的主要優(yōu)化對象。

由于鈦的導(dǎo)熱系數(shù)很低，切削時面對的主要問題就是產(chǎn)生的切削熱。導(dǎo)熱性差導(dǎo)致相當(dāng)大的熱載荷直接傳遞到刀具的切削刃。此外，由于鈦的彈性模量小容易引發(fā)在切削過程中產(chǎn)生振動，從而影響加工表面的光潔度和精度，而類似問題在鋼材加工中很少出現(xiàn)。

一直以來，刀具生產(chǎn)商們都對研發(fā)用于鈦材料高效加工的先進(jìn)刀具加以重視。鈦材料的加工通常有著較高的買飛比buy-to-fly比率（原始材料質(zhì)量與加工后材料質(zhì)量的比值），表明零件在加工過程中有大量的材料需要被去除。通常情況下，加工完成后鈦材料的重量僅為原始重量的10％甚至更小。并且零件內(nèi)部通常帶有型腔、凹槽和加強(qiáng)筋，這些特征也決定了需要使用銑削作為主要的制造方法。因此，每款新型鈦合金加工銑刀的誕生都會引起全球技術(shù)界的濃厚興趣。伊斯卡公司一直以來被視作是該領(lǐng)域創(chuàng)新引領(lǐng)者，所以伊斯卡的最新產(chǎn)品始終能吸引全球鈦加工制造商的關(guān)注。

伊斯卡新銑刀用于鈦合金的高效銑削

刀具材料對刀具的成功起著至關(guān)重要的作用，特別是對可轉(zhuǎn)位銑刀銑削難切削的航空航天材料而言，而這些材料中鈦材料首當(dāng)其沖。在這一充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，伊斯卡公司開發(fā)了一種全新硬質(zhì)合金牌號IC840。“新”指向所有與牌號相關(guān)的元素：IC840的特點(diǎn)是具有最新的硬質(zhì)合金基體和技術(shù)創(chuàng)新的高韌性PVD涂層。刀具的基體具有有較強(qiáng)的耐熱沖擊性能；古銅色的“巧克力”涂層具有高抗氧化性和抗崩刃性；而先進(jìn)的后涂層處理進(jìn)一步提高了整體韌性。這些優(yōu)勢組合使得IC840為用戶提供了提升鈦合金切削效率的可能。伊斯卡公司堅(jiān)信，這種新型的“巧克力涂層”刀具完全能提升鈦零件制造商們的體驗(yàn)，提高可轉(zhuǎn)位刀具的性能。

如前所述，鈦材料加工中通常需去除相當(dāng)多的余量。在這個領(lǐng)域真正的加工“主力”是可轉(zhuǎn)位玉米銑刀，能實(shí)現(xiàn)深槽腔、型腔和寬肋寬邊的粗加工。針對這些特征，伊斯卡公司研制了HELITANG H490系列立裝夾持刀片式玉米銑刀；以及帶有鋸齒狀刀片，可實(shí)現(xiàn)有效分屑效果的MILLSHRED P290系列玉米銑刀。此外，公司還研發(fā)了專為半精加工而設(shè)計的HELITANG FIN系列銑刀。

伊斯卡公司最近還推出了一組新型套式玉米銑刀，即已被驗(yàn)證的易于推廣普及的XQUAD系列玉米銑刀。該系列玉米銑刀夾持單面方形刀片，為徑向夾緊。伊斯卡公司以致力于創(chuàng)造新型有利于切削的幾何形狀刀片而聞名于世，然而這次為什么會推出“傳統(tǒng)”的看上去簡單的方形刀片呢？事實(shí)上看似簡單的新型玉米銑刀具有精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)，可以顯著提高加工過程中的動態(tài)剛性和抗振動強(qiáng)度；此外，刀片的徑向夾緊使得排屑槽容屑體積可設(shè)計得更大，滿足在高金屬去除率（MRR）下銑削時的切屑流自如排出的要求；再有，銑刀內(nèi)部具有專為高壓冷卻（HPC）而設(shè)計的通道。以上種種精心設(shè)計，使得看上去“簡單”的方形刀片也具有與先進(jìn)幾何形狀刀具相同的性能特性，可以實(shí)現(xiàn)鈦材料的高效加工。（圖1）

圖1 XQUAD玉米銑刀

因此，在鈦材料加工中如果將HELITANG H490和MILLSHRED P290用于生產(chǎn)的粗加工，那么就得采用HELITANG FIN用于半精加工。從應(yīng)用的視角來看，僅需采用新型XQUAD套式玉米銑刀就可以直接實(shí)現(xiàn)被加工表面質(zhì)量接近半成品的加工，進(jìn)而能提高加工效率。

伊斯卡公司最近推出了Ti-TURBO系列整體硬質(zhì)合金立銑刀，直徑范圍為6至20 mm。新系列專門為精加工和槽的高速加工（HSM）而設(shè)計，采用擺線銑技術(shù)加工。擺線銑削具有寬度小、切削深度大、刀具軌跡沿擺線曲線運(yùn)動的特點(diǎn)。在這種情況下，銑刀會以很高的速度對金屬進(jìn)行“切片”式加工。因切入角很小，使得加工過程產(chǎn)生的切屑非常薄。大大降低了作用于銑刀上的熱載荷。Ti-TURBO型立銑刀采用獨(dú)特的專利設(shè)計，擁有7個或9個不等螺旋角不等間距的齒（類似于防振降噪CHATTERFREE整體硬質(zhì)合金立銑刀）。（圖2）

圖2 TI-TURBO立銑刀

伊斯卡公司的變形金剛MULTI-MASTER銑刀具有通用性廣泛的特點(diǎn)，刀桿或刀體夾持可更換的硬質(zhì)合金刀頭，最近由于引入了6齒帶中心內(nèi)冷孔的快進(jìn)給銑削刀頭得到了進(jìn)一步拓展。刀頭采用超細(xì)晶粒碳化鎢基體及先進(jìn)的AL-TEC涂層技術(shù)，具有優(yōu)異的耐磨性和韌性。該刀頭可用于實(shí)現(xiàn)大進(jìn)給銑削(HFM)，能大大縮短鈦合金的粗加工時間周期。（圖3）

圖3 變形金剛立銑刀

結(jié)語

鈦零件制造商們不斷對刀具生產(chǎn)商提出新的要求。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，刀具生產(chǎn)商不得不定期跳出思維定式。伊斯卡公司多產(chǎn)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)持續(xù)與眾多世界領(lǐng)先的鈦零件制造商合作，以確保公司在這一具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。

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