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。


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