钛合金加工需专业的刀具 瓦尔特助力航空工件加工

国际金属加工网 2017年02月15日

飞机制造商反馈,现在使用钛合金的工件比以往翻了二倍多。随着钛合金工件需求的增多,具有高耐温性的Ti6Al4V合金、新兴Ti5553(Ti-5Al-5Mo3Cr)材料,变得越来越重要了。

随着钛合金材料越来越广泛的应用,刀具及其应用技术也收到了更大挑战。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。另外再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。

以下三个因素严重影响钛合金加工时的刀具寿命:非常低的热传导(Ti6Al4V=7.56W/mK;钢Ck45=51.9W/mK),相对较低的弹性模量(Ti6Al4V=110kN/mm2;钢Ck45=210kN/mm2)和鲜明的橡胶特性趋势。切削刃主要集中在切削刃上,而不会像加工钢件一样被铁屑带走。由于切深相对较浅,所以在人口的很小区域上,必须能够承载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。较低的材料弹性模量非常容易引起震动,同时也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糟。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,也使这种材料更加难以切削,并且Ti5553抗位强度接近于900N/mm2。

对此,瓦尔特圆转类刀具研发经理Josef Giessler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20~25mm/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,抛光的签到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)就已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。

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80cm3/分钟(Vc=25m/分钟),并达到了HSS-E刀具加工的直径32mm。新一代的整硬刀具在25mm加工直径的情况下,创造了一个标杆,达到了160~200cm3分钟(Vc=50-60m/分钟)。对于HSS整体铣刀而言,其发展已达到了相对的阶段高点。

瓦尔特的专家对于加工Ti5553进行了进一步实验,目的是确定新一代的刀具如何应对更复杂的加工。

此次使用的材料抗拉强度为1400N/mm2,布氏硬度在430.测试刀具为Prostar Ti40,直径为16mm,z=4.切削数据与Ti6Al4V相比,有了很明显的下降。

Ti5553材料的加工需要降低切削速度约50%(中等加工条件)。槽铣时降低的速度更多,而侧面铣时降低的速度少些。大型加工时需要使用可转为刀片在处理大型工件或金属去除率较大的加工应用中,需要使用大型刀具,如可转为刀具。可转为刀具这两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)材料组上。现在瓦尔特(Walter)加工难加工材料的标志产品是带PVD氧化铝涂层的Tiger.tec?材质(“PVD-Tiger”)。另外两种材质(带高耐磨涂层的WSM35和极强人的WSP45)也已推向市场。

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,且另有一个特殊微型槽型。Siegfried Bohnet说:“我们现在正将多种技术,比如Tiger.tec?老虎技术、PVD涂层、高正型槽型和特殊的刀片圆角溶合在一起。”该技术将会形成一款新刀片ADGT(适用于方肩铣刀玉米铣刀)或者RO.X(圆刀片刀具)。现在,这个系列的新产品已成为航空或者钛合金加工应用中的中坚力量。


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