数载革新 提升航空工业

国际金属加工网 2016年07月11日

制造更大、更轻、更省油的飞机的趋势,给敏锐的航空供应链的制造商们创造了确实的机会。制造商们需具备更高的加工钛的能力——也包括加工新的Ti 5553。

在新的载客量为210~330人的梦幻飞机上,钛、钢和铝的含量相当于上一代飞机的三倍。曾经高强度钢材质的起落架,如今都变成钛合金;曾经的铝质机身,今天变为了复合材料和钛合金;梁、滑杆这种以往由高强度钢300M制成的,现在可以是Ti 5553或Ti 10-2-3材质,但这还不是全部。无论你在飞机的哪个部位发现复合材料或塑料,很可能找到钛金属在化学元素周期表中邻近的元素,因为邻近元素具有与钛更相似的热膨胀特性,及更好的结合强度以与钛合金匹配。

以上发展趋势已经造成了飞机零部件制造的困难。因为即使是最理想的切削条件下,加工最常加工的钛合金,其加工时间也会十倍于加工铝合金,四倍于加工高强度钢。通常,每去除一个体积单位,加工钛合金需要消耗更多的功率,需要更大的扭矩。其次是新的Ti 5553(5Al铝、5V钒、5Mo钼、3Cr铬)合金,其强度比主流的Ti 6Al4V高出20%~35%,但加工难度却是后者的四倍。随着Ti 5553的应用的增长,飞机的生产制造也相应地遭遇阻碍。

障碍正是最好的商机

众所周知,钛是今天受到青睐的高强度重量比金属。此比率意味着重量的减轻,这将直接转化为更高的燃料效率并降低温室气体的排放。难怪说,钛的应用的增长速度远高于其他金属,且没有止步的迹象。

加工钛的市场需求一定是在上升,这是显而易见的,所以如果你掌控了加工钛的技术,并做了正确的市场定位,那么,就基本锁定了未来。

但加工钛的难度比加工铝或不锈钢的难度大多了。其加工效率较低的原因是多方面的。其高强度意味着需消耗更高的功率,才能产生切屑。而弹性模量相对较低,加工中,相比于铝或钢,钛偏离切削刃的趋势更大,因此,刀片需带锋利的切削刃,以保障工件的尺寸公差。除非切削刃保持锋利,否则在进刀及退刀时,刀片前刀面易出现月牙洼。钛的低导热系数意味着切削区域切削热更集中,从而导致摩擦、冷焊,最终产生积屑瘤现象,这对刀具和工件是有害的。

对此,伊斯卡公司已经开发出了全系列的用于钛合金加工的铣削系列、车削系列以及孔加工系列。可以毫不夸张地说,这些刀具在加工主流钛合金时,其金属去除率可比平均水平高出40%以上。

刀具剖析

这些前沿刀具的共同特点:非常锋利的切削刃,切削刃钝化处理以延迟积屑瘤的产生;螺旋切削刃,使得刀具切入工件轻快;耐热涂层兼以刀具带内冷却通孔设计,使得冷却液直达切削区域,共同作用以降低切削区域切削热。优化基体的选择:在连续切削或较理想的切削条件下,可选耐磨性更佳的基体;在承受冲击载荷或在刚性不佳的切削系统下,大悬伸,断续切削产生振颤的情况下,选取韧性更佳的基体。两种选择的目的,都是为了追求具有可预见性的长的刀具寿命。所以刀具需保持连续数日的可靠加工,而不仅仅是以分钟为单位来测试。来自一个航空工业生产一线操作者的报告反映出,仅仅将合金牌号更新为IC380,在加工钛合金及超级合金时,刀片每切削刃寿命就提高了一倍。

铣削钛合金时,刀片的两种典型失效形式是:切削刃上产生崩刃、热裂,导致刀片寿命的降低。为防止切削刃产生崩刃,伊斯卡开发了一款韧性高的、强固的硬质合金基体。

应对切削条件不佳时钛合金的粗铣加工,采用韧性高的基体可有效延长刀具寿命。在一些应用中,对比于其他任何硬质合金牌号,其刀具寿命可达三倍甚至更长。对于航空航天工业而言,零部件的生产量是如此重要。刀具可靠性的另一个保障来自于束魔涂层(SUMO TEC)技术,该技术于2007年底面市,涂层后处理技术使得涂层表面光滑,提高了刀具性能,降低了切削区域的摩擦。目前,此涂层技术已广泛应用于伊斯卡铣刀车刀、孔加工刀具,用以应对钛合金的加工。来自最初更新刀具的机身制造商的反馈报告显示,仅仅更新刀片牌号,加工钛合金机身,就能有效提升刀具性能 25%~40%

复合材料的加工

复合材料用于制作高性能产品,且应用越来越广泛。主要用在要求轻质,在严酷条件下需保持强固的众多新型航空航天工业的机翼及机身部件中。复合材料在先进的产品制造中具有独特优势,但除非加工过程合理控制,否则复合材料也很容易被损坏。源于复合材料的性质:非均质、各向异性,并由磨料组件增强其强固性,故而比金属材料的加工制造困难得多,并因此而归类为难加工材料。复合材料工件在加工过程中,容易遭受无法承受的伤害,且刀具磨损率之高也是令人无法接受的。操作不仔细或操作不当,复合材料的加工过程可能损害工件(如底层分层钻孔时)。

前沿的铣刀、镗刀可为加工复合材料提供完整的解决方案,伊斯卡的PCD(金刚石)刀具,因其磨损小而被用户普遍接受。

最新进展

当加工喷气发动机零部件,基于先进的刀具,选择不同的更好的解决方案,可以大大缩短加工时间和减少使用刀具数量。

克服上述加工难题,可采用新系列的刀具,即用于高压冷却条件下的刀具,冷却压力70~120bar。采用此类刀具可提升切削速度2~3倍,且不会缩短刀片寿命,并显著改善切屑形状。此系列刀具被称之为 Jet HP 系列(HP=高压),目前标准刀具有 ISO 车刀、车削-切槽刀以及切断刀系列(图2)。

现今,主流的机床制造商可依据用户需求,为机床内置标准的高压泵,可实现冷却压力60~100bar。配备高压泵的现代化机床,采用正确的刀具,用户可获取诸多好处。益处如下:切削速度更高,改善的切屑形状,保持加工过程低切削温度,更长的刀片寿命。

孔加工刀具

公司投入的新项目,在加工领域与全球发展趋势保持一致,提供最有效、高生产率及合适的解决办法。

更新的DR-TWIST系列,采用更先进的刀片形状加工铝合金工件,刀片规格为 SOGX,带4个切削刃,可直接夹持于标准DR-TWIST 钻杆。刀片周边磨制,切削刃非常锋利,卷屑槽专为加工铝合金而设计。采用此刀片,在保障孔加工的高精度的同时,可极大提高切削速度及进给。刀片表面抛光处理,使得卷屑时可避免积屑瘤现象的产生,提高刀片每切削刃寿命,同时保持高精度钻削表现。该系列也被证明可用于加工钛。螺旋状钻杆,强度高;大螺旋角排屑槽,易于排屑;结合特别的合金牌号,在保持相同的刀具寿命和孔加工精度的前提下,可实现更高的切削速度。

SUMOCHAM束魔变色龙钻系列,刚性更佳,带大螺旋角排屑槽,排屑槽光洁度高,排屑流畅。夹持ICM刀头,可用于加工钛合金及Inconel合金,在保持孔的精度的同时,可获取更高的切削参数。另外,刀头夹持系统使得刀头寿命更长,同一钻杆可更换刀头数更多,为更经济的解决方案。

加工铝合金,采用ICN刀头,因其大正前角及抛光的排屑槽,使得切屑控制更佳,并抑制积屑瘤现象的产生。在进行铰削操作时,采用 Bayo-T铰刀系列,在加工不同要求的孔时,可选用不同形制的铰刀头。作为易于操作的,经济的解决方案,可用于加工各种被加工材料。而用于加工钛合金的铰刀头,为非涂层牌号,带大正前角,特别的导向角,以保障高速大进给铰削。


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