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山高刀具航空航天领域ISO-S材料(钛合金等)加工专用刀具和策略

创新的工程技术推动了医疗、发电和航空航天等关键行业中零件生产的高速发展。这些行业的精密零部件,要求工件材料能够提供高耐热性和耐磨性、极佳的刚度以及坚如磐石的质量和可靠性。这类材料的典型代表是ISO-S合金,也就是镍基、钴基和铁基高温合金 (HRSA) 以及钛合金。这些材料的热硬度、强度、抗蠕变和耐腐蚀性非常好,使其广泛应用于关键应用领域中。

  然而,这些合金的有益属性也带来了不同于传统钢铁加工的加工特性。ISO-S材料的加工之所以具有挑战性,是因为合金的热传递较差,也称为导热性低。加工时产生的热量(约 1100 至 1300 摄氏度)被刀具和工件吸收,而没有被切屑带走。因此,刀具寿命受到影响,并且会造成零件变形。此外,在加工时,这些合金还具有发生应变硬化和沉淀硬化的趋势,增大了切削力并进一步缩短刀具寿命。最后,这些材料的粘性行为会产生不受控制的积屑瘤 (BUE) 和沟槽磨损。这种粘性也被称为材料的延展性,这是一种常见于铝等软质材料的特性。

  考虑到 ISO-S 材料加工的难度以及相关零件的成本,制造商对加工改进的追求就主要集中在零件可靠性和质量上,其次是缩短加工周期。最大限度地发挥这些高性能合金的优势需要采用先进的刀具和加工应用策略。刀具制造商不断地对这些刀具和加工技术进行优化,以便为特定行业的应用提供高效、可靠的解决方案。

  山高刀具:航空航天领域ISO-S材料加工专用刀具和策略

  在追求效率和高性能的过程中,ISO-S 合金经历了不断的发展。金属制造商开发出具有更高性能的合金,以满足日益严苛的应用需求。例如,镍基 Inconel 738 和钴基 SFX414 等现有的 HRSA 能够在 850 摄氏度到 1200 摄氏度的温度范围下工作。同时一些最新的 HRSA 产品,如 GTD 262 和 Rene 108 可在 1200 摄氏度到 1600 摄氏度的温度下工作。相应地,这些新合金也提出了更大的加工挑战。

  航空航天部件

  由于 HRSA 保持了高温强度并具有卓越的抗蠕变和耐腐蚀性,因此在现代航空航天发动机中,该合金的重量占 50% 之多。

  ISO-S 材料在航空航天涡轮机中的应用类似于它在发电行业涡轮盘中的应用。然而,在很多情况下,航空航天应用的公差更紧密。例如,山高开发了专用于加工涡轮机叶片枞树形根部轮廓的刀具。在某些能源应用中,根部轮廓的公差在 10 微米的范围内,而在某些航空航天应用中,该轮廓公差则更紧密,介于 0 至 5 微米 (0 – 0.005) 之间。

  结构钛合金

  除了应用于涡轮机的低温段外,钛合金具有重量轻、强度大的特点,因此还可用于起落架等航空航天结构零件。起落架部件本身就非常大且坚固,在使用标准材料制造时,重量会更大。

  用于制造更轻起落架的更新、更轻、强度更大的钛合金比之前使用的钛合金还要难以加工。一种最新开发的钛合金是钛 5553,由于其 5% 的铝含量、5% 的钼含量、5% 的钒含量以及 3% 的铬含量而得名。钛 5553 的优势在于具有 1160 MPa 的高抗拉强度,而 Ti6Al4V 参考材料仅为 910 MPa。更高的抗拉强度将切削速度限制到比加工 Ti6Al4V 时低 50% 的水平。

  叠层合金

  如果一种 ISO-S 材料就已崭露了加工难度,那么同时加工两种不同的材料则会带来更大的挑战。一些航空航天应用涉及到加工由不同材料的叠层组成的部件。该挑战是在提供充足切屑控制并且不产生振动或毛刺的条件下加工“夹层”或“混合”材料。

  其中一个典型的例子是钛合金和不锈钢的组合。不锈钢和钛具有一些共性:强度相对较高并且具有粘性(切削材料易粘在立铣刀上)。

  为了加工采用钛 6Al4V/奥氏体不锈钢叠层材料的发动机支架,山高提供的解决方案是应用专为加工钛合金而设计的硬质合金 Jabro JHP 770 刀具。该刀具拥有不同的刃口间距、径向后角和特殊成型的排屑槽。内冷通道最大限度地降低了工件粘性并清除了切屑。在加工叠层材料时,刀具先通过不锈钢然后再通过钛合金。整个过程采用了适用于更难加工材料(钛合金)的参数。考虑到该合金的导热性较低,采用了 50 m/min 的中等切削速度、0.036 mm/rev 的进给率以及 3 mm 的切削深度,以圆周插补铣进行递减。

  HSS 备选

  尽管硬质合金刀具在很多情况下彰显性能优势,但它并不是高效加工 ISO-S 材料的唯一方法。在某些情况下,高速钢刀具是一款更加经济高效的选择。

  很多大型的航空航天部件(如起落架零件)都采用钛合金或不锈钢实心坯加工而成。对于这些零件,直径高达 50 mm 的高性能 HSS 刀具能够切除大量材料。HSS 刀具在低转速、高扭矩的机床上非常高效,能够有效地对钛合金和不锈钢进行粗加工甚至是精加工。该刀具能够采用大切削直径和切削宽度,甚至在它的切削速度低于硬质合金刀具时,也可以提供具有竞争优势的金属切除率。

  Jabro JCO710 HSS-Co 刀具是先进的 HSS 刀具的一个例子。该刀具的含钴量为 8%,硬度为 67 HRC,采用了抛光排屑槽(旨在减少摩擦和积屑瘤)以及可变面轮廓槽型(能够进行轻快切削和降低可导致不合格表面粗糙度值的颤振风险)。这些刀具用于加工大型钛合金零件时,可提供超过 800 分钟的刀具寿命。



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