伊斯卡:數(shù)載革新，提升航空工業(yè)
 --航空航天加工：新的機(jī)會，全新的選擇

作者：伊斯卡
       制造更大，更輕，更省油的飛機(jī)的趨勢，給敏銳的航空供應(yīng)鏈的制造商們創(chuàng)造了確實(shí)的機(jī)會。制造商們需具備更高的加工鈦的能力 - 也包括加工新的Ti 5553。在新的載客量為210-330人的夢幻飛機(jī)上，例如，鈦、鋼和鋁的含量3倍于上一代飛機(jī)。曾經(jīng)高強(qiáng)度鋼材質(zhì)的起落架，如今都變成鈦合金；曾經(jīng)的鋁質(zhì)機(jī)身，今天變?yōu)榱藦?fù)合材料和鈦合金；梁，滑桿，以往由高強(qiáng)度鋼300M制成，現(xiàn)在可以是Ti 5553或Ti 10-2-3材質(zhì)。但是，這還不是全部。無論你在飛機(jī)的哪個(gè)部位發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料或塑料，很可能找到鈦金屬在化學(xué)元素周期表中鄰近的元素，因?yàn)猷徑鼐哂信c鈦更相似的熱膨脹特性及更好的結(jié)合強(qiáng)度以與鈦合金匹配。
　　以上發(fā)展趨勢已經(jīng)造成了飛機(jī)零部件制造的困難。何也？因?yàn)榧词故堑那邢鳁l件下，加工zui常加工的鈦合金，其加工時(shí)間也會十倍于加工鋁合金，四倍于加工高強(qiáng)度鋼。通常，每去除一個(gè)體積單位，加工鈦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（l鋁，5V釩。5Mo鉬，3Cr鉻）合金，其強(qiáng)度比主流的Ti 6Al4V高出20％至35％，但加工難度卻是后者的4倍。隨著Ti 5553的應(yīng)用的增長，飛機(jī)的生產(chǎn)制造也相應(yīng)地遭遇阻礙。
不過在經(jīng)濟(jì)緊縮時(shí)，障礙正是的商機(jī)
　　*，鈦是今天受到青睞的高強(qiáng)度重量比金屬。此比率意味著重量的減輕，這將直接轉(zhuǎn)化為更高的燃料效率并降低溫室氣體的排放。難怪說，鈦的應(yīng)用的增長速度遠(yuǎn)高于其他金屬，且沒有止步的跡象。加工鈦的市場需求一定是在上升，這是顯而易見的，所以如果你掌控了加工鈦的技術(shù)，并做了正確的市場定位，那么，就基本鎖定了未來。
　　壞消息是，加工鈦的難度比加工鋁或不銹鋼大多了。其加工效率較低的原因是多方面的。其高強(qiáng)度意味著需消耗更高的功率，才能產(chǎn)生切屑。而彈性模量相對較低，加工中，相比于鋁或鋼，鈦偏離切削刃的趨勢更大，因此，刀片需帶鋒利的切削刃，以保障工件的尺寸公差。除非切削刃保持鋒利，否則在進(jìn)刀及退刀時(shí)，刀片前刀面易出現(xiàn)月牙洼。鈦的低導(dǎo)熱系數(shù)意味著切削區(qū)域切削熱更集中，從而導(dǎo)致摩擦，冷焊，zui終產(chǎn)生積屑瘤現(xiàn)象，這對刀具和工件是有害的。
　　好消息是，伊斯卡公司已經(jīng)開發(fā)出全系列的用于鈦合金加工的銑削系列，車削系列，孔加工系列?？梢院敛豢鋸埖卣f，這些刀具在加工主流鈦合金時(shí)，其金屬去除率可比平均水平高出40％以上。
刀具剖析
　　這些前沿刀具的共同特點(diǎn)：非常鋒利的切削刃，切削刃鈍化處理以延遲積屑瘤的產(chǎn)生；螺旋切削刃，使得刀具切入工件輕快；耐熱涂層兼以刀具帶內(nèi)冷卻通孔設(shè)計(jì)，使得冷卻液直達(dá)切削區(qū)域，共同作用以降低切削區(qū)域切削熱。優(yōu)化基體的選擇：在連續(xù)切削或較理想的切削條件下，可選耐磨性更佳的基體；在承受沖擊載荷或在剛性不佳的切削系統(tǒng)下，大懸伸，斷續(xù)切削產(chǎn)生振顫的情況下，選取韌性更佳的基體。兩種選擇的目的，都是為了追求具有可預(yù)見性的長的刀具壽命。所以刀具需保持連續(xù)數(shù)日的可靠加工，而不僅僅是以分鐘為單位來測試。來自一個(gè)航空工業(yè)生產(chǎn)一線操作者的報(bào)告反映出，僅僅將合號更新為IC380，在加工鈦合金及超級合金時(shí)，刀片每切削刃壽命就提高了一倍。
　　銑削鈦合金時(shí)，刀片的兩種典型失效形式是：切削刃上產(chǎn)生崩刃，熱裂，導(dǎo)致刀片壽命的降低。為防止切削刃產(chǎn)生崩刃，伊斯卡研發(fā)部門開發(fā)了一款韌性高的，強(qiáng)固的硬質(zhì)合金基體。
　　應(yīng)對切削條件不佳時(shí)鈦合金的粗銑加工，采用韌性高的基體可有效延長刀具壽命。在一些應(yīng)用中，對比于其他任何硬質(zhì)合號，其刀具壽命可達(dá)三倍甚至更長。對于航空航天工業(yè)而言，零部件的生產(chǎn)量是如此重要。
　　刀具可靠性的另一個(gè)保障來自于束魔涂層（SUMO TEC）技術(shù)，該技術(shù)于2007年底面市，涂層后處理技術(shù)使得涂層表面光滑，提高了刀具性能，降低了切削區(qū)域的摩擦。目前，此涂層技術(shù)已廣泛應(yīng)用于伊斯卡銑刀，車刀，孔加工刀具，用以應(yīng)對鈦合金的加工。來自zui初更新刀具的機(jī)身制造商的反饋報(bào)告顯示，僅僅更新刀片牌號，加工鈦合金機(jī)身，就能有效提升刀具性能 25% -40%。（圖1）

其他zui近的鈦加工的刀具進(jìn)展：
　　對于90。方肩銑，新型雙面螺旋刃銑刀（HELIDO）片，設(shè)計(jì)有四個(gè)而不僅僅是兩個(gè)切削刃。
　　螺旋刃蝴蝶銑刀（HELITANG），設(shè)計(jì)意圖直指重型粗銑，現(xiàn)已有帶鋒利切削刃，后刀面拋光的刀片問世，是加工鈦合金的理想刀具。該銑刀在面銑，方肩銑，槽銑，側(cè)插銑加工中，表現(xiàn)出高金屬去除率。立裝夾持，令主切削力指向zui厚實(shí)的刀片截面從而提高每刃承載能力；螺旋切削刃使得切入輕快，干凈利落，這對鈦合金的的加工而言尤為重要。（圖2）

　　對于深腔重型粗銑（以減輕零件重量為目的），采用大懸伸的刀具是必須的（這在航空工業(yè)中很常見），的技術(shù)是采用雙面螺旋刃飛碟銑刀（HELIDO-FEEDMILL H600）。特別的幾何形體，有助于銑削時(shí)高速進(jìn)給，以實(shí)現(xiàn)高金屬去除率，確保全效率切削。切削合力軸向指向主軸，在大切削負(fù)載下，加工系統(tǒng)更可靠，并能實(shí)現(xiàn)高進(jìn)給銑削。
　　當(dāng)整體硬質(zhì)合金銑刀的制作達(dá)到了高精度和高光潔度，飛碟銑刀系列（FeedMill）就可以用于加工鈦合金?；A(chǔ)柄的設(shè)計(jì)，不等齒距排布，都是為了在加工強(qiáng)韌鈦合金時(shí)，允許重型切削，且不傷害刀具。以軸向切削力為主，能減少整體硬質(zhì)合金刀具突然折斷的風(fēng)險(xiǎn)。
　　基于不等齒距銑刀原理，增添至精加工波形刃（FINISHRED）家族的粗精復(fù)合特性立銑刀也可用于加工鈦合金。兩相鄰光滑切削刃可實(shí)現(xiàn)在一次進(jìn)刀中，同時(shí)完成粗精加工，確保了在快速金屬切削的同時(shí)，完成精銑加工。雙功能刀具，也可在刀庫中節(jié)省出一個(gè)刀位，減免了一次換刀輔助時(shí)間。
　　復(fù)合材料
　　復(fù)合材料用于制作高性能產(chǎn)品，且應(yīng)用越來越廣泛。主要用在要求輕質(zhì)，在嚴(yán)酷條件下需保持強(qiáng)固的眾多新型航空航天工業(yè)的機(jī)翼及機(jī)身部件中。復(fù)合材料在*的產(chǎn)品制造中具有*優(yōu)勢，但除非加工過程合理控制，否則復(fù)合材料也很容易被損壞。源于復(fù)合材料的性質(zhì)：非均質(zhì)，各向異性，并由磨料組件增強(qiáng)其強(qiáng)固性 - 故而比金屬材料的加工制造困難得多 - 并因此而歸類為難加工材料。復(fù)合材料工件在加工過程中，容易遭受無法承受的傷害，且刀具磨損率之高也是令人無法接受的。
　　操作不仔細(xì)或操作不當(dāng)，復(fù)合材料的加工過程可能損害工件（如底層分層鉆孔時(shí)）。
　　前沿的銑刀、鏜刀，可為加工復(fù)合材料提供*的解決方案，伊斯卡的PCD（金剛石）刀具，因其磨損小而被用戶普遍接受。
　　進(jìn)展
　　當(dāng)加工噴氣發(fā)動機(jī)零部件，基于*的刀具，選擇不同的，更好的解決方案，可以大大縮短加工時(shí)間和減少的使用刀具數(shù)量。
　　克服上述加工難題，可采用新系列的刀具，即用于高壓冷卻條件下的刀具，冷卻壓力：70bar - 120 bar。采用此類刀具可提升切削速度2-3倍，且不會縮短刀片壽命，并顯著改善切屑形狀。此系列刀具被稱之為 Jet HP 系列（HP=高壓），目前標(biāo)準(zhǔn)刀具有 ISO 車刀，車削-切槽刀，切斷刀系列。（圖3）

　　現(xiàn)今，主流的機(jī)床制造商可依據(jù)用戶需求，為機(jī)床內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的高壓泵，可實(shí)現(xiàn)冷卻壓力：60bar - 100 bar。配備高壓泵的現(xiàn)代化機(jī)床，采用正確的刀具，用戶可獲取諸多好處。益處如下：切削速度更高，改善的切屑形狀，保持加工過程低切削溫度，更長的刀片壽命。
　　車削-切槽刀具
　　伊斯卡的車削-切槽刀，譬如CUT-GRIP霸王刀，早已為航空工業(yè)的用戶所熟知。其結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在切槽，車削，仿形加工中多方向切削，可用于加工非常復(fù)雜的零件、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀，而僅需zui少數(shù)量的刀具。V型槽的強(qiáng)固夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保障了夾持的高剛性，并能應(yīng)用至深槽加工。深槽加工，是其他常規(guī)刀具因受限于尺寸及結(jié)構(gòu)所無法實(shí)現(xiàn)的。
　　以上優(yōu)點(diǎn)，兼以高壓冷卻，強(qiáng)力提升零件加工的生產(chǎn)率。例如，加工鈦合金的切削速度可達(dá)到約 150m/min，而在常規(guī)的低壓切削條件下，切削速度僅為 60 m/min。
　　孔加工刀具
　　公司投入的新項(xiàng)目，在加工領(lǐng)域與發(fā)展趨勢保持一致，提供zui有效，高生產(chǎn)率及合適的解決辦法。
　　更新的DR-TWIST系列，采用更*的刀片形狀加工鋁合金工件，刀片規(guī)格為 SOGX，帶4個(gè)切削刃，可直接夾持于標(biāo)準(zhǔn)DR-TWIST 鉆桿。刀片周邊磨制，切削刃非常鋒利，卷屑槽專為加工鋁合金而設(shè)計(jì)。采用此刀片，在保障孔加工的高精度的同時(shí)，可極大提高切削速度及進(jìn)給。刀片表面拋光處理，使得卷屑時(shí)可避免積屑瘤現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高刀片每切削刃壽命，同時(shí)保持高精度鉆削表現(xiàn)。
　　該系列也被證明可用于加工鈦。螺旋狀鉆桿，強(qiáng)度高；大螺旋角排屑槽，易于排屑；結(jié)合特別的合號，在保持相同的刀具壽命和孔加工精度的前提下，可實(shí)現(xiàn)更高的切削速度。
　　SUMOCHAM束魔變色龍鉆系列，剛性更佳，帶大螺旋角排屑槽，排屑槽光潔度高，排屑流暢。夾持 ICM 刀頭，可用于加工鈦合金及 Inconel 合金，在保持孔的精度的同時(shí)，可獲取更高的切削參數(shù)。另外，刀頭夾持系統(tǒng)使得刀頭壽命更長，同一鉆桿可更換刀頭數(shù)更多，為更經(jīng)濟(jì)的解決方案。
　　加工鋁合金，采用 ICN刀頭，因其大正前角及拋光的排屑槽，使得切屑控制更佳，并抑制積屑瘤現(xiàn)象的產(chǎn)生。
　　在進(jìn)行鉸削操作時(shí)，采用 Bayo-T鉸刀系列，在加工不同要求的孔時(shí)，可選用不同形制的鉸刀頭。
　　作為易于操作的，經(jīng)濟(jì)的解決方案，可用于加工各種被加工材料。而用于加工鈦合金的鉸刀頭，為非涂層牌號，帶大正前角，特別的導(dǎo)向角，以保障高速大進(jìn)給鉸削。
　　整合資源，提升產(chǎn)能
　　以上介紹的，僅僅是伊斯卡近幾年發(fā)展的，針對鈦合金加工的少數(shù)案例。過去的兩年，大多數(shù)刀具已被引介給用戶或產(chǎn)品已升級。持續(xù)的改進(jìn)，專業(yè)刀具，航空航天工業(yè)的加工方法，共同作用，有利于為用戶的鈦合金加工帶來更具優(yōu)勢，更高生產(chǎn)率的解決方案。