【編者按】工件材料的 ISO S 分類包括高溫合金 (HRSA) 和鈦合金调塌。這些材料的熱硬度和熱強(qiáng)度使其能夠廣泛應(yīng)用于航空航天底靴、能源和其他領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用墅糯。但是肉棕，這些合金的有益屬性也帶來了不同于傳統(tǒng)鋼鐵加工的加工特性驮桐。為應(yīng)對這一問題，刀具制造商已開發(fā)出一系列產(chǎn)品和應(yīng)用策略披腻，用于解決材料可加工性難題寝丹，并實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定和相對經(jīng)濟(jì)的 ISO S 材料組合金加工壮焰。如今们眶，這些刀具制造商還力求為生產(chǎn)商提供有關(guān)新型刀具和策略的培訓(xùn)法厢，并且說服機(jī)床技工重新考慮過時的加工技術(shù)，這些技術(shù)很可能將無法適用于當(dāng)今的先進(jìn)材料嘶违。 可加工性因素術(shù)語“可加工性”描述了金屬對加工工藝的反應(yīng)怎猜。可加工性包括四個基本因素：加工中產(chǎn)生的機(jī)械力旭贬、切屑形成和排屑怔接、熱量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移，以及刀具磨損和故障稀轨。其中任何因素或全部因素的過度作用均會導(dǎo)致材料被視為“難以加工”扼脐。

如果試圖將過去幾十年來用于鋼鐵等材料的相同刀具和技術(shù)用于高溫合金和鈦合金加工，就會造成刀具壽命奋刽、加工時間和可靠性以及零件質(zhì)量方面的可加工性問題瓦侮。最近幾年中，刀具開發(fā)時才考慮了鎳基合金和鈦基合金佣谐。加工這些相對較新的材料并不一定比加工傳統(tǒng)金屬更困難肚吏，這其實是兩種不同的加工類型。

例如狭魂，加工“難加工”材料的通常方法是謹(jǐn)慎操作罚攀，并使用較低的切削參數(shù)，包括減小的進(jìn)給率雌澄、切削深度和速度斋泄。然而，使用專為這些高性能工件材料開發(fā)的刀具時略雪，基本準(zhǔn)則反而是增加切削深度和進(jìn)給率癌蚂。旨在處理這些較高參數(shù)的刀具含有細(xì)粒度硬質(zhì)合金材質(zhì)等級，可提供良好的高溫刃口強(qiáng)度和鍍層粘附性剑银，并且特別注意對加工硬化的工件造成的溝槽磨損的耐受性汰检。此外更掺，刀具制造商還開發(fā)了陶瓷和 PCBN 刀具锄垛，用于對這些高性能合金進(jìn)行粗加工和精加工。

對于特定可加工性因素拴挫，高溫合金在機(jī)械或與力相關(guān)的問題方面與堅韌的鋼鐵材料并無很大差別默峦。但是，在熱量的產(chǎn)生和散熱方面揩榴，它們之間有著顯著差異袱类。金屬切削過程中產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致工件材料變形，而切削過程中產(chǎn)生的切屑能夠帶走熱量柱爵。然而趣匪，這些材料產(chǎn)生的分段式切屑通常無法提供良好的散熱效果惭舒。此外，耐熱材料本身就是不良導(dǎo)熱體钞诡。切削區(qū)的溫度可達(dá) 1100° - 1300° C郑现，當(dāng)熱量無法消散時，就會在刀具和工件上積聚荧降，并最終導(dǎo)致刀具壽命縮短接箫，甚至造成工件變形和冶金學(xué)特性的改變。

要解決這一問題朵诫，就需要改變對刀具強(qiáng)度的認(rèn)識辛友。通常認(rèn)為刃口鋒利的刀具較為脆弱，但控制刀具溫度積聚的方法之一正是使用鋒利的刀具剪返，鋒利刀具能切削更多的材料并減少材料變形废累，因此生成的熱量更少。實施這一策略需要專為刃口強(qiáng)度而設(shè)計的刀具脱盲，并在具有充足功率九默、穩(wěn)定性和抗振性的機(jī)床上使用。

應(yīng)變硬化和沉淀硬化的趨勢也增加了高溫合金加工的復(fù)雜性宾毒。在應(yīng)變硬化中驼修，切削區(qū)內(nèi)的材料在受到切削過程的應(yīng)力和高溫作用時變得更硬。鎳基和鈦基合金表現(xiàn)出比鋼更大的應(yīng)變硬化趨勢卸橘。而在沉淀硬化中敌夜，當(dāng)高溫激活本應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)的合金元素時，工件材料中會形成硬點塞这。無論哪種趨勢数凫，材料的結(jié)構(gòu)都可能會在第一次走刀后即發(fā)生顯著變化，二次走刀后將能夠穿透硬度更大的表面窜鳍。而這正是將走刀次數(shù)降至最低的解決方案森烦。例如，與其使用兩次 5 mm 切深的走刀切除 10 mm 的材料稻嘱，不如使用一次 10 mm 切深的走刀维愈。盡管在許多情況下無法實現(xiàn)一次走刀加工，但這仍是理論上能夠?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo)罢令。

這種方法還要求重新考慮精加工工藝林狈，傳統(tǒng)的精加工工藝包含以小切深和輕進(jìn)給率進(jìn)行的多次走刀。作為替代媒埃，機(jī)床技工應(yīng)尋找盡量提高參數(shù)的可能性菜碌，這樣才能改善刀具壽命和表面粗糙度。

用于精加工走刀的稍微加大的切深還可將切削刃最鋒利的部分置于零件的任何應(yīng)變硬化或沉淀硬化區(qū)域的下方题山。然而兰粉，過深的精加工走刀可能產(chǎn)生振動并對表面粗糙度造成不利影響故痊。因此，尋找進(jìn)取和謹(jǐn)慎間的最佳平衡便成為了關(guān)鍵玖姑。

可靠性和經(jīng)濟(jì)性

憑借如今專為鎳基和鈦基合金開發(fā)的刀具和策略崖蜜，完成加工基本上不會有技術(shù)問題。持續(xù)挑戰(zhàn)不僅僅在于加工工件客峭，還在于在規(guī)定的時間內(nèi)以規(guī)定的成本正確地進(jìn)行工件加工豫领。目標(biāo)是改善工藝可靠性和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。

考慮到先進(jìn)工件材料和由其制成的零件成本較高舔琅，因此加工工藝必須絕對可靠等恐。生產(chǎn)商無法承擔(dān)在尋求可靠加工工藝的同時生產(chǎn)報廢件的損失。使用適當(dāng)?shù)牡毒吆图庸?shù)有助于確保穩(wěn)定的加工結(jié)果备蚓。

就加工參數(shù)而言课蔬，增加切深和進(jìn)給率有助于提高生產(chǎn)率。更高的切削速度還可加快零件加工郊尝，但這一有利條件尚未得到充分開發(fā)利用二跋。目前在鎳基和鈦基合金中所用的速度仍然低于鋼材中的速度。不過目前的研究重點是開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)更高切削速度并仍然保持合理刀具壽命的刀具屬性艺扑。

除了刀具哭练，金屬切削工藝的其他部件（如使用高壓定向輸送冷卻液 (HPDC) 系統(tǒng)）還有助于提高生產(chǎn)率。如果 ISO S 材料的切削速度為 50 m/min米法，HPDC 可使切削速度高達(dá) 200 m/min僧憾，從而使產(chǎn)量提高四倍。

在加工高溫合金時短户，刀具壽命是另一個可從新視角加以審視的因素荐呵。刀具壽命的傳統(tǒng)測算方法是計算刀具需要更換前的切削分鐘數(shù)。另一種測算方法則是計算成本唇锡。

例如蔬聚，如果生產(chǎn)特定工件需要 2 個小時，且必須每 20 分鐘更換一次刀具矗绅，則必須購買 6 個刀具才能完成零件的加工墙违。按照這個思路，目標(biāo)將是降低刀具成本悦要，并獲得 30 分鐘的刀具壽命筝闹，而非 20 分鐘媳叨。

然而腥光，在加工采用高溫合金或鈦合金制成的昂貴零件時，刀具成本不過占零件總體價值的很少一部分糊秆。因此武福，刀具利用率（也稱作刀具的利用指數(shù)）才是更相關(guān)的測算方式议双。在比較兩種示例刀具時，如果一種刀具維持 10 分鐘并生產(chǎn)一個工件捉片，則刀具成本為每工件一個刀具平痰。另一種刀具，以不同方式使用伍纫，可能僅維持 5 分鐘宗雇，但生產(chǎn)兩個零件。即便第二種刀具的壽命按照分鐘來計算比第一種刀具少了一半莹规，但零件產(chǎn)量增加了一倍赔蒲。目標(biāo)是以可接受的價格在最短時間內(nèi)生產(chǎn)出最大數(shù)量的合格工件×际考慮到高溫合金零件的成本較高库樊，因此刀具利用指數(shù)才是更好的真實生產(chǎn)率測算標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

同往常一樣忆和，要想最大限度地發(fā)揮新開發(fā)的金屬切削技術(shù)的優(yōu)勢数壤，關(guān)鍵因素在于了解如何以最佳的方式使其適用于特定應(yīng)用。隨著在高溫合金和鈦基合金等高性能工件材料方面繼續(xù)取得進(jìn)展龟聊，刀具制造商還將繼續(xù)為新合金的加工工藝設(shè)計最大限度提高生產(chǎn)率的新方法趣闻。生產(chǎn)商將從對新刀具可用性的了解以及刀具制造商在如何以最佳方式使用這些刀具方面的廣博知識中獲益。

附：持續(xù)的刀具開發(fā)

不銹鋼暑吹，在約 100 年前就以各種形式取得了專利彰畅，成為邁向現(xiàn)代高溫合金的第一步。在第一種不銹鋼合金中级轰，為抗氧化和腐蝕誉缚，向鋼中添加了鉻 – 在基礎(chǔ)不銹鋼合金中，鉻含量至少占總重量的 10.5%琢喷。接著疫遵，為改善不銹鋼的硬度和剛度，又添加了鎳算行。隨著合金被應(yīng)用于越來越嚴(yán)苛的環(huán)境中梧油，鎳的比例也隨之提高，最終州邢，鎳成為了該材料中的主要合金元素儡陨。在今天為人熟知的高溫合金 718（商品名稱為 Inconel 718）中，鎳含量為 50% 至 55%量淌、鉻含量為 17% 到 21%骗村，其他元素占 10%，剩余成分為鐵。現(xiàn)代的高溫合金和鈦基合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度胚股、耐熱性笼痛、耐腐蝕性以及穩(wěn)定性。

在面對這些難加工的新工件材料時琅拌，生產(chǎn)商首先應(yīng)嘗試使用熟悉的加工實踐缨伊。然而，只有在他們采用了專門用于這些特定材料和加工的刀具和技術(shù)時进宝，才能真正獲得最大的生產(chǎn)率刻坊。

例如，在 20 世紀(jì) 80 年代中期佩嘀，山高成立了由科學(xué)家和工程師組成的“阿爾法小組”侧缔，來尋找更有效的不銹鋼加工方法。該小組與大量不銹鋼制造商合作喻透，開發(fā)了新型硬質(zhì)合金材質(zhì)等級和槽型寒淌，以及用于不銹鋼的特殊切削方法。20 世紀(jì) 90 年代晶乘，他們將開發(fā)活動延伸至高性能的高溫合金材料蚜遥。

除了硬質(zhì)合金材質(zhì)等級、鍍層和槽型翠笛，還開發(fā)了用于在金屬切削流程的特定階段中優(yōu)化高溫合金加工生產(chǎn)率的刀具由饵。例如針對粗加工操作，山高的 CS100 硅鋁氧氮陶瓷材質(zhì)等級具有非常出色的化學(xué)穩(wěn)定性桦徘、耐腐蝕性和剛度故咽，能夠?qū)崿F(xiàn)長久、穩(wěn)定的刀具壽命橄文。典型的粗車加工應(yīng)用參數(shù)包括 150 m/min 至 305 m/min 的切削速度化刻，0.2 至 0.4 mm/rev 的進(jìn)給率，以及 0.5 mm 至 3.75 mm 的切深上陕。

Secomax CBN170 是對 CS100 材質(zhì)等級的補(bǔ)充桩砰，這是一種強(qiáng)韌且耐磨的 PCBN 材質(zhì)等級，設(shè)計用于對鎳基高溫合金進(jìn)行連續(xù)精車加工释簿。

CBN170 材質(zhì)等級含有晶須陶瓷粘接劑亚隅，可延長刀具壽命，從而減少更換切削刃所需的機(jī)床停機(jī)次數(shù)庶溶。此材質(zhì)等級旨在滿足鎳基高溫合金精加工操作中的表面粗糙度煮纵、公差和切削長度的精確要求。CBN170 刀具設(shè)計用于使用冷卻液偏螺、切深深達(dá) 0.5 mm行疏、切削速度為 300 m/min 至 400 m/min 的連續(xù)切削工況下的加工匆光。該材質(zhì)等級的 CBN 含量占總體積的 65%，并具有 2-μm 的顆粒規(guī)格隘擎。刀片具有 25-μm 的刃口研磨規(guī)格殴穴。

其他旨在改善高溫合金加工中的刀具壽命和生產(chǎn)率的開發(fā)還包括山高的 Jetstream Tooling 高壓定向輸送冷卻液 (HPDC)系統(tǒng)凉夯，該系統(tǒng)可向切削刃附近輸送冷卻液货葬。冷卻液噴射流從前刀面帶走切屑，改善了切屑控制和刀具壽命咳衣，并實現(xiàn)了更高的加工參數(shù)的應(yīng)用共撰。在某些情況下，切屑的迅速冷卻使其變得易碎故碱，因而更容易斷裂鞋夹。

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