創(chuàng)新的工程技術推動了醫(yī)療枷窿、發(fā)電和航空航天等關鍵行業(yè)中零件生產(chǎn)的高速 發(fā)展咖播。這些行業(yè)的精密零部件丧失，要求工件材料能夠提供高耐熱性和耐磨性、極佳的剛度以及堅如磐石的質(zhì)量和可靠性爽柒。這類材料的典型代表是 ISO-S 合金，也就是鎳基者填、鈷基和鐵基高溫合金 (HRSA) 以及鈦合金浩村。 這些材料的熱硬度、強度占哟、抗蠕變和耐腐蝕性非常好心墅，使其廣泛應用于關鍵應用領域中。

然而谴童，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辖京。ISO-S 材料的加工之所以具有挑戰(zhàn)性，是因為合金的熱傳遞較差整雷，也稱為導熱性低克干。加工時產(chǎn)生的熱量（約 1100 至 1300 攝氏度）被刀具和工件吸收，而沒有被切屑帶走珠焦。因此讽噪，刀具壽命受到影響，并且會造成零件變形股背。此外渠吮，在加工時客止，這些合金還具有發(fā)生應變硬化和沉淀硬化的趨勢，增大了切削力并進一步縮短刀具壽命僻绸。最后巾甲，這些材料的粘性行為會產(chǎn)生不受控制的積屑瘤 (BUE) 和溝槽磨損。這種粘性也被稱為材料的延展性坦康，這是一種常見于鋁等軟質(zhì)材料的特性竣付。

考慮到 ISO-S 材料加工的難度以及相關零件的成本，制造商對加工改進的追求就主要集中在零件可靠性和質(zhì)量上滞欠，其次是縮短加工周期古胆。最大限度地發(fā)揮這些高性能合金的優(yōu)勢需要采用先進的刀具和加工應用策略。刀具制造商不斷地對這些刀具和加工技術進行優(yōu)化筛璧，以便為特定行業(yè)的應用提供高效逸绎、可靠的解決方案。

醫(yī)療應用

為確保正常工作夭谤，并避免人體產(chǎn)生排異反應棺牧，醫(yī)療植入物必須具有化學惰性并且能夠完全耐受體液的腐蝕。由于ISO-S 材料具有出色的生物相容性和耐腐蝕性朗儒，因此成為各種整形外科颊乘、牙科和其他醫(yī)療組件的絕佳基材。

醫(yī)療植入物的制造正在快速發(fā)展醉锄。工業(yè)發(fā)達地區(qū)的人口平均年齡不斷增長乏悄，人口的平均體重也是如此。這兩個因素都會對膝關節(jié)和髖關節(jié)的磨損產(chǎn)生直接影響恳不，從而產(chǎn)生了關節(jié)置換需求褥辰。牙科植入物也隨著人們對美容和牙齒健康問題的日益重視而逐漸普及。

膝關節(jié)置換組件

膝關節(jié)置換物由兩個基本組件構(gòu)成麸河。股骨組件模擬股骨末端的圓形髁狀突起力邻，連接至大腿骨（股骨）。在另一端冰枯，股骨組件扣在聚合物杯內(nèi)认平，而聚合物杯安裝在第二個基本組件中，即連接至小腿骨（脛骨）頂部的鈦合金托架庵窄。

ISO-S 材料具有較差的熱傳遞性登徐，因此在大多數(shù)加工作業(yè)中都必須使用冷卻液。然而堪锌，醫(yī)療監(jiān)管機構(gòu)對殘留冷卻液造成的污染有嚴格規(guī)定哟笨，并且要求進行嚴格且耗時的清潔流程。因此，刀具制造商正在開發(fā)醫(yī)療零件的“干式”加工方法母逸，無需使用冷卻液或乳化液潘尿。例如，山高開發(fā)的無需冷卻液的解決方案徒溪，采用專用 T 型槽刀具和成型立銑刀來加工 Ti6Al4V 鈦合金脛骨托架忿偷。這種加工可在 10 分鐘內(nèi)完成，而且還實現(xiàn)了良好的刀具壽命臊泌、絕佳的產(chǎn)品質(zhì)量和無污染的零件鲤桥。

該 Jabro 刀具品種包括四種定制解決方案和兩種標準解決方案，非常適合醫(yī)療零件制造商對脛骨托架組件進行加工渠概。

為減輕 ISO-S 合金較差熱傳遞性的影響茶凳，另一種解決方案是用銑削加工代替磨削加工。長時間的磨削加工所產(chǎn)生的熱量會在零件中產(chǎn)生拉應力并使零件變形播揪；一家制造商發(fā)現(xiàn)股骨膝關節(jié)組件在磨削后經(jīng)常超出尺寸規(guī)格贮喧，導致廢品率達 20% 至 30%。

為了解決這一問題猪狈，山高應用工程師開發(fā)出了五步加工法箱沦，用于在機床上對股骨組件進行加工。該工藝采用球頭立銑刀和帶有中心鎖定系統(tǒng)的夾具雇庙，使零件能夠在加工過程中旋轉(zhuǎn)谓形。這種仿形銑削方法非常適合加工這種復雜零件，因為這些復雜的3D 零件常常用到剛性較低的夾具穆惩。整個加工的切削時間約為 7 分鐘柒谈。加工完成后，僅需要進行拋光教叽，并且該拋光過程所花費的時間要少于磨削后再進行拋光所用的時間墙哲。

小型牙科零件

特殊的加工方法有助于克服 ISO-S 材料的加工挑戰(zhàn)坎市。高進給銑削策略（參見附注）既可提高生產(chǎn)率嘶忘，又能延長刀具壽命。在對鈷鉻合金鋼制成的牙科組件進行粗加工時盹馅，采用了山高 Jabro 立銑刀系列中的 3 mm 直徑 JHF 180 刀具躁银，其中工作臺進給率為 4000 mm/min，軸向切削深度為 2 mm毒奇，徑向切削深度為 0.2 mm蔑辽，切削速度為 66 m/min。在鈷鉻合金鋼加工中沥葛，刀具壽命為 175 分鐘触尚。

許多小型醫(yī)療和牙科組件都是在實驗室和牙科診所中的緊湊型高速機床上加工的。這些機床采用的小型刀具必須能夠承受在小型植入物和其他零件上進行仿形加工時快速變化的切屑負荷齿穗。為滿足這種需求傲隶，山高開發(fā)了 Jabro Mini JM905 和 JM920 刀具饺律。這些刀具提供 4 刃型號，直徑從 0.1 mm 至 2.0 mm 不等跺株，并采用可達 16 x D 的長懸伸長度复濒。盡管尺寸較小，但它們可以提供特殊小型零件生產(chǎn)所需的強度和穩(wěn)定性乒省，并且尺寸滿足典型工件的要求巧颈。

發(fā)電

ISO-S 材料在全球發(fā)電行業(yè)中的應用也日益廣泛。雖然當前的重點是發(fā)展風能袖扛、水能和太陽能等“綠色”能源砸泛，

但是目前全球電力的 60% 以上都是通過燃料生產(chǎn)的。大部分發(fā)電都涉及燃氣和蒸汽輪機的使用攻锰。不僅于此晾嘶，人們還在不斷努力地提高渦輪機的效率。例如娶吞，強度高但重量輕的鈦合金部件能夠在渦輪機的下部壓縮段減少高轉(zhuǎn)速下的向心力垒迂，因此可以實現(xiàn)更快的旋轉(zhuǎn)速度。除了鈦合金部件外肖糖，HRSA 零件也可在燃燒段中使用笨拯，以便應對提高發(fā)動機效率所需的更高溫度。

更新的合金睹蜈，更大的挑戰(zhàn)

在追求效率和高性能的過程中讶粹，ISO-S 合金經(jīng)歷了不斷的發(fā)展。金屬制造商開發(fā)出具有更高性能的合金牲课，以滿

足日益嚴苛的應用需求贩仇。例如，鎳基 Inconel 738 和鈷基 SFX414 等現(xiàn)有的 HRSA 能夠在 850 攝氏度到 1200 攝氏度的溫度范圍下工作女灸。同時一些最新的 HRSA 產(chǎn)品切役，如 GTD 262 和 Rene 108 可在 1200 攝氏度到 1600 攝氏度的溫度下工作。相應地但雨，這些新合金也提出了更大的加工挑戰(zhàn)蕉妇。

最近，山高協(xié)助加工了發(fā)電渦輪機靜態(tài)部件中使用的更高性能的新型合金材料螺谅。該材料具有更高的耐熱性腹忽，因此加工難度也隨之提高；僅可實現(xiàn) 18 m/min 的切削速度砚作，而對于 Inconel 718 參考材料通尘阶啵可實現(xiàn) 25-35 m/min 的速度。

現(xiàn)有刀具僅在加工一個渦輪盤葉片（320 mm 切削長度）后就發(fā)生了磨損，因此渦輪機制造商希望尋求更長的刀具壽命着裹。山高基于 Jabro 780 刀具槽型開發(fā)了一款特制刀具兼耀，它采用變芯厚設計，能夠在嚴苛的切削條件下提高穩(wěn)定性求冷。使用該刀具時采用了原來使用的參數(shù)：18 m/min 的切削速度瘤运、0.015 mm 的每刃進給量和 43 mm/min 的工作臺進給率。新刀具加工了兩個輪機段 (640 mm)匠题，刀具壽命延長了 100%拯坟。隨后，通過將切削速度降低至 16 m/min 并將每刃進給量增加到 0.017 mm韭山，應用工程師能夠?qū)⒌毒邏勖M一步延長到 800 mm（刀具壽命延長 150%）郁季。

航空航天部件

由于 HRSA 保持了高溫強度并具有卓越的抗蠕變和耐腐蝕性，因此在現(xiàn)代航空航天發(fā)動機中腻危，該合金的重量占 50% 之多弹双。

ISO-S 材料在航空航天渦輪機中的應用類似于它在發(fā)電行業(yè)渦輪盤中的應用。然而雇法，在很多情況下战辨，航空航天應用的公差更緊密。例如嗜吉，山高開發(fā)了專用于加工渦輪機葉片樅樹形根部輪廓的刀具莱火。在某些能源應用中，根部輪廓的公差在 10 微米的范圍內(nèi)熄自，而在某些航空航天應用中驻碟，該輪廓公差則更緊密，介于 0 至 5 微米 (0 – 0.005) 之間专菠。

結(jié)構(gòu)鈦合金

除了應用于渦輪機的低溫段外卸禽，鈦合金具有重量輕、強度大的特點茄敲，因此還可用于起落架等航空航天結(jié)構(gòu)零件洪稿。起落架部件本身就非常大且堅固，在使用標準材料制造時吠谢，重量會更大土童。

用于制造更輕起落架的更新诗茎、更輕工坊、強度更大的鈦合金比之前使用的鈦合金還要難以加工。一種最新開發(fā)的鈦合金是鈦 5553敢订，由于其 5% 的鋁含量王污、5% 的鉬含量、5% 的釩含量以及 3% 的鉻含量而得名。鈦 5553 的優(yōu)勢在于具有 1160 MPa 的高抗拉強度昭齐，而 Ti6Al4V 參考材料僅為 910 MPa尿招。更高的抗拉強度將切削速度限制到比加工 Ti6Al4V 時低 50% 的水平。

疊層合金

如果一種 ISO-S 材料就已嶄露了加工難度阱驾，那么同時加工兩種不同的材料則會帶來更大的挑戰(zhàn)就谜。一些航空航天應用涉及到加工由不同材料的疊層組成的部件。該挑戰(zhàn)是在提供充足切屑控制并且不產(chǎn)生振動或毛刺的條件下加工“夾層”或“混合”材料里覆。

其中一個典型的例子是鈦合金和不銹鋼的組合丧荐。不銹鋼和鈦具有一些共性：強度相對較高并且具有粘性（切削材料易粘在立銑刀上）。

為了加工采用鈦 6Al4V/奧氏體不銹鋼疊層材料的發(fā)動機支架哮瓦，山高提供的解決方案是應用專為加工鈦合金而設計的硬質(zhì)合金 Jabro JHP 770 刀具圣辩。該刀具擁有不同的刃口間距、徑向后角和特殊成型的排屑槽岛盗。內(nèi)冷通道最大限度地降低了工件粘性并清除了切屑匆罗。在加工疊層材料時，刀具先通過不銹鋼然后再通過鈦合金萄尽。整個過程采用了適用于更難加工材料（鈦合金）的參數(shù)记辖。考慮到該合金的導熱性較低倡照，采用了 50 m/min 的中等切削速度秀彤、0.036 mm/rev 的進給率以及 3 mm 的切削深度，以圓周插補銑進行遞減啄崖。

HSS 備選

盡管硬質(zhì)合金刀具在很多情況下彰顯性能優(yōu)勢笙吠，但它并不是高效加工 ISO-S 材料的唯一方法。在某些情況下垄暗，

高速鋼刀具是一款更加經(jīng)濟高效的選擇轴座。

很多大型的航空航天部件（如起落架零件）都采用鈦合金或不銹鋼實心坯加工而成。對于這些零件简烘，直徑高達 50 mm 的高性能 HSS 刀具能夠切除大量材料苔严。HSS 刀具在低轉(zhuǎn)速、高扭矩的機床上非常高效孤澎，能夠有效地對鈦合金和不銹鋼進行粗加工甚至是精加工届氢。該刀具能夠采用大切削直徑和切削寬度，甚至在它的切削速度低于硬質(zhì)合金刀具時覆旭，也可以提供具有競爭優(yōu)勢的金屬切除率退子。

Jabro JCO710 HSS-Co 刀具是先進的 HSS 刀具的一個例子。該刀具的含鈷量為 8%型将，硬度為 67 HRC寂祥，采用了拋光排屑槽（旨在減少摩擦和積屑瘤）以及可變面輪廓槽型（能夠進行輕快切削和降低可導致不合格表面粗糙度值的顫振風險）荐虐。這些刀具用于加工大型鈦合金零件時，可提供超過 800 分鐘的刀具壽命丸凭。

結(jié)論

對于在關鍵應用中采用的 ISO-S 材料福扬，制造商的加工目標是實現(xiàn)一流的質(zhì)量、可靠的一致性和生產(chǎn)率惜犀。隨著金屬制造商不斷開發(fā)出新的合金來滿足日益嚴苛的高性能應用的需求铛碑，刀具制造商也創(chuàng)造出了能夠克服 ISO-S 材料加工挑戰(zhàn)的新刀具材料和策略，使制造商能夠滿足其加工目標势纺。

附注 ISO-S 銑削策略

精心設計的刀具和切削策略組合有助于經(jīng)濟高效地加工 ISO-S 材料倔晚。

一種方法是高進給銑削。該方法將切削力從徑向轉(zhuǎn)為軸向屉胳，將較小的軸向切削深度與較大的工作臺進給率相結(jié)合封均，能夠產(chǎn)生可將熱量從切削刃帶走的更薄切屑，同時還減小了切削力履剔，從而最大限度地減少振動篇臭，使加工操作更加穩(wěn)定、可靠轨来。除了減少熱量生成和延長刀具壽命外肢抚，高進給銑削還能提供出色的金屬切除率：比傳統(tǒng)銑削快 200% - 300%。

高進給銑削可以采用多種刀具完成基霞。例如别主，在山高全面的 Jabro 立銑刀系列中，JHF180 刀具專為加工硬度在 48 - 62 HRC 范圍內(nèi)的更硬鋼和鉻鈷合金而設計阎瘩。該刀具采用剛性 0.9 度錐頸設計色罚，可減少刀具變形，能夠進行深型腔銑削账劲，并改善了表面粗糙度戳护。刀具槽型經(jīng)過精心設計，可將切屑順利排出瀑焦。該刀具非常適合高進給銑削應用腌且，包括面銑、槽銑榛瓮、斜坡銑铺董、螺旋插補銑以及等高線加工。

ISO-S 材料的其他銑削策略取決于具體加工禀晓、工件材料和現(xiàn)有的機床精续。傳統(tǒng)方法涉及軸向和徑向切削深度的 1-1 平衡以及平均進給率。高性能加工（使用山高 HPM 系列等特制刀具進行）利用大軸向切削深度和100%徑向切削深度來實現(xiàn)大金屬切除量匆绣。高速加工也是一種備選方法驻右，在該方法中，刀具采用相當?shù)偷膹较蚯邢魃疃群洼^大的軸向切削深度崎淳。該方法允許使用更高的切削速度來獲得生產(chǎn)率境猜。不同加工策略的高效實施取決于各種因素的組合，包括所用機床的能力以及能夠處理大型程序和文件以實施加工工藝的 CNC 系統(tǒng)寨衣。

鈦合金加工本身具有特殊的加工和刀具要求胸叠。使用中等切削速度有助于避免產(chǎn)生過多熱量，從而減少刀具和工件之間發(fā)生化學反應遇托。盡可能地使用冷卻液债烹。鋒利的切削刃有助于從工件上切下切屑，因此減小了切削力笔广。此外闪侨，也可采用高進給策略。

作者：Teun van Asten MSc.灿西，山高刀具公司整體銑削營銷服務部工程師

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