為了提高成品零件的性能,使其重量更輕桅锄、強度更高,并獲得其他特定屬性,各種新的工件材料正被不斷開發(fā)乐疆。為了加工這些新材料,切削刀具必須適應(yīng)其極具挑戰(zhàn)性的加工特性。

用于加工三種含鋁復(fù)合材料:鋁化鈦辆沦、高硅鋁合金和鋁—鋰合金的切削刀具就集中體現(xiàn)了這一特點昼捍。雖然這些材料算不上是真正的“新冶材料,但為了創(chuàng)造對“新冶材料的市場需求,需要進(jìn)行多年(有時甚至數(shù)十年)的加工應(yīng)用工作。在為提高成品零部件的性能而改變工件材料的冶金特性時,通常會導(dǎo)致材料的可加工性下降丛滋。 

鋁化鈦(TiAl) 

鋁化鈦(尤其是γ-TiAl)主要用于制造噴氣發(fā)動機的渦輪葉片,它可以使新一代的發(fā)動機重量更輕央匀、燃油效率更高温辉。TiAl材料在汽車上的應(yīng)用(如制造渦輪風(fēng)扇、發(fā)動機氣門等)也引起人們越來越大的興趣试著。一家瑞典的3D打印企業(yè)Arcam AB公司正在研究利用3D打印技術(shù)為汽車行業(yè)制造TiAl渦輪增壓器亡铺。加工TiAl材料(其鈦含量和鋁含量大約各為50%)的主要困難在于它既有很高的硬度,又有極好的耐磨性。此外,它對切削條件也非常敏感,其表層或次表層極易開裂橱柒。工具制造商山高刀具公司培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)經(jīng)理Don Graham指出：“加工TiAl時,通常需要采用刃口鋒利的刀具,以盡量減小工件的表面破損厕猴。還有一個矛盾的問題:為了避免擠壓工件表面和產(chǎn)生裂紋,可能需要采用較小的切深;但與此同時,為了使切屑能吸納和帶走盡可能多的切削熱,用戶又希望能增大切屑厚度≈髅遥”

為了達(dá)到平衡,在立銑加工TiAl工件時,可采用相對較高的表面切削速度(如30m/min,但與加工鋼和鑄鐵相比,這一速度相對較低)以及使用更鋒利的切削刃盲外。這就需要以小的切深進(jìn)行切削,但又不能過小,以免切削刃溫度過高。

既然加工TiAl材料成本高否艺、難度大,為何發(fā)動機制造商仍然愿意使用它呢?Graham解釋說:“首先,TiAl材料很輕;其次,它具有非常好的高溫性能;第三,可以用TiAl替代Inconel合金制造工作溫度極高的發(fā)動機后端,而它的重量僅為Inconel合金的一半棺蛾。冶TiAl材料能耐受噴氣發(fā)動機的高溫烈焰,使其成為可應(yīng)用于該領(lǐng)域的理想材料。工具制造商山特維克可樂滿公司全球工程項目辦公室經(jīng)理Bill Durow也認(rèn)為,TiAl材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常好欠捶。他說：“TiAl是噴氣發(fā)動機內(nèi)部鎳基合金零部件的理想替代材料,它的密度是鎳基合金的兩倍,有助于提高發(fā)動機的推力重量比。目前,TiAl已用于制造噴氣發(fā)動機的低壓和高壓葉片尝盼⊥讨停” 

最近,山特維克可樂滿對一系列γ-TiAl鍛造零件進(jìn)行了切削試驗。該公司的加工應(yīng)用高級工程師MikeMagro說：“這種材料表面呈鱗片狀,并有許多凹坑,但實際切削過程并不困難盾沫。我們用RCMT紐扣式刀片清除了表層鱗片,并用GC4325 CNMG型80度刀片進(jìn)行了車削加工裁赠。總的來說,車削試驗更成功,加工出工件特征的基本形狀,然后用標(biāo)準(zhǔn)的CoroCut QD刀片將其切斷赴精。我們已習(xí)慣加工航空航天業(yè)的各種難加工材料,因此切削TiAl還算不上真正的挑戰(zhàn)佩捞。”銑削試驗所用刀具為CoroMill 300銑刀蕾哟。Magro指出,磨蝕性工件材料產(chǎn)生的粉塵狀切屑可能會堵塞冷卻液系統(tǒng)的過濾器一忱。Durow說：“我們試驗所用的機床配備了一個30μm的前置過濾器和一個5μm的精細(xì)過濾器,可以解決切屑堵塞問題√啡罚”他還指出,車削TiAl時,切削溫度比車削鎳基合金時稍高一些帘营。車削加工TiAl的表面切削速度為40m/min,銑削加工的切削速度為33m/min,切斷加工的切削速度為27m/min。由于TiAl材料能承受高溫,它在噴氣發(fā)動機中的其他應(yīng)用還包括一些非旋轉(zhuǎn)零部件,如傳統(tǒng)上用625 Inconel合金制造的支架逐哈。加工諸如TiAl的一些“新”材料可能并不總需要設(shè)計新型刀具芬迄。在許多情況下,可以采用新的涂層對現(xiàn)有刀具進(jìn)行改性。大昭和精密工具公司(BIG Kaiser Precision Tooling Inc.)Sphinx系列刀具產(chǎn)品經(jīng)理Cory Cetkov-ic表示：“我們與刀具涂層供應(yīng)商合作,確定開發(fā)新的涂層蒙玩。我們把涂層供應(yīng)商請到刀具庫,以確定加工特定材料的最佳涂層瘤贷。對于TiAl,通常采用多層涂層,例如,底層采用能提高強度的硬涂層,而頂層則采用光滑的薄涂層,以防止產(chǎn)生積屑瘤(BUE),并有利于排屑∩鹋伲”銑削加工TiAl時,山高刀具公司推薦使用細(xì)晶粒整體硬質(zhì)合金刀具(如Jabro系列立銑刀),雖然與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀相比成本更高,但它在這種具有挑戰(zhàn)性的加工中有更優(yōu)異的性能招惜。車削加工TiAl時,如果刀具安裝可靠,工件夾持牢固,采用較大的切入角有助于減小車刀切深線處的溝槽磨損,這種磨損可能會引起刀具崩刃和加快刀具磨損進(jìn)程峰适。Graham解釋說：“如果能增大刀具的切入角度,就會有更多切削刃參與切削,并使溝槽磨損寬度分散到更多切削刃上。

你可能認(rèn)為,如果參與切削的切削刃增加30%,刀具壽命也將延長30%,但實際上刀具壽命可以延長四倍之多孙悦∠牙Γ”由于存在刀具切深線溝槽磨損的加工挑戰(zhàn),許多加工車間正在試驗用金剛石刀具來加工TiAl。在使用金剛石刀具時,必須降低切削刃的工作溫度,以防止刀具熔解疤巩。為此,山高刀具公司建議:用熱容量高的高壓澆注冷卻液對切削刃處進(jìn)行強制冷卻(如使用Jetstream Tooling冷卻系統(tǒng))灯葡。航空航天供應(yīng)商已對TiAl材料的加工進(jìn)行了大量投資。例如,三井精機(Mitsui Seiki)已經(jīng)提供了多種加工TiAl材料噴氣發(fā)動機渦輪葉片的機床狮屏。目前最大的用戶是日本AeroEdge公司,它使用28臺專用機床來生產(chǎn)TiAl葉片结阅。Mori Seiki美國公司總裁Scott Walker也認(rèn)為,金剛石刀具在加工TiAl時表現(xiàn)優(yōu)異。三井精機演示了用CVD金剛石涂層刀具加工TiAl的實例:切削速度100m/min,主軸轉(zhuǎn)速3979r/min,每齒進(jìn)給量0.04mm,進(jìn)給率637mm/min,粗加工走刀步距0.5mm,精加工走刀步距0.4mm瞎嬉。每把刀具價格475美元,不過,由于金剛石刀具成本較高,三井精機的大多數(shù)用戶還是選用刃口非常鋒利蝎毡、涂覆硬涂層的硬質(zhì)合金刀具來加工TiAl材料。肯納金屬公司產(chǎn)品工程高級工程師Edwin Tonne指出,γ-TiAl具有極高的加工硬化傾向,提高切削速度會顯著增加其硬度氧枣。在一次切削試驗中,當(dāng)切削速度稍有提高時,工件的布氏硬度就馬上從320增大到400沐兵。Tonne指出:“可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)刀具壽命的合理切削速度大約為30-40m/min,比切削Ti6-4鈦合金時大約低30%-40%。需要使用具有大前角和大后角的刀片,如果采用的每齒進(jìn)給量超過0.1mm,就有可能發(fā)生崩刃,甚至損壞刀具便监。如果將每齒進(jìn)給量保持在0.1mm以下,就能在安全的切削條件下進(jìn)行加工,刀具只會出現(xiàn)正常的后刀面磨損扎谎。”

由于TiAl的含鋁量較高,另一個問題是有些刀具涂層與鋁具有化學(xué)親和力,從而會造成一些加工問題烧董。為此,Tonne建議采用硼化鈦涂層,這種涂層可使刀具切削刃保持鋒利,并且與鋁沒有化學(xué)親和力毁靶。保持較小的徑向吃刀量(接觸弧長)有助于改善TiAl的可加工性。Tonne說:“如果徑向吃刀量保持在10%(即小的切削寬度),就可以采用更高的切削速度和進(jìn)給率逊移。冶他指出,使用肯納公司專為加工鋁合金而設(shè)計的7745 VOD-441刀片和7713 VR-701紐扣銑刀可以成功實現(xiàn)TiAl的面銑加工预吆。同樣,XE和XER整體硬質(zhì)合金立銑刀也能有效加工TiAl。 

新型鋁合金 

新型鋁基材料在其他方面的應(yīng)用也在取得進(jìn)展胳泉。高強度鋁合金正被用于制造更多的汽車和航空零部件,汽車制造商已能對用難加工的高硅鋁合金制成的發(fā)動機缸體和缸蓋進(jìn)行面銑拐叉、鉆削和鉸削加工。純鋁重量輕扇商、硬度低,但添加碳化硅和其他形式的硅以后,其強度扳辆、硬度、剛度和壽命都顯著提高爹蒋。但是,硅的加入也增大了其磨蝕性,硅的含量越高,鋁合金的磨蝕性也越強雷镀。例如,Reynolds 390鋁合金的碳化硅含量為17%-19%,因此具有極強的磨蝕性。金剛石刀具或硬度極高的微晶整體硬質(zhì)合金刀具是加工高硅鋁合金的首選遵非。不過,在此類材料的加工中,金剛石刀具有更明顯優(yōu)勢兆剃。即使是硬度極高的硬質(zhì)合金牌號,其刀具壽命也非常短(大約3-5min),與之相比,金剛石刀具的壽命可達(dá)1h。

這些高硅鋁合金汽車零件的加工通常需要采用大直徑銑刀华媳。山高刀具公司將其有4個硬質(zhì)合金切削刃的Quattromill銑刀和16個切削刃的Double Octomill銑刀應(yīng)用于這種加工被核。山高刀具公司先進(jìn)材料產(chǎn)品經(jīng)理Aaron-Michael Eller指出,硅鋁合金的可加工性與其含硅量成反比,硅鋁合金的種類很多,含硅量通常決定了其機械加工性能暴姓。由于鋁合金硬度較低,因此很容易產(chǎn)生BUE(即工件材料粘附在刀具切削刃上形成積屑瘤),造成工件表面光潔度變差和刀具壽命縮短。刀具上的積屑瘤也可能沉積在工件上,當(dāng)積屑瘤從切削刃上掉落時,可能會從刀具上帶走一些材料顆粒,并導(dǎo)致刀具提前失效勃提。由于存在形成積屑瘤的潛在風(fēng)險,山高公司建議采用刃口鋒利和輕度制備的正角硬質(zhì)合金刀具和光滑的高光潔涂層來加工高硅鋁合金湿儡。Eller解釋說:“正角刀片使我們能剪切而不是推擠(或拖曳)低硬度工件材料(使用負(fù)角刀片時有時會發(fā)生這種情況)。光滑涂層可以改善潤滑性能,使切屑能從切削刃處流暢排出凹尺。對刃口的倒棱制備可以增強抗衡材料磨蝕性所需的強韌性处榔。”為了盡可能保持切削刃的鋒利度,聚晶金剛石(PCD)刀具的刃口制備得非常鋒利,并且不使用涂層吊宋。加工高硅鋁合金時,采用亞微米晶粒結(jié)構(gòu)的PCD牌號也可以減輕積屑瘤的影響纲辽。

BIG Kaiser公司的Cetkovic指出,與加工TiAl一樣,采用新型刀具涂層也可以改善高硅鋁合金的切削性能×眩“我們用Sphinx標(biāo)準(zhǔn)刀具加工硅鋁合金,并利用新開發(fā)的創(chuàng)新涂層來提高切削性能和刀具壽命拖吼。冶與每把未涂層刀具只能加工5個零件相比,每把涂覆了新型涂層的刀具可加工250個零件。同樣,這種多層涂層的底層為高強度硬涂層,外層則為能改善排屑性能并有助于防止積屑瘤的光滑涂層这吻。Cetkovic說:“對于鋁合金加工,我們有材質(zhì)為微晶硬質(zhì)合金的系列直槽鉆頭,這些鉆頭能以極高的切削速度和進(jìn)給率進(jìn)行鉆削,而其直槽設(shè)計縮短了切屑從刀具排出必經(jīng)路徑的長度,從而優(yōu)化了排屑性能吊档。每把刀具通常可以加工幾萬個工件唾糯。冶例如,一支長徑比為40/1的鉆頭可加工高達(dá)72,000個高硅鋁合金汽車零件怠硼。Cetkovic指出:“雖然此類刀具價格不菲,但使用它們的加工車間很清楚,自己花錢購買的并不只是鉆頭,而是加工出的孔。一把刀具400美元看似昂貴,但如果它能加工出72,000個孔,實際上性價比相當(dāng)高趾断。 

冶 鋁—鋰合金 

在全球航空航天行業(yè),新型鋁—鋰合金材料的應(yīng)用正方興未艾拒名。這種低密度合金集重量輕吩愧、裝配和維護(hù)成本低芋酌、可采用先進(jìn)焊接技術(shù)(如摩擦焊)等優(yōu)勢于一身。較低的合金密度和優(yōu)良的材料特性使航空制造業(yè)可以優(yōu)化飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計,用它設(shè)計的航空結(jié)構(gòu)件可以減重25%,而飛機重量的減輕可以降低油耗和減少CO2排放慎瓮。 

全球主要的鋁—鋰合金材料供應(yīng)商之一是總部位于巴黎的Constellium公司,為了支持航空項目的技術(shù)創(chuàng)新,該公司經(jīng)過幾十年的持續(xù)研發(fā),成功生產(chǎn)出了Airware高性能鋁—鋰合金菜臣。2010年開始全面供貨的Airware合金非常適合用于制造各種主要的航空結(jié)構(gòu)件。除了鋁和鋰以外,Airware合金中還包含作為主要添加元素的銅和銀捧法。Constellium公司客戶應(yīng)用工程總監(jiān)Sylvain Henry介紹說:“由于Airware合金具有更好的抗疲勞和抗腐蝕能力,可以提高飛機構(gòu)件的耐用性,從而使航空公司能夠延長其維修間隔時間萄天。Airware合金能無限次回收利用,其材料性能不會有任何損失,有利于航空航天工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。冶他指出,Airware合金已在一些重要的航空項目(如空客A350 XWB和龐巴迪C系列)中得到應(yīng)用,并已獲選用于一些航天項目(包括Space X公司的獵鷹9號火箭和洛克希德·馬丁公司的獵戶座航天器)裹五。Constellium公司在法國Is-soire興建了Airware合金鑄造廠,目前該廠已通過了Constelli-um公司主要客戶的資質(zhì)認(rèn)證卦须。與其他鋁合金一樣,Airware合金也需要進(jìn)行一些標(biāo)準(zhǔn)的機加工,如輪廓加工、表面加工捅县、凹腔加工和零件精加工摊壳。這些加工通常在標(biāo)準(zhǔn)機床(如高速和標(biāo)準(zhǔn)速度的立式、臥式加工中心)上進(jìn)行猪晰。Henry說:“Airware材料包含一系列硬度較高的合金,因此其加工可能與其他硬鋁合金略有不同,但差異并不是很大粒颂。我們的一些加工合作伙伴開發(fā)了專用刀具,以確保獲得與加工其他硬鋁類似的生產(chǎn)率水平谜珠。加工Air鄄ware時會產(chǎn)生大量切屑和廢料,如果將這些材料有效地分離回收,則可將其重新應(yīng)用到制造過程之中÷叵簦”

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)士修，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負(fù)責(zé)樱衷，也不構(gòu)成任何其他建議棋嘲。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布、編輯整理上傳箫老，對此類作品本站僅提供交流平臺封字，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻耍鬓、圖片阔籽、文字如涉及作品版權(quán)問題，請第一時間告知牲蜀，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容笆制，以保證您的權(quán)益！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn涣达。