耐热高温合金 (HRSA) 是镍基和钴基合金，因其在极高温度下需要强度、耐腐蚀和氧化以及耐接触磨损的应用而备受推崇。
Ingersoll 的 CERASFEED 可转位陶瓷高进给立铣刀在公司位于伊利诺伊州罗克福德的技术中心开展工作。 （由 Ingersoll Cutting Tools 提供）“[我们认为]HRSA 是所有利用屈服强度异常的镍基和钴基合金，”工具制造商 Greenleaf Corp.（位于宾夕法尼亚州赛格敦）的应用工程师 Alex Minich 指出。他指的是屈服强度随温度升高而增加的情况，这与大多数材料随着温度升高而变软或屈服强度降低相反。这似乎是一种反常现象——因此得名。
热量（一个d 随温度增加屈服强度）使 HRSA 成为此类应用的理想之选，但这也使它们对机加工提出了挑战。这是关于切削刀具制造商如何使工作更轻松的最新消息。
热加工挑战
耐热合金最突出的应用可能是它们在航空航天和国防工业中的应用，在用于喷气式飞机、火箭和导弹的涡轮发动机的组件形式。然而，这些材料也广泛用于石油和天然气行业。 “石油、天然气及其衍生物以及任何其他需要在高压和高温下储存、加工或运输的腐蚀性和磨蚀性物质往往需要只有镍基合金才能提供的高温强度和耐腐蚀性， ”Minich 说。
一些 HRSA 也用于医疗设备制造，不一定是为了耐热性，而是为了生物相容性以及强度、刚度和腐蚀-r
Minich 还指出，并非所有称为 HRSA 的合金都能真正满足要求。 “有些人会认为 Jethete M152 是一种 HRSA，但在我们看来它只是一种低碳马氏体不锈钢，”他说。 “大多数人还会将许多钛基合金视为 HRSA，因为许多富含 α 的钛基合金专为在高温下使用而设计。”他说，真正的耐热合金只是那些利用屈服强度异常的镍基和钴基合金。
不是典型的芯片
虽然有不同类型的耐热合金，他们都面临着一个重大的“芯片挑战”。山特维克可乐满航空航天全球工程项目经理 Bill Durow 表示，在标准金属切削中，材料以切屑的形式被有效地从切削区排出，并带走切削过程中产生的大部分热量, Mebane, N.C.
“当你’例如，正在切割一块钢材，它既美观又闪亮，但如果您事后查看切屑，您会发现它们已经变成深蓝色，因为它们在金属切削过程中吸收了热量， “ 他说。但是对于耐热材料，这不会发生。摩擦产生的热量通常不会被切屑吸收并随切屑一起排出，而是留在过程中。 “通常情况下，大约 80% 的热量都停留在该切割区，”杜罗说。 “它回到刀片中，如果你仔细想想，这对刀片来说不是一个好情况。”
使用山特维克可乐满的 CoroMill 316 HFS 在叶盘中进行高进给侧铣操作工具。 （由山特维克可乐满提供）标准钢切屑与 a 切屑之间还有另一个区别以及由 HRSA 形成的那些。在车削操作中，标准钢切屑的大小和形状使其易于从切削区移除。转动 HRSA 时并非如此。 “当你车削镍材料时，它不会损坏切屑，”Durow 说。相反，“你会得到这些长弦。该芯片实际上可以包裹您的工具。更糟糕的是，它会缠绕工件并对其造成损坏。”当您制造关键发动机零件时，这不是一个好情况。
一种解决方案是将高压冷却液导入切割区，压力高达 100 bar (1,400 psi) 以破坏根据 Durow 的说法，筹码不会挡道。 “这不仅仅是在切割区周围泼水，”他说。 “我们的喷嘴可以将高压冷却液精确地引导到切削区，形成一个液压楔，将切屑向上推到刀片上方，基本上是弯曲把它放回去以打破它。”
硬质合金与。陶瓷
HRSA 材料使用硬质合金刀具或刀片进行加工，它们可以提供更好的精加工，但每分钟切削表面英尺数 (sfm) 相对较低，或者使用陶瓷刀具进行更高的 sfm。 “陶瓷通常严格适用于粗加工，可能是半精加工，但不适用于硬质合金具有优势的精加工，”伊利诺斯州罗克福德市 Ingersoll Cutting Tool Co. 模具产品经理 William Fiorenza 说。 “周期时间缩短的最大份额将出现在粗加工过程中，不一定是精加工过程。但是，当要求包括原始表面处理时，则 [使用] 整体硬质合金。”
据 Iscar USA 全国车削产品经理 Randy Hudgins 说，使用硬质合金刀具或刀片时，热量是一个特别令人烦恼的情况，德克萨斯州阿灵顿。 “要形成芯片，这个过程需要塑化材料，但因科镍合金、Waspaloy 和其他 HRSA 中的高镍含量使它们非常耐热，以至于开始塑化它们所需的温度足以对您的硬质合金有害。硬质合金的粘合剂是钴，钴的熔点约为 2,700°F；塑化这些镍基合金所需的温度接近 3,000°F 以上。”哈金斯说。 “你有把钴熔化掉的危险。”
因此，在基材上涂上耐热涂层，如氮化钛铝 (TiAlN) 或氧化铝 (Al2O3)，作为他说，工具制造过程。
高温以另一种方式给硬质合金工具带来麻烦。切削刃与 HRSA 工件的热接触有效地使材料加工硬化，在其上形成一层鳞片。 “基本上，它是对其进行热处理，”哈金斯说。 “让我们说，在你的每一次传球中quo;每边的切割深度为八分之一英寸。发生的情况是，切削走刀使材料硬化。然后你回来再进行八分之一英寸的切割深度。好吧，之前的路径现在是硬质合金侧面上方八分之一英寸。所以，现在你已经有了与硬质合金接触的加工硬化材料，它开始腐蚀它。您会得到我们所说的切深槽口。它开始在您的硬质合金上开槽。”
解决这个问题的一种方法是改变切削深度，他说。 “假设您从千分之十五的切削深度开始。然后您可以降低到 100，然后降低到 75，然后降低到 50。这样做的目的是使加工硬化的表面以不同的间隔沿着硬质合金的长度上下移动。 Hudgins 说，加工硬化材料没有机会如此快速地凝固和开始侵蚀掉碳化物。
不断变化的客户期望
切削过程中要考虑的另一个挑战是完整的Ingersoll 的 Fiorenza 指出，被切割零件设计的可靠性。而且，他说，现在比以往任何时候都更加复杂。
特别是在铣削应用中，“多年来，零件和特征形状变得更加复杂，”Fiorenza 说。 “由于 CAM 和 CAD 软件的进步，零件形状变得更加自由流动。在过去部件可能更加开放的地方，设计师正在自由地在这些不同部件中使用更详细的功能。零件被设计成具有更小、更小的半径特征，其中刀具需要具有更大的径向啮合。在这种情况下，由于径向接合会产生更多的热量。这有时会导致加工困难。例如，如果不遵循适当的加工技术，高温会导致薄壁零件特征变形。”
他们试图通过严格控制过程来应对这些条件。
当米Fiorenza 说：“使用硬质合金刀具进行铣削时，需要在加工过程中维护和监控锋利的边缘准备工作。” “此外，特殊的刀片设计有助于优化切削性能——例如，专门设计的前刀面几何形状、刀刃准备和刀具中的刀片定位。”
虽然 CAD/CAM 中的这些软件进步使得零件——因此切削过程——更复杂，它们通过其他软件的进步来平衡。
“今天的刀具路径算法很好地平衡并且允许更容易地采用高速加工技术。这些更流畅的刀具路径使我们能够以更有效的方式处理这些高温材料，最大限度地减少径向接触，”Fiorenza 说。
对机加工更具挑战性的零件设计仅代表制造商期望的一个领域正在进化。他们也面临着越来越大的压力——随后y 参与 HRSA 加工的机器制造商和工具制造商 - 以实现更短的循环时间和降低工具成本。
是在 20 世纪 80 年代中期，当前用户的目标包括从提高吞吐量（通过提高金属去除率）到降低总体成本，同时保持或提高工艺稳定性，”Greenleaf 的 Minich 说。
“预大流行年代是商业航空航天的黄金时代——我们预计它会回归，”他继续说道。 [行业现状] 图表都非常绿色且呈上升趋势，成功的主要要求是缩短周期时间。”然而，自从 COVID-19 大流行开始以来，他认为降低成本已成为更重要的优先事项。
Inconel 718 车削操作中的 Greenleaf XSYTIN-1 刀片。（由 Greenleaf 提供）刀具寿命影响这两个方面。无论是铣削还是车削，硬质合金或陶瓷，用在 HRSA 上的工具往往，正如俗话所说，“活得快，死得早”。这些并不便宜的刀具的使用寿命相对较短。
“有许多因素在我们的控制范围内，我们认为这些因素对机械加工中的陶瓷刀具寿命影响很大HRSAs，”Minich 说。这些因素包括：刀具选择；刚度和稳定性；等级；形状（宏观几何）；边缘准备（微观几何），刀具路径/加工策略；切削条件；速度；和切屑厚度。“越困难的
挑战因切削任务而异，他说。“HRSA 的铣削和车削具有不同的优先级 on 陶瓷刀具的材料特性。铣削中的刀具寿命最受益于高横向断裂强度 - TRS - 冲击韧性和热循环引起的裂纹扩展阻力。车削需要一种能够在较高温度下保持化学稳定性和硬度、更耐磨损，但仍然具有足够高的 TRS 以能够处理切屑载荷以及机械应力方向和大小变化的刀具。最后，任何 HRSA 加工都要求陶瓷材质具有明显的抗裂纹扩展能力。”
缓解挑战
Greenleaf 提供了最大限度延长铣削和车削刀具寿命的解决方案。 “我们使用 XSYTIN-1（一种独特的氮化硅基材质）满足铣削、锻造除垢和严重断续车削的需求。与此同时，WG-600 解决了车削问题——一种涂层晶须增强陶瓷材质。在最佳切割在条件下，它能够在 Inconel 718 的单接触点保持正常磨损超过 20 分钟的切割时间，”Minich 说。
Greenleaf 专门开发的最新产品可在 HRSA 中节省成本记住是 XSYTIN-360。 “作为由 XSYTIN-1 材料制成的整体立铣刀，它提供了以前为硬质合金保留的直径的陶瓷铣削的生产率，并且刀具寿命（以每个刀具去除的材料体积来衡量）比最好的-类碳化钨实心圆形工具，”他说。 “由于 XSYTIN-1 的横向断裂强度和冲击韧性，XSYTIN-360 也是一种更易于使用的工具，因为它可以在较低的速度下应用，从而降低了对主轴的要求。 XSYTIN-360 也可以重新研磨，进一步节省成本，”他总结道。
山特维克的 CVD 涂层 S205 刀片产品组合。较新的基材使该等级比以前的等级更耐热，切削速度提高 30–50%。（由山特维克可乐满提供）在山特维克可乐满，最近的创新包括新的车削材质。它被称为 S205，”山特维克可乐满的 Durow 说。“由于涂层和新基体，它的耐热性比以前的牌号好得多，因此可以处理高 30-50% 的切削速度。刀片上有一些新的后处理处理以及。这种 CVD 涂层等级 S205 几乎适用于我们所有的标准刀片产品组合。”
该公司还优化了其 CBN（立方氮化硼）产品组合，Durow saID。 “CB7014 是一种用于镍基合金的高速 CBN 车削解决方案。” 7014 等级已经存在了一段时间，但该公司最近优化了一些几何形状以更好地支持 HRSA 工作。
“CBN 通常用于硬零件加工。用于齿轮和类似性质的东西的非常硬的钢材，”他补充道。 “但我们发现这种 CBN 材料在航空航天材料中也非常有效。问题是在这些上使用时的边缘性能。而通常情况下，您需要不同的刃口准备来加工那些硬钢、HRSA 材料或需要剪切的材料。我们需要制作更锐利的边缘线。因此，我们实际上调整了这些不同刀片的一些几何形状，以便与这些 HRSA 材料很好地配合使用。”
这些细节对航空航天公司非常重要，Durow 指出。 “他们喜欢这种过程安全性。他们想按下一个按钮然后走开，因为他们知道该工具将持续使用 f或特定的时间。他们可以进行熄灯生产。他们不想担心在操作过程中出现故障，因为零件非常昂贵，而且他们需要遵守的法规非常广泛。”
Inconel 的新等级
据 Iscar USA 全国车削产品经理 Randy Hudgins 称，Iscar 已经为 Inconel 和其他 HRSA 开发了新的硬质合金和陶瓷牌号。 “我们的 IC806 硬质合金牌号是专门为 Inconel 718 开发的，它的用途扩展到其他耐热合金，”Hudgins 说。 “它非常成功，以至于我们的工程师开发了一种具有更硬基材的材质，用于精加工和以更高的表面速度运行——材质 IC804。
伊斯卡的硅氧亚硝酸铝（SiAlON）级IS25罐头速度高达 800 sfm。 （由 Iscar USA 提供）“在车削 Inconel 时，[过去] 如果你达到 100 sfm，你就做得很好，”他继续说道。 “有了这款 IC806，我们接近 200 sfm 并获得了不错的刀具寿命。然后他们开发了 IC804，基板更硬，我们的尺寸超过 250 sfm。
除了这些等级，Iscar 现在还有 SiAlON 等级——硅铝氧亚硝酸盐。赛隆基本上是一种陶瓷——即 IS35 和 IS25。 “在我们的命名法中，数字越大，等级越坚硬；数字越小，等级越硬或越耐磨，”Hudgins 说。 “所以，IS35 是两者中更坚固的。我通常从 IS35 开始，因为它非常适合切割这些合金上形成的加工硬化层。有了这些等级，我们的 200、250 sfm 现在是 600 到 800 sfm。”
Ingersoll Cutting Tools center 的最新创新根据 Fiorenza 的说法，在一条提供两种独特嵌件设计的新陶瓷生产线上。 “这些设计对行业和市场来说都是全新的，”他说。 “这条新生产线于 2020 年底发布，在许多要求苛刻的 HRSA 粗铣应用中取得了非常高的成功率。”
CERASFEED Hi-Feed 可转位陶瓷铣刀使用 9 毫米和 12 毫米可转位刀片具有高进给刀片槽型。根据 Fiorenza 的说法，该系统强大的刀片夹紧允许“起泡”的进给率。 “为了提高生产率，刀片的密度更高，”他说。
在陶瓷方面，该公司的新型 SiAlON 材质等级 IN76N 可在要求苛刻的铣削工艺中实现更高的产量，他说。根据公司文献，其 sfm 率高达整体硬质合金的 33 倍（3,000 sfm，而硬质合金为 60-90 sfm）。
Fiorenza 说，他一直对客户将最小化的客户感到惊讶总生产成本在 HRSA 加工中的重要性。 “在航空航天领域，加工过程中最昂贵的物品可能是工件，”他指出。 “是的，在某些情况下，加工中心是最昂贵的，但以起落架为例，每个起落架的价格可能超过 100 万美元。最便宜的东西通常是切削工具或进入切削工具的刀片。因此，您会认为最大的注意力会放在成功驱动这些插入件的总成本上。这并不总是会发生，但应该会发生。”
