考虑所有因素并坚持良好加工的原则
用于航空航天应用的加工钛的需求不会很快减弱。它正在推动商用飞机市场的原始设备制造商和供应链寻找大幅提高加工产量的方法。从现在到 2030 年，无论您选择什么日期，都有足够的商用客机积压用于结构和喷气发动机应用，以保持主轴全天候运转以切割钛。钛及其合金具有高强度重量比的所有吸引人的工程性能，但也面临着硬度和高耐热性给机械加工带来的挑战。切屑不能有效地带走热量，必须保护工件和切削工具免受其质量破坏和可能的灾难性后果。答案可以在遵守良好加工实践的原则中找到，这些原则适用于所有加工环境 c当然，但也许最关键的是加工钛。从长远来看，能够提高产量的新型先进机器技术的采用者将成为赢家。
Makino 的 T 系列机器满足钛加工对大容量、高压冷却液的需求通过主轴以 52 gpm [196 L/min] 输送 1000 psi [6.89 MPa]。以材料为中心的制造成为焦点
“已经明显转向以材料为中心的制造， ”顾问 Bert Erdel 博士说。 “不可否认，钛是飞机结构和发动机零件的首选材料——无论是作为单一合金还是用于高级风扇和蒙皮设计的堆叠材料（钛复合材料），还是作为金属间化合物作为发动机热区的替代材料(Ti-Al) 或替代材料用于高级起落架的里亚尔。在许多不同的钛合金中，6 Al-4 V 仍然是最常见的，它的加工特性是众所周知的，”Erdel 说。
由于其硬度和高耐热性，钛合金中的每一个元素必须优化加工过程，包括刀具、刀具材料、冷却液、加工数据、机床和机床主轴、刀具路径、刀具夹持和零件夹具。 “这是产生最佳流程的整体方法，”Erdel 说。 “因为钛很贵，所以真正重要的是你在加工过程中所做的事情。例如，加倍你的进给速度，你可以得到更多的零件，从而可以补偿材料本身更高的购置成本，”Erdel 说，他指出波音公司拥有这种材料，并根据其 Revert 计划回收并从其供应商处回收钛屑，以确保现成的（二次）供应流。
Erdel 说新工具的开发可以带来很大的不同。他以使用来自 SGS Tool Co.（Munroe Falls，OH）的带 M 涂层的 Z Carb HPR 整体硬质合金立铣刀对钛进行稳健加工为例。 “凭借其正在申请专利的创新设计和涂层，Z Carb HPR 的工具寿命比市场上任何其他工具长 40–45%。这种真正的高性能刀具可显着降低机床主轴上的径向载荷，防止刀具因温度升高而过早失效，并确保切屑在加工过程中顺畅地流出切削区域。 Z Carb HPR 系列采用特殊的五刃设计、可变分度几何形状和 Ti-Namite M 涂层以及刀具中间的冷却液出口，可实现极高的金属去除率和出色的表面光洁度，”Erdel 说。
追求的大目标：在同一空间内将产量提高一倍
据三井精机美国公司总裁 Scott Walker (Franklin Lakes, NJ)，波音公司设定了在相同占地面积内将产量翻倍的目标，无论是装配操作还是加工钛。翻译成加工钛术语，这意味着他们希望看到的是一种机床能够在 500 转/分时获得 2000 英尺-磅（2711 N•m）的扭矩，而今天在齿轮主轴上以 100 转/分的速度获得 2000 英尺-磅的扭矩
Mitsui Seiki 的硬质合金加工系统包括最新的刀具/主轴接口，可以处理高达 35,000 英寸磅的刀具锥度力矩载荷，以适应长刀具切削高弹性材料，例如钛和铬镍铁合金。“目前还不存在最适合 FMS 策略的水平耳轴平台机器，但我认为将会发生的事情是机床将随着全新设计的发展，以 2000 英尺-磅或更高的高扭矩值提供 300-500 rpm 范围内的扭矩，”Walker 说。 “尖端技术越来越好，但必须开发新的工具。在 1500 psi [10 MPa] 下通过主轴的高达 50 gpm [189 L/min] 的冷却液量将得到改善。新机器设计必须考虑必须排出的切屑体积，因为它们将增加两到三倍。”
Mitsui Seiki 目前在航空航天工业中流行的设计是其 HU 100 系列四以及配备三速齿轮箱的五轴卧式加工中心，在 100 rpm 时可产生 2000 英尺-磅的扭矩。 “市场对我们产品的需求是 630 毫米到 2.5 米的结构部件和喷气发动机部件，”沃克说。 “在钛刀片加工中，他们正在寻找的是能够以 90 ipm [2.2 m/min] 的速度运行并将刀片与刀片轮廓保持 0.001″ [0.03-mm] 叶片表面、叶片到叶片以及前缘到后缘的公差。他们正在推动 120 ipm [3.0 m/min]，并希望达到 160–180 ipm [4–4.5 m/min]。切削工具越来越好，但钛在立铣刀和航空航天类零件上很坚硬。今天，我们每个切削刃需要 60-90 分钟，这几乎是切削 6 Al-4V 的标准时间。十年前是 10 分钟，”Walker 说。
“新的发展几乎影响到加工过程的各个方面，”Walker 说。 “它们包括确定正确的主轴连接 [Kennametal 的 KM4X]，采用最新的切削刀具路径策略 [摆线和恒定切屑体积方法]，以及采用带平滑算法的刀点中心控制的 CNC 控制 [Siemens 840 D 和 Fanuc i31 CNC]。”
测试导致稳健的钛机器设计
据 Makino Inc. 工艺研发经理 Mark Larson 说（Mason, OH) 测试用于粗加工的插入式刀具、测量机床的切削力和刀具磨损、寻找通过冷却液提高润滑性的方法以及使用最新的铣削刀具路径对于优化钛加工工艺至关重要。 Makino 的钛加工开发小组专注于专门设计用于解决钛加工挑战的测试机器，包括高硬度、高强度、耐热和谐波问题。“在我们的 T 系列机器上，我们可以保持 787 英尺磅 [1067 N •m] 的扭矩一直高达 980 rpm。这与以前的机器有很大不同。它们中的大多数，尤其是齿轮驱动的主轴在 230 rpm 左右开始下降，具体取决于刀具的尺寸、运行速度和刀具寿命。在某些情况下，230 rpm 可能没问题，但如果您想提高生产率，您希望能够以更高的速度运行并更快地去除金属。我们喜欢拥有如此高的力量Larson 说。
我们的 T 系列机器通常使用 1000 psi [6.89 MPa] 和 52 gpm [196 L/min] 通过主轴。假设我们有一个 3″ [76-mm] 粗加工工具，该工具上有多达 30 个刀片。我们希望冷却液进入每个刀片。有很多孔口供冷却剂通过，我们想确保我们有足够的流量，这样我们就不会失去每个插入件的压力。我们需要非常好的流速和高压，以通过有效地将切屑移开来防止切屑被重新切割，”Larson 说。
“我们看到越来越多的客户对五轴加工感兴趣，因为即使如果他们不需要五轴同步运动，它会减少设置的数量并允许他们将零件固定一次，以获得更高的准确性。热缩配合刀柄使用防拔出类型的适配器（如 Haimer Safe-Lock 以防止固体工具被拔出）是一种明确的趋势，”拉森说。 “目前，对于工具/主轴接口，我们更喜欢 HSK 125，这是一个 5″ [127-mm] 连接，我们一直在与 Kennametal 合作评估他们的 KM4X 125 连接的性能。”
更快的金属去除消除产能限制
山特维克可乐满（新泽西州费尔劳恩）航空航天业专家 Michael Standridge 说：“我们的客户要求我们找到提高生产率的新方法，尤其是在铣削结构部件时无需牺牲过程安全。因此，我们的目标应用是重型粗加工，金属去除量超过 20 in.3 [327.7 cm3]。提高切削刃流速的高压冷却液系统在加工钛时极为重要。由于所有的热量和对润滑的需求，涂层必须承受高温以保护插入物免于过早损坏。对基材的附着力更好，涂层结构变化更小e 正在使用 CVD 和 PVD 涂层的组合来限制碎屑和裂纹扩展。”
“我们为客户提供多种解决方案，从针对特定材料或组件特征的加工策略和工艺开发，到切削工具应用和设计，以及完整的交钥匙服务，包括完整且经过验证的 CAM 编程。在我们的设施中，我们可以展示最新的技术，展示如何从切削工具和工艺中获得最大的生产力，在客户设施之外开发解决方案，然后可以无缝地引入他们的生产中，”Standridge 说。
影响工具性能的因素有很多，坚固的机器和主轴接口就是其中两个因素。切削刀具离主轴和机器越远，出现振动、径向跳动和偏转等问题的可能性就越大。许多航空航天部件设计需要长工具组件。通常，缺少这些程序集g 刚度，并可能降低生产率。 “这种太常见的情况是航空航天制造商可以利用 Capto。 Capto 最初由山特维克可乐满开发，现已成为行业的 ISO 标准，结合了刚性和模块化，是唯一设计用于在所有加工阶段（车削、铣削、钻孔/镗孔）有效工作的系统。其带面和锥形接触的多边形联轴器可提供最大的偏转阻力和最高的扭矩传输，法兰直径可达 100 毫米。 Standridge 说：“抗偏转性和扭矩传递是提高硬质合金加工生产率所需的两个关键因素。”
冷却液浓度对切削产生重大影响
P290 可转位Iscar Metals Inc.（阿灵顿，德克萨斯州）的铣刀在切削刃上具有波浪状锯齿，可将切屑切碎成小块，设计用于加工深度方肩应用，其中选择 w过去是有限的。 “P290 让客户可以选择使用带可更换刀片的可转位铣削产品，”全国铣削产品经理 Terry Carrington 说。 “P290 刀片切削刃上的锯齿设计用于在所有相邻凹槽之间提供重叠效果，从而改善壁面光洁度并减少不锈钢、钛和高温合金等材料的加工硬化。 Carrington 说，刀具的直径从 1.25 英寸到 4.0 英寸 [31.75–101.6 毫米] 不等，刃长可达 4.0 英寸。
Emuge供应TiNox-Cut高性能粗加工端面用于航空航天加工和其他要求苛刻的应用的铣床。“这种环境中的高压冷却液始终很重要，但同样重要nt 是冷却剂浓度。我们在加工浓度为 12-14% 的钛时取得了最佳效果。钛是热绝缘体，而不是热导体，因此，大部分热量保留在切割区域，而不是随切屑排出。磨削切削刃通常性能最佳。”
“有一些原则应该适用于每个加工环境。如果在加工铝时不应用它们，您可能会注意到也可能不会注意到任何差异。在加工合金钢时未能应用这些原则可能会对刀具寿命以及表面光洁度和尺寸控制产生负面影响。在加工钛或高温合金时未能应用这些原则可能会导致灾难性故障，从而显着增加生产成本，”Carrington 说。
Iscar 的 FTP 高进给铣刀具有 12.5° 进刀角继续的趋势通过轴向而不是径向传递更多的加工力来提高金属去除率。这允许在轻型机器上实现更高的金属去除率以及长悬伸。 “轴向切屑减薄使我们能够将编程的切屑载荷从更传统的每齿 0.005-0.008 英寸增加到高达每齿 0.040-0.060 英寸的速率。由于 12.5° 接近角，实际切屑厚度约为编程负载的 20%。重要的是要在切屑中形成足够的厚度以将热量带离切削区域，从而提供更好的金属去除率并延长刀具寿命。”
新系列钛合金刀具即将亮相
“钛加工是我们目前的主要关注点之一，”Walter USA LLC（威斯康星州沃科夏）航空航天解决方案工程师 Kevin Maples 说。 “我们通常使用的钛是 555-3、10-2-3、6 Al-4V 和 Beta 21s，后者是最近才出现的材料真正的发展。各有特点，6Al-4V约占航空航天市场的70%。为了提供可加工性的基础，如果 6 Al-4V 的系数为 100，则 Triple 5-3 约为 55-60，10-2-3 约为 60-65，Beta 21s 约为 50-55。”瓦尔特一直在参与一项正在进行的计划，以开发硬质合金刀片切削几何形状和涂层以及新刀体配置方面的新技术。这些刀片和工具的目标是结构加工应用，例如翼梁、挂架、起落架、平轨和其他内部结构部件，主要是钛合金。 “在测试中，我们已经实现了超过一个半小时的密集切削钛，刀片切削刃磨损非常低。业界更喜欢小于 0.015 英寸 [0.38 毫米] 的磨损。在我们的测试环境中，我们下降了 0.004 到 0.006 英寸 [0.102，0.152 毫米]，”Maples 说。 “Walter 的目标是实现 20 in.3 [328 cm3] 或更多每分钟移除材料至少 60 分钟。他们已经能够在长达 90 分钟的时间内实现超过 24 in.3 [393 cm3] 的金属去除率。实现了更高的材料去除率，但刀片刃寿命下降。”
新的标准产品系列将采用切向安装的刀片，周边有四个切削刃，前端有两个指定的半径.周边刀片设计为互锁，提供更坚固的工具并允许额外的工具主体切削行。预计产品范围为 1.75 英寸（44.4 毫米）至 3–4 英寸（76.2 至 101.6 毫米）。已经在全球客户中进行测试的新产品组将在第一季度末左右推出。
瓦尔特为其涂层开发了一种新工艺，旨在消除涂层中的应力因素以消除碎裂或剥落。更有效地去除刀片和零件的热量, Walter 的工艺对刀片的顶面进行喷砂处理以去除高点，以便从边缘到芯片的过渡使热量能够进入芯片，从而消除热裂纹、缺口和碎裂。
用于钛的攻丝、螺纹产品
据 Emuge Corp.（马萨诸塞州西博伊尔斯顿）螺纹铣刀产品经理 Marlon Blandon 称，它为当今航空航天业面临的钛挑战提供了完整的解决方案，包括钻头、丝锥，以及螺纹铣刀到立铣刀，例如专为加工钛而设计的 TiNox-Cut。
Emuge 开发了一种具有先进高浮雕几何形状 (HRG) 的特定丝锥，非常适合航空航天应用。这种具有 15° 槽角的几何形状增加了工具和零件接触面之间的空间，以增强润滑并减少正向和反向的扭矩负载。 Emuge 添加了 NT2（氮化物和蒸汽处理）表面处理，现在还添加了 TiCN Multi-layer PVD 涂层用于这些工具的边缘硬化和表面润滑。 Emuge Tap 选择还包括用于 STI 螺纹的特定工具，这些工具广泛用于喷气发动机部件。 Ti 丝锥可用于通孔或盲孔。当与 Emuge Softsynchro 刀柄（一种夹头式刀柄系统，对拉伸和压缩进行最小长度补偿）结合使用时，Emuge 能够显着提高这些航空航天应用中的刀具寿命和螺纹质量。
Emuge螺纹铣刀选项是带有 PVD 涂层的整体硬质合金刀具，TiCN 或 TiALN。 “我们建议将其用于底部间隙有限的应用，这些应用没有为丝锥等倒角工具留出空间，并且将其作为需要高精度和准确度的硬化钛合金零件的可靠螺纹工艺。使用螺纹铣削，用户可以轻松控制中径，进给速度可以在CNC编程指令上进行调整，以优化切削g 数据，”布兰登说。通过对 CNC 程序进行少量修改，同样的螺纹铣刀也可用于加工右旋或左旋螺纹、通孔或盲孔以及 STI 螺纹。由于这一点以及用于铣削螺纹的断续切削工艺，这些刀具是实现出色螺纹精加工和量规的绝佳解决方案。刀具系列有多种款式、全铣刀、单平面刀具或可转位刀片。
本文首次发表于 2016 年 1 月版的《制造工程》杂志。
