加工 HRSA 从稳定的机床、刚性工件夹具以及主轴和刀柄之间非常坚硬的接口开始
DMG Mori 的超声波致动器在旋转时轴向振荡切削刀具，从而提高刀具寿命、表面光洁度和高温合金中的材料去除。Methods Machine Tools Inc.（马萨诸塞州萨德伯里）的 Yasda 产品经理 Dale Mickelson 和多本关于硬铣削的书籍的作者认为，处理耐热高温合金 (HRSA) 需要机器的完美组合，工件夹具、刀具、刀具路径和冷却液。
米克尔森也是第一个说你不能在一篇文章甚至一本书中涵盖所有内容的人，而且他被要求将草稿减半以满足出版的实用性。但让我们回顾一些亮点。
刚度很好
就像钛（参见 “New Ideas Give a Jolt to Titanium Machining”，ME，2018 年 1 月），加工 HRSA 需要非常稳定的机器、刚性工件夹具以及主轴和刀架之间非常坚固的接口。就像我们之前关于钛的讨论一样，“对于这些要求的理想实施方式，目前还没有定论。
Mickelson 说，他的测试表明，BIG Plus 卡盘的刀具寿命是同等尺寸的 HSK 系统（例如， BIG Plus 40 与 HSK 63A）。然而，Okuma America Inc.（北卡罗来纳州夏洛特）的应用工程师 Lee Johnston 表示，类似尺寸的 HSK 系统“刚性稍强”，并且“理论上，您可以更用力地推动工具。”他补充说，更大的 HSK 100 或 125 系统（没有类似的 BIG Plus 主轴）会更好，因为除了面接触之外，您还有更大的回拉力。
HRSA 的主要应用是飞机和发电机的热区涡轮部件离子——叶片、整体叶盘、支架、阀门和歧管等零件，其中大部分都很复杂且轮廓分明。这意味着使用五轴铣削在一次装夹中获得所需的形状和公差。对于较小的零件，需要整体硬质合金圆形刀具，这需要特别坚硬的刀柄。
对于硬质合金刀具，LMT Onsrud（伊利诺伊州沃基根）的工艺改进专家 James O'Leary 推荐使用液压或热处理-“可以在工具直径的 4 倍长度上保持 ≤0.0002”（0.005 毫米）的跳动。但是热缩支架不适用于陶瓷工具，米克尔森解释说，因为它们在如此高的温度下运行，热量会影响支架上的孔。对于陶瓷，他推荐使用夹头夹持器。
Mickelson 和 O’Leary 都指出燕尾榫是夹持铬镍铁合金和其他高温合金的首选方法，以最大限度地减少零件移动和偏转。这个想法是将燕尾槽切入 t他是原材料，然后使用燕尾钳钳口固定零件。 “它不需要很多材料，这对于如此高成本的合金来说很重要，”米克尔森解释说，“但你可以通过少量的保持来完成。”正如 O'Leary 解释的那样，“用燕尾榫固定零件可以在水平或五轴加工环境中自由接触材料的侧面。”
通过加工第六面完成零件插入燕尾榫通常是通过夹紧加工表面之一（例如，带有四个螺栓孔的端口面）来完成的。但是，如果零件设计不需要这样的功能，Mickelson 建议在带有螺纹功能的翼片上构建，以后可以将其切断。
新陶瓷、硬质合金工具
人们普遍认为，陶瓷刀具是粗加工耐热合金的最佳选择。对于陶瓷，正如 Greenleaf Corp.（Saegertown, PA)解释说，“第一步是设置合适的速度，提高切削区的温度，使材料产生一定程度的塑化，使其更容易加工。否则，您将面临无法预测的刀具寿命。确定合适的速度后，您可以使用进给率来管理热疏散。进给速度越高，切屑中的质量越大。切屑的质量越大，从切割区带走的热量就越多。控制化学磨损成分。”
Yasda PX-30i 使用陶瓷工具以 3000 sfm 的速度撕裂 Inconel 718，塑化材料以切割它。所涉及的速度可能会让您大吃一惊。米克尔森说他通常在 3000 sfm 的 Inconel 718 中使用 Greenleaf 晶须增强陶瓷，但具有非常轻的芯片负载。对于直径为 2 英寸（50.8 毫米）的刀片刀具，3000 sfm 的转速约为 5700 rpm，这在他通常推荐的机器 Yasda PX-30i 的高扭矩范围内。 “但陶瓷刀片不需要高扭矩，因为在此示例中，每个凹槽的切屑负载仅为 2 thou。”为了在刀片等物体上进行更精细的轮廓加工，您可能需要使用更小的整体陶瓷立铣刀进行粗加工，这意味着速度更快。例如，一个 ¾ 英寸（19 毫米）的立铣刀必须以超过 15,000 rpm 的速度运行才能达到 3,000 sfm。因此，像 Okuma Blade T400 或 Yasda PX-30i 这样的机器分别具有 18,000 和 20,000 rpm 的主轴。相反，陶瓷不能为大多数 HRSA 零件提供所需的表面光洁度，因此您被迫改用以完全不同的进给和速度运行的硬质合金刀具。米克尔森说你会以 100 sfm 的速度在 Inconel 中运行硬质合金，切屑负载为 10 到 15 thou。那我在低得多的速度下获得更大的扭矩。正如 Johnston 所说：“机器配置可以是一种折衷方案。很难两全其美。”不容忽视的是，Andersson 表示，对于“通常不旋转的非关键部件，陶瓷也适合进行精加工，尤其是我们的 WG600 涂层陶瓷。”
谈到妥协，Greenleaf 的XSYTIN-1 是一种全新的“相增韧”陶瓷，不需要材料完全塑化即可切割。因此，您不必以与运行晶须增强陶瓷相同的速度运行 XSYTIN，尽管您可以。这将应用范围扩大到更大的陆基涡轮机部件，这些部件在加工过程中无法快速旋转。 XSYTIN 材料的极高弯曲强度也意味着边缘的微观几何形状无需特定于应用，从而更容易选择合适的 t酷。 XSYTIN 工具只有一个小的拉丝 A 型磨石，这个简单的功能实际上“非常重要”，Andersson 解释说。
“您希望切削工具材料和您要加工的材料之间的接触面积尽可能小加工以将热量集中在这个区域，”他说。 “但传统陶瓷易碎，需要更大、更复杂的边缘处理才能承受机加工产生的力。”
小型 XSYTIN 磨石将热量集中在较小的区域，使材料更易于机加工，并且在材料上引入较小的力。另一个巨大的回报：您可以以与晶须增强陶瓷相同的速度运行它，同时使用高出 50% 到 100% 的进给率，从而将生产率提高 50-100%。
M用 Greenleaf 的 XSYTIN-1 相增韧陶瓷填充。Andersson 补充说，需要 XSYTIN 的其他应用是带有表皮和鳞片的锻件和铸件。 “这种表面很难加工，但 XSYTIN 的弯曲强度使您能够以高水平的生产率和可预测性进行加工。”
最后，XSYTIN 现在可用于球头立铣刀配置.这对陶瓷来说并不新鲜，但在 XSYTIN 用户被迫倾斜陶瓷球头工具以防止末端被切割之前，因为 sfm 在球头中心下降到零。 （请记住，陶瓷需要高 sfm 才能切割。）
“由于 XSYTIN 材料的强度，您不必这样做，这使得它更容易应用。”这个问题可能有助于解释 Johnston 提出的一个有趣的观点：当用陶瓷加工时，与面铣相比，立铣的剩余材料量更难预测
LMT Onsrud 的 O'Leary 解释说，以任何速度切割 HSRA 都会产生对于普通碳化钨基材而言过高的温度，并补充说“运行环境也非常磨损，因为存在大量的碳化物合金中存在的沉淀物。”即使以 100 sfm 的速度进行精加工，您也不能对这些材料使用标准硬质合金刀具。
幸运的是，O'Leary 说，“更高的横向断裂强度基体使我们能够改善刀具的边缘几何形状，允许在切削高温合金时更好地形成切屑。这种切屑形成导致更好的散热和更好的零件光洁度。可变螺距、可变螺旋角和锥形芯部等刀具几何形状的改进有助于创造更好的切削刀具，最大限度地减少刀具振动，这对加工高温合金是不利的。”
O'Leary 补充说，LMT Onsrud 的 EMC和 MaxQ 立铣刀是 ma使用更新的 CNC 磨床制造，“这使我们能够在这些工具的凹槽磨削过程中保持更高程度的控制，并在凹槽的几何关系中实现更严格的公差。”
如您所料，涂层也很关键。 O’Leary 指出了 Onsrud 的新型 ENDURASpeed 内部 PVD 涂层，称它既增加了工具的硬度，又增加了工具承受加工过程中产生的热量的能力。 Mickelson 参考了 Hitachi、Union Tool 和 Fraisa 提供的硅型涂层和硬质合金刀具。
刀具路径，其他考虑因素
智能加工技术（如摆线铣削）在涉及到摆线铣削时更为重要
“我们在 Inconel 和其他高温合金中寻找的关键编程技术是尽可能长时间地保持刀具在切削中，”Mickelson 说。 “因为每次进入和退出切削时，您都会失去刀具寿命。所以我们创建了螺旋向下移动到零件中的凹槽例程。如果你有一个平面，你可以螺旋地切割到那个平面，然后完成平面。”正如米克尔森所说，陶瓷工具的目标是“保持材料熔化”。失去熔体然后重新接合会缩短刀具寿命。
精加工高温合金需要具有特殊几何形状和高精度的硬质合金工具，如可变螺旋和不等分度，如这些 LMT Onsrud 设计所示。这也是 Mickelson 推荐使用当今 CAM 软件中的选项的原因，该选项在粗加工时强制在每个刀具路径上设置半径，即使是在拐角处，“因为否则，切削尖角的刀具可以失去足够的表面长度以失去熔体。你不需要任何锋利的刀具路径。”
米克尔森补充道切削陶瓷时，最好输送空气冷却剂（通过主轴或外部）进行排屑和冷却，而每个人都同意硬质合金刀具应使用高压液体冷却剂。任何钻孔和攻丝也需要高压液体冷却剂。
5ME（辛辛那提）发布的数据显示，使用液氮低温冷却剂切割 Inconel 625 时，材料去除率、刀具寿命和表面光洁度有所提高系统（参见“Deep Freeze 有助于切割具有挑战性的材料”，ME，2017 年 12 月）。但是，据 Johnston 称，虽然 Inconel 625 通常用于石油和天然气行业，但似乎很少有关于航空航天中使用的 Inconel 的低温冷却的公开数据。
LMT Onsrud vari helix flute washout巧合的是，米克尔森现在正在测试一种将干冰 (CO2) 喷入切削区的系统。这种称为 DIPS（干冰粉冷却系统）的技术有望大大延长刀具寿命，但现在说它是否符合预期还为时过早。
O'Leary 表示，了解材料的极限抗拉强度是有益的(UTS) 和热处理条件提前确定最佳操作参数。 “如果您要为每个材料批次更改工具操作参数，则新材料可能具有不同的热处理和 UTS。一个好的做法是绘制您带入商店的每种材料的 UTS。这将有助于获得在每个 UTS/硬度范围内成功的可靠操作参数。”
他补充说，虽然 UTS 不是行业标准，但它“可用于每种材料认证，并用于可追溯性。 UTS也是你由 SolidCAM 在他们的 iMachining 算法中生成，以开发加工材料的切削刀具数据建议。”
最后，在实际上熔化超级合金表面的粗加工过程之后，重要的是让零件在精加工之前冷却. Mickelson 的首选方法是对整个零件进行粗加工，而不是将其从夹具中拉出，然后在切换到精加工之前按顺序对其他零件进行粗加工。
在像 Yasda PX-30i 这样的机器上，有 32 个托盘一个堆垛机，第一部分在返回进行精加工时已经很好地冷却，所有这一切都没有人为干预。 Mickelson 还建议在托盘上安装零点夹具，以加快重新夹紧零件以进行额外操作或添加新零件的过程。
超声波效应
DMG Mori USA（Hoffman Estates， IL) 引入了一种比低温冷却更奇怪的高温合金加工创新：旋转超声加工。该设备是一个添加到机床标准 HSK 主轴的超声波致动器，可在工具旋转时使工具轴向振动。振荡程度可以在 0 到 10 μm 之间变化，具体取决于应用，系统会根据实时反馈自动调整振荡的理想谐振频率。由于该技术可跨平台扩展，因此该工具在 ULTRASONIC 20 线性模型上的超声加工过程中可以旋转高达 50,000 rpm。
速度和扭矩HRSA 加工：Okuma 五轴 BLADE T400 配备 38 kW 电机和转速高达 18,000 rpm 的 HSK-A63 主轴。DMG Mori 先进技术产品专家 Luke Ivaska 表示，通过降低加工力，该系统使刀具寿命延长了八倍，并使 tr 翻了一番提高表面光洁度质量（低于 0.1 μm Ra）。 “根据具体的合金，我们还可以将生产率提高两到三倍。”
所使用的切削工具可以是硬质合金、陶瓷或其他现成的工具。而且由于超声波头可以自动更换，不同类型的工具可以组合在同一个零件上。在一个案例研究中，DMG Mori 报告说，使用陶瓷和硬质合金立铣刀从毛坯块完整加工 Inconel 718 涡轮叶片需要 23 分钟，而传统加工需要 32 分钟。
警示故事
虽然有用于航空航天的标准合金，但新的合金正在获得关注。 “在过去 15 年的大部分时间里，航空发动机一直使用非常统一的材料。 46 至 48 Rc 的 Inconel 718 是该行业的主要产品，”Greenleaf 的 Andersson 说。对使用这些相同材料的旧发动机零件的需求仍然很大。但最新的飞机发动机设计用于在更高的温度和压力下工作，以实现更高的效率，Andersson 甚至断言所有这些新发动机都采用更难加工的新型高温合金。 “用于 Inconel 718 或 40 Waspalloy 的策略不再适用，”他说。
有时，几乎所有方面都必须改变：进给、速度和工具几何形状。 “不得不从负前角刀片转为正前角刀片的情况并不少见。在某些材料中，情况恰恰相反，”Andersson 说。
以一种名为 Inconel 718 Plus 的新材料为例。 “它听起来与 718 非常相似，但加工方式完全不同。我会说 Inconel 718 Plus 与 Inconel 718 的差异比 Inconel 718 与 Inconel 625 的差异更大。原始设备制造商和一级供应商非常清楚这一点。但是，当您进一步深入到合同制造商的 Tier 规模时，人们竞标 718 Plus 的工作，就好像我们对于 718，他们很快就会发现自己快要输了。”
IN100 和 ME16 是另外两种需要新工具参数的新型镍基高温合金。 ME16 还体现了另一个新挑战：粉末金属的引入（除了新的锻造或铸造合金之外）。根据 Andersson 的说法，这“显着改变了它与加工过程的相互作用方式。”
同样，Mickelson 表示，切割 3D 打印的 Inconel 与切割标准 Inconel 有很大不同。 “它看起来更像是 CPM 材料或硬化钢，而不是铬镍铁合金。它看起来更硬，更磨蚀。我们会使用陶瓷刀具，但表面速度略低且切屑负载较轻。”
DMG Mori 的 Ivaska 说，“由于钼含量高，β 相钛提出了挑战。然而，借助 ULTRASONIC，我们实现了八倍以上的刀具寿命和两倍的生产率。”最后，安德森还报告说新的钴基高温合金并不多，尽管一些新部件中的钴含量更高。
无论如何，注意细节并寻求经验是明智的。正如 Andersson 所说：“我们与 OEM 研究机构和其他研发中心密切合作，切割尚未推出的材料。我们经常接到声称拥有以前从未加工过的材料的人打来的电话，我们可以向他们提供准确的切削数据，因为我们已经在我们的研发设施中加工过这种材料。”
