隨著對重量更輕、速度更快飛機的需求不斷增長,航空零部件制造商正在生產更多的鈦合金、Inconel合金、Hastelloy合金、Waspalloy合金以及復合材料零件,以滿足飛機機身和航空發動機制造商的需求。大型商用飛機,如波音787夢想飛機,以及用于防務計劃的F-35聯合攻擊戰斗機,都采用了幾乎是全復合材料的機身設計。為了加工通常由復合材料和硬度較高的金屬合金兩者構成的工件,就必須采用具有創新性的新工藝。

          加工鈦合金和其它難切削合金通常需要使用高剛性、大扭矩的機床,同時還要采用最先進的切削刀具、高壓冷卻系統和加工工藝。以“交鑰匙”方式提供以上要素將會提高用戶的加工效率。美國的生產力解決方案公司(MAG公司的子公司)Cyclo Cut刀具生產主管Dan Cooper介紹說,該公司專門致力于提供總體解決方案:新的機床,改造或重建,工藝開發以及提供包括可提高切屑去除率的刀具和冷卻系統在內的完整生產線。為了優化切屑去除率和零件質量,要求投入加工過程的所有要素保持平衡。

            在切削鈦合金和其它難加工合金時,高剛性機床、HSK100或125的大尺寸主軸接口、高壓冷卻液沖刷,以及采用臥式結構(就像MAG公司最近推出的H4000五軸臥式仿形加工機床一樣)可以提供工藝改進。較大的主軸電機和傳動軸在切削難加工合金時也是一種優勢。具有低熱導性和高彈性的鈦合金很難切削,加工時很容易產生顫振,而顫振是相當糟糕的事情,因為它會影響工件質量、刀具壽命和機床壽命。

            森精機美國公司負責制造工藝的副總裁兼首席技術官Greg Hyatt指出,“加工硬度較高的鎳基合金的另一種方式是采用緩進給磨削。在我們的機床上,正越來越多地采用磨削方式加工鎳基合金,因為隨著這些材料的可切削性下降到個位數范圍,磨削已成為非??尚械奶媧庸し椒?。在某些情況下,通過磨削加工,我們確實獲得了比銑削和車削更高的金屬去除率。”

    Hyatt指出,通過應用特別為鎳基合金加工開發的專用工藝,制造商能以比傳統磨削工藝高得多的去除率切除金屬。他說,“這種工藝就是緩進給磨削,我們使用了較大的砂輪,每次磨削采用1-2mm的磨削深度。這不是在精密磨床上進行的輕載往復磨削,而是一種重載加工,需要利用機床的全部功率。”

    Hyatt補充說,新的β相鈦合金(如5553)具有很強的磨蝕性,會導致刀具壽命大大縮短。“加工時需要比較高的扭矩,而在大多數情況下,需要增大扭矩以?;さ毒?,即使采用大家認可的刀具(如山特維克公司目前提供的刀具),再加上推薦的切削速度(通常甚至低于加工6804B和其它更典型合金的推薦切削速度)。這些速度對于切削鈦合金已經夠低了——現在還要更低,因此唯一可行的辦法就是高扭矩、低切速。這對機床和刀具都具有挑戰性。

    山高刀具公司車削產品和教育服務經理Don Graham指出,先進的刀具設計為航空制造商提供了加工鎳基高溫合金時解決磨蝕性難題的方法。“加工鋼件時,彎折的切屑快速通過刀片頂部,從而使切屑變得紅熱。而紅熱狀態的鋼相對來說比較軟,因此它不會對刀片頂部施加太大的壓力。危險在于切削刀片發生融熔。我們可以利用涂層來?;さ鍍?,從而使它不會與鋼發生熔融。”

    Graham解釋說,“切削高溫合金時,切屑同樣被彎折和變得紅熱,但卻不會軟化。這就是它用于噴氣發動機性能極佳的原因——在極高的溫度下仍能保持大部分機械強度。因此,在加工高溫合金時,刀具要承受很大壓力,容易發生變形。”

    除了要求刀具耐熱性好以外,制造商還必須與刀具的過早磨損作斗爭。“這些高溫合金具有磨蝕性(特別是經過熱處理后),因此它們會使切削刃磨損。高溫合金韌性很好,因此切削時斷屑困難?;謊災?,切屑控制具有難度。與高溫合金的韌性有關的另一個問題是積屑瘤。當積屑瘤最終脫落時,就會造成刀具切削刃崩刃。”

    Graham指出,山高刀具公司通過刀具幾何設計、刀具材料研究、適當選擇切削速度和進給量,來解決這些合金的切削難題。“在一般情況下,我們采用正前角幾何設計,以減小切削力,使積屑瘤最小化。我們優先采用微米晶粒硬質合金,因為與傳統硬質合金相比,它能抵抗高溫合金施加在刀具切削刃上的壓力。微米晶粒硬質合金還具有極好的耐磨性。我們做的另一件與刀具材料有關的事,就是采用PVD多層涂層。這種涂層能防止產生積屑瘤,并能提高耐磨性。

    山高公司開發的Jetstream Tooling刀柄系統可將高壓冷卻液導向切削刃,從而改善切屑控制。為航空制造業用戶加工Ti-64鈦合金而開發的這款工具系統有助于減小鈦合金切屑的長度(從大約1米減小到6.4mm長)。

    Graham回憶說,“Ti-64的長切屑很危險,很難處置且費用昂貴。問題是,鈦合金并不是優良的熱導體,這就意味著,你可以冷卻切屑的頂面,但其底部仍然很熱,因此切屑仍然強韌而不易折斷。Jetstream Tooling是夾持車削刀片的刀柄系統,可以把冷卻液輸送到切屑底部,幫助形成一個液體楔,將切屑抬起,使其迅速冷卻、彎曲和折斷,并將其吹走。”

    MAG公司的Cooper指出,另外的改進還包括增加排屑槽密度和采用微米晶粒硬質合金,可以幫助車間在切削鈦合金類材料時減小刀具磨損,“通常,精加工刀具幾乎都是整體硬質合金刀具。我們有一種稱為Max-Flute的產品,就是在一把刀具(如直徑19mm的整體硬質合金立銑刀)上開16條排屑槽,而早先的刀具上只有4條排屑槽。借助這些高密度的排屑槽,可以在精加工中將進給率提高4倍,在縮短加工周期的同時,提供更高質量和更精密的零件。”

    Cooper補充說,“為了獲得更高的強度和更長的刀具壽命,我們減小了晶粒結構,將超細亞微米晶粒硬質合金(晶粒尺寸0.4-0.6µm)用于刀具切削刃。這種硬質合金更強韌,因為材料晶粒更小,因此具有更大的粘結表面積。采用這種晶粒更細的硬質合金,還能得到更鋒利的切削刃。”

    在高剛性機床上切削鈦合金時,選用合適的刀具至關重要。哈斯自動化公司的應用經理Wayne Reilly說,“為了加工成功,就需要鋒利、剛性好,并且能夠良好排屑的刀具。特別是在切削鈦合金時,鋒利的刀具可能是獲得成功的關鍵。一旦刀具變鈍,情況將很快惡化。”

    Methods機床公司的Jochen Reichert補充說,“關鍵是要有高剛性的機床和主軸,以及具有正確幾何形狀的高端刀具。在過去幾年里,在加工像鈦合金和Inconel合金這種難加工材料時,我們已經明確看到了在加工時間、切削速度和切削長度等方面的提高。”

    據Dynomax公司CEO、材料學與冶金學博士Rich Zic介紹,Dynomax公司作為一個合同制造商和主軸生產商,加工各種復合材料、鋁合金、鈦合金和Inconel合金的航空零件。“我們主要為航空工業加工鈦合金、Inconel合金、不銹鋼和類似的材料,但我們主要關注鈦合金的切削加工,因為與人們通常加工的其它材料的標準加工方法相比,鈦合金的加工有點不同。我們需要大量加工在航空工業廣泛應用的α相和β相鈦合金。”

    Zic說,“鈦合金加工需要有高剛性的機床設備,因為如果所用的機床剛性不足,不僅難以獲得良好的加工表面光潔度,而且刀具壽命也會大大縮短。此外,加工時必須將切削表面速度控制在一定范圍內。我們需要采用適當的進給率,我們需要切削工件而不是摩擦工件。如果機床在任何一個給定點處停下,它將把熱應力傳入工件材料中。”

    Dynomax公司主要加工鈦合金結構件,包括用于安裝發動機的支撐件。Zic指出,“特別是對于噴氣發動機來說,制造商希望減輕重量、提高強度,而鈦合金的強度水平與大部分其它鋼合金相同,但重量卻要輕一半。飛行器總是希望減輕重量,因為每一盎司重量都意味著燃油的消耗。”

    在硬合金航空零件上加工螺紋孔一直是對制造商的挑戰。Emuge公司螺紋銑削產品經理Mark Hatch介紹說,“在包括15-5 ph不銹鋼、17-4 ph、6Al-4V鈦合金和Inconel 718等航空材料上加工內螺紋一直是難題,我們已在這一領域進行了大量技術開發。”

    許多飛機零件難以加工的原因在于材料的化學成分和經過的特殊熱處理。Hatch指出,“通常,我們必須加工經過預淬硬的不銹鋼和Inconel合金,因此,通常工件的硬度在HRC38-48范圍內。加工此類航空材料的主要問題之一不僅是高硬度,還有化學成分,它可能使材料產生一種壓縮特性。你會發現,絲錐生產商必須專門設計帶有大后角的幾何形狀,以糾正這種壓縮行為。在航空零件的加工中,絲錐的破損已經成為一個老大難問題,而航空制造業正盡可能轉向采用螺紋銑削方式來加工這些難加工材料。”

    Hatch表示,對用戶來說,用螺紋銑刀加工可以節省加工時間,“我們的螺紋銑刀設計采用了加長到2倍切深的銑削部分,這是我們公司刀具的獨特之處。在航空零件加工中,制造商對J型系列內螺紋有著非??量痰囊?。他們將其稱為“安全保障螺紋”,其螺紋中徑尺寸必須達到3-B級公差,這就意味著,他們在加工普通螺紋時有非常高的質量標準。我們的螺紋銑刀本身能夠很好地控制這些公差。”

    在復合材料加工中,最大的工藝問題往往涉及到由不同材料(包括復合材料和鈦合金層)組成的多層復合材料的分層剝離。OSG美國公司負責制造工藝的副總裁Drew Strauchen說,“我們的關注重點在航空制造業。我們為波音公司和國防承包商提供幫助,他們使用我們的刀具銑削和鉆削加工商用和軍用飛機零件。我們主要關注兩種不同的刀具:對復合材料進行修形的鏤銑刀和制孔用的鉆頭。”

    Strauchen指出,“孔加工是最困難但也最普遍的加工類型。他們每使用一把銑刀,可能就要使用100支鉆頭。飛機上有大量的緊固件,與需要銑削的零件相比,需要鉆削的孔要多得多。我們面對的挑戰是材料的分層剝離和孔的尺寸——能夠用一支鉆頭(而不是兩支或三支鉆頭)加工一個直徑1/4英寸的孔。我們的專長是為碳纖維增強復合材料的加工設計雙角和三角鉆頭,以實現一鉆成孔,避免分層剝離并保持孔徑尺寸的一致性。

    Strauchen說,由于采用了獲得專利的金剛石涂層,OSG公司的雙角和三角整體硬質合金鉆頭獲得了更長的刀具壽命,這些只作為專用刀具提供的鉆頭,其特色就是CVD金剛石涂層。

    Strauchen說,“碳纖維增強復合材料中纖維的排列方向決定了鉆頭設計所需的角度。分層剝離發生的原因通常是,鉆頭能順利切斷沿一個方向排列的碳纖維增強復合材料層,但當它鉆入沿另一個方向排列的材料層時,會趨向于推擠該材料層而不是切斷它們。這樣就產生了推動層壓材料分層的附加壓力。這就是我們的鉆頭具有多個角度的原因,這些角度可以對付碳纖維增強復合材料中不同方向的纖維層。”

刀具供應商美國Kennametal公司也可提供新設計的碳纖維增強復合材料加工刀具。該公司對CFRP加工刀具進行了廣泛研究,并與合作伙伴——軌道鉆開發商瑞典Novator公司一起提供了可供選擇的工藝。Kennametal公司設計的SPF鉆頭可以控制鉆頭鉆入和鉆出時材料的分層剝離。

              

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