采用伊斯卡刀具为钛合金铣削加工带来竞争优势
2022-3-25 来源：伊斯卡技术经理 作者： Andrei Petrilin
前言
钛金属材料具有出色的比强度和高耐腐蚀性能，这些优点使得钛合金成为了重要的工程材料，在许多要求高的领域得到了越来越多的应用。使用钛材料制造的关键结构件，在确保所需的性能和可靠性的同时能显著减小结构件的质量，这点在航空航天工业表现尤为突出，因为这些优点正好可以提高航空器的整体性能以及燃油经济性。
钛的加工性
钛材料属于难加工材料，因此在生产过程中需要权衡许多加工过程中可能会遇到的问题。在金属加工行业中，“钛”材料通常不仅指纯钛材料，还包括钛合金材料。根据冶金特性，依据所含元素不同可以将钛分为：商业纯钛（非合金）、α-钛合金、β-钛合金、α-β-钛合金，以及其它钛合金材料。人们有时认为钛的切削性能与奥氏体不锈钢相似；不过这种说法仅适用于纯钛材料，并不适用于α-β-钛合金材料，尤其是β-钛合金材料。
可加工性评定在很大程度上取决于钛的类型及其热处理方法。广泛应用的退火钛TiAl6V4的加工性能比退火不锈钢AISI 304的加工性能低35-40%左右。但是，如果我们将退火钛TiAl6V4的加工性视为100％，那么让众多加工车间感到头痛的Ti5553（人们也称之为”TRIPLE 5”）的加工困难程度是退火钛TiAl6V4的两倍。
随着机床制造商们持续的技术创新和研发，钛材料的加工越来越高效。现代化机床使得操作人员能采用更先进的加工策略和小余量、短接触加工方法。但是，钛加工中的低切削速度严重抑制了机床高效率加工的潜能，同时也导致切削刀具成为整个技术生产系统中最薄弱的环节。简而言之，切削刀具成为钛材料加工中的生产效率分水岭，因此，其也成为寻求彻底改善这一状况的主要优化对象。
由于钛的导热系数很低，切削时面对的主要问题就是产生的切削热。导热性差导致相当大的热载荷直接传递到刀具的切削刃。此外，由于钛的弹性模量小容易引发在切削过程中产生振动，从而影响加工表面的光洁度和精度，而类似问题在钢材加工中很少出现。
一直以来，刀具生产商们都对研发用于钛材料高效加工的先进刀具加以重视。钛材料的加工通常有着较高的买飞比buy-to-fly比率（原始材料质量与加工后材料质量的比值），表明零件在加工过程中有大量的材料需要被去除。通常情况下，加工完成后钛材料的重量仅为原始重量的10％甚至更小。并且零件内部通常带有型腔、凹槽和加强筋，这些特征也决定了需要使用铣削作为主要的制造方法。因此，每款新型钛合金加工铣刀的诞生都会引起全球技术界的浓厚兴趣。伊斯卡公司一直以来被视作是该领域创新引领者，所以伊斯卡的最新产品始终能吸引全球钛加工制造商的关注。
伊斯卡新铣刀用于钛合金的高效铣削
刀具材料对刀具的成功起着至关重要的作用，特别是对可转位铣刀铣削难切削的航空航天材料而言，而这些材料中钛材料首当其冲。在这一充满挑战的领域，伊斯卡公司开发了一种全新硬质合金牌号IC840。“新”指向所有与牌号相关的元素：IC840的特点是具有最新的硬质合金基体和技术创新的高韧性PVD涂层。刀具的基体具有有较强的耐热冲击性能；古铜色的“巧克力”涂层具有高抗氧化性和抗崩刃性；而先进的后涂层处理进一步提高了整体韧性。这些优势组合使得IC840为用户提供了提升钛合金切削效率的可能。伊斯卡公司坚信，这种新型的“巧克力涂层”刀具完全能提升钛零件制造商们的体验，提高可转位刀具的性能。
如前所述，钛材料加工中通常需去除相当多的余量。在这个领域真正的加工“主力”是可转位玉米铣刀，能实现深槽腔、型腔和宽肋宽边的粗加工。针对这些特征，伊斯卡公司研制了HELITANG H490系列立装夹持刀片式玉米铣刀；以及带有锯齿状刀片，可实现有效分屑效果的MILLSHRED P290系列玉米铣刀。此外，公司还研发了专为半精加工而设计的HELITANG FIN系列铣刀。
伊斯卡公司最近还推出了一组新型套式玉米铣刀，即已被验证的易于推广普及的XQUAD系列玉米铣刀。该系列玉米铣刀夹持单面方形刀片，为径向夹紧。伊斯卡公司以致力于创造新型有利于切削的几何形状刀片而闻名于世，然而这次为什么会推出“传统”的看上去简单的方形刀片呢？事实上看似简单的新型玉米铣刀具有精心设计的结构，可以显著提高加工过程中的动态刚性和抗振动强度；此外，刀片的径向夹紧使得排屑槽容屑体积可设计得更大，满足在高金属去除率（MRR）下铣削时的切屑流自如排出的要求；再有，铣刀内部具有专为高压冷却（HPC）而设计的通道。以上种种精心设计，使得看上去“简单”的方形刀片也具有与先进几何形状刀具相同的性能特性，可以实现钛材料的高效加工。（图1）
图1 XQUAD玉米铣刀
因此，在钛材料加工中如果将HELITANG H490和MILLSHRED P290用于生产的粗加工，那么就得采用HELITANG FIN用于半精加工。从应用的视角来看，仅需采用新型XQUAD套式玉米铣刀就可以直接实现被加工表面质量接近半成品的加工，进而能提高加工效率。
伊斯卡公司最近推出了Ti-TURBO系列整体硬质合金立铣刀，直径范围为6至20 mm。新系列专门为精加工和槽的高速加工（HSM）而设计，采用摆线铣技术加工。摆线铣削具有宽度小、切削深度大、刀具轨迹沿摆线曲线运动的特点。在这种情况下，铣刀会以很高的速度对金属进行“切片”式加工。因切入角很小，使得加工过程产生的切屑非常薄。大大降低了作用于铣刀上的热载荷。Ti-TURBO型立铣刀采用独特的专利设计，拥有7个或9个不等螺旋角不等间距的齿（类似于防振降噪CHATTERFREE整体硬质合金立铣刀）。（图2）
图2 TI-TURBO立铣刀
伊斯卡公司的变形金刚MULTI-MASTER铣刀具有通用性广泛的特点，刀杆或刀体夹持可更换的硬质合金刀头，最近由于引入了6齿带中心内冷孔的快进给铣削刀头得到了进一步拓展。刀头采用超细晶粒碳化钨基体及先进的AL-TEC涂层技术，具有优异的耐磨性和韧性。该刀头可用于实现大进给铣削(HFM)，能大大缩短钛合金的粗加工时间周期。（图3）
图3 变形金刚立铣刀
结语
钛零件制造商们不断对刀具生产商提出新的要求。为了应对这些挑战，刀具生产商不得不定期跳出思维定式。伊斯卡公司多产的研发团队持续与众多世界领先的钛零件制造商合作，以确保公司在这一具有挑战性的领域保持领先地位。
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