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最具挑战性的钛合金材料凹槽铣削

2016-08-26    
  摘要:航空工业的钛合金材料需求正在日益增长,专家预测今后5年将平均增加20%。这将改变制造厂的格局,因为处理钛合金材料往往需要较长的机床运行时间。瓦尔特向其航空工业客户提供全新的刀具和全面的零件知识方面的支持,其目的是以高效经济、省时省力的方式加工钛合金零件。
  有较高的加工含量,过程中需要进行大量的切屑加工,大大超过了成品件的切屑。这主要是由于整体式锻件有大量的凹窝,各种深浅凹窝、5轴凹窝、矩形凹窝的壁或底面往往很薄,因此很难铣削,对这些构件的加工技术提出严格要求。可转位刀片和整体硬质合金铣刀能做到综合权衡。其关注的焦点是加工的可靠性,因为这些构件非常昂贵。同时,市场的成本压力催生了高加工性能和生产效率需求。
  通常在加工钛合金材料时,材料的导热系数低、易于出现振动,因此需要非常刚性的机床方案及优化的切削刃准备工作。德国图宾根瓦尔特航空工业零件经理Dirk Masur与其同事一道,齐心协力,攻克了钛合金加工的一个个难关。他说:“我们的重点是成套的解决方案,即根据最佳惯例,在应用时综合考虑各方面的因素,例如刀具设计、CAM程序和加工策略。”因此,我们研发出了适合粗加工、半精加工或精加工的先进刀具方案。
  Masur表示,凭借我们几十年积累的零件知识,瓦尔特研发出了高效可靠的战略:“作为全球网络的一部分,我认为这些策略极为重要。我们的专长是以客户为中心,与各大院校和机床制造厂建立全面的合作伙伴关系。我们齐心协力,通力合作,持续开发了关键零件的加工工序。这就是我们能始终使用最新技术的秘籍所在。”
  最后,图宾根的加工专家可为顾客提供加工效率最高的定制工艺过程。其关键是工艺过程与机床类型和加工能力完美匹配,例如,可用较低性能的机床,达到最大的输出产量。Masur强调:“在移交前模拟和验证加工工序,让用户对加工的高效性、经济性或加工可靠性做到心中有数。” 
  铝合金的典型试验
  因为航空工业几乎没有真正的试验零件直接可用,也没有大型构件,所以瓦尔特的专家们通常都是用普通零件证明其每代刀具产品的性能。这种元件采用市面上有售的Ti6Al4V(3.7164)材料制成。瓦尔特的专家们设计出了具有多种典型凹窝形状的零件,这些凹窝形状与实际零件上的凹窝形状相同或类似。这就是说,加工结果可相互转移。
  其计划方案是一种四合一的刀具:M3255切线玉米铣刀(见图2)、M4002大进给量面铣刀(粗加工工序,见图3)、Ti40整体硬质合金端铣刀(见图4)和配有Ti50可换头的模块化的ConeFit铣刀(半精加工工序和精加工工序,见图5)。这是在现实生活中可能真正需要的组合,例如在加工起落架安装支架时就会用到。我们专门为钛合金加工设计了两种整体硬质合金刀具的涂层及宏观槽形和微槽形。M3255和M4002铣刀采用了由瓦尔特全新WSM45X切削刀具材料制成的可转位刀片。ISO S和ISO M应用最适合的涂层是CVD涂层,这种涂层非常结实。

图1  起落架安装支架

图2  M3255玉米铣刀
图3  M4002万能面铣刀
图4  Walter PrototypTi40整体硬质合金铣刀
(a)                                (b)       
图5  ConeFit接口Ti50和接柄
  下文举例说明了加工通用零件凹窝时的加工速率和刀具寿命:

  差异化铣削高动态切削
  智能加工策略的一个很好范例是“高动态切削”(HDC)。这既改善了高效性和经济性,又改善了加工可靠性。采用高动态切削后,加工条件保持不变,因此刀具切削刃上的受力和工艺过程温度也保持不变。相应的功能由先进的CAM软件提供。其优势:性能更佳,加工可靠性更高;恒定的吃刀状况产生的振动小,刀具磨损率较低,使用寿命长。因此,切削长度更长,加工量更大。同时,主轴能耗低。Walter Prototyp Ti40整体硬质合金铣刀最适合这种策略。
  案例4:Ti40Prototyp/D=20mm,z=5/钛合金材料整体硬质合金端铣刀。高动态切削,矩形凹窝:200mm×92mm×48mm:vc=115m/min,fz=0.134mm,ap=47.5mm,ae=2mm。
  结果:加工量139 cm³/min(t/凹窝:9min)。
  钛合金材料轻质和高强度特性
  钛合金材料被分类成很难加工的材料(ISO S)。这些材料的导热性低,刀具切削刃口承受的热负荷很高。加工期间,低弹性模量也容易出现振动。
  Ti6Al4V是航空工业最常用的钛合金材料,其导热系数:7.56 W/mK(钢材Ck45:51.9W/mK),弹性模量=110kN/mm2(钢材Ck45:210kN/mm2),密度=4.4g/cm3(钢材=7.85g/cm3),抗拉强度Rm=900 N/mm2。
  瓦尔特的航空工业专家使用由Ti6Al4V制作而成的通用零件,示范了典型的构件工艺(见图6)。但目前越来越多的起落架也使用Ti-5-5-5-3和Ti-10-2-3材料。两种材料的热稳定性比Ti6Al4V高,加工时切削速度低。

(a)        
                        
(b)
图6  钛合金材质零件示范
  合金材料的发展趋势与应对
  铝材是现代航空器不可或缺的材料。尽管复合材料用量越来越多,但是这种材料仍然起着重要作用。其中部分原因是正在研发性能优良的锌合金材料。目前的趋势是朝铝锂锻造合金发展。
  Al-Li合金比其他铝合金轻,弹性模量较高,特性最适合飞机制造工业。用这些轻质材料制成的工件通常与钛合金工件类似。这两种材料都有大量凹窝,因此产生大量的切屑。主要的差别是,铝合金加工采用HSC(高速切削)工艺,不再被认为“难以切削”或“切削参数低”的材料。相反,当铣削速度在3 000m/min以上时,Vc值不常用。另一方面,切削速度太低容易形成积屑瘤,从而降低刀具使用寿命。同理,在加工钛合金时,使用铝合金还要求大量的技术专长和零件知识,以便开发出高效经济、安全可靠的工艺。其重点是根据应用提出完整的解决方案,与铝合金优化的刀具和机床方案一样。
  因此,瓦尔特最近引进了一种全新铣刀,这是一种崭新的专业铝合金,可以根据飞机制造工业的要求精确定制。M2131斜向进刀铣刀(见图7),采用90°可转位刀片,其专长是斜向进刀和凹窝铣削。瓦尔特制造铣削本体同心度最高,使用的可转位刀片有防离心力保护。铣刀也经过预平衡调整。通过HSC机加工,可得出保证高加工可靠性的测量值。

图7  M2131斜向进刀铣刀
  但是,新刀具的亮点是WNN15材质可转位刀片,这是一种全新的PVD刀具,使用“HiPIMS方法”制造。“HiPIMS”表示“高功率脉冲磁控溅射”。这种物理涂层工艺的独特特点是形成一层弹性极高的平滑PVD涂层。这种新刀具的好处是摩擦力非常低,形成的积屑瘤也很少。它还可耐受后刀面磨损,具有极高的切削刃稳定性。图宾根瓦尔特铣削产品经理Wolfgang Vötsch说:“现场试验确认了新可转位刀片相较于标准型的技术优势,我们的应用工程师已经轻松实现了刀具使用寿命延长至200%。有一种情况,我们甚至可延长几乎400%!”
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