切割钛和 HRSA 金属：可加工性、冷却剂等

耐热超合金和钛等金属可能非常困难，但通过正确的加工方法和指导，刀具夹持和刀片选择，机器操作员可以克服问题领域。

从人体中的可植入关节到石油工业中海洋设施的大型部件，再到航空航天中的发动机涡轮，耐热超合金和其他合金在主要制造领域经常使用。但它们可能很难加工。

如果目标是在最短的时间内以最高质量制造零件，那么了解要使用的工具类型至关重要。没有人想烧坏工具或导致生产延误，因为超致密的硬金属会加速机器运转，但切割速度非常慢或不准确。了解机器的能力也很重要——了解最适合坚硬材料的工具也很重要。

“HRSA 的主要应用是用于飞机和发电的热区涡轮机部件——叶片、叶盘、支架、阀门和歧管等部件，其中大部分都是复杂的轮廓，”先进制造的 Ed Sinkora 在文章中写道“高温合金切削的热门技术。”

“这意味着使用 5 轴铣削在一次装夹中实现所需的形状和公差。而对于较小的零件，则需要整体硬质合金圆形刀具，这需要特别坚硬的刀柄，”Sinkora 解释道。

许多行业都面临制造压力。获得优质零件所需的时间确实很重要，尤其是在竞争非常激烈的市场中。

“主要关注的是工艺可靠性，因为这些结构部件非常昂贵，”Walter Tools 在一篇关于航空航天中的口袋铣削钛的文章中指出。 “同时，来自市场的成本压力要求高加工性能和生产率。”

为了达到“工艺可靠性”的舒适水平，需要大量使用正确的机器、工件夹具、刀具、刀具路径和冷却剂的专业知识——所有这些——寻找加工和刀具专业人士。我们探索钛、高温合金和合金的顶级工具和加工指南。

了解金属的可加工性等级

如果切割钛、不锈钢或 HRSA，很可能正在制造的许多零件中都含有镍或铬——有时还有钴。常见的镍合金包括Inconel、Waspaloy、Hastelloy，不锈钢包括304、316和17-4等。

“[镍] 坚韧、耐腐蚀，并具有出色的强度和冲击性能，”制造顾问 Kip Hanson 在文章“镍基高温合金的 5 种金属切削技巧”中指出。

“考虑到锋利的刀具和正确的切削参数，纯镍的车削或铣削难度并不大，尽管 Ni-Span-C 902 和 Monel K-500 等镍合金的机械加工性能等级为 15% 或更低，”Hanson 解释说.

可加工性是重点。幸运的是，当今的许多机器和切削工具都可以处理大多数材料，但挑战在于了解正确的工具和技术来创建可重复且及时的加工过程。为此，有助于了解材料的评级方式，因此使用可加工性评级表会有所帮助。

但没有什么可以取代现实世界的经验和知识：与当今从事机械加工的人讨论可加工性问题。加入金属加工论坛[需要注册]。

在许多情况下，使用工具供应商提供的技术指南也会有所帮助，例如山特维克可乐满提供的技术指南：

《应用指南：耐热高温合金》

在本指南中，山特维克可乐满对 HRSA 有这样的评价：“由于合金的化学性质和制造过程中所接受的精确冶金加工，每个 [合金组] 的物理特性和加工行为差异很大。金属是否退火或时效对后续加工性能的影响尤其大。”

这是一个视频示例，使用专为它设计的升级工具切割困难的 Monel K-500。

这是切割 Inconel 718 的不同示例。

想了解更多关于您使用的材料的构成吗？阅读“ 刀具选择指南：黑色金属与有色金属 。”

注意热量，使用金属加工冷却剂​​

CNC 机床在材料表面以所需的速度和进给量产生热量，以使用适当的切屑进行准确、可靠的切割，这一点很难低估。这对刀片和工具来说可能是一个真正的挑战。

“导热性差和高硬度会在加工过程中产生高温，”山特维克可乐满在文章“为 HRSA 材料选择合适的车削刀片”中指出。 “高强度、加工硬化和粘附硬化特性会在最大切削深度处产生缺口磨损，并为切削刃提供极其磨蚀的环境。”

机械师应该如何防止这种情况发生？在许多应用中，使用硬质合金切削刀片可保持刃口坚韧并附着在基体上并有助于避免变形。

“一般来说，使用主偏角大的刀片（圆形刀片）并选择正刀片槽型。在车削和铣削中，可以使用陶瓷材质，具体取决于应用，”山特维克可乐满解释道。

并且不要忘记涂层和冷却剂的作用，肯纳金属公司的产品管理总监 Scott Etling 在文章“难加工金属上的热量”中建议道。

“您必须拥有正确的 PVD ​​涂层、坚韧的基材、正确的几何形状、正确的边缘准备和高剪切几何形状，”Etling 说。 “热量不会像在钢中那样进入芯片。热量必须传到某个地方，因此对于大多数钛应用来说，您必须使用大量的冷却剂。”

有关冷却液和 HRSA 的更多信息，请阅读山特维克可乐满的应用指南。模具制造商建议如下：

“除陶瓷铣削外，所有操作都应使用冷却剂。音量应高且方向正确。高压冷却液 HPC（高达 1160 psi）在刀具寿命和一致性方面显示出积极的结果。”

保持工件刚性

“加工 HRSA 需要非常稳定的机床、刚性的工件夹具以及主轴和刀架之间非常坚硬的接口，”Sinkora 指出。

除了材料和切割工具之外，还有更多需要了解的信息。还有一些必要的元素可以帮助将工件保持在适当的位置并保持平衡的强度，以承受当今机器和创新切削工具可以处理的非常高的转速和吞吐量。

“钛和其他耐热高温合金的加工不仅会在径向产生高切削力，还会在轴向产生高切削力，这会导致刀具拔出，”Hanson 在文章“高性能加工的教训：不要忘记工具架。” “更重要的是使用正确类型的刀柄来防止刀具故障和零件报废。它可能不多——可能一次只有千分之几英寸，但很有可能它足以废弃一些非常昂贵的零件。”

如果使用侧锁支架，可能是时候引入一些新的和改进的东西了。许多供应商许可 Haimer 的专利 Safe-Lock 技术。但这不仅仅是通过减少拔出来延长刀具寿命。这也是为了减少颤振和谐波——而不是损坏机器的主轴——因此 HRSA 零件制造中的液压卡盘值得评估，确保 CNC 具有 HSK、Capto、KM4X 或其他技术。

“当您以超过 12,000 rpms 的速度运行机床时，建议始终平衡整个系统（即刀架与切削刀具），”肯纳金属公司高级全球产品经理 Ronald West 在刀架方面说文章。 “它只是增加了刀具寿命并减少了主轴磨损……由于其设计和所需的硬件，使用筒夹夹头或立铣刀适配器保持平衡有点困难，但通常液压夹头和热缩配合适配器更容易进行精细平衡高速应用。”

对于粗糙的 HRSA，尝试陶瓷工具；保持刀具路径较长

“陶瓷切削材料在 FSM 和 ISM 的粗加工操作中提供了出色的生产率。与硬质合金相比，它们的应用差异很大……”山特维克可乐满在其使用 HRSA 的应用指南中指出。原因是陶瓷允许高切削速度，有助于产生“高度塑化和剪切的切屑”。

据专家介绍，HRSA 粗加工的关键在于速度和进给量，这样您才能达到正确的温度。建议速度超过每分钟 3,000 表面英尺。

“第一步是设置合适的速度来提高切割区的温度，以使材料产生一定程度的塑化，从而更容易加工，”Greenleaf Corp. 全球经理 Jan Andersson 说。“否则，您与不可预测的刀具寿命作斗争。确定合适的速度后，您可以使用进料速率来管理热排空。进给率越高，切屑中的质量越大。切屑中的质量越多，从切削区带走的热量就越多。这可以控制化学磨损成分。”

另一个关键点：刀具路径需要尽可能长时间地留在切削中，以使您的刀具尽可能长时间地保持活力和有用。这意味着在您的 CAM 中使用适当的编程来强制每个刀具路径中的半径。

“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，”Methods Machine Tools 的产品经理 Dale Mickelson 在一篇先进制造文章中说。 “因为每次进入和退出切削时，都会失去刀具寿命。因此，我们创建了螺旋式向下移动到零件的装袋程序。如果你有一个平面，你可以螺旋切割到那个平面，然后完成这个平面。”

这是一个陶瓷铣削涡轮叶片的视频示例。

需要其他经验丰富的机械师和金属加工专家的建议？加入金属加工论坛上的对话[需要注册]。