钛合金与耐热超合金高级加工：优化可加工性、冷却液与刀具
耐热超合金和钛合金等金属加工难度大，但通过正确的加工方法指导、刀具选择和刀片选型，机床操作员可攻克难点。
从人体植入关节到石油工业海洋设施大型零件、航空航天发动机涡轮，耐热超合金及其他合金广泛应用于主要制造板块。但它们难以加工。
若目标是以最短时间生产最高质量零件，则了解使用何种刀具至关重要。没人愿因超高密度、高硬度金属导致机床高转速却切削缓慢或不准而烧毁刀具、延误生产。了解机床能力同样关键——亦如知晓哪些刀具最适合难加工材料。
“HRSAs主要应用于飞机和发电的热端涡轮部件——叶片、叶盘、支架、阀门、歧管等，多为复杂轮廓件，”Ed Sinkora在《高温合金热切削技术》一文中写道。
“这意味着用五轴铣削一次装夹实现所需形位公差。小零件需整体硬质合金圆刀，要求极高刚性刀柄，”Sinkora解释。
许多行业面临制造压力。实现高质量零件所需时间至关重要，尤其在竞争激烈市场。
“核心聚焦工艺可靠性，因这些结构件极其昂贵，”Walter Tools在航空航天钛合金型腔铣削文章中指出。“同时市场成本压力要求高加工效率和生产率。”
要达到“工艺可靠性”舒适区，需综合运用正确机床、工装、刀具、刀具路径和冷却液——加工与刀具专业人士如是说。我们探讨钛合金、HRSAs及合金的顶级刀具与加工指导。
了解金属可加工性评级
切削钛合金、不锈钢或HRSAs时，许多零件含镍、铬、有时含钴。常见镍基合金包括Inconel、Waspaloy、Hastelloy、304/316/17-4不锈钢等。
“镍基合金坚韧、耐腐蚀，强度和冲击性能优异，”制造顾问Kip Hanson在《镍基高温合金切削5大贴士》中指出。
“给定锋利刀具和正确切削参数，纯镍车铣不算太难，但Ni-Span-C 902和Monel K-500等镍合金可加工性评级仅15%或更低，”Hanson解释。
可加工性是核心。庆幸的是，现代机床和切削刀具多能应对大多数材料——挑战在于知晓创建可重复、及时加工工艺的正确刀具和技术。为此，理解材料评级有帮助，可加工性评级表可作参考。
但实战经验和知识无可替代：与正在做这事的人交流可加工性问题。加入金属加工论坛[需注册]。
许多情况下，刀具供应商提供的技术指南也有帮助，如Sandvik Coromant的：
“应用指南：耐热超合金”
指南中关于HRSAs：“各合金组的物理特性和加工行为差异巨大，源于化学成分差异及制造过程中的精确冶金处理。金属是退火还是时效，对后续加工性能影响特别大。”
想深入了解所用材料成分？阅读“切削刀具选择指南：铁基与非铁基金属”。
控制热量，使用金属加工冷却液
CNC机床在实现精准可靠切削、形成合理切屑所需转速进给下，工件表面产生的热量不容小觑。这对刀片和刀具是真正挑战。
“导热性差和高硬度导致加工中产生高温，”Sandvik Coromant在《选择适合HRSA材料的车削刀片》中指出。“高强度、加工硬化和粘着硬化特性在最大切深处产生缺口磨损，为切削刃创造极具磨蚀性的环境。”
机加工师如何防护？许多应用建议用硬质合金基刀片保持刃口韧性、结合基体、避免变形。
“总体上，使用大进入角（圆形刀片）和正向刀片几何。车削和铣削中视应用可用陶瓷牌号，”Sandvik Coromant解释。
别忽略涂层和冷却液作用，Kennametal产品管理总监Scott Etling在《难加工金属热力全开》中建议。
“必须有正确的PVD涂层、韧性基体、正确几何、正确刃口处理、高剪切几何，”Etling说。“热量不像钢那样进入切屑。热量必须去处，所以大多数钛合金应用需要大量冷却液。”
关于冷却液和HRSAs更多内容，阅读Sandvik Coromant应用指南。刀具制造商建议：
“除陶瓷铣削外所有工序均应喷射冷却液。流量大且定向良好。高压冷却液HPC（高达1160 psi）在刀具寿命和一致性方面显示积极效果。”
保持工件刚性
“加工HRSAs需要极稳定的机床、刚性工装和主轴与刀柄间极刚性的接口，”Sinkora指出。
除了材料和切削刀具，还有保持工件就位、承受当今机床和创新切削刀具高转速吞吐的必要要素。
“钛合金和其他耐热超合金加工产生高切削力，不仅径向，也有轴向，可能导致刀具拉出，”Hanson在《高性能加工教训：别忘刀柄》中称。“使用正确类型刀柄防止刀具失效和工件报废更为重要。可能仅几千分之一英寸，但足以报废极昂贵零件。”
若用侧固刀柄，该升级了。许多厂商授权Haimer专利Safe-Lock技术。不只是减少拉出延长刀具寿命，还在于减少颤振和谐波——不损伤机床主轴——故HRSA零件制造中液压夹头值得评估，也要确保CNC具备HSK、Capto、KM4X等技术。
“运行如此高速机床，通常超12,000 rpm，建议始终平衡完整系统（刀柄含切削刀具），”Kennametal全球高级产品经理Ronald West在刀柄文章中称。“仅能增加刀具寿命、减少主轴磨损……因设计和所需五金，弹性筒夹和侧固刀柄较难保持平衡，但液压夹头和热缩刀柄更易微调平衡用于高速应用。”
粗加工HRSAs尝试陶瓷刀具；保持刀具路径长
“陶瓷切削材料在FSM和ISM粗加工中提供卓越生产率。其应用与硬质合金差异巨大……”Sandvik Coromant在HRSA应用指南中指出。原因在于陶瓷允许高切削速度产生“高度塑性化和剪切的切屑”。
粗加工HRSAs关键在于转速进给以达到适宜温度。专家推荐超3000表面英尺/分钟切削速度。
“第一步设定正确速度提高切削区温度，使材料产生一定程度塑性化，易于加工，”Greenleaf Corp.全球经理Jan Andersson说。“否则刀具寿命不可预测。确定适当速度后，用进给率管理热量排出。进给越高，切屑质量越大。切屑质量越大，带走切削区热量越多。这控制化学磨损成分。”
另一关键点：刀具路径应尽可能长保持在切削中，让刀具尽可能长寿命。意味着CAM编程合理，强制每条刀具路径圆角过渡。
“Inconel等超合金关键编程技巧是让刀具尽可能长时间保持在切削中，”Methods Machine Tools产品经理Dale Mickelson在Advanced Manufacturing文章中称。“每次进刀退刀都损失刀具寿命。所以我们创建螺旋下切的型腔程序。有平面则螺旋切至平面再精加工平面。”
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