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山高刀（dāo）具：處理 ISO S 材（cái）料的全新刀具和策略

2014-4-15 來源：數控機（jī）床市場網作者（zhě）：

工件材料的（de） ISO S 分類包（bāo）括高溫合金 (HRSA) 和鈦合金。這些（xiē）材料的熱硬度和熱強度使其能夠廣泛應用於航空航天、能源和其他領域的關鍵應（yīng）用。但是，這些合金的有（yǒu）益（yì）屬性也帶來（lái）了不同於傳統（tǒng）鋼鐵加工的加工特性。為應對這（zhè）一問題，刀（dāo）具製造商已開發出一係列（liè）產品和應用策略，用於解決材料可加工性難題，並實現可靠、穩定和相對經濟的 ISO S 材料組合金加（jiā）工。如今，這些刀具製造商還力（lì）求為生產（chǎn）商（shāng）提供有關新型刀具和策略的培訓，並且說（shuō）服（fú）機（jī）床技（jì）工（gōng）重新考慮過時的加工（gōng）技術，這些技術很可能（néng）將無法適用（yòng）於（yú）當今的（de）先進材（cái）料。

可加工性因素（sù）

術語“可（kě）加工（gōng）性”描述了金（jīn）屬對加工工藝的反（fǎn）應。可加工性包括（kuò）四（sì）個基本因素：加工中（zhōng）產生的機械力、切屑形成和排屑、熱量產生和轉移，以（yǐ）及刀具磨損（sǔn）和故障。其中任何（hé）因素或全部因素的過度作用均會（huì）導致材料被視為“難以加工”。

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如果試圖將過去幾十（shí）年來用於（yú）鋼鐵等材料的相同刀具（jù）和技術用於高溫合金和鈦合金加工，就會造成刀具壽（shòu）命、加工時（shí）間和可靠性以及零件質量方麵的可加工性問題（tí）。最近幾年中，刀具開發時才考慮了（le）鎳基合金和鈦基合金。加工這（zhè）些相對較新的材料並不一定（dìng）比加工傳統金屬更困難，這其（qí）實是兩種不同的加工類型。

例如，加工“難加工”材料的通（tōng）常方法是謹（jǐn）慎操作，並使用較（jiào）低的切削參數，包括減小的進給率、切削深度和速度。然（rán）而，使（shǐ）用專為這些高性能工件材料開（kāi）發的刀具時，基本準則反而是增加切削深度和進（jìn）給率。旨在（zài）處理這些較高參數的刀具含有細粒度硬（yìng）質合金材質等級，可提供良好的高溫刃口強度和鍍（dù）層粘附（fù）性，並且特（tè）別注意對加工硬化的工件造成的溝槽磨損的（de）耐受性。此外，刀（dāo）具製造商還開發了陶瓷和 PCBN 刀具，用於對這些高（gāo）性能合金進（jìn）行（háng）粗加工和（hé）精加（jiā）工。

對於（yú）特定可（kě）加工性（xìng）因素，高溫合（hé）金在機械或與力相關的問題方麵與堅韌的鋼鐵材料並無很大（dà）差別。但（dàn）是，在熱量的產（chǎn）生和散熱方麵，它們之間有著顯著差異。金屬切削過程中產生的熱量會（huì）導（dǎo）致工件材料變形，而切削過程中產生（shēng）的切屑能夠帶走熱量。然而，這些（xiē）材料產（chǎn）生的分段式切屑通常無法提供良好的散熱效果。此外，耐熱材料本身就是（shì）不良（liáng）導熱體。切削區的溫度可達 1100° - 1300° C，當熱量（liàng）無法消散時，就會在刀（dāo）具和工件上積聚，並最（zuì）終導致刀（dāo）具壽命縮短，甚至造成工件變形和冶金學特性的改變。

要解決這一問題，就需要（yào）改變對刀具強度的認識。通常認為（wéi）刃口鋒利的刀具較為脆弱，但控製刀具溫度積聚的方法之一正是使用鋒利的刀具，鋒（fēng）利刀具能切削更多的材料並減少（shǎo）材料變形，因此生成的熱量更少。實施這一策略需要專為刃口強度而設計的刀具，並在具（jù）有充足功（gōng）率、穩定性和抗振性的機床（chuáng）上使用。

應變硬化和沉澱硬（yìng）化的趨勢也增加了高溫合金加工的複（fù）雜性。在應變（biàn）硬化中，切削區內的材料在受到切削過（guò）程的應力和（hé）高（gāo）溫作用時變得更硬。鎳基和鈦基合金（jīn）表（biǎo）現出比鋼更大的應（yīng）變硬化趨勢。而在沉澱硬化中，當高溫激活本應處於靜止狀態（tài）的合金元（yuán）素時，工件（jiàn）材料中會形成硬點。無論哪種趨勢，材料的結構都可（kě）能會在（zài）第一次走（zǒu）刀後即發生顯（xiǎn）著變化，二次走刀後將能夠穿透硬度更（gèng）大的表（biǎo）麵。而（ér）這正（zhèng）是將走刀次（cì）數降至最低的（de）解決方案。例如（rú），與其（qí）使用兩次 5 mm 切深的走刀切除 10 mm 的材料，不如（rú）使用一次 10 mm 切深的走（zǒu）刀。盡管（guǎn）在許多情況（kuàng）下無法實現一次走刀加（jiā）工，但這仍是理論上能夠（gòu）實現的目標。

這種方法（fǎ）還要求重新考慮精加工工藝，傳統的精加工工藝包含以小切深和輕進給率進行的多次走刀。作為替代，機床技工應（yīng）尋找盡量提高參數的可能性，這樣（yàng）才能改善刀具壽命（mìng）和表麵粗糙度。

用於精加工走刀的（de）稍微加大（dà）的切深還可將切削刃最鋒利的部分（fèn）置於零件的（de）任何應變硬化或（huò）沉澱硬化區域的下方。然而，過深的精加工走刀可能產生振動並對表麵粗糙度造成不利影響。因此，尋找進取和謹慎間的最佳平衡便成為了關鍵。

可靠性和經濟性（xìng）

憑借（jiè）如今（jīn）專為鎳基和鈦基合金開發的（de）刀具和（hé）策略，完成加（jiā）工基本上不會有技術問題。持續挑戰不僅僅在於加工工件，還在於在規（guī）定的時間（jiān）內以規定的成本正確地進行工件加工。目標是改善工藝可靠性和（hé）生產經濟性。考慮到先進工件材（cái）料和由其製成的零（líng）件成本較高，因此加工工藝必須絕對可靠。生產商無法承擔在尋求可靠加（jiā）工工藝的同時生產報廢件的損失。使用適當（dāng）的刀具和加工參數有助於確保穩定的加工結果。

就（jiù）加工參數而言（yán），增加（jiā）切深和進給率有助於提（tí）高生產率。更高（gāo）的切削速度還可加快零件加工（gōng），但（dàn）這一有利條件尚未得到充分開發利用。目前在鎳（niè）基和鈦基合金中所用的速度仍然低於鋼材中的速度。不過目前的研究重點是開發能（néng）夠實現更高切削速度並仍然保持合理刀具壽命的刀具（jù）屬性。

除（chú）了刀具，金屬切削工藝的其他部（bù）件（如使用高壓定向輸送冷卻液 (HPDC) 係（xì）統）還有助於提高生產率。如果ISO S 材料的切削速度為 50 m/min，HPDC 可使（shǐ）切削速度高達 200 m/min，從而使產量（liàng）提（tí）高四倍（bèi）。

在加工高溫合金時，刀具壽命是（shì）另一個（gè）可從新視角加以審視的因素。刀（dāo）具壽命的傳統測算方（fāng）法是計（jì）算刀具需要更換前的切（qiē）削分鍾數。另一種測算（suàn）方法則是計算成本。

例如，如果生產特定工件需要 2 個小時，且必須每 20 分鍾更換一次刀具，則必須購買 6 個刀（dāo）具才能完成零（líng）件的加（jiā）工（gōng）。按照這個思路，目標將是降低刀具成本，並獲（huò）得 30 分鍾的（de）刀（dāo）具壽命，而非 20 分鍾。

然而，在（zài）加（jiā）工采用高溫合金或鈦合金製成的昂貴零件時，刀具成本（běn）不過（guò）占零件總體（tǐ）價值的很少一部分。因此，刀具利用率（也稱（chēng）作刀具的利用指數）才是更相關的測算方式。在比較兩種示例刀具時，如果一種（zhǒng）刀（dāo）具維持（chí） 10 分鍾並（bìng）生產一個工件，則刀具成本為（wéi）每工件一（yī）個刀具。另（lìng）一種刀具，以不同方式使用，可能僅維持 5 分鍾，但（dàn）生產（chǎn）兩個零件。即（jí）便（biàn）第二種刀具的（de）壽命按照分鍾來計算比第一種刀具少了一半，但零件產量增加了一倍。目標是以可接受的價格在最短時間內生產出最大數量的合格工件。考（kǎo）慮（lǜ）到高溫合金（jīn）零件的成本較高，因（yīn）此刀具利（lì）用指數才是更好的（de）真實生產率測算標準。

結論

同往常一樣，要（yào）想最（zuì）大限度地發揮新開發的金屬切削技術的優勢，關鍵（jiàn）因素在於了解如何以最佳的方式使其適用於（yú）特定應用。隨著在高溫合金和鈦基（jī）合金（jīn）等高性能工（gōng）件（jiàn）材料方麵繼續取得進展，刀具製造商還將繼續為新合金的加工（gōng）工藝設計最大限度提（tí）高生產率的新方法。生產商將從對新刀具可用（yòng）性的了解以及刀具製造商在如何以最佳方式使用這些刀（dāo）具方麵的廣博知識中獲益。

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