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航空航天—刀具（jù）改變工藝（yì）

2021-11-25 來源：伊斯卡技術經理（lǐ）作（zuò）者： Andrei Petrilin

前言

在航空航天零件的加工中，主要的（de）挑戰與零件材料相關。鈦（tài）合（hé）金、高溫超級合金(HTSA)和耐蠕變鋼（gāng）的切削加工困難，是整個飛機供應鏈（liàn）的加工瓶頸。這些材料的機械加工性能差，導致切削速度（dù）低，大大（dà）降低了生產率，縮短了刀（dāo）具壽命。而這些因素（sù）都（dōu）與刀具直接（jiē）相關。事實上，當（dāng）處理難以加工的典型航空（kōng）航天材（cái）料時，刀（dāo）具的功（gōng）能性決定了現有生（shēng）產力的水平。實際情況是，切削刀具的（de）發展滯後於機床，而這種（zhǒng）差距限製了高端（duān）機床在製造航空部（bù）件時性（xìng）能的發揮。

現代飛機，特別是無人機(UAV)，複合材料的應用比例顯（xiǎn）著增加。複合材料的高效加工需要（yào）特殊刀具（jù），這（zhè）是航空航天工業技術飛躍的焦點（diǎn）所在。

航空級鋁（lǚ）材仍是機身部件廣泛（fàn）使用的（de）材料。鋁的加工看似簡單（dān），但選擇合適的刀具是（shì）成功地高效加工（gōng）鋁所需的密鑰。

複雜的零件形狀是（shì）渦輪發（fā）動機技術的一大特征（zhēng）。大多數幾何形狀複（fù）雜的航空發動（dòng）機部件都是在腐蝕性極強的環境下工作，並由（yóu）難以切削的材料製成，如鈦合金和高溫超級合金（jīn）(HTSA)，以確保所需的壽（shòu）命周期（qī）。複雜的形狀、機械加工性能差和高精度的需求相結合形成了生產製（zhì）造（zào）這些零（líng）件的主要困（kùn）難（nán）。先進的多（duō）軸加工（gōng）中心可實現各種去除餘量的（de）策略，從而更（gèng）有效地加工複雜輪廓。但是刀具是直接（jiē）與零件接觸的，對加工的（de）成敗有很（hěn）大的影響。過度（dù）的刀具磨損會影響零（líng）件表麵精（jīng）度，而（ér）不可預測的刀具斷裂則可能導致整個零件（jiàn）報廢。

先進的多任務加工機床、瑞士型車床和安裝動力刀座的車床深刻改變（biàn）了小型零部件的製造工藝，如飛機上各種液壓和氣動係統、致動器（qì）和附件。因此（cǐ），航空航（háng）天工業需要越來越多針（zhēn）對這些先進機床而設計的特殊刀具，以達成加工效率最大化。

切削工具——製（zhì）造係統中最小（xiǎo）的元素——成為顯著提高（gāo）性能的關鍵支撐（chēng）。因此，航空航天零件製造商們和機（jī）床製造商們亟需刀具（jù）製造商（shāng）提供技術創新（xīn）的解決方案，使切屑去除率達到（dào）新水平（píng）。解決方案（àn）的目標很明確：提高生產率和延長刀具壽命。加工具有複雜形狀的特殊航空零（líng）件和大型機身部件需要（yào）一個可預測的刀具壽命周期，以進行可靠的工藝規劃，並及時更換失效的刀具或可更換的切削（xuē）部件（如（rú）刀片）。

刀具製造商在尋找理想（xiǎng）解決方案方麵的選擇有限，也許（xǔ）隻（zhī）能從刀具材（cái）料、刃口（kǒu）形狀和靠譜的魯棒性設計這些方麵考量。盡管選擇有（yǒu）限，刀具製（zhì）造商仍全力以赴提供新一代刀具，以滿足航空航天業不斷（duàn）增長的需求。雖（suī）然新冠（guàn）病毒（dú）嚴（yán）重阻礙了（le）產業的發展，但這（zhè）並不意味著產業需求的減少。最新的刀具設計充（chōng）分（fèn）證明了刀具製造商對航空零部件生產需求（qiú）的響應。

冷卻射流

在加工鈦合金和高溫超級合金(HTSA)和（hé）耐蠕變鋼時，高壓冷卻(HPC)是提高性能和加工效（xiào）率（lǜ）的有效工具。精準（zhǔn）直達的高壓冷卻射流(HPC)可以顯著降低切削區域的溫（wēn）度，確保形成小的片狀切屑。與傳統冷卻方（fāng）式相比，這（zhè）有助（zhù）於獲得更高的切削參數（shù）和（hé）更長的刀具壽命。精準直（zhí）達的高壓（yā）冷卻HPC越來越多地應用於難切削材料的加工（gōng），是航（háng）空（kōng）航天零部件製造的一個明確趨勢。因此，刀具製造商們認為高壓冷卻HPC刀具是一個（gè）重要研發（fā）方向。

伊斯（sī）卡，刀具製造領域的領軍企業之一，擁有豐富多樣的高壓冷卻刀具品種。2020年，伊斯卡通過引入“經典”HELI2000和HELIMILL可轉位刀片的新型（xíng）雙刃銑刀擴展了其產（chǎn）品範圍(圖1)。這一步是伊斯卡（kǎ）開發該（gāi）產品係列的（de）又一裏程碑（bēi）式產品係列。

上世紀（jì）九十年代，由伊斯卡首推的可轉（zhuǎn）位（wèi）銑刀HELIMILL係列（liè），夾持螺旋刃銑刀片。新設計使得刀片裝夾於刀體（tǐ）後形成的（de）刀片前角及後角保持恒定，進而使得切削輕快平順，顯著降低機（jī）床功率消耗。HELIMILL銑刀的設計（jì）理念成為90°主偏角可轉位銑刀設計中被大家廣為熟知並認（rèn）可（kě）的概念。

通（tōng）過對HELIMILL銑刀的逐步修正與改進，伊斯卡增（zēng）添（tiān）了相同理念下（xià）額外的（de）銑（xǐ）削產品係列和具有更多切削刃的刀片（piàn）。優異的性能及豐富的刀具周邊產品使其在機加工行業應用廣泛。因（yīn）此，在（zài）經過（guò）驗證的HELIMILL係列中（zhōng）添加現代高（gāo）壓冷卻HPC刀具設計是對客戶需求的徑直響應，也是下（xià）一步需要開發的刀（dāo）具係列。

在車削方麵，伊斯卡大大擴展了（le）其組裝（zhuāng）模塊化刀具（jù）產品係列，其中包括帶有（yǒu）可轉位刀片的（de）刀杆及可換式刀頭。通過使用鋸齒接觸麵連接，這些刀（dāo）具可適用於搭載（zǎi）不同形狀刀片的各種刀頭，包括（kuò）螺紋（wén）車削和標準ISO車削刀片，針對不同應用均更具靈活性（xìng）。

伊斯卡（kǎ）提供沿襲傳統設（shè）計和抗振設計的刀杆，並根據應用進行區別：圓柱柄或多邊形錐柄。圓柱頭銑刀（dāo）的一（yī）個共（gòng）同特點是內冷卻射流（liú）直接輸送到所需的刀片（piàn）切削刃(圖2)。根據圓柱柄刀（dāo）具直徑的（de）不同（tóng），冷卻射流最大壓力從（cóng）30bars至70 bars不等。而帶有多邊形錐柄的刀具可實現300 bars的超高（gāo）壓冷卻。通過降低切削區域溫度和改善切屑控製及排屑，冷卻射流的充分供給提高了（le）刀具壽命。在航空航天業中應大幅增加這一（yī）產品係列的（de）應用（yòng）。

鑽孔解決方案

複（fù）合（hé）材料加工充滿了各種陷阱與缺陷。複合材料的高耐磨性加快了刀具磨損，這縮短了（le）刀具壽命，影響（xiǎng）了刀具性能。鑽（zuàn）孔是複合材料加工中最常見的切削操作，因此即（jí）使是（shì）鑽孔刀具在功能上的微小改進也是至關重要的。

伊斯卡（kǎ）開發了一係列專門針對複合材料加工的新（xīn）型鑽頭。為了提高耐磨性，這些鑽頭的切（qiē）削刃部分通常都由超硬聚晶金（jīn）剛石(PCD)或金剛石塗層製成。根據鑽頭直（zhí）徑的不同，鑽尖可以使用整體PCD刀頭或PCD焊片，在這（zhè）兩種情況下都可以重新修磨5次。CVD金剛石塗層整體硬質（zhì）合金鑽頭另一個獨特的設（shè）計點是：主切削刃呈折線狀。在加工複合材料時，更容易產生加工振（zhèn）動。切削刃的折線形設計大大減少了分層和（hé）毛刺，特別是在加工碳纖維增強塑（sù）料(CFRP)和碳纖維層壓板時。

除複合材料（liào），金剛石塗層鑽頭也適用於加工其他耐磨的工程材（cái）料（liào）。如有必要，也可提供帶內冷卻通孔的選項。

小直徑深孔的鑽削是製造航空航天零件的一種常見作業。伊斯卡的新型整體（tǐ）硬質合（hé）金鑽（zuàn）頭直徑範（fàn）圍為3-10 mm(0.125"-0.391")(圖3)，專門用於這類作業。該鑽頭係列結合了鑽尖形狀、雙導向條設計、拋光的排屑槽、複合塗層和內冷卻通孔，在難加工的奧氏（shì）體不（bú）鏽鋼及耐蠕變鋼和鐵基合金加工中，可實現一次（cì）進刀達（dá）成50xD鑽深比。

無懼任何複（fù）雜加工應用（yòng）

因空（kōng）氣動力學的定義，航空發動機渦（wō）輪、壓氣機、葉（yè）輪和整體葉（yè）片轉子(IBR)需要具備複雜形狀。旨在提高航空發動機效率的新發展又進一步增加了這種複雜性。技術的進步帶來了生產成型（xíng）零件的新方法，特別是3D打印，這大大減少了工件材料（liào）的餘量。然而，在製造形狀複雜的航空航天零（líng）件的最終成形方法中，機加工仍然是（shì）最常見的方法。五軸加工和CAD/CAM係（xì）統的進步豐富了製造商的解決方（fāng）案，以克服零件（jiàn）生產中的困難。

在具有複雜形狀（zhuàng）表麵航空航天零件的五軸加工中，鼓形銑（xǐ）刀具有良（liáng）好的應用前景。伊斯卡已開發了一係列直徑範圍8 – 16mm(.312" - .500")的鼓形銑（xǐ）刀，有兩種設計結構：整體硬質合金立銑刀及帶有（yǒu）變形金剛螺紋接口的可換（huàn）頭式（shì）刀具。將這些刀具應用於加（jiā）工中可有效優化葉（yè）片的生產製造。

可靠的多任務處理

在緊湊型多任務機床和瑞士型車床上進行加工時，能否有（yǒu）效排屑很大程度上取決於刀具（jù）的正確選擇。為了提高生產率，需要（yào）最大限度地保持刀具的剛度和最小化刀具的懸伸（shēn）以在受限空間加工作（zuò）業。

最近，伊斯卡推出了NEOCOLLET卡簧夾頭，新款刀夾係列，提供了一種替代ER卡簧用於夾緊（jǐn）刀具的方案。該係列適（shì）配的典型刀柄之一是（shì）錐柄（bǐng），可直接內置於彈簧夾頭刀柄中(圖（tú）4)，確保剛性和可靠的連接（jiē），以提（tí）高刀具性能。新係列（liè）可夾持伊斯卡硬質合金T型可換槽（cáo）麵銑刀頭的夾具。

如前所述，采用高（gāo）壓冷卻可以極大地改善加工結果（guǒ），特別是在（zài）加工鈦、高溫超級（jí）合金(HTSA)和難加工的不鏽鋼時，這些材料是飛（fēi）機液壓和氣（qì）動係統以及小型配件的主要材料。新型車刀係列（liè）具有方柄和螺絲夾緊（jǐn）的55°菱形刀片，采用HPC技術，便於在小直徑零件上進行縱向車削、端麵車（chē）削和（hé）仿形車削(圖5)。

所（suǒ）有案例都說明了刀具製造（zào）商正試圖尋找更為有效的解（jiě）決方案，以滿足航空航天工業的新（xīn）要求。由於新冠病（bìng）毒的影響（xiǎng），工業增長放緩，飛機產量減少，但刀具製造商對合（hé）作夥伴需（xū）求的關注並未減弱。相（xiàng）反，伊斯（sī）卡已經開發了新的先進切削刀具，並努力將其成功升級應用於即（jí）將恢複的飛機生（shēng）產中。

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