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                                      山高刀具在ISO-S 材料加工行業專用刀具和策略

                                      發布時間:2015-03-28 10:21:32來源:網絡類型:經驗技術2733人瀏覽
                                      關鍵字: 山高ISO-S
                                      導讀: 創新的工程技術推動了醫療、發電和航空航天等關鍵行業中零件生產的高速 發展。這些行業的精密零部件,要求工件材料能夠提供高耐熱性和耐磨性、極佳的剛度以及堅如磐石的質量和可靠性。這類材料的典型代表是 ISO-S 合金,也就是鎳基、鈷基和鐵基高溫合金 (HRSA) 以及鈦合金。 這些材料的熱硬度、強度、抗蠕變和耐腐蝕性非常好,使其廣泛應用于關鍵應用領域中。

                                      創新的工程技術推動了醫療、發電和航空航天等關鍵行業中零件生產的高速 發展。這些行業的精密零部件,要求工件材料能夠提供高耐熱性和耐磨性、極佳的剛度以及堅如磐石的質量和可靠性。這類材料的典型代表是 ISO-S 合金,也就是鎳基、鈷基和鐵基高溫合金 (HRSA) 以及鈦合金。 這些材料的熱硬度、強度、抗蠕變和耐腐蝕性非常好,使其廣泛應用于關鍵應用領域中。


                                      然而,這些合金的有益屬性也帶來了不同于傳統鋼鐵加工的加工特性。ISO-S 材料的加工之所以具有挑戰性,是因為合金的熱傳遞較差,也稱為導熱性低。加工時產生的熱量(約 1100 至 1300 攝氏度)被刀具和工件吸收,而沒有被切屑帶走。因此,刀具壽命受到影響,并且會造成零件變形。此外,在加工時,這些合金還具有發生應變硬化和沉淀硬化的趨勢,增大了切削力并進一步縮短刀具壽命。最后,這些材料的粘性行為會產生不受控制的積屑瘤 (BUE) 和溝槽磨損。這種粘性也被稱為材料的延展性,這是一種常見于鋁等軟質材料的特性。


                                      考慮到 ISO-S 材料加工的難度以及相關零件的成本,制造商對加工改進的追求就主要集中在零件可靠性和質量上,其次是縮短加工周期。最大限度地發揮這些高性能合金的優勢需要采用先進的刀具和加工應用策略。刀具制造商不斷地對這些刀具和加工技術進行優化,以便為特定行業的應用提供高效、可靠的解決方案。


                                      醫療應用


                                      為確保正常工作,并避免人體產生排異反應,醫療植入物必須具有化學惰性并且能夠完全耐受體液的腐蝕。由于ISO-S 材料具有出色的生物相容性和耐腐蝕性,因此成為各種整形外科、牙科和其他醫療組件的絕佳基材。


                                      醫療植入物的制造正在快速發展。工業發達地區的人口平均年齡不斷增長,人口的平均體重也是如此。這兩個因素都會對膝關節和髖關節的磨損產生直接影響,從而產生了關節置換需求。牙科植入物也隨著人們對美容和牙齒健康問題的日益重視而逐漸普及。


                                      膝關節置換組件


                                      膝關節置換物由兩個基本組件構成。股骨組件模擬股骨末端的圓形髁狀突起,連接至大腿骨(股骨)。在另一端,股骨組件扣在聚合物杯內,而聚合物杯安裝在第二個基本組件中,即連接至小腿骨(脛骨)頂部的鈦合金托架。


                                      ISO-S 材料具有較差的熱傳遞性,因此在大多數加工作業中都必須使用冷卻液。然而,醫療監管機構對殘留冷卻液造成的污染有嚴格規定,并且要求進行嚴格且耗時的清潔流程。因此,刀具制造商正在開發醫療零件的“干式”加工方法,無需使用冷卻液或乳化液。例如,山高開發的無需冷卻液的解決方案,采用專用 T 型槽刀具和成型立銑刀來加工 Ti6Al4V 鈦合金脛骨托架。這種加工可在 10 分鐘內完成,而且還實現了良好的刀具壽命、絕佳的產品質量和無污染的零件。

                                      ISO-S


                                      該 Jabro 刀具品種包括四種定制解決方案和兩種標準解決方案,非常適合醫療零件制造商對脛骨托架組件進行加工。


                                      為減輕 ISO-S 合金較差熱傳遞性的影響,另一種解決方案是用銑削加工代替磨削加工。長時間的磨削加工所產生的熱量會在零件中產生拉應力并使零件變形;一家制造商發現股骨膝關節組件在磨削后經常超出尺寸規格,導致廢品率達 20% 至 30%。


                                      為了解決這一問題,山高應用工程師開發出了五步加工法,用于在機床上對股骨組件進行加工。該工藝采用球頭立銑刀和帶有中心鎖定系統的夾具,使零件能夠在加工過程中旋轉。這種仿形銑削方法非常適合加工這種復雜零件,因為這些復雜的3D 零件常常用到剛性較低的夾具。整個加工的切削時間約為 7 分鐘。加工完成后,僅需要進行拋光,并且該拋光過程所花費的時間要少于磨削后再進行拋光所用的時間。


                                      小型牙科零件


                                      特殊的加工方法有助于克服 ISO-S 材料的加工挑戰。高進給銑削策略(參見附注)既可提高生產率,又能延長刀具壽命。在對鈷鉻合金鋼制成的牙科組件進行粗加工時,采用了山高 Jabro 立銑刀系列中的 3 mm 直徑 JHF 180 刀具,其中工作臺進給率為 4000 mm/min,軸向切削深度為 2 mm,徑向切削深度為 0.2 mm,切削速度為 66 m/min。在鈷鉻合金鋼加工中,刀具壽命為 175 分鐘。


                                      許多小型醫療和牙科組件都是在實驗室和牙科診所中的緊湊型高速機床上加工的。這些機床采用的小型刀具必須能夠承受在小型植入物和其他零件上進行仿形加工時快速變化的切屑負荷。為滿足這種需求,山高開發了 Jabro Mini JM905 和 JM920 刀具。這些刀具提供 4 刃型號,直徑從 0.1 mm 至 2.0 mm 不等,并采用可達 16 x D 的長懸伸長度。盡管尺寸較小,但它們可以提供特殊小型零件生產所需的強度和穩定性,并且尺寸滿足典型工件的要求。

                                      Jabro Mini JM905


                                      發電


                                      ISO-S 材料在全球發電行業中的應用也日益廣泛。雖然當前的重點是發展風能、水能和太陽能等“綠色”能源,


                                      但是目前全球電力的 60% 以上都是通過燃料生產的。大部分發電都涉及燃氣和蒸汽輪機的使用。不僅于此,人們還在不斷努力地提高渦輪機的效率。例如,強度高但重量輕的鈦合金部件能夠在渦輪機的下部壓縮段減少高轉速下的向心力,因此可以實現更快的旋轉速度。除了鈦合金部件外,HRSA 零件也可在燃燒段中使用,以便應對提高發動機效率所需的更高溫度。


                                      更新的合金,更大的挑戰


                                      在追求效率和高性能的過程中,ISO-S 合金經歷了不斷的發展。金屬制造商開發出具有更高性能的合金,以滿


                                      足日益嚴苛的應用需求。例如,鎳基 Inconel 738 和鈷基 SFX414 等現有的 HRSA 能夠在 850 攝氏度到 1200 攝氏度的溫度范圍下工作。同時一些最新的 HRSA 產品,如 GTD 262 和 Rene 108 可在 1200 攝氏度到 1600 攝氏度的溫度下工作。相應地,這些新合金也提出了更大的加工挑戰。


                                      最近,山高協助加工了發電渦輪機靜態部件中使用的更高性能的新型合金材料。該材料具有更高的耐熱性,因此加工難度也隨之提高;僅可實現 18 m/min 的切削速度,而對于 Inconel 718 參考材料通??蓪崿F 25-35 m/min 的速度。


                                      現有刀具僅在加工一個渦輪盤葉片(320 mm 切削長度)后就發生了磨損,因此渦輪機制造商希望尋求更長的刀具壽命。山高基于 Jabro 780 刀具槽型開發了一款特制刀具,它采用變芯厚設計,能夠在嚴苛的切削條件下提高穩定性。使用該刀具時采用了原來使用的參數:18 m/min 的切削速度、0.015 mm 的每刃進給量和 43 mm/min 的工作臺進給率。新刀具加工了兩個輪機段 (640 mm),刀具壽命延長了 100%。隨后,通過將切削速度降低至 16 m/min 并將每刃進給量增加到 0.017 mm,應用工程師能夠將刀具壽命進一步延長到 800 mm(刀具壽命延長 150%)。


                                      航空航天部件


                                      由于 HRSA 保持了高溫強度并具有卓越的抗蠕變和耐腐蝕性,因此在現代航空航天發動機中,該合金的重量占 50% 之多。


                                      ISO-S 材料在航空航天渦輪機中的應用類似于它在發電行業渦輪盤中的應用。然而,在很多情況下,航空航天應用的公差更緊密。例如,山高開發了專用于加工渦輪機葉片樅樹形根部輪廓的刀具。在某些能源應用中,根部輪廓的公差在 10 微米的范圍內,而在某些航空航天應用中,該輪廓公差則更緊密,介于 0 至 5 微米 (0 – 0.005) 之間。


                                      結構鈦合金


                                      除了應用于渦輪機的低溫段外,鈦合金具有重量輕、強度大的特點,因此還可用于起落架等航空航天結構零件。起落架部件本身就非常大且堅固,在使用標準材料制造時,重量會更大。


                                      用于制造更輕起落架的更新、更輕、強度更大的鈦合金比之前使用的鈦合金還要難以加工。一種最新開發的鈦合金是鈦 5553,由于其 5% 的鋁含量、5% 的鉬含量、5% 的釩含量以及 3% 的鉻含量而得名。鈦 5553 的優勢在于具有 1160 MPa 的高抗拉強度,而 Ti6Al4V 參考材料僅為 910 MPa。更高的抗拉強度將切削速度限制到比加工 Ti6Al4V 時低 50% 的水平。


                                      疊層合金


                                      如果一種 ISO-S 材料就已嶄露了加工難度,那么同時加工兩種不同的材料則會帶來更大的挑戰。一些航空航天應用涉及到加工由不同材料的疊層組成的部件。該挑戰是在提供充足切屑控制并且不產生振動或毛刺的條件下加工“夾層”或“混合”材料。


                                      其中一個典型的例子是鈦合金和不銹鋼的組合。不銹鋼和鈦具有一些共性:強度相對較高并且具有粘性(切削材料易粘在立銑刀上)。


                                      為了加工采用鈦 6Al4V/奧氏體不銹鋼疊層材料的發動機支架,山高提供的解決方案是應用專為加工鈦合金而設計的硬質合金 Jabro JHP 770 刀具。該刀具擁有不同的刃口間距、徑向后角和特殊成型的排屑槽。內冷通道最大限度地降低了工件粘性并清除了切屑。在加工疊層材料時,刀具先通過不銹鋼然后再通過鈦合金。整個過程采用了適用于更難加工材料(鈦合金)的參數??紤]到該合金的導熱性較低,采用了 50 m/min 的中等切削速度、0.036 mm/rev 的進給率以及 3 mm 的切削深度,以圓周插補銑進行遞減。

                                      Jabro JHP 770


                                      HSS 備選


                                      盡管硬質合金刀具在很多情況下彰顯性能優勢,但它并不是高效加工 ISO-S 材料的唯一方法。在某些情況下,


                                      高速鋼刀具是一款更加經濟高效的選擇。


                                      很多大型的航空航天部件(如起落架零件)都采用鈦合金或不銹鋼實心坯加工而成。對于這些零件,直徑高達 50 mm 的高性能 HSS 刀具能夠切除大量材料。HSS 刀具在低轉速、高扭矩的機床上非常高效,能夠有效地對鈦合金和不銹鋼進行粗加工甚至是精加工。該刀具能夠采用大切削直徑和切削寬度,甚至在它的切削速度低于硬質合金刀具時,也可以提供具有競爭優勢的金屬切除率。


                                      Jabro JCO710 HSS-Co 刀具是先進的 HSS 刀具的一個例子。該刀具的含鈷量為 8%,硬度為 67 HRC,采用了拋光排屑槽(旨在減少摩擦和積屑瘤)以及可變面輪廓槽型(能夠進行輕快切削和降低可導致不合格表面粗糙度值的顫振風險)。這些刀具用于加工大型鈦合金零件時,可提供超過 800 分鐘的刀具壽命。

                                      Jabro JCO710 HSS-Co 刀具


                                      結論


                                      對于在關鍵應用中采用的 ISO-S 材料,制造商的加工目標是實現一流的質量、可靠的一致性和生產率。隨著金屬制造商不斷開發出新的合金來滿足日益嚴苛的高性能應用的需求,刀具制造商也創造出了能夠克服 ISO-S 材料加工挑戰的新刀具材料和策略,使制造商能夠滿足其加工目標。


                                      附注


                                      ISO-S 銑削策略


                                      精心設計的刀具和切削策略組合有助于經濟高效地加工 ISO-S 材料。


                                      一種方法是高進給銑削。該方法將切削力從徑向轉為軸向,將較小的軸向切削深度與較大的工作臺進給率相結合,能夠產生可將熱量從切削刃帶走的更薄切屑,同時還減小了切削力,從而最大限度地減少振動,使加工操作更加穩定、可靠。除了減少熱量生成和延長刀具壽命外,高進給銑削還能提供出色的金屬切除率:比傳統銑削快 200% - 300%。


                                      高進給銑削可以采用多種刀具完成。例如,在山高全面的 Jabro 立銑刀系列中,JHF180 刀具專為加工硬度在 48 - 62 HRC 范圍內的更硬鋼和鉻鈷合金而設計。該刀具采用剛性 0.9 度錐頸設計,可減少刀具變形,能夠進行深型腔銑削,并改善了表面粗糙度。刀具槽型經過精心設計,可將切屑順利排出。該刀具非常適合高進給銑削應用,包括面銑、槽銑、斜坡銑、螺旋插補銑以及等高線加工。


                                      ISO-S 材料的其他銑削策略取決于具體加工、工件材料和現有的機床。傳統方法涉及軸向和徑向切削深度的 1-1 平衡以及平均進給率。高性能加工(使用山高 HPM 系列等特制刀具進行)利用大軸向切削深度和100%徑向切削深度來實現大金屬切除量。高速加工也是一種備選方法,在該方法中,刀具采用相當低的徑向切削深度和較大的軸向切削深度。該方法允許使用更高的切削速度來獲得生產率。不同加工策略的高效實施取決于各種因素的組合,包括所用機床的能力以及能夠處理大型程序和文件以實施加工工藝的 CNC 系統。


                                      鈦合金加工本身具有特殊的加工和刀具要求。使用中等切削速度有助于避免產生過多熱量,從而減少刀具和工件之間發生化學反應。盡可能地使用冷卻液。鋒利的切削刃有助于從工件上切下切屑,因此減小了切削力。此外,也可采用高進給策略。


                                      作者簡介


                                      Teun van Asten MSc.,山高刀具公司整體銑削營銷服務部工程師


                                      山高總部設在瑞典法格斯塔市,致力于開發創新的金屬切削解決方案,并與客戶密切合作以全面理解和專注于滿足他們的需求,因此譽滿全球。我們在 50 個國家/地區雇用了 5000 多名員工,并通過培訓、發展和員工認同計劃以及開放的溝通環境來提升我們團隊成員的能力。我們的員工展現了三個核心價值觀 – 熱忱待客、家庭歸屬感和個人承諾,它定義了我們的經營之道以及我們與客戶、供應商和其他合作伙伴之間的交往方式。

                                      (易搜刀具網 www.daleelmawaheb.com)




                                      本文地址:http://www.daleelmawaheb.com/tech/201503/1065.html 責任編輯:劉斌
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                                      版權聲明:本文版權歸搜刀具網所有,轉載請注明?;蚵撓当菊矩熑尉庉?。

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