山高刀具在ISO-S 材料加工行业专用刀具和策略

优胜编程龚老师

山高刀具在ISO-S 材料加工行业专用刀具和策略




创新的工程技术推动了医疗、发电和航空航天等关键行业中零件生产的高速 发展。这些行业的精密零部件，要求工件材料能够提供高耐热性和耐磨性、极佳的刚度以及坚如磐石的质量和可靠性。这类材料的典型代表是 ISO-S 合金，也就是镍基、钴基和铁基高温合金 (HRSA) 以及钛合金。 这些材料的热硬度、强度、抗蠕变和耐腐蚀性非常好，使其广泛应用于关键应用领域中。



然而，这些合金的有益属性也带来了不同于传统钢铁加工的加工特性。ISO-S 材料的加工之所以具有挑战性，是因为合金的热传递较差，也称为导热性低。加工时产生的热量（约 1100 至 1300 摄氏度）被刀具和工件吸收，而没有被切屑带走。因此，刀具寿命受到影响，并且会造成零件变形。此外，在加工时，这些合金还具有发生应变硬化和沉淀硬化的趋势，增大了切削力并进一步缩短刀具寿命。最后，这些材料的粘性行为会产生不受控制的积屑瘤 (BUE) 和沟槽磨损。这种粘性也被称为材料的延展性，这是一种常见于铝等软质材料的特性。



考虑到 ISO-S 材料加工的难度以及相关零件的成本，制造商对加工改进的追求就主要集中在零件可靠性和质量上，其次是缩短加工周期。最大限度地发挥这些高性能合金的优势需要采用先进的刀具和加工应用策略。刀具制造商不断地对这些刀具和加工技术进行优化，以便为特定行业的应用提供高效、可靠的解决方案。



医疗应用



为确保正常工作，并避免人体产生排异反应，医疗植入物必须具有化学惰性并且能够完全耐受体液的腐蚀。由于ISO-S 材料具有出色的生物相容性和耐腐蚀性，因此成为各种整形外科、牙科和其他医疗组件的绝佳基材。



医疗植入物的制造正在快速发展。工业发达地区的人口平均年龄不断增长，人口的平均体重也是如此。这两个因素都会对膝关节和髋关节的磨损产生直接影响，从而产生了关节置换需求。牙科植入物也随着人们对美容和牙齿健康问题的日益重视而逐渐普及。



膝关节置换组件



膝关节置换物由两个基本组件构成。股骨组件模拟股骨末端的圆形髁状突起，连接至大腿骨（股骨）。在另一端，股骨组件扣在聚合物杯内，而聚合物杯安装在第二个基本组件中，即连接至小腿骨（胫骨）顶部的钛合金托架。



ISO-S 材料具有较差的热传递性，因此在大多数加工作业中都必须使用冷却液。然而，医疗监管机构对残留冷却液造成的污染有严格规定，并且要求进行严格且耗时的清洁流程。因此，刀具制造商正在开发医疗零件的“干式”加工方法，无需使用冷却液或乳化液。例如，山高开发的无需冷却液的解决方案，采用专用 T 型槽刀具和成型立铣刀来加工 Ti6Al4V 钛合金胫骨托架。这种加工可在 10 分钟内完成，而且还实现了良好的刀具寿命、绝佳的产品质量和无污染的零件。

ISO-S



该 Jabro 刀具品种包括四种定制解决方案和两种标准解决方案，非常适合医疗零件制造商对胫骨托架组件进行加工。



为减轻 ISO-S 合金较差热传递性的影响，另一种解决方案是用铣削加工代替磨削加工。长时间的磨削加工所产生的热量会在零件中产生拉应力并使零件变形；一家制造商发现股骨膝关节组件在磨削后经常超出尺寸规格，导致废品率达 20% 至 30%。



为了解决这一问题，山高应用工程师开发出了五步加工法，用于在机床上对股骨组件进行加工。该工艺采用球头立铣刀和带有中心锁定系统的夹具，使零件能够在加工过程中旋转。这种仿形铣削方法非常适合加工这种复杂零件，因为这些复杂的3D 零件常常用到刚性较低的夹具。整个加工的切削时间约为 7 分钟。加工完成后，仅需要进行抛光，并且该抛光过程所花费的时间要少于磨削后再进行抛光所用的时间。



小型牙科零件



特殊的加工方法有助于克服 ISO-S 材料的加工挑战。高进给铣削策略（参见附注）既可提高生产率，又能延长刀具寿命。在对钴铬合金钢制成的牙科组件进行粗加工时，采用了山高 Jabro 立铣刀系列中的 3 mm 直径 JHF 180 刀具，其中工作台进给率为 4000 mm/min，轴向切削深度为 2 mm，径向切削深度为 0.2 mm，切削速度为 66 m/min。在钴铬合金钢加工中，刀具寿命为 175 分钟。



许多小型医疗和牙科组件都是在实验室和牙科诊所中的紧凑型高速机床上加工的。这些机床采用的小型刀具必须能够承受在小型植入物和其他零件上进行仿形加工时快速变化的切屑负荷。为满足这种需求，山高开发了 Jabro Mini JM905 和 JM920 刀具。这些刀具提供 4 刃型号，直径从 0.1 mm 至 2.0 mm 不等，并采用可达 16 x D 的长悬伸长度。尽管尺寸较小，但它们可以提供特殊小型零件生产所需的强度和稳定性，并且尺寸满足典型工件的要求。

Jabro Mini JM905



发电



ISO-S 材料在全球发电行业中的应用也日益广泛。虽然当前的重点是发展风能、水能和太阳能等“绿色”能源，



但是目前全球电力的 60% 以上都是通过燃料生产的。大部分发电都涉及燃气和蒸汽轮机的使用。不仅于此，人们还在不断努力地提高涡轮机的效率。例如，强度高但重量轻的钛合金部件能够在涡轮机的下部压缩段减少高转速下的向心力，因此可以实现更快的旋转速度。除了钛合金部件外，HRSA 零件也可在燃烧段中使用，以便应对提高发动机效率所需的更高温度。



更新的合金，更大的挑战



在追求效率和高性能的过程中，ISO-S 合金经历了不断的发展。金属制造商开发出具有更高性能的合金，以满



足日益严苛的应用需求。例如，镍基 Inconel 738 和钴基 SFX414 等现有的 HRSA 能够在 850 摄氏度到 1200 摄氏度的温度范围下工作。同时一些最新的 HRSA 产品，如 GTD 262 和 Rene 108 可在 1200 摄氏度到 1600 摄氏度的温度下工作。相应地，这些新合金也提出了更大的加工挑战。



最近，山高协助加工了发电涡轮机静态部件中使用的更高性能的新型合金材料。该材料具有更高的耐热性，因此加工难度也随之提高；仅可实现 18 m/min 的切削速度，而对于 Inconel 718 参考材料通常可实现 25-35 m/min 的速度。



现有刀具仅在加工一个涡轮盘叶片（320 mm 切削长度）后就发生了磨损，因此涡轮机制造商希望寻求更长的刀具寿命。山高基于 Jabro 780 刀具槽型开发了一款特制刀具，它采用变芯厚设计，能够在严苛的切削条件下提高稳定性。使用该刀具时采用了原来使用的参数：18 m/min 的切削速度、0.015 mm 的每刃进给量和 43 mm/min 的工作台进给率。新刀具加工了两个轮机段 (640 mm)，刀具寿命延长了 100%。随后，通过将切削速度降低至 16 m/min 并将每刃进给量增加到 0.017 mm，应用工程师能够将刀具寿命进一步延长到 800 mm（刀具寿命延长 150%）。



航空航天部件



由于 HRSA 保持了高温强度并具有卓越的抗蠕变和耐腐蚀性，因此在现代航空航天发动机中，该合金的重量占 50% 之多。



ISO-S 材料在航空航天涡轮机中的应用类似于它在发电行业涡轮盘中的应用。然而，在很多情况下，航空航天应用的公差更紧密。例如，山高开发了专用于加工涡轮机叶片枞树形根部轮廓的刀具。在某些能源应用中，根部轮廓的公差在 10 微米的范围内，而在某些航空航天应用中，该轮廓公差则更紧密，介于 0 至 5 微米 (0 – 0.005) 之间。



结构钛合金



除了应用于涡轮机的低温段外，钛合金具有重量轻、强度大的特点，因此还可用于起落架等航空航天结构零件。起落架部件本身就非常大且坚固，在使用标准材料制造时，重量会更大。



用于制造更轻起落架的更新、更轻、强度更大的钛合金比之前使用的钛合金还要难以加工。一种最新开发的钛合金是钛 5553，由于其 5% 的铝含量、5% 的钼含量、5% 的钒含量以及 3% 的铬含量而得名。钛 5553 的优势在于具有 1160 MPa 的高抗拉强度，而 Ti6Al4V 参考材料仅为 910 MPa。更高的抗拉强度将切削速度限制到比加工 Ti6Al4V 时低 50% 的水平。



叠层合金



如果一种 ISO-S 材料就已崭露了加工难度，那么同时加工两种不同的材料则会带来更大的挑战。一些航空航天应用涉及到加工由不同材料的叠层组成的部件。该挑战是在提供充足切屑控制并且不产生振动或毛刺的条件下加工“夹层”或“混合”材料。



其中一个典型的例子是钛合金和不锈钢的组合。不锈钢和钛具有一些共性：强度相对较高并且具有粘性（切削材料易粘在立铣刀上）。



为了加工采用钛 6Al4V/奥氏体不锈钢叠层材料的发动机支架，山高提供的解决方案是应用专为加工钛合金而设计的硬质合金 Jabro JHP 770 刀具。该刀具拥有不同的刃口间距、径向后角和特殊成型的排屑槽。内冷通道最大限度地降低了工件粘性并清除了切屑。在加工叠层材料时，刀具先通过不锈钢然后再通过钛合金。整个过程采用了适用于更难加工材料（钛合金）的参数。考虑到该合金的导热性较低，采用了 50 m/min 的中等切削速度、0.036 mm/rev 的进给率以及 3 mm 的切削深度，以圆周插补铣进行递减。

Jabro JHP 770



HSS 备选



尽管硬质合金刀具在很多情况下彰显性能优势，但它并不是高效加工 ISO-S 材料的唯一方法。在某些情况下，



高速钢刀具是一款更加经济高效的选择。



很多大型的航空航天部件（如起落架零件）都采用钛合金或不锈钢实心坯加工而成。对于这些零件，直径高达 50 mm 的高性能 HSS 刀具能够切除大量材料。HSS 刀具在低转速、高扭矩的机床上非常高效，能够有效地对钛合金和不锈钢进行粗加工甚至是精加工。该刀具能够采用大切削直径和切削宽度，甚至在它的切削速度低于硬质合金刀具时，也可以提供具有竞争优势的金属切除率。



Jabro JCO710 HSS-Co 刀具是先进的 HSS 刀具的一个例子。该刀具的含钴量为 8%，硬度为 67 HRC，采用了抛光排屑槽（旨在减少摩擦和积屑瘤）以及可变面轮廓槽型（能够进行轻快切削和降低可导致不合格表面粗糙度值的颤振风险）。这些刀具用于加工大型钛合金零件时，可提供超过 800 分钟的刀具寿命。

Jabro JCO710 HSS-Co 刀具



结论



对于在关键应用中采用的 ISO-S 材料，制造商的加工目标是实现一流的质量、可靠的一致性和生产率。随着金属制造商不断开发出新的合金来满足日益严苛的高性能应用的需求，刀具制造商也创造出了能够克服 ISO-S 材料加工挑战的新刀具材料和策略，使制造商能够满足其加工目标。



附注



ISO-S 铣削策略



精心设计的刀具和切削策略组合有助于经济高效地加工 ISO-S 材料。



一种方法是高进给铣削。该方法将切削力从径向转为轴向，将较小的轴向切削深度与较大的工作台进给率相结合，能够产生可将热量从切削刃带走的更薄切屑，同时还减小了切削力，从而最大限度地减少振动，使加工操作更加稳定、可靠。除了减少热量生成和延长刀具寿命外，高进给铣削还能提供出色的金属切除率：比传统铣削快 200% - 300%。



高进给铣削可以采用多种刀具完成。例如，在山高全面的 Jabro 立铣刀系列中，JHF180 刀具专为加工硬度在 48 - 62 HRC 范围内的更硬钢和铬钴合金而设计。该刀具采用刚性 0.9 度锥颈设计，可减少刀具变形，能够进行深型腔铣削，并改善了表面粗糙度。刀具槽型经过精心设计，可将切屑顺利排出。该刀具非常适合高进给铣削应用，包括面铣、槽铣、斜坡铣、螺旋插补铣以及等高线加工。



ISO-S 材料的其他铣削策略取决于具体加工、工件材料和现有的机床。传统方法涉及轴向和径向切削深度的 1-1 平衡以及平均进给率。高性能加工（使用山高 HPM 系列等特制刀具进行）利用大轴向切削深度和100%径向切削深度来实现大金属切除量。高速加工也是一种备选方法，在该方法中，刀具采用相当低的径向切削深度和较大的轴向切削深度。该方法允许使用更高的切削速度来获得生产率。不同加工策略的高效实施取决于各种因素的组合，包括所用机床的能力以及能够处理大型程序和文件以实施加工工艺的 CNC 系统。



钛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产生过多热量，从而减少刀具和工件之间发生化学反应。尽可能地使用冷却液。锋利的切削刃有助于从工件上切下切屑，因此减小了切削力。此外，也可采用高进给策略。