難加工材料的加工技術(shù)和刀具特性研究

　　導(dǎo)讀：要想最大限度地發(fā)揮新開發(fā)的金屬切削技術(shù)的優(yōu)勢，關(guān)鍵因素在于了解如何以最佳的方式使其適用于特定應(yīng)用。隨著在高溫合金和鈦基合金等高性能工件材料方面繼續(xù)取得進展，刀具制造商還將繼續(xù)為新合金的加工工藝設(shè)計最大限度提高生產(chǎn)率的新方法。

　　工件材料的ISO S 分類包括高溫合金 (HRSA) 和鈦合金。這些材料的熱硬度和熱強度使其能夠廣泛應(yīng)用于航空航天、能源和其他領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用。但是，這些合金的有益屬性也帶來了不同于傳統(tǒng)鋼鐵加工的加工特性。為應(yīng)對這一問題，刀具制造商已開發(fā)出一系列產(chǎn)品和應(yīng)用策略，用于解決材料可加工性難題，并實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定和相對經(jīng)濟的 ISO S 材料組合金加工。

　　如今，這些刀具制造商還力求為生產(chǎn)商提供有關(guān)新型刀具和策略的培訓(xùn)，并且說服機床技工重新考慮過時的加工技術(shù)，這些技術(shù)很可能將無法適用于當今的先進材料。 可加工性因素 術(shù)語“可加工性”描述了金屬對加工工藝的反應(yīng)�？杉庸ば园�括四個基本因素：加工中產(chǎn)生的機械力、切屑形成 和排屑、熱量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移，以及刀具磨損和故障。其中任何因素或全部因素的過度作用均會導(dǎo)致材料被視為“難以加工”。

　　如果試圖將過去幾十年來用于鋼鐵等材料的相同刀具和技術(shù)用于高溫合金和鈦合金加工，就會造成刀具壽命、加工時間和可靠性以及零件質(zhì)量方面的可加工性問題。最近幾年中，刀具開發(fā)時才考慮了鎳基合金和鈦基合金。加工這些相對較新的材料并不一定比加工傳統(tǒng)金屬更困難，這其實是兩種不同的加工類型。

　　例如，加工“難加工”材料的通常方法是謹慎操作，并使用較低的切削參數(shù)，包括減小的進給率、切削深度和速度。然而，使用專為這些高性能工件材料開發(fā)的刀具時，基本準則反而是增加切削深度和進給率。旨在處理這些較高參數(shù)的刀具含有細粒度硬質(zhì)合金材質(zhì)等級，可提供良好的高溫刃口強度和鍍層粘附性，并且特別注意對加工硬化的工件造成的溝槽磨損的耐受性。此外，刀具制造商還開發(fā)了陶瓷和 PCBN 刀具，用于對這些高性能合金進行粗加工和精加工。

　　對于特定可加工性因素，高溫合金在機械或與力相關(guān)的問題方面與堅韌的鋼鐵材料并無很大差別。但是，在熱量的產(chǎn)生和散熱方面，它們之間有著顯著差異。金屬切削過程中產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致工件材料變形，而切削過程中產(chǎn)生的切屑能夠帶走熱量。然而，這些材料產(chǎn)生的分段式切屑通常無法提供良好的散熱效果。

　　此外，耐熱材料本身就是不良導(dǎo)熱體。切削區(qū)的溫度可達 1100° - 1300° C，當熱量無法消散時，就會在刀具和工件上積聚，并最終導(dǎo)致刀具壽命縮短，甚至造成工件變形和冶金學(xué)特性的改變。

　　要解決這一問題，就需要改變對刀具強度的認識。通常認為刃口鋒利的刀具較為脆弱，但控制刀具溫度積聚的方法之一正是使用鋒利的刀具，鋒利刀具能切削更多的材料并減少材料變形，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(shè)計的刀具，并在具有充足功率、穩(wěn)定性和抗振性的機床上使用。

　　應(yīng)變硬化和沉淀硬化的趨勢也增加了高溫合金加工的復(fù)雜性。在應(yīng)變硬化中，切削區(qū)內(nèi)的材料在受到切削過程的應(yīng)力和高溫作用時變得更硬。鎳基和鈦基合金表現(xiàn)出比鋼更大的應(yīng)變硬化趨勢。而在沉淀硬化中，當高溫激活本應(yīng)處于靜止狀態(tài)的合金元素時，工件材料中會形成硬點。

　　無論哪種趨勢，材料的結(jié)構(gòu)都可能會在第一次走刀后即發(fā)生顯著變化，二次走刀后將能夠穿透硬度更大的表面。而這正是將走刀次數(shù)降至最低的解決方案。例如，與其使用兩次 5 mm 切深的走刀切除 10 mm 的材料，不如使用一次 10 mm 切深的走刀。盡管在許多情況下無法實現(xiàn)一次走刀加工，但這仍是理論上能夠?qū)崿F(xiàn)的目標。

　　這種方法還要求重新考慮精加工工藝，傳統(tǒng)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(shù)的可能性，這樣才能改善刀具壽命和表面粗糙度。

　　用于精加工走刀的稍微加大的切深還可將切削刃最鋒利的部分置于零件的任何應(yīng)變硬化或沉淀硬化區(qū)域的下方。然而，過深的精加工走刀可能產(chǎn)生振動并對表面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(guān)鍵。

　　可靠性和經(jīng)濟性

　　憑借如今專為鎳基和鈦基合金開發(fā)的刀具和策略，完成加工基本上不會有技術(shù)問題。持續(xù)挑戰(zhàn)不僅僅在于加工工件，還在于在規(guī)定的時間內(nèi)以規(guī)定的成本正確地進行工件加工。目標是改善工藝可靠性和生產(chǎn)經(jīng)濟性。

　　考慮到先進工件材料和由其制成的零件成本較高，因此加工工藝必須絕對可靠。生產(chǎn)商無法承擔(dān)在尋求可靠加工工藝的同時生產(chǎn)報廢件的損失。使用適當?shù)牡毒吆图庸�參�?shù)有助于確保穩(wěn)定的加工結(jié)果。

　　就加工參數(shù)而言，增加切深和進給率有助于提高生產(chǎn)率。更高的切削速度還可加快零件加工，但這一有利條件尚未得到充分開發(fā)利用。目前在鎳基和鈦基合金中所用的速度仍然低于鋼材中的速度。不過目前的研究重點是開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)更高切削速度并仍然保持合理刀具壽命的刀具屬性。

　　除了刀具，金屬切削工藝的其他部件（如使用高壓定向輸送冷卻液 (HPDC) 系統(tǒng)）還有助于提高生產(chǎn)率。如果 ISO S 材料的切削速度為 50 m/min，HPDC 可使切削速度高達 200 m/min，從而使產(chǎn)量提高四倍。

　　在加工高溫合金時，刀具壽命是另一個可從新視角加以審視的因素。刀具壽命的傳統(tǒng)測算方法是計算刀具需要更換前的切削分鐘數(shù)。另一種測算方法則是計算成本。

　　例如，如果生產(chǎn)特定工件需要 2 個小時，且必須每 20 分鐘更換一次刀具，則必須購買 6 個刀具才能完成零件的加工。按照這個思路，目標將是降低刀具成本，并獲得 30 分鐘的刀具壽命，而非 20 分鐘。

　　然而，在加工采用高溫合金或鈦合金制成的昂貴零件時，刀具成本不過占零件總體價值的很少一部分。因此，刀具利用率（也稱作刀具的利用指數(shù)）才是更相關(guān)的測算方式。在比較兩種示例刀具時，如果一種刀具維持 10 分鐘并生產(chǎn)一個工件，則刀具成本為每工件一個刀具。另一種刀具，以不同方式使用，可能僅維持 5 分鐘，但生產(chǎn)兩個零件。即便第二種刀具的壽命按照分鐘來計算比第一種刀具少了一半，但零件產(chǎn)量增加了一倍。目標是以可接受的價格在最短時間內(nèi)生產(chǎn)出最大數(shù)量的合格工件�？紤]到高溫合金零件的成本較高，因此刀具利用指數(shù)才是更好的真實生產(chǎn)率測算標準。

　　不銹鋼，在約 100 年前就以各種形式取得了專利，成為邁向現(xiàn)代高溫合金的第一步。在第一種不銹鋼合金中，為抗氧化和腐蝕，向鋼中添加了鉻 – 在基礎(chǔ)不銹鋼合金中，鉻含量至少占總重量的 10.5%。接著，為改善不銹鋼的硬度和剛度，又添加了鎳。隨著合金被應(yīng)用于越來越嚴苛的環(huán)境中，鎳的比例也隨之提高，最終，鎳成為了該材料中的主要合金元素。在今天為人熟知的高溫合金 718（商品名稱為 Inconel 718）中，鎳含量為 50% 至 55%、鉻含量為 17% 到 21%，其他元素占 10%，剩余成分為鐵�，F(xiàn)代的高溫合金和鈦基合金具有優(yōu)異的強度、耐熱性、耐腐蝕性以及穩(wěn)定性。  

　　在面對這些難加工的新工件材料時，生產(chǎn)商首先應(yīng)嘗試使用熟悉的加工實踐。然而，只有在他們采用了專門用于這些特定材料和加工的刀具和技術(shù)時，才能真正獲得最大的生產(chǎn)率�！�