聚焦航空航天業(yè)

■ 伊斯卡技術(shù)經(jīng)理 Andrei Petrilin

航空航天業(yè)不僅是切削刀具的最大消費(fèi)領(lǐng)域之一，而且是推動(dòng)切削刀具發(fā)展進(jìn)程的最重要因子之一。航空航天業(yè)的特點(diǎn)是通過(guò)不懈努力提高飛機(jī)部件的制造效率，提高飛行安全，減少潛在的環(huán)境損害。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，航空航天業(yè)必須不斷改進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，以在飛機(jī)遭受閃電和結(jié)冰等危險(xiǎn)因素造成損壞提高對(duì)飛機(jī)的保護(hù)。這轉(zhuǎn)而導(dǎo)致了一系列的工業(yè)需求，包括引進(jìn)需要采用新加工技術(shù)的工程材料；開(kāi)發(fā)相適配的機(jī)床和切削刀具。

許多用于制造飛機(jī)部件的材料的機(jī)械加工性都很差。鈦具有令人印象深刻的強(qiáng)度重量比，超級(jí)高溫合金（HTSA）在高熱負(fù)荷下不會(huì)失去強(qiáng)度，而復(fù)合材料則難以加工。為了提高生產(chǎn)率和產(chǎn)量，航空零件制造商必須使用能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)加工操作的機(jī)床。但是刀具作為整個(gè)制造系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，若其耐久性低，可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率降低，在這種情況下，刀具的影響權(quán)重明顯增大。來(lái)自航空航天領(lǐng)域的客戶都期望切削刀具能夠兼顧更高層面的性能和可靠性，刀具制造商們既面臨挑戰(zhàn)也受到了激勵(lì)，通過(guò)研發(fā)將非常規(guī)解決方案整合到其產(chǎn)品中，盡量滿足這些期待。

刀體材料

近年來(lái)，伊斯卡推出了包括IC 5820在內(nèi)的幾種專(zhuān)為航空航天材料設(shè)計(jì)的硬質(zhì)合金牌號(hào)。這些牌號(hào)結(jié)合了新的超細(xì)晶粒基體、先進(jìn)的硬質(zhì)CVD涂層和涂層后處理的優(yōu)點(diǎn)，大幅提高了抗沖擊韌性及耐熱性。采用這些牌號(hào)的刀片主要是用來(lái)銑削鈦的。精準(zhǔn)的濕式冷卻，特別是高壓冷卻（HPC），顯著改善了牌號(hào)的性能。

陶瓷，則是另一種刀具材料，有著比硬質(zhì)合金更高的紅硬性和更強(qiáng)的化學(xué)惰性。這意味著采用陶瓷加工確保實(shí)現(xiàn)更高的切削速度并避免擴(kuò)散磨損。伊斯卡的最新研發(fā)成果之一是用于加工高溫超級(jí)合金（HTSA）的整體陶瓷立銑刀系列。這些立銑刀由賽阿龍（SiAlON）制成，SiAlON是一種氮化硅基陶瓷，由硅（Si）、鋁（Al）、氧（O）和氮（N）組成。與整體硬質(zhì)合金刀具相比，該整體陶瓷立銑刀的切削速度可提高50倍，極大地節(jié)省了加工時(shí)間。

對(duì)于車(chē)削應(yīng)用，伊斯卡公司拓展了用于加工高溫超級(jí)合金（HTSA）的可轉(zhuǎn)位SiAlON刀片系列。通過(guò)對(duì)難加工的超級(jí)合金材料（如Waspaloy、不同等級(jí)Inconel和Rene）航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的車(chē)削，新刀片已證實(shí)了其高效加工性能。與其他氮化硅陶瓷相比，SiAlON陶瓷盡管具有更高的抗氧化性，但韌性較差。因此，確保SiAlON刀片可靠性的關(guān)鍵在于外加的刃口處理。伊斯卡已開(kāi)發(fā)出新的“TE”切削刃口形狀，以提高在粗加工和斷續(xù)切削這類(lèi)重載條件下的刀具壽命。

先進(jìn)的刃口形狀

改善切削刃形狀是刀具發(fā)展的一個(gè)重要方向。刃口形狀是一個(gè)理論和實(shí)驗(yàn)研究的課題，伊斯卡的研發(fā)團(tuán)隊(duì)積極采用3D計(jì)算機(jī)建模方式來(lái)尋找最佳的切削刃形狀，設(shè)計(jì)可轉(zhuǎn)位刀片的前刀面及可換刀頭。

新型F3S斷屑槽被用于最為普及的ISO車(chē)刀，諸如CNMG、WNMG和SNMG，是專(zhuān)為精加工高溫鎳基合金和特殊難加工材料而設(shè)計(jì)的。可確保切削流暢輕快，斷屑效果顯著。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的刃口幾何形狀所表現(xiàn)出的優(yōu)異加工性能，是切屑流建模的直接結(jié)果。

新型F3S斷屑槽用于ISO車(chē)刀

這款建模工具也可應(yīng)用于鉆孔加工的設(shè)計(jì)中。束魔變色龍鉆（SUMOCHAM）可換刀頭切削刃上設(shè)計(jì)有分屑槽，從而能實(shí)現(xiàn)在難切削的奧氏體不銹鋼及雙相不銹鋼上加工鉆深比達(dá)12×D的鉆孔。在采用切屑成形設(shè)計(jì)分屑槽的過(guò)程中，切屑流建模的貢獻(xiàn)極大。

靈活的定制化

航空航天產(chǎn)品在材料、尺寸規(guī)格、形狀及復(fù)雜性等方面迥然不同。為了加工如此多樣化的產(chǎn)品，航空航天業(yè)成為定制刀具的主要消費(fèi)群體。某生產(chǎn)鈦合金零件的客戶可能會(huì)對(duì)由標(biāo)準(zhǔn)系列套式可轉(zhuǎn)位銑刀和心軸組合刀具的解決方案感興趣；而另一生產(chǎn)類(lèi)似零件的客戶則可能更傾向于整體式專(zhuān)用銑刀，以直接安裝在機(jī)床主軸上。

伊斯卡研發(fā)的變形金剛立銑刀（MULTI-MASTER）系列和束魔變色龍鉆（SUMOCHAM）系列，均為可換式刀頭能夾持于不同結(jié)構(gòu)刀體的旋轉(zhuǎn)刀具，能確保用不同刀具裝配選項(xiàng)簡(jiǎn)化相關(guān)定制，并減少對(duì)昂貴定制產(chǎn)品的需求。

為了滿足航空航天業(yè)的需求，伊斯卡公司還通過(guò)增添一種連接螺紋規(guī)格來(lái)擴(kuò)展MULTIMASTER系列，將可換刀頭立銑刀的直徑范圍擴(kuò)張至32mm。

簡(jiǎn)化定制的另一個(gè)案例可以在伊斯卡最近推出的安裝于多軸機(jī)床和瑞士型機(jī)床的模塊式鉆頭中找到。這些鉆頭設(shè)計(jì)結(jié)合了束魔變色龍鉆和FLEXFIT模塊式螺紋連接。多軸和瑞士型機(jī)床通常加工空間有限，這意味著加工刀具必須盡可能的短，以避免發(fā)生碰撞，便于安裝。通過(guò)將帶有FLEXFIT螺紋接口的規(guī)格多樣的接柄與同樣規(guī)格多樣的圓柱柄相配對(duì)，可有效對(duì)鉆頭實(shí)施精確匹配，最大限度地縮短刀具懸伸。

結(jié)合SUMOCHAM和FLEXFIT螺紋連接的模塊式鉆頭

鋁材加工

雖然加工鋁表面上看起來(lái)是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的作業(yè)，但實(shí)際上對(duì)鋁的有效切削代表了一個(gè)具有其自身規(guī)律和挑戰(zhàn)的技術(shù)領(lǐng)域。

為了提高鋁件銑削的生產(chǎn)率，促成金屬去除率更高，特別是針對(duì)大型航空航天結(jié)構(gòu)件，機(jī)床制造商開(kāi)發(fā)了主電動(dòng)機(jī)功率高達(dá)150kW，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)3 300r/min的銑床。為了滿足這樣的加工需求，伊斯卡拓展了其90°主偏角可轉(zhuǎn)位銑刀系列，推出夾持大尺寸刀片的銑刀，能實(shí)現(xiàn)的最大切削深度為22mm。該銑刀的設(shè)計(jì)確保即便在超高轉(zhuǎn)速下也不會(huì)因高離心力導(dǎo)致刀片在徑向發(fā)生位移。這一概念保證在轉(zhuǎn)速高達(dá)31 000r/min時(shí)也能執(zhí)行可靠的銑削加工。

在孔加工方面，伊斯卡開(kāi)發(fā)了裝夾于DR-TWIST鉆頭的可轉(zhuǎn)位刀片，用于鋁加工。新刀片周邊精磨處理，具有鋒利切削刃，前刀面拋光處理不僅使得切削更輕快，還能預(yù)防切屑粘結(jié)在刀片上。

針對(duì)航空航天領(lǐng)域的刀具項(xiàng)目，伊斯卡遵從以下幾個(gè)原則：滿足該行業(yè)的復(fù)雜需求；兼顧金屬加工的趨勢(shì)；加強(qiáng)與刀具消費(fèi)者的合作伙伴關(guān)系。伊斯卡認(rèn)為，這種三管齊下的方法可以確保高效加工難切削材料的創(chuàng)新思想的成功實(shí)現(xiàn)，而這些材料恰好具備這個(gè)具有挑戰(zhàn)性動(dòng)態(tài)領(lǐng)域的特點(diǎn)。