聚焦航空航天業

■ 伊斯卡技術經理 Andrei Petrilin

航空航天業不僅是切削刀具的最大消費領域之一，而且是推動切削刀具發展進程的最重要因子之一。航空航天業的特點是通過不懈努力提高飛機部件的制造效率，提高飛行安全，減少潛在的環境損害。為了實現這些目標，航空航天業必須不斷改進飛機發動機和機身結構件的設計，以在飛機遭受閃電和結冰等危險因素造成損壞提高對飛機的保護。這轉而導致了一系列的工業需求，包括引進需要采用新加工技術的工程材料；開發相適配的機床和切削刀具。

許多用于制造飛機部件的材料的機械加工性都很差。鈦具有令人印象深刻的強度重量比，超級高溫合金（HTSA）在高熱負荷下不會失去強度，而復合材料則難以加工。為了提高生產率和產量，航空零件制造商必須使用能夠實現先進加工操作的機床。但是刀具作為整個制造系統中最薄弱的環節，若其耐久性低，可能會導致生產率降低，在這種情況下，刀具的影響權重明顯增大。來自航空航天領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也受到了激勵，通過研發將非常規解決方案整合到其產品中，盡量滿足這些期待。

刀體材料

近年來，伊斯卡推出了包括IC 5820在內的幾種專為航空航天材料設計的硬質合金牌號。這些牌號結合了新的超細晶粒基體、先進的硬質CVD涂層和涂層后處理的優點，大幅提高了抗沖擊韌性及耐熱性。采用這些牌號的刀片主要是用來銑削鈦的。精準的濕式冷卻，特別是高壓冷卻（HPC），顯著改善了牌號的性能。

陶瓷，則是另一種刀具材料，有著比硬質合金更高的紅硬性和更強的化學惰性。這意味著采用陶瓷加工確保實現更高的切削速度并避免擴散磨損。伊斯卡的最新研發成果之一是用于加工高溫超級合金（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，極大地節省了加工時間。

對于車削應用，伊斯卡公司拓展了用于加工高溫超級合金（HTSA）的可轉位SiAlON刀片系列。通過對難加工的超級合金材料（如Waspaloy、不同等級Inconel和Rene）航空發動機零件的車削，新刀片已證實了其高效加工性能。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刀片可靠性的關鍵在于外加的刃口處理。伊斯卡已開發出新的“TE”切削刃口形狀，以提高在粗加工和斷續切削這類重載條件下的刀具壽命。

先進的刃口形狀

改善切削刃形狀是刀具發展的一個重要方向。刃口形狀是一個理論和實驗研究的課題，伊斯卡的研發團隊積極采用3D計算機建模方式來尋找最佳的切削刃形狀，設計可轉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車刀，諸如CNMG、WNMG和SNMG，是專為精加工高溫鎳基合金和特殊難加工材料而設計的。可確保切削流暢輕快，斷屑效果顯著。經過設計的刃口幾何形狀所表現出的優異加工性能，是切屑流建模的直接結果。

新型F3S斷屑槽用于ISO車刀

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

靈活的定制化

航空航天產品在材料、尺寸規格、形狀及復雜性等方面迥然不同。為了加工如此多樣化的產品，航空航天業成為定制刀具的主要消費群體。某生產鈦合金零件的客戶可能會對由標準系列套式可轉位銑刀和心軸組合刀具的解決方案感興趣；而另一生產類似零件的客戶則可能更傾向于整體式專用銑刀，以直接安裝在機床主軸上。

伊斯卡研發的變形金剛立銑刀（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構刀體的旋轉刀具，能確保用不同刀具裝配選項簡化相關定制，并減少對昂貴定制產品的需求。

為了滿足航空航天業的需求，伊斯卡公司還通過增添一種連接螺紋規格來擴展MULTIMASTER系列，將可換刀頭立銑刀的直徑范圍擴張至32mm。

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

結合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是一個非常簡單的作業，但實際上對鋁的有效切削代表了一個具有其自身規律和挑戰的技術領域。

為了提高鋁件銑削的生產率，促成金屬去除率更高，特別是針對大型航空航天結構件，機床制造商開發了主電動機功率高達150kW，主軸轉速達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°主偏角可轉位銑刀系列，推出夾持大尺寸刀片的銑刀，能實現的最大切削深度為22mm。該銑刀的設計確保即便在超高轉速下也不會因高離心力導致刀片在徑向發生位移。這一概念保證在轉速高達31 000r/min時也能執行可靠的銑削加工。

在孔加工方面，伊斯卡開發了裝夾于DR-TWIST鉆頭的可轉位刀片，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，還能預防切屑粘結在刀片上。

針對航空航天領域的刀具項目，伊斯卡遵從以下幾個原則：滿足該行業的復雜需求；兼顧金屬加工的趨勢；加強與刀具消費者的合作伙伴關系。伊斯卡認為，這種三管齊下的方法可以確保高效加工難切削材料的創新思想的成功實現，而這些材料恰好具備這個具有挑戰性動態領域的特點。