刀具企业共对难加工材料

由于飞机对更轻、载重量更大、远航程等的要求,在零部件的加工中,难加工材料得到了广泛应用。如何破解“难题”,一些刀企提出了“解决方案”。
据有关部门统计,2010年中国北京首都机场完成旅客吞吐量0.74亿人次,仅次于美国亚特兰大机场,居*二。同时,中国自主研制的c919大型客机项目已完成初步设计,2014年实现首飞。以歼10为代表的新型战斗机已经装备,以arj-21、新舟700等支线为主的民用飞机的制造也上了一个新的台阶。
飞机设计的发展与全新材料的发展齐头并进。现在的飞机要求能飞得更远、更快、载重量更大。与此同时,飞机使用更少的燃料,这意味着污染物的排放量更少、成本更低。*的航空产品要求航空零部件具有更优异的性能、更低的成本和更高的环保性。为了满足航空产品高精度、率、高可靠性等的要求,越来越多的钛合金、复合材料等新型难加工材料被广泛用于航空产品的加工制造中。
我们都知道,钛合金的强度与钢件相当,但是重量只有钢件的40%,是铝合金的两倍,仅比铝高60%,并且钛合金具有*的强度重量比和优异的耐腐蚀性。据飞机制造商透露,目前使用钛合金的工件比以往翻了二倍多。波音梦想客机及空中客车a350xwb等新型飞机中,钛合金材料的使用已经由以往的7%提高到了15%-20%。同时ti-5553与ti10-2-3等新型钛合金材料已经广泛用于制造起落架,特别是用于新一代的宽体飞机上。以碳纤维增强塑料(cfrp)为代表的复合材料,因其良好的抗蚀性能和低的热膨胀、高的强度重量比,被广泛应用于机翼主梁、机翼和机身蒙皮的制造。
新材料的出现给航空业带来了巨大的挑战和机遇,也必将推动刀具制造业的发展。本文主要介绍航空业钛合金以及复合材料的刀具解决方案。
钛合金加工解决方案
制造商们需要具备更高的加工钛的能力——也包括加工新的ti5553。在新的载客量为210-330人的梦幻飞机上,例如,钛、钢和铝的含量3倍于上一代飞机。曾经高强度钢材质的起落架都变成了钛合金;曾经的铝制机身都变成了钛合金和复合材料;梁、滑杆,以往由高强度钢300m制成,现在可以是ti5553或ti10-2-3。
钛合金加工具有一定的挑战性。即使在的切削条件下,加工zui常加工的钛合金,其加工时间也会十倍于加工铝合金,四倍于加工高强度钢。
对钛合金进行加工时,非常低的热传导系数、相对比较低的弹性模量和鲜明的橡胶特性趋势三个因素会严重影响刀具的寿命。切削热主要集中在切削刃上,而不会像加工钢件一样被铁屑带走。由于切深相对较浅,所以刃口的很小区域必须能够承受*的热负荷和机械负荷,这就决定了必须采用冷却液加工。而较低的材料弹性模量非常容易引起振动,而材料同时具有鲜明的橡胶特性趋势,易使切削刃产生积屑瘤,所以切削速度必须大幅下降。
据了解,伊斯卡公司已经开发出了用于钛合金加工的铣削系列、车削系列、孔加工系列。这些刀具在加工主流钛合金时,其金属去除率比平均水平高出40%以上。
来自一个航空工业生产一线操作者的报告反映出,仅仅将合号更新为ic380,在加工钛合金及超级合金时,刀片每切削刃寿命就提高了一倍。
铣削钛合金时,刀片的两种典型失效形式是:切削刃上产生崩刃,热裂,导致刀片寿命的降低。为防止切削刃产生崩刃,伊斯卡研发部门开发了一款韧性高的,强固的硬质合金基体。
应对切削条件不佳时钛合金的粗铣加工,采用韧性高的基体可有效延长刀具寿命。在一些应用中,对比其他任何硬质合号,其刀具寿命可达三倍甚至更长。
刀具可靠性的另一个保障来自于束魔涂层(sumotec)技术,该技术于2007年底面巿,涂层后处理技术使得涂层表面光滑,提高了刀具性能,降低了切削区域的摩擦。目前,此涂层技术已广泛应用于伊斯卡铣刀、车刀、孔加工刀具,用以应对钛合金的加工。来自zui初更新刀具的机身制造商的反馈报告显示,仅仅更新刀片牌号,加工钛合金机身,就能有效提升刀具性能25%-40%。
螺旋刃蝴蝶铣刀(helitang),设计意图直指重型粗铣,现已有带锋利切削刃,后刀面抛光的刀片问世,是加工钛合金的理想刀具。当整体硬质合金铣刀的制作达到了高精度和高光洁度,飞碟铣刀系列(feedmill)就可以用于加工钛合金。基于不等齿距铣刀原理,增添至精加工波形刃(finishred)家族的粗精复合特性立铣刀也可用于加工钛合金。更新的dr-twist系列,采用更*的刀片形状加工铝合金工件,刀片规格为sogx,带4个切削刃,可直接夹持标准的dr-twist钻杆。刀片周边磨制,切削刃非常锋利,卷屑槽专为加工铝合金而设计。采用此刀片,在保障孔加工的高精度的同时,可极大地提高切削速度及进给。刀片表面抛光处理,使得卷屑时可避免积屑瘤现象的产生,提高刀片每切削刃寿命,同时保持高精度钻削表现。
在钛合金加工方面,secojabro也有出色表现,目前研发出一种的长切削刃精加工钛合金铣刀解决方案。此刀具标准切削刃长为5倍直径,刃长从40mm到180mm不等。它的主要特点为在切深为5倍直径的超大切深下,保证加工表面的垂直度与粗糙度,这在起落架与发动机托架等产品上的应用非常广泛。以下是这款产品在新加坡新宇航空公司的应用:
刀具:os1025-003,刀具直径dc=32*r12.5,刃长l80mm
机床:moriseiki加工中心
工件材料:ti-17
切削液:8%乳化液
线速度:vc=50m/min(此参数为设备原因,通常推荐为vc=120-150m/min)
进给速度:fz=0.3,vf=300mm/min
切削深度:ap=180mm
切削宽度:ae=0.3-0.5mm
刀具寿命:>40小时
表面垂直度:0.013mm/180mm
加工结论:比竞争对手提高4倍,表面质量提高10倍,垂直度提高6倍。
瓦尔特-普瑞特protostar®ti40是整硬粗加工立铣刀,可用于钛合金加工。
另一家刀具制造商——瓦尔特公司,针对钛合金的加工,强调“专业的钛合金加工需要优化的刀具方案”。瓦尔特开发的duoprotostar®ti40/ti45整体硬质合金铣刀,在刀具的设计上,采用了抛光的前刀面,使用alcrn涂层并带内冷。抛光的前刀面可以带来的切削去除,而alcrn涂层并带内冷则可以大大地提高钛合金加工的质量和效率。在空客的一个项目中,ti40刀具使一个ti6al4v材料工件的加工寿命增加了2倍。zui高切削量达到了80cm3/分钟(vc=25m/分钟),并达到了hss-e刀具加工的直径32mm。这是空客1990年到现在达到这样的效果,是*次效率改进。
新一代的整硬刀具在25mm加工直径的情况下,创造了一个*,达到了160-200cm3/分钟(vc=50-60m/分钟)。针对大型工件或是金属去除率较大的加工应用中,瓦尔特提供了其标志性的带pvd氧化铝涂层的tiger.tec®材质(“pvd-tiger”)可转位刀具,主攻包含钛合金材料的(iso-s)材料组。对于ti5553合金这样需要高强度的材料,瓦尔特提供了其zui可靠和zui稳定的wsp45pvd-tiger.tec®。
复合材料加工解决方案
近年来,包括飞机机身、机翼、起落架,甚至航空发动机也开始使用复合材料。如果我们对比波音777-200和波音787-8,前者铝合金材料占飞机总重量的70%,复合材料为10%,而后者铝合金所占比重为15-20%,复合材料则大幅提升到50%。在个人豪华公务机上,如spnvantage的复合材料的使用率甚至达到了90%。
在航空工业中,zui常见的复合材料是碳纤维增强塑料(cfrp),其孔质量通常根据一些极限定义,往往涉及以下方面:尺寸和椭圆度公差、表面光洁度和毛刺形成、直线度和中心线垂直度、桶形和喇叭口。当迭有铝合金或钛合金时,经过切削刀具有效排屑显得尤为重要,因为金属切屑会损坏复材孔表面。其挑战是既要获得满意的质量一致性,又要确保操纵员安全,但zui为重要的是制造成本要具有竞争力。
碳纤维增强塑料(cfrp)材料的厚度相对较小,不论机织或单向带结构中往往都是浅孔加工。典型工艺要求包括表面光洁度在ra4.8微米之内,加工孔径周边分层不超过1mm,并且无破裂。切削速度不当,会引起工件剥落和微崩,并形成毛刺。对于迭板材料来说,通常对表面光洁度的要求是复材层小于ra3.2微米,金属层ra1.6。孔公差范围在±0.02mm-0.04mm之间,并且碳纤维增强塑料(cfrp)部分不允许金属切屑熔蚀痕迹。当孔径公差小于±0.025mm的孔公差通常需要进行铰削。
secojabro针对不同的复合材料加工推出了全系列的全新的刀具,所有这些刀具均为加工复合材料的金刚石dura涂层。其中菠萝铣刀,主要是用于加工不同复合材料,具有广泛的通用性。低螺旋角铣刀主要用于加工玻璃纤维和碳纤维,可以分为2-3层来使用。左旋/右旋铣刀主要用于加工碳纤维和玻璃纤维,左旋/右旋可以抵消轴向切削力,从而消除加工毛刺。断屑铣刀主要用于加工蜂窝材料(常见的为纸蜂窝、铝蜂窝、钛蜂窝和高温合金蜂窝)与三明治复合材料(如碳纤维+蜂窝+碳纤维,碳纤维+蜂窝+铝,钛+蜂窝+铝,钛+铝等)。还有一种球头铣刀,主要用于仿形加工,如对起落架的加工。
seco的左旋/右旋刀具目前已经在波音787的机身复合材料加工上得到大量使用,加工出的工件表面没有任何毛刺,刀具的寿命更是比竞争对手提高了50%。
刀具:secojabrojc840100r050-dura刀具直径10mm
机床:cms高速铣削中心
冷却:粉尘吸收系统
材料:cfrp碳纤维
切削宽度:开槽10mm
切削深度:板厚10mm
切削速度:vc=420m/min
进给量:fr=0.12mm/r
适合复合材料孔加工的corodrill452钻头、铰刀和锪钻系列。
针对复合材料的孔加工,山特维克可乐满公司与precorp公司合作,利用业内长期积累的经验,专为复合材料解决方案而开发了全新的452系列标准钻头、铰刀和锪钻,以求地加工航空工业内zui常见的螺栓孔和铆钉孔。corodrill452标准钻头专为碳纤维增强塑料(cfrp)和碳纤维增强塑料(cfrp)金属迭层孔加工的手动风钻应用而设计。对于452-c系列产品(用于cfrp),是已经证明的具有诸多优点的结合体。获得的设计组合-左旋螺旋槽与右手型钻头促进了平稳的切削作用,并且zui小化或*消除了抓取效应。长而锋利的切削刃倒锥为所有纤维干净整齐的切削提供了相对较大的剪切角。*的排屑槽与钻尖结构不仅可提供的孔圆度,同时将钻削轴向力zui小化。切削时仅需很低的进给力,对复材的孔出端损伤做到zui小。用于金属迭层钻削的corodrill452.1定制钻头,带有内冷却孔,切削力低,还可以为选择钻头是否集成预钻部分。此举是为了降低因材料间加工特性不同所产生的差异,并提供更高的孔精度和光洁度。在不同的材料迭层之间其孔尺寸的差异极小,并消除了孔出口毛刺。金属迭板钻头有双刃带设计可确保加工过程的稳定性,由此刀具的性能和产品质量都有进一步的提升。自定心钻尖设计使得钻削整个复材金属迭板材料更为顺畅、很容易保障孔精度。
复合材料工件在加工过程中,容易遭受伤害,且刀具磨损率之高也是令人无法接受的。
操作不仔细或操作不当,复合材料的加工过程可能损害工件(如底层分层钻孔时)。前沿的铣刀、镗刀,可为加工复合材料提供*的解决方案,伊斯卡的pcd(金刚石)刀具,因其磨损小而被用户普遍接受。

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