數控機床

      上海, 2015 年 03 月 - 創新的工程技術推動了醫療、發電和航空航天等關鍵行業中零件生產（chǎn）的高速發展。這些行業的精（jīng）密零部件，要求工件材料能夠提供高耐熱性和耐磨性、極佳（jiā）的剛度以及堅如磐（pán）石的質量和可（kě）靠性（xìng）。這類材料的典型（xíng）代表是 ISO-S 合金，也就（jiù）是鎳基、鈷基和鐵基高溫合金 (HRSA) 以及鈦（tài）合金。

      這些材料的熱硬度、強度、抗蠕變和耐腐蝕性非常好，使其廣（guǎng）泛應用（yòng）於關鍵應用（yòng）領域中。

      然而，這些合金的有益屬性也帶來了不同於傳（chuán）統鋼鐵加工的（de）加工特性。ISO-S 材料的加工之所（suǒ）以具有挑戰性，是因為合金的熱傳遞較差（chà），也稱為導熱性低。加工（gōng）時產生的熱量（約 1100 至 1300 攝氏度）被刀具和工件吸收，而（ér）沒有被切屑帶走。因（yīn）此（cǐ），刀具壽命受到影響，並且會造成零件變形。此外，在加（jiā）工時，這些合金（jīn）還具有發生應變硬化和沉澱（diàn）硬（yìng）化的趨（qū）勢，增大了切削力並進一步縮（suō）短刀具壽命。最後，這些材料的粘性行為會產生不（bú）受控製的積屑瘤 (BUE) 和溝槽磨損。這（zhè）種粘（zhān）性也被稱為材料的（de）延展（zhǎn）性，這是一（yī）種常見於鋁等軟（ruǎn）質材料的特性。

      考慮到 ISO-S 材料加工的（de）難度以及相關零（líng）件的成本，製造商對加（jiā）工改進的追求就主要集中在零件可（kě）靠性和質（zhì）量（liàng）上，其次是縮短加工周期。最大限度地發揮（huī）這（zhè）些高性能合金的優勢需要采用先進的刀具和加工（gōng）應用（yòng）策略。刀具製造商不斷地對（duì）這些刀具和加工技術進行優化，以便為特定行業的應用提供高效、可（kě）靠的解決方案（àn）。

       醫療應用

      為確保（bǎo）正常工作，並避免人體產生排異反應，醫（yī）療植入物必須具有化學惰性並且能夠完（wán）全耐受（shòu）體液的腐蝕。由於ISO-S 材料具有出色的生物相容性和耐腐蝕性，因此成為各種整形外科、牙科（kē）和其他醫療組件的絕佳基材。醫療（liáo）植入物的（de）製造正在快速發展。工業發達地區的人口平均年齡不斷增長，人口的平均（jun1）體（tǐ）重也是如此。這兩個因素都會對膝關節和髖關（guān）節的磨損產生直接影響，從而（ér）產生了關節置換需求。牙科植入物也隨著人（rén）們對美容和牙齒健康問題的日益（yì）重視而逐漸普及。

      膝關（guān）節置換組件

      膝（xī）關節置換物由兩（liǎng）個基本組（zǔ）件構成。股骨組件模擬股骨末端的圓形髁狀突起，連（lián）接至大（dà）腿骨（股骨）。在另一端，股骨組件扣在聚合物杯內（nèi），而聚（jù）合物杯安（ān）裝在第二個（gè）基本組件（jiàn）中，即連（lián）接至小腿骨（脛骨）頂部的鈦合金托架。

      ISO-S 材料具有較差的熱（rè）傳遞性，因此在大多數加工作業中都必須使用冷卻液。然而，醫療監（jiān）管機構對殘留冷卻液造成的汙染有嚴格規定，並且要求進行嚴格（gé）且耗時的清潔流程。因此，刀具製造商正在開發醫療零件（jiàn）的“幹式”加工方法，無需使用冷卻液（yè）或乳化液。例（lì）如（rú），山高開（kāi）發的無需冷卻液的解決方案，采用專用 T型槽刀具和（hé）成型立銑刀（dāo）來加工 Ti6Al4V 鈦合金脛骨托架。這種加工（gōng）可在 10 分鍾內完成（chéng），而且還實現了良好的刀具壽命、絕佳的產品質量（liàng）和（hé）無汙染的零件（jiàn）。

      HQ_IMG_Jabro_Tool_Assortment.jpg

      該 Jabro 刀具品種包括四種定製解決方案和兩種標準解決（jué）方案，非常適合醫療零件製（zhì）造商對脛骨托架組件進行加工。

      為減輕 ISO-S 合（hé）金較差熱傳遞性的影響，另一種解（jiě）決（jué）方案是（shì）用銑削加工代替（tì）磨（mó）削加工。長時間的磨削加工所產生（shēng）的熱量會在零件中（zhōng）產生拉應力並使零件變形；一家製造商發現股骨膝關節組件在磨削後（hòu）經常超出尺寸規格，導致廢品率達 20% 至 30%。

      為了解決這（zhè）一問題，山高應用工程（chéng）師開發出（chū）了五步加工（gōng）法（fǎ），用於在機床上對股骨組件進（jìn）行加（jiā）工。該工藝（yì）采（cǎi）用球頭立銑刀和帶有中心鎖定係統的夾具，使零（líng）件（jiàn）能夠在（zài）加工（gōng）過程中（zhōng）旋轉。這種仿形銑削方法非常適合加工這種複雜零（líng）件，因為這些複雜的3D 零件常常用到剛性較低的夾具。整個加工的切削時間約為 7 分鍾。加工完成後，僅需要進行拋光，並且該拋光過程所花費的時間（jiān）要少於磨削後再進行拋光（guāng）所用的時間。

      小型（xíng）牙科零件（jiàn）

      特殊的加工方法有助（zhù）於克服 ISO-S 材料的加工挑戰（zhàn）。高進給銑削策略（luè）（參見附（fù）注）既可提（tí）高生（shēng）產率（lǜ），又能延長刀具壽命。在對鈷鉻合（hé）金鋼製成的（de）牙科組件進行粗加（jiā）工（gōng）時，采用了山高 Jabro 立銑刀（dāo）係列中的（de） 3 mm 直徑JHF 180 刀（dāo）具，其中工作台進給率為 4000 mm/min，軸向切削深度為 2 mm，徑向切削深度為 0.2 mm，切削（xuē）速（sù）度為 66 m/min。在鈷（gǔ）鉻合金鋼加（jiā）工中，刀具壽命為（wéi） 175 分鍾。

      許多小型醫療和牙（yá）科組件都是（shì）在實驗室（shì）和牙（yá）科診所中的緊湊型高速（sù）機床上加工的。這些機床采（cǎi）用的小型（xíng）刀具必須能夠承受在小（xiǎo）型植（zhí）入物和其他零件上進行仿形加工時快速變化的切（qiē）屑負荷。為滿足這種需求，山高開發了（le）Jabro Mini JM905 和（hé） JM920 刀具。這些刀具提供 4 刃型（xíng）號，直徑從 0.1 mm 至 2.0 mm 不等，並（bìng）采用可達 16x D 的長懸（xuán）伸長度。盡管尺寸較小，但它們可以提供特（tè）殊小型零件生產所需的強度和穩定性（xìng），並且尺寸滿足典型工件的要（yào）求（qiú）。

      HQ_IMG_Jabro_Mini_Application.jpg

      發電

      ISO-S 材料（liào）在（zài）全球發電行業中的應用也日益廣泛。雖然當前的（de）重點是發展（zhǎn）風能、水能和太陽能等“綠色”能源，但是目前全球電（diàn）力的 60% 以（yǐ）上都是通過燃料生產的（de）。大部分發電都涉及燃氣和蒸汽輪機的使用。不僅於此，人們還在不斷（duàn）努力地提高渦輪機的效（xiào）率。例（lì）如，強度高但重量（liàng）輕的鈦合金部件能夠在渦輪機的下部（bù）壓（yā）縮段減少高（gāo）轉（zhuǎn）速下的向心力，因此可以實現（xiàn）更快的旋轉速度。除了鈦合金部件外，HRSA 零件也可在燃燒段中使用，以便應對提高發動機效率所需的更高溫度。

      更新的合金，更（gèng）大的挑（tiāo）戰

      在追求效率和高性能（néng）的（de）過程中，ISO-S 合金經曆了不斷的發展。金屬製造商開發出具有更高性能的（de）合金（jīn），以（yǐ）滿（mǎn）足日益（yì）嚴苛的應用需（xū）求。例如，鎳基 Inconel 738 和鈷基 SFX414 等現有的 HRSA 能（néng）夠在 850 攝氏度到 1200攝氏度的溫度範圍下工作。同時一些（xiē）最新的（de） HRSA 產品，如 GTD 262 和 Rene 108 可在 1200 攝氏度到 1600攝氏度的溫度下工作（zuò）。相應地，這些新合金也提出了更大的加工挑戰。最近，山高協助加工了發（fā）電渦輪機靜態部件中使用的更高性能的新型合（hé）金材料。該材料具有（yǒu）更高的耐熱性，因此加工難度也隨之（zhī）提高；僅可實現 18 m/min 的切削速度，而對於 Inconel 718 參（cān）考材（cái）料（liào）通（tōng）常可實現 25-35m/min 的速度。

     
      刀具壽命。山高基於 Jabro 780 刀具槽型開發了一款特製刀具，它采用變芯厚設計，能夠在嚴苛（kē）的切（qiē）削條件下提高穩（wěn）定性。使用該刀具時采用（yòng）了原來（lái）使用的參數：18 m/min 的切削速度（dù）、0.015 mm 的每刃（rèn）進給量和 43mm/min 的工（gōng）作台進給率。新刀具加工（gōng）了兩個輪機段 (640 mm)，刀具壽命延長了 100%。隨後（hòu），通過將切削速度降低至 16 m/min 並將每刃進給量增加到 0.017 mm，應用工程師能夠（gòu）將刀（dāo）具壽命進一（yī）步延長到 800mm（刀具壽命（mìng）延（yán）長 150%）。

      航空航天部件

      由於 HRSA 保持了（le）高溫強度並具有卓越的抗（kàng）蠕變和耐腐蝕（shí）性，因此在現代航空航天發動機中，該合金的重量占 50% 之多。

      ISO-S 材料在（zài）航空航天渦輪機（jī）中的應用類似於它在發電行業渦輪盤（pán）中的應用。然而，在很多情況下，航空航天應用的公差更緊（jǐn）密。例如，山高開發了專用於加工渦輪機葉（yè）片（piàn）樅樹形根部輪廓的刀具。在某些能源應用中，根部輪廓的公差在 10 微米的範圍內，而在某些航空航天（tiān）應用中，該輪廓公差則更緊密，介於 0 至 5 微米 (0 –0.005) 之間。

      結構鈦合金（jīn）

      除了應用於渦輪機的低溫段外，鈦合金具有重量輕、強度大的（de）特點（diǎn），因此還可用於起（qǐ）落架（jià）等（děng）航空航天結構零件（jiàn）。起落架部件本身就非常大且堅固，在使用標準材料製造時（shí），重量會更大。

      用於製造更輕起落架的更新、更輕、強度更大的鈦合金比之前使用（yòng）的鈦合金還要難以加（jiā）工。一種最新開發（fā）的鈦合金（jīn）是鈦（tài） 5553，由於其 5% 的鋁含量、5% 的鉬含量、5% 的釩含量以（yǐ）及 3% 的鉻含量而得名。鈦 5553 的優勢在於具有 1160 MPa 的高抗拉強度，而 Ti6Al4V 參考材料僅為 910 MPa。更高的抗拉強度將切削速度限製到比加工 Ti6Al4V 時低 50% 的水平。

      疊層合金

      如（rú）果一種（zhǒng） ISO-S 材料就已嶄（zhǎn）露了加工難度（dù），那麽同時加工（gōng）兩種不（bú）同的材料則（zé）會帶來更大的挑戰。一些航（háng）空航天應用涉及到加工由不同材料的疊層（céng）組成的部件。該挑戰是在提供充足切屑控製並且（qiě）不產生（shēng）振動或（huò）毛刺的條件下加工“夾層”或“混合”材料。

      其中一個典型的例子是（shì）鈦合金和不鏽鋼的組合。不鏽鋼和鈦具有一些共性：強度相（xiàng）對較高並且具有粘性（切（qiē）削（xuē）材料易粘在立銑刀上）。

      為了加工采（cǎi）用鈦 6Al4V/奧氏體不鏽（xiù）鋼疊層（céng）材料的（de）發動（dòng）機支架，山高提供的解決方案是應用（yòng）專為加工鈦合金而設計的硬質（zhì）合金 Jabro JHP 770 刀具。該刀具擁有不同的刃口間距、徑向後角和特殊（shū）成型的排屑槽。內冷通道最（zuì）大限度地降低了（le）工件粘性並清除了切（qiē）屑。在加工疊層（céng）材料時（shí），刀具先通過不鏽鋼（gāng）然（rán）後再通過鈦合金。整個過程采用了適用於更（gèng）難（nán）加工材料（鈦（tài）合金）的參（cān）數。考慮到該合金的導熱性較低（dī），采用了 50 m/min的中等切削（xuē）速度、0.036 mm/rev 的進給率以及 3 mm 的（de）切削深度，以圓周插補銑進行遞減（jiǎn）。

      000559_HQ_IMG_Jabro_JHP770_JHP780.jpg

      HSS 備選

      盡管硬質合金刀具在很多情況下彰顯性能優勢，但它並不是高效（xiào）加工 ISO-S材料的唯一方法。在某些情況下，高速鋼刀具是一款更加經濟高效的選擇。

      很多大型的航空航天部件（jiàn）（如起落架零件）都采用鈦合金或不鏽鋼實心坯加工而（ér）成。對於這些零件，直徑高達50 mm 的高性能 HSS 刀具能夠切除大量材料。HSS 刀具在低（dī）轉速、高扭矩的機床上（shàng）非常高效（xiào），能夠有效地對鈦合金和不（bú）鏽鋼進行粗加工（gōng）甚至是精加工（gōng）。該刀具能夠采用大切削直徑和切削（xuē）寬度，甚至在（zài）它的切削速度低於硬質合金刀具時，也可以提供具有競爭優勢的金屬切除（chú）率。

      Jabro JCO710 HSS-Co 刀具是先進的 HSS 刀（dāo）具的一個例子（zǐ）。該刀（dāo）具的含鈷量為 8%，硬度為（wéi） 67 HRC，采用了拋（pāo）光排屑（xiè）槽（旨在減少摩擦和積屑（xiè）瘤）以及可變麵輪廓槽型（能夠進行輕快切削和降低可導致不合格表麵粗糙度值的顫振風險）。這些刀具用於加工大型鈦合（hé）金零件時，可提供（gòng）超（chāo）過 800 分鍾的刀具壽命。
   

      HQ_IMG_Jabro_JCO710.jpg

      結論

      對於在關（guān）鍵應用中采用（yòng）的 ISO-S 材料，製造商的加工目標是實現一流的質量、可靠的一致性和生產率。隨著金屬製造商不（bú）斷開（kāi）發出新的合金來滿（mǎn）足日益嚴（yán）苛的高性能應用的需求，刀具製造商也創造出（chū）了能夠克服 ISO-S材料加工挑戰的新刀具材料和策略（luè），使製造商能夠滿足其加（jiā）工目標。

      附注

      ISO-S 銑削策略

      精心設計的（de）刀具和切削策略組合有助於（yú）經濟高效地（dì）加工 ISO-S 材料。

      一種方法是高（gāo）進給銑（xǐ）削。該方法將（jiāng）切削力從徑向轉為軸（zhóu）向，將較小的軸向切削（xuē）深（shēn）度與（yǔ）較（jiào）大的工（gōng）作（zuò）台進給率相結合（hé），能夠產生可將熱量從切削刃帶走的更薄切屑，同時還減小了切削力，從而最大限（xiàn）度地減少振動（dòng），使加工操作更加穩定、可靠。除了減少熱量（liàng）生成和延長刀具壽（shòu）命外（wài），高進給銑削還能提供出色的金屬切除率：比傳統銑削快 200% - 300%。

      高進給銑削可以（yǐ）采用多種刀具完成。例如（rú），在山高全麵的（de） Jabro 立銑（xǐ）刀係列（liè）中，JHF180 刀具專為加工硬度在48 - 62 HRC 範（fàn）圍內的更硬鋼和鉻鈷合金而設計。該刀具采用剛性 0.9 度錐頸設計，可減少刀具變形，能夠進行深型腔銑削，並改善了表麵粗糙度。刀具（jù）槽型經過精心設計，可將切屑順利排出。該刀具非常適合高進給銑削應用，包括麵銑、槽銑、斜坡銑、螺旋插補銑以及等高線（xiàn）加工。

      ISO-S 材（cái）料的其（qí）他銑削策略取（qǔ）決於具（jù）體加工、工件材料和現有的機床。傳統方法涉及軸向和徑向切削（xuē）深度的1-1 平衡以及平均進給率。高性能加工（使用山高 HPM 係列等特製刀具進（jìn）行）利用（yòng）大軸向切削深度和100%徑向（xiàng）切削深度來實現大金屬（shǔ）切除量。高速加工也是一種備選方法，在該方法中，刀（dāo）具采（cǎi）用相當低（dī）的徑向切削（xuē）深度和較大的軸向切削深度。該方法允許使用更高的切削速度來獲得（dé）生產率。不同加工策略的高效實施取決於各種（zhǒng）因素的組合，包（bāo）括所用機床的能（néng）力以及能夠處理大型程序和文件以實施加工（gōng）工藝的（de） CNC 係統。

      鈦合金加工本身具有特（tè）殊的加工和刀具要求。使用中等切削速度有助（zhù）於避（bì）免產生過多熱量，從而減少刀具和工件之間（jiān）發生化學反應。盡可能地使（shǐ）用冷卻液。鋒利的切削刃有助於從工件上切下切屑，因（yīn）此減小了切削力。此外，也可采（cǎi）用高進（jìn）給策略。