在航空航天零件的加工中，主要的挑戰(zhàn)與零件材料相關(guān)。鈦合金、高溫超級(jí)合金(HTSA)和耐蠕變鋼的切削加工困難，是整個(gè)飛機(jī)供應(yīng)鏈的加工瓶頸。這些材料的機(jī)械加工性能差，導(dǎo)致切削速度低，大大降低了生產(chǎn)率，縮短了刀具壽命。而這些因素都與刀具直接相關(guān)。事實(shí)上，當(dāng)處理難以加工的典型航空航天材料時(shí)，刀具的功能性決定了現(xiàn)有生產(chǎn)力的水平。實(shí)際情況是，切削刀具的發(fā)展滯后于機(jī)床，而這種差距限制了高端機(jī)床在制造航空部件時(shí)性能的發(fā)揮。
現(xiàn)代飛機(jī)，特別是無(wú)人機(jī)(UAV)，復(fù)合材料的應(yīng)用比例顯著增加。復(fù)合材料的高效加工需要特殊刀具，這是航空航天工業(yè)技術(shù)飛躍的焦點(diǎn)所在。
航空級(jí)鋁材仍是機(jī)身部件廣泛使用的材料。鋁的加工看似簡(jiǎn)單，但選擇合適的刀具是成功地高效加工鋁所需的密鑰。
復(fù)雜的零件形狀是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的一大特征。大多數(shù)幾何形狀復(fù)雜的航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件都是在腐蝕性極強(qiáng)的環(huán)境下工作，并由難以切削的材料制成，如鈦合金和高溫超級(jí)合金(HTSA)，以確保所需的壽命周期。復(fù)雜的形狀、機(jī)械加工性能差和高精度的需求相結(jié)合形成了生產(chǎn)制造這些零件的主要困難。先進(jìn)的多軸加工中心可實(shí)現(xiàn)各種去除余量的策略，從而更有效地加工復(fù)雜輪廓。但是刀具是直接與零件接觸的，對(duì)加工的成敗有很大的影響。過(guò)度的刀具磨損會(huì)影響零件表面精度，而不可預(yù)測(cè)的刀具斷裂則可能導(dǎo)致整個(gè)零件報(bào)廢。
先進(jìn)的多任務(wù)加工機(jī)床、瑞士型車(chē)床和安裝動(dòng)力刀座的車(chē)床深刻改變了小型零部件的制造工藝，如飛機(jī)上各種液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)、致動(dòng)器和附件。因此，航空航天工業(yè)需要越來(lái)越多針對(duì)這些先進(jìn)機(jī)床而設(shè)計(jì)的特殊刀具，以達(dá)成加工效率最大化。
切削工具——制造系統(tǒng)中最小的元素——成為顯著提高性能的關(guān)鍵支撐。因此，航空航天零件制造商們和機(jī)床制造商們亟需刀具制造商提供技術(shù)創(chuàng)新的解決方案，使切屑去除率達(dá)到新水平。解決方案的目標(biāo)很明確：提高生產(chǎn)率和延長(zhǎng)刀具壽命。加工具有復(fù)雜形狀的特殊航空零件和大型機(jī)身部件需要一個(gè)可預(yù)測(cè)的刀具壽命周期，以進(jìn)行可靠的工藝規(guī)劃，并及時(shí)更換失效的刀具或可更換的切削部件(如刀片)。
刀具制造商在尋找理想解決方案方面的選擇有限，也許只能從刀具材料、刃口形狀和靠譜的魯棒性設(shè)計(jì)這些方面考量。盡管選擇有限，刀具制造商仍全力以赴提供新一代刀具，以滿足航空航天業(yè)不斷增長(zhǎng)的需求。雖然新冠病毒嚴(yán)重阻礙了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但這并不意味著產(chǎn)業(yè)需求的減少。最新的刀具設(shè)計(jì)充分證明了刀具制造商對(duì)航空零部件生產(chǎn)需求的響應(yīng)。
冷卻射流
在加工鈦合金和高溫超級(jí)合金(HTSA)和耐蠕變鋼時(shí)，高壓冷卻(HPC)是提高性能和加工效率的有效工具。精準(zhǔn)直達(dá)的高壓冷卻射流(HPC)可以顯著降低切削區(qū)域的溫度，確保形成小的片狀切屑。與傳統(tǒng)冷卻方式相比，這有助于獲得更高的切削參數(shù)和更長(zhǎng)的刀具壽命。精準(zhǔn)直達(dá)的高壓冷卻HPC越來(lái)越多地應(yīng)用于難切削材料的加工，是航空航天零部件制造的一個(gè)明確趨勢(shì)。因此，刀具制造商們認(rèn)為高壓冷卻HPC刀具是一個(gè)重要研發(fā)方向。
伊斯卡，刀具制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)之一，擁有豐富多樣的高壓冷卻刀具品種。2020年，伊斯卡通過(guò)引入“經(jīng)典”HELI2000和HELIMILL可轉(zhuǎn)位刀片的新型雙刃銑刀擴(kuò)展了其產(chǎn)品范圍(圖1)。這一步是伊斯卡開(kāi)發(fā)該產(chǎn)品系列的又一里程碑式產(chǎn)品系列。
上世紀(jì)九十年代，由伊斯卡首推的可轉(zhuǎn)位銑刀HELIMILL系列，夾持螺旋刃銑刀片。新設(shè)計(jì)使得刀片裝夾于刀體后形成的刀片前角及后角保持恒定，進(jìn)而使得切削輕快平順，顯著降低機(jī)床功率消耗。HELIMILL銑刀的設(shè)計(jì)理念成為90°主偏角可轉(zhuǎn)位銑刀設(shè)計(jì)中被大家廣為熟知并認(rèn)可的概念。
通過(guò)對(duì)HELIMILL銑刀的逐步修正與改進(jìn)，伊斯卡增添了相同理念下額外的銑削產(chǎn)品系列和具有更多切削刃的刀片。優(yōu)異的性能及豐富的刀具周邊產(chǎn)品使其在機(jī)加工行業(yè)應(yīng)用廣泛。因此，在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的HELIMILL系列中添加現(xiàn)代高壓冷卻HPC刀具設(shè)計(jì)是對(duì)客戶需求的徑直響應(yīng)，也是下一步需要開(kāi)發(fā)的刀具系列。
在車(chē)削方面，伊斯卡大大擴(kuò)展了其組裝模塊化刀具產(chǎn)品系列，其中包括帶有可轉(zhuǎn)位刀片的刀桿及可換式刀頭。通過(guò)使用鋸齒接觸面連接，這些刀具可適用于搭載不同形狀刀片的各種刀頭，包括螺紋車(chē)削和標(biāo)準(zhǔn)ISO車(chē)削刀片，針對(duì)不同應(yīng)用均更具靈活性。
伊斯卡提供沿襲傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和抗振設(shè)計(jì)的刀桿，并根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行區(qū)別：圓柱柄或多邊形錐柄。圓柱頭銑刀的一個(gè)共同特點(diǎn)是內(nèi)冷卻射流直接輸送到所需的刀片切削刃(圖2)。根據(jù)圓柱柄刀具直徑的不同，冷卻射流最大壓力從30bars至70 bars不等。而帶有多邊形錐柄的刀具可實(shí)現(xiàn)300 bars的超高壓冷卻。通過(guò)降低切削區(qū)域溫度和改善切屑控制及排屑，冷卻射流的充分供給提高了刀具壽命。在航空航天業(yè)中應(yīng)大幅增加這一產(chǎn)品系列的應(yīng)用。
鉆孔解決方案
復(fù)合材料加工充滿了各種陷阱與缺陷。復(fù)合材料的高耐磨性加快了刀具磨損，這縮短了刀具壽命，影響了刀具性能。鉆孔是復(fù)合材料加工中最常見(jiàn)的切削操作，因此即使是鉆孔刀具在功能上的微小改進(jìn)也是至關(guān)重要的。
伊斯卡開(kāi)發(fā)了一系列專門(mén)針對(duì)復(fù)合材料加工的新型鉆頭。為了提高耐磨性，這些鉆頭的切削刃部分通常都由超硬聚晶金剛石(PCD)或金剛石涂層制成。根據(jù)鉆頭直徑的不同，鉆尖可以使用整體PCD刀頭或PCD焊片，在這兩種情況下都可以重新修磨5次。CVD金剛石涂層整體硬質(zhì)合金鉆頭另一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)點(diǎn)是：主切削刃呈折線狀。在加工復(fù)合材料時(shí)，更容易產(chǎn)生加工振動(dòng)。切削刃的折線形設(shè)計(jì)大大減少了分層和毛刺，特別是在加工碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)和碳纖維層壓板時(shí)。
除復(fù)合材料，金剛石涂層鉆頭也適用于加工其他耐磨的工程材料。如有必要，也可提供帶內(nèi)冷卻通孔的選項(xiàng)。
小直徑深孔的鉆削是制造航空航天零件的一種常見(jiàn)作業(yè)。伊斯卡的新型整體硬質(zhì)合金鉆頭直徑范圍為3-10 mm(0.125"-0.391")(圖3)，專門(mén)用于這類作業(yè)。該鉆頭系列結(jié)合了鉆尖形狀、雙導(dǎo)向條設(shè)計(jì)、拋光的排屑槽、復(fù)合涂層和內(nèi)冷卻通孔，在難加工的奧氏體不銹鋼及耐蠕變鋼和鐵基合金加工中，可實(shí)現(xiàn)一次進(jìn)刀達(dá)成50xD鉆深比。
無(wú)懼任何復(fù)雜加工應(yīng)用
因空氣動(dòng)力學(xué)的定義，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪、壓氣機(jī)、葉輪和整體葉片轉(zhuǎn)子(IBR)需要具備復(fù)雜形狀。旨在提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率的新發(fā)展又進(jìn)一步增加了這種復(fù)雜性。技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了生產(chǎn)成型零件的新方法，特別是3D打印，這大大減少了工件材料的余量。然而，在制造形狀復(fù)雜的航空航天零件的最終成形方法中，機(jī)加工仍然是最常見(jiàn)的方法。五軸加工和CAD/CAM系統(tǒng)的進(jìn)步豐富了制造商的解決方案，以克服零件生產(chǎn)中的困難。
在具有復(fù)雜形狀表面航空航天零件的五軸加工中，鼓形銑刀具有良好的應(yīng)用前景。伊斯卡已開(kāi)發(fā)了一系列直徑范圍8 – 16mm(.312" - .500")的鼓形銑刀，有兩種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：整體硬質(zhì)合金立銑刀及帶有變形金剛螺紋接口的可換頭式刀具。將這些刀具應(yīng)用于加工中可有效優(yōu)化葉片的生產(chǎn)制造。
可靠的多任務(wù)處理
在緊湊型多任務(wù)機(jī)床和瑞士型車(chē)床上進(jìn)行加工時(shí)，能否有效排屑很大程度上取決于刀具的正確選擇。為了提高生產(chǎn)率，需要最大限度地保持刀具的剛度和最小化刀具的懸伸以在受限空間加工作業(yè)。
最近，伊斯卡推出了NEOCOLLET卡簧夾頭，新款刀夾系列，提供了一種替代ER卡簧用于夾緊刀具的方案。該系列適配的典型刀柄之一是錐柄，可直接內(nèi)置于彈簧夾頭刀柄中(圖4)，確保剛性和可靠的連接，以提高刀具性能。新系列可夾持伊斯卡硬質(zhì)合金T型可換槽面銑刀頭的夾具。
如前所述，采用高壓冷卻可以極大地改善加工結(jié)果，特別是在加工鈦、高溫超級(jí)合金(HTSA)和難加工的不銹鋼時(shí)，這些材料是飛機(jī)液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)以及小型配件的主要材料。新型車(chē)刀系列具有方柄和螺絲夾緊的55°菱形刀片，采用HPC技術(shù)，便于在小直徑零件上進(jìn)行縱向車(chē)削、端面車(chē)削和仿形車(chē)削(圖5)。
所有案例都說(shuō)明了刀具制造商正試圖尋找更為有效的解決方案，以滿足航空航天工業(yè)的新要求。由于新冠病毒的影響，工業(yè)增長(zhǎng)放緩，飛機(jī)產(chǎn)量減少，但刀具制造商對(duì)合作伙伴需求的關(guān)注并未減弱。相反，伊斯卡已經(jīng)開(kāi)發(fā)了新的先進(jìn)切削刀具，并努力將其成功升級(jí)應(yīng)用于即將恢復(fù)的飛機(jī)生產(chǎn)中。