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瓦爾特的航空工業定制方案

2016-5-31 來源：瓦爾特作者：

最具挑戰性的鈦合金材料凹槽銑削

航空工業的鈦合金材料需求正在日益增長，專家預測今后五年將平均增加20％。這將改變制造廠的格局，因為處理鈦合金材料往往需要較長的機床運行時間。瓦爾特向其航空工業客戶提供全新的刀具和全面的零件知識方面的支持，其目的是以高效經濟、省時省力的方式加工鈦合金零件。

飛機制造工業使用大量的鈦合金，特別是高應力構件，鈦合金材料得到廣泛應用。門框、起落架安裝支架和機翼附件等零件通常有較高的加工含量，過程中需要進行大量的切屑加工，大大超過了成品件的切屑。這主要是由于整體式鍛件有大量的凹窩。各種深淺凹窩、5軸凹窩、矩形凹窩的壁或底面往往很薄，因此很難銑削，對這些構件的加工技術提出嚴格要求。可轉位刀片和整體硬質合金銑刀能做到綜合權衡。其關注的焦點是加工的可靠性，因為這些構件非常昂貴。同時，市場的成本壓力催生了高加工性能和生產效率需求。

通常在加工鈦合金材料時，材料的導熱系數低、易于出現振動，因此需要非常剛性的機床方案及優化的切削刃準備工作。德國圖賓根瓦爾特航空工業零件經理Dirk Masur與其同事一道，齊心協力，攻克了鈦合金加工的一個個難關。他說：“我們的重點是成套的解決方案，即根據最佳慣例，在應用時綜合考慮各方面的因素，例如刀具設計、CAM程序和加工策略。”因此，我們研發出了適合粗加工、半精加工或精加工的先進刀具方案。

Masur表示，憑借我們幾十年積累的零件知識，瓦爾特研發出了高效可靠的戰略：“作為全球網絡的一部分，我認為這些策略極為重要。我們的專長是以客戶為中心，與各大院校和機床制造廠建立全面的合作伙伴關系。我們齊心協力，通力合作，持續開發了關鍵零件的加工工序。這就是我們能始終使用最新技術的秘籍所在。”

最后，圖賓根的加工專家可為顧客提供加工效率最高的定制工藝過程。其關鍵是，工藝過程與機床類型和加工能力完美匹配，例如，可用較低性能的機床，達到最大的輸出產量。Masur強調：“在移交前模擬和驗證加工工序，讓用戶對加工的高效性、經濟性或加工可靠性做到心中有數。”

鋁合金的典型試驗

因為航空工業幾乎沒有真正的試驗零件直接可用，也沒有大型構件，所以瓦爾特的專家們通常都是用普通零件證明其每代刀具產品的性能。這種元件采用市面上有售的Ti6Al4V （3.7164）材料制成。瓦爾特的專家們設計除了具有多種典型凹窩形狀的零件，這些凹窩形狀與實際零件上的凹窩形狀相同或類似。這就是說，加工結果可相互轉移。

其計劃方案是一種四合一的刀具：M3255切線玉米銑刀、M4002大進給量面銑刀（粗加工工序）、Ti40整體硬質合金端銑刀和配有Ti50可換頭的模塊化的ConeFit銑刀（半精加工工序和精加工工序）。這是在現實生活中可能真正需要的組合，例如在加工起落架安裝支架時就會用到。我們專門為鈦合金加工設計了兩種整體硬質合金刀具的涂層及宏觀槽形和微槽形。M3255和M4002銑刀采用了由瓦爾特全新WSM45X切削刀具材料制成的可轉位刀片。ISO S和ISO M應用最適合的涂層是CVD涂層，這種涂層非常結實。

下文舉例說明了加工通用零件凹窩時的加工速率和刀具壽命：

1．M3255切線豪豬銑刀/ / D = 50, z = 5 / WSM45X:

粗加工 - 凹窩274 mm×120 mm×74 mm：

vc＝40 m/min，fz＝0.15 mm，ap＝37.0 mm（2級），ae＝30.0 mm（同心刀具路徑）

結果：加工量：212 cm³/min，刀具使用壽命：70 mins （噸/凹窩：14 mins）

2．Ti50ConeFitPrototyp/D ＝ 25， z ＝ 5/整體硬質合金可換頭：

半精加工和精加工 - 凹窩：274 mm×120 mm×74 mm：

vc＝90 m/min，fz＝0.1 mm，ap＝ 16.0-22.0 mm（變量），ae＝3.7 mm（半精加工），0.3 mm（精加工）

結果：加工量：33 cm³/min，刀具使用壽命：60 mins （噸/凹窩：14 mins）

3．M4002大進給量面銑刀/D ＝ 50， z ＝ 5/WSM45X：

粗加工 - 凹窩254 mm×127 mm×42 mm：

vc＝60 m/min，fz＝0.7 mm，ap＝1.5 mm，ae＝50 mm

結果：加工量：93 cm³/min，刀具使用壽命：40 mins（噸/凹窩：10 mins）

差異化銑削高動態切削

智能加工策略的一個很好范例是“高動態切削”（HDC）。這既改善了高效性和經濟性，又改善了加工可靠性。采用高動態切削后，加工條件保持不變，因此刀具切削刃上的受力和工藝過程溫度也保持不變。相應的功能由先進的CAM軟件提供。優勢：性能更佳，加工可靠性更高；恒定的吃刀狀況產生的振動小，刀具磨損率較低，使用壽命長。因此，切削長度更長，加工量更大。同時，主軸能耗低。

Walter Prototyp Ti40整體硬質合金銑刀最適合這種策略。

4．Ti40Prototyp / D ＝ 20， z ＝ 5/鈦合金材料整體硬質合金端銑刀：

高動態切削，矩形凹窩：200 mm×92 mm×48 mm：

vc= 115 m/min, fz= 0.134 mm, ap= 47.5 mm, ae= 2 mm

結果：加工量139 cm³/min （噸/凹窩：9 mins）

鈦合金材料輕質和高強度特性

鈦合金材料被分類成很難加工的材料（ISO S）。這些材料的導熱性低，刀具切削刃口承受的熱負荷很高。加工期間，低彈性模量也容易出現振動。

Ti6Al4V是航空工業最常用的鈦合金材料，但目前越來越多的起落架也使用Ti-5-5-5-3和Ti-10-2-3材料。兩種材料的熱穩定性比Ti6Al4V高，加工時切削速度低。

Ti6Al4V導熱系數：7.56 W/mK（鋼材Ck45：51.9 W/mK）

Ti6Al4V彈性模量：＝ 110 kN/mm2（鋼材Ck45：210 kN/mm2）

Ti6Al4V密度＝ 4.4 g/cm3（鋼材＝ 7.85 g/cm3）

RmTi6Al4V的抗拉強度＝ 900 N/mm2

但什么是合金？

鋁材是現代航空器不可或缺的材料。盡管復合材料用量越來越多，但是這種材料仍然起著重要作用。其中部分原因是正在研發性能優良的鋅合金材料。目前的趨勢是朝鋁鋰鍛造合金發展。

Al-Li合金比其他鋁合金輕，彈性模量較高，特性最適合飛機制造工業。用這些輕質材料制成的工件通常與鈦合金工件類似。這兩種材料都有大量凹窩，因此產生大量的切屑。主要的差別是，鋁合金加工采用HSC（高速切削）工藝，不再被認為“難以切削”或“切削參數低”的材料。相反，當銑削速度在3000 m/min以上時，

Vc值不常用。另一方面，切削速度太低容易形成積屑瘤，從而降低刀具使用壽命。同理，在加工鈦合金時，使用鋁合金還要求大量的技術專長和零件知識，以便開發出高效經濟、安全可靠的工藝。其重點是根據應用提出完整的解決方案，與鋁合金優化的刀具和機床方案一樣。

因此，瓦爾特最近引進了一種全新銑刀，這是一種嶄新的專業鋁合金，可以根據飛機制造工業的要求精確定制。M2131斜向進刀銑刀，采用90°可轉位刀片，其專長是斜向進刀和凹窩銑削。瓦爾特制造銑削本體同心度最高，使用的可轉位刀片有防離心力保護。銑刀也經過預平衡調整。通過HSC機加工，可得出保證高加工可靠性的測量值。

但是，新刀具的亮點是WNN15材質可轉位刀片，這是一種全新的PVD刀具，使用“HiPIMS方法”制造。“HiPIMS”表示“高功率脈沖磁控濺射”。這種物理涂層工藝的獨特特點是形成一層彈性極高的平滑PVD涂層。這種新刀具的好處是摩擦非常低，形成的積屑瘤也很少。它還可耐受后刀面磨損，具有極高的切削刃穩定性。圖賓根瓦爾特銑削產品經理Wolfgang Vötsch說：“現場試驗確認了新可轉位刀片相較于標準型的技術優勢，我們的應用工程師已經輕松實現了刀具使用壽命延長至200％。有一種情況，我們甚至可延長幾乎400％！”

圖片：M2131斜向進刀銑刀

圖文說明：瓦爾特專業新M2131斜向進刀銑刀專門用于鋁合金材料的HSC加工。

圖片1：Dirk Masurr

圖文說明：圖賓根瓦爾特航空工業零件經理Dirk Masur：“我們的重點是成套的解決方案。”

圖片2：構件舉例 - 起落架安裝支架

圖文說明：現代航空器的起落架安裝支架是具有大量凹窩的典型鈦合金結構件。

圖片3：M3255玉米銑刀

圖文說明：在粗加工凹窩或凸肩時或者需要高金屬移除率時，瓦爾特M3255豪豬銑刀是最佳選擇，特別適合加工鈦合金等難以加工的材料。此刀具在周向切向布置的四刃可轉位刀片且在前刀面上有雙刃可轉位刀片。銑刀的主要特點是低齒距，還可用于全槽銑削。例如，假設參數D ＝ 80， z ＝ 6，粗加工的加工量在400 cm³/min以上，刀具使用壽命超過每張刀片60分鐘。從2016年5月開始，瓦爾特將正式把M3255印在刀具產品目錄上。屆時，在客戶提出要求時，可作為非標刀具供貨。