圖1 Stefan Lenischenko，瓦爾特公司的研發(fā)人員（左）；他說(shuō)：“為獲得最高的性能與很長(zhǎng)的刀具壽命，最佳的刀片解決方案是鈦合金和高溫合金分別優(yōu)化的解決方案。”Gerd Kussmaul，瓦爾特公司的車削應(yīng)用產(chǎn)品經(jīng)理（右），他說(shuō)：“具有β相晶相結(jié)構(gòu)的鈦合金材料用得越來(lái)越多的趨勢(shì)，是我們將Sky·tec TM可轉(zhuǎn)位刀片推向市場(chǎng)的關(guān)鍵動(dòng)力。”
在金屬加工中，有些材料特別難以切削。例如，I S O-S材料組中的兩個(gè)子類鈦合金和高溫合金，就是難切削材料。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，在相同切削條件下，這兩材料的切削機(jī)理是完全不同的。位于圖賓根的刀具專家瓦爾特公司通過(guò)優(yōu)化斷屑槽形，擴(kuò)展了車削可轉(zhuǎn)位刀片的應(yīng)用范圍。
在實(shí)際應(yīng)用中，鈦合金和高溫合金常常使用相同類型的刀片進(jìn)行加工。但在I SO-M材料（不銹鋼和耐腐蝕鋼）的切削中已經(jīng)得到了證明：所用的刀具材料和槽形需要有所區(qū)別才能更高效。“可以用這種方法來(lái)解決切削難切削材料加工，”S t e f a nLenischenko（瓦爾特公司圖賓根總部研發(fā)人員）解釋說(shuō)，“為獲得最佳的切削性能和最高的刀具壽命，有必要為鈦合金和高溫合金分加別制定加工方案。” 對(duì)于鋼和鑄鐵加工，通用的可轉(zhuǎn)位刀片可能是最經(jīng)濟(jì)的方法，但是在ISO-S材料范圍內(nèi)，專門的解決方案往往能獲得更好的加工效果。
要 求
這兩種材料有一些性質(zhì)是相同的：容易粘結(jié)，加工中易生成積屑瘤；它們是不良熱導(dǎo)體，切削中生成的熱量大部份流向切削刃。由于鈦合金和高溫合金的材料特性，在切削過(guò)程中，切屑的形狀和磨損與一般切削是完全不同的。
鈦合金切削時(shí)容易產(chǎn)生由擴(kuò)散引起的月牙洼磨損。刀片材料中的碳粒子流入切屑，可轉(zhuǎn)位刀片受到侵蝕，切削區(qū)域會(huì)逐漸減弱。硬的鍛造表皮，材料的高強(qiáng)度增大了崩刃和塑性變形的危險(xiǎn)。材料的彈性模量低，增大了振動(dòng)的傾向。切削刃一但有積屑瘤形成，刀片很快就會(huì)崩刃。
所有這些現(xiàn)象隨著合金晶相中的β相的百分比增大而增強(qiáng)。Ti6Al4V是廣泛使用的材料，它同時(shí)含有α相和β相，是非常難加工的材料。新材料Ti-5553是一種商純β相合金，它更加難切削，切削速度只有Ti6Al4V的一半。但是，令切削專家傷腦筋的材料特性卻讓結(jié)構(gòu)工程師欣喜若狂：高強(qiáng)度材是飛機(jī)起落架零件和承載結(jié)構(gòu)零件的理想材料。“越來(lái)越多使用β相鈦合金這種趨勢(shì)是我們將“Sky·tec™”可轉(zhuǎn)位刀片推向市場(chǎng)的動(dòng)力，” 瓦爾特公司的產(chǎn)品經(jīng)理解釋說(shuō)。“常規(guī)可轉(zhuǎn)位刀片不能滿足鈦合金切削對(duì)刀片性能和刀具壽命的要求。”
高溫合金的加工也常常受到鍛造表皮的困擾，同時(shí)它還受到材料易于受到冷作硬化的影響，特別切削過(guò)程中很大的切削力會(huì)引起切削刃過(guò)載。對(duì)于鍛造高溫合金零件，例如航空工業(yè)中發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件，切削深度是變化的。在這樣的情況下，難于選擇合適的切削參數(shù)。Stefan Lenischenko 強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“最佳切削參數(shù)的范圍非常小。”
高溫合金也采用類似鋼使用的方法，加以熱處理。在高溫合金的車加工的零件中， 大約百分之八十都處于淬硬狀態(tài)。加工人員面對(duì)的是40-45H R C硬度或1,200-1,600N/m m²的強(qiáng)度。切削刃的塑性變形，崩刃和溝槽磨損是刀片失效的主工原因。在高溫合金切削過(guò)程中，切屑常常沖擊可轉(zhuǎn)位刀片的后刀面，形成很大的沖擊力，刀片面臨著崩刃的風(fēng)險(xiǎn)，加工硬化會(huì)引起的溝槽的磨損。風(fēng)險(xiǎn)疊加，一方面要求有刀片有相對(duì)穩(wěn)定的切削刃，另一方面，更加重要的是要求刀片有較為鋒利的槽形。這就向研發(fā)人員提出了調(diào)和這兩種的要求的挑戰(zhàn)。
圖2 ISO材料組的概述
解決方案
瓦爾特公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)和推出了兩組用于I S O - S材料的可轉(zhuǎn)位刀片，每一組都有優(yōu)化的槽形：用于鈦合金的是 S k y·t e c™系列三種槽形N F T、NMT和N RT；用于高溫合金的NMS和NRS型槽形。開(kāi)發(fā)的首要目標(biāo)是極大程度提高刀具壽命和優(yōu)化斷屑能力，以彌補(bǔ)在加工I S O-S材料方面具方面的不足。
對(duì)于加工部門來(lái)說(shuō)，切削過(guò)程中刀具破損引起的加工中斷是不可接受的，這會(huì)導(dǎo)致昂貴的零件的報(bào)廢。刀片槽型是根據(jù)字母識(shí)別的，字母T表示用于鈦合金加工，字母S用于高溫合金加工，F(xiàn)、M和R則代表加工方法：精加工、半精加工和粗加工。N代表刀片后角基本形狀。S k y·t e c™ 產(chǎn)品系列名稱指示了應(yīng)用的基本領(lǐng)域：航空工程。無(wú)論何處，只要有鈦合金，一般來(lái)說(shuō)就會(huì)伴隨有高溫合金。例如：燃?xì)廨啓C(jī)， 冷的一邊主要用如T i6A l V4之類的合金制造的，熱的一邊主要是用高耐熱材料制造的，例如Inconel 718。GerdK u s s m a u l 說(shuō)：“我們是完整的提供商，我們的目標(biāo)就是提供用于特殊應(yīng)用領(lǐng)域的完整解決方案。Sky·t e c™槽形刀片是加工燃?xì)廨啓C(jī)的首選。”
所有用于IS O-S 材料組的可轉(zhuǎn)位刀片都有一個(gè)特點(diǎn)，就是稍微磨圓的刀尖圓角。這對(duì)切削刃承受切削力和散熱是必不可少的。槽形的細(xì)微差別，決定了刀片的不同應(yīng)用領(lǐng)域。
Sky·tec™鈦合金系列刀片具有專用的、窄的斷屑槽，這是為了獲得良好的車削加工斷屑效果所采取的改動(dòng)，能夠顯著地改變已經(jīng)成形的切屑的形狀，即使是在刀片磨損的狀態(tài)下。NR T粗加工槽形的特點(diǎn)是有一個(gè)特別穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，倒棱較寬，這是保持對(duì)月牙洼磨損控制的有效手段。半精加工NMT槽形穩(wěn)定性好，曲線的切削刃，用以減小切削力，在不穩(wěn)定零件或仿形加工中都表面穩(wěn)定。N F T精加工槽形－優(yōu)化的鋒利切削刃，周邊全磨削，保證切削的高精度。
圖3 熱穩(wěn)定性圖
說(shuō)明：由于高溫合金如Inconel 718，它們的熱穩(wěn)定性特別好，所以它們的名稱就是高溫合金
從外觀上看，用于鈦合金切削的可轉(zhuǎn)位刀片并不突出。K u s s m a u l說(shuō)：“常規(guī)的金色或香檳色涂層通常是沒(méi)有的。” 他又說(shuō)“超過(guò)百分之八十的用于鈦合金切削的可轉(zhuǎn)位刀片沒(méi)有涂層。”這樣做是因?yàn)閷?duì)刀片材料的抗月牙洼磨損有很高的要求：“在這些環(huán)境中，涂層不能提供任何優(yōu)點(diǎn)。這就是我們推薦無(wú)任何涂層的刀片的原因。”
用于高溫合金的可轉(zhuǎn)位刀片需要有鋒利的槽形。正前角加刃口全倒棱保證切削刃的穩(wěn)定性。正前角槽形與PV D A l2O3涂層結(jié)合。用于高溫合金的可轉(zhuǎn)位刀片一般都有涂層，它顯著地提高了刀具壽命。瓦爾特專家為這兩種槽形提供了 WS M10和WS M20兩種P V D A l2O3涂層的刀片材質(zhì)，P V D涂層溫度低，刀片韌性好，Al2O3 涂層起到了高效的絕熱體的作用。
與鈦合金系列的窄斷屑槽相反，NRS 和NMS槽形需要有較大的切屑變形空間，如果高溫合金的切屑變形太過(guò)劇烈而產(chǎn)生加工硬化，則刀片會(huì)迅速損壞。NRS槽形具有較寬的斷屑槽，可以保持較深的切削深度，而NMS槽形的斷屑槽稍窄。
圖4 截面比較：NMS和NMT
說(shuō)明：用于鈦合金材料的槽形要求特別穩(wěn)定的切削刃（藍(lán)色），用以對(duì)抗月牙洼磨損，它有一個(gè)特別窄的斷屑槽，使切屑斷裂。與此相反，用于高溫合金的槽形有一個(gè)鋒利的切削刃，并有穩(wěn)定化正前角槽形，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切削，它的斷屑槽減輕了切屑沖擊的風(fēng)險(xiǎn)
開(kāi)發(fā)人員強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“對(duì)于高溫合金，我們已經(jīng)獲得了分別用于粗加工和半精加工的兩個(gè)槽形。所以，基于相同的原理我們推導(dǎo)出用于精加工的槽形，刀片刃口的倒棱應(yīng)該非常小，這就是我們應(yīng)該怎樣使用Sky·tec™ NFT槽形的形狀開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)的出發(fā)點(diǎn)。”N F T鈦合金精加工槽形也適用于高溫合金的精加工，這對(duì)工程師來(lái)說(shuō)很重要。
結(jié)果的選擇
幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例已經(jīng)證明優(yōu)化的可轉(zhuǎn)位刀片是值得投資的。對(duì)于用Ti6Al4V制造的直徑為1.8 m的燃?xì)廨啓C(jī)殼體的粗加工，一個(gè)制造商過(guò)去一般采用與切削I SO-M材料通用的槽形，刀片的材料也是適用于鈦合金的材料。制造商現(xiàn)在能采用的一種新的解決方案來(lái)處理加工過(guò)程中更換刀片的問(wèn)題。使用相同的切削參數(shù)（vc= 55 m/min.， f= 0.4 mm/rev.，a p= 2.3 mm），使用全新年的瓦爾特Sky·tec™NRT槽形和WS10切削刀具材料，幫助制造商達(dá)加工過(guò)程中無(wú)需更換刀具的問(wèn)題，同時(shí)在加工過(guò)程中形成一致的短切屑。
圖5 燃?xì)廨啓C(jī)
說(shuō)明：瓦爾特的用于I SO-S 材料的可轉(zhuǎn)位刀片滿足了加工燃?xì)廨啓C(jī)的所有要求
另一個(gè)制造商的任務(wù)是車削用Inconel 625制造的板，板的直徑為230 mm，它是用于化學(xué)工業(yè)的一個(gè)部件（200 HB，約 900 N/mm²）。在加工過(guò)程中，生產(chǎn)主管將瓦爾特的NMS槽形和WSM10切削刀具材料與其它切削刀具供應(yīng)商推薦的ISO-M和ISO-S材料通用的可轉(zhuǎn)位刀片作了比較。 測(cè)試中，切削參數(shù)保持不變（vc = 50 m/min.，f= 0.2 mm/r e v.，a p= 3mm）。在僅僅18分鐘后，由于切削刃上的溝槽磨損和崩刃，而刀片失效。而由瓦爾特的NMS槽形的刀具直到33分鐘后，還沒(méi)有任何溝槽磨損。就加工件數(shù)量來(lái)說(shuō)，瓦爾特以11對(duì)6，取得了勝利。
關(guān)于ISO-S材料的說(shuō)明鈦合金， 代表航空工業(yè)中使用的百分之八十的材料。這些材料的其它重要應(yīng)用包括醫(yī)藥、化學(xué)和石化工業(yè)等。 根據(jù)它們的微觀結(jié)構(gòu)，α相（Ti13V11Cr3Al）、α－β相（Ti6A l4V）和β相（T i-5553）是有差別的。
圖6 磨損的照片
說(shuō)明：在鈦合金的加工中主要的磨損是月牙洼磨損和崩刃（左）；對(duì)于高溫合金，則是切屑的沖擊和溝槽磨損引起最大的問(wèn)題（右）
高溫合金 分為鎳基合金（ 例如I n c o n e l 、Waspaloy）、鈷基（例如Corodur、Jetalloy 209）和鐵基合金的不太通用的組別（例如Incoloy 800、J e t h e t e M-152），最后一種合金有點(diǎn)類似鋼材料。除了航空工業(yè)需要將高溫合金用于它的發(fā)動(dòng)機(jī)外，其它對(duì)高耐熱材料有很高要求的主要行業(yè)包括化學(xué)和石化工業(yè)、能源門以及汽車行業(yè)的某些領(lǐng)域，汽車工業(yè)將這些材料用作渦輪增壓器或閥門的材料?！?/p>
圖7 Sky·tec TM 槽形NFT、NMT、NRT
說(shuō)明：為加工鈦合金和抗月牙洼磨損而研發(fā)的的瓦爾特 Sky·tecTM 家族的ISO可轉(zhuǎn)位刀片
圖8 Sky·tecTM NFT和NRT基本形狀C
說(shuō)明：使用Sky·tecTM 基本形狀C可轉(zhuǎn)位刀片的粗加工和精加工：NRT粗加工槽形有100度的圓角 ，而NFT精加工槽形是80度圓角
圖9 NMS和NRS槽形
說(shuō)明：用于高溫合金的瓦爾特 ISO可轉(zhuǎn)位刀片具有PVD氧化鋁涂層（PVD-Tiger·tec®）。正前角，流線形切削刃使切削刃既鋒利，又穩(wěn)定
