上海, 2015 年 03 月 - 創(chuàng)新的工程技術(shù)推動(dòng)了醫(yī)療、發(fā)電和航空航天等關(guān)鍵行業(yè)中零件生產(chǎn)的高速發(fā)展。這些行業(yè)的精密零部件，要求工件材料能夠提供高耐熱性和耐磨性、極佳的剛度以及堅(jiān)如磐石的質(zhì)量和可靠性。這類材料的典型代表是 ISO-S 合金，也就是鎳基、鈷基和鐵基高溫合金 (HRSA) 以及鈦合金。

      這些材料的熱硬度、強(qiáng)度、抗蠕變和耐腐蝕性非常好，使其廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域中。

      然而，這些合金的有益屬性也帶來了不同于傳統(tǒng)鋼鐵加工的加工特性。ISO-S 材料的加工之所以具有挑戰(zhàn)性，是因?yàn)楹辖鸬臒醾鬟f較差，也稱為導(dǎo)熱性低。加工時(shí)產(chǎn)生的熱量（約 1100 至 1300 攝氏度）被刀具和工件吸收，而沒有被切屑帶走。因此，刀具壽命受到影響，并且會(huì)造成零件變形。此外，在加工時(shí)，這些合金還具有發(fā)生應(yīng)變硬化和沉淀硬化的趨勢(shì)，增大了切削力并進(jìn)一步縮短刀具壽命。最后，這些材料的粘性行為會(huì)產(chǎn)生不受控制的積屑瘤 (BUE) 和溝槽磨損。這種粘性也被稱為材料的延展性，這是一種常見于鋁等軟質(zhì)材料的特性。

      考慮到 ISO-S 材料加工的難度以及相關(guān)零件的成本，制造商對(duì)加工改進(jìn)的追求就主要集中在零件可靠性和質(zhì)量上，其次是縮短加工周期。最大限度地發(fā)揮這些高性能合金的優(yōu)勢(shì)需要采用先進(jìn)的刀具和加工應(yīng)用策略。刀具制造商不斷地對(duì)這些刀具和加工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以便為特定行業(yè)的應(yīng)用提供高效、可靠的解決方案。

       醫(yī)療應(yīng)用

      為確保正常工作，并避免人體產(chǎn)生排異反應(yīng)，醫(yī)療植入物必須具有化學(xué)惰性并且能夠完全耐受體液的腐蝕。由于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、牙科和其他醫(yī)療組件的絕佳基材。醫(yī)療植入物的制造正在快速發(fā)展。工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)的人口平均年齡不斷增長(zhǎng)，人口的平均體重也是如此。這兩個(gè)因素都會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的磨損產(chǎn)生直接影響，從而產(chǎn)生了關(guān)節(jié)置換需求。牙科植入物也隨著人們對(duì)美容和牙齒健康問題的日益重視而逐漸普及。

      膝關(guān)節(jié)置換組件

      膝關(guān)節(jié)置換物由兩個(gè)基本組件構(gòu)成。股骨組件模擬股骨末端的圓形髁狀突起，連接至大腿骨（股骨）。在另一端，股骨組件扣在聚合物杯內(nèi)，而聚合物杯安裝在第二個(gè)基本組件中，即連接至小腿骨（脛骨）頂部的鈦合金托架。

      ISO-S 材料具有較差的熱傳遞性，因此在大多數(shù)加工作業(yè)中都必須使用冷卻液。然而，醫(yī)療監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)殘留冷卻液造成的污染有嚴(yán)格規(guī)定，并且要求進(jìn)行嚴(yán)格且耗時(shí)的清潔流程。因此，刀具制造商正在開發(fā)醫(yī)療零件的“干式”加工方法，無需使用冷卻液或乳化液。例如，山高開發(fā)的無需冷卻液的解決方案，采用專用 T型槽刀具和成型立銑刀來加工 Ti6Al4V 鈦合金脛骨托架。這種加工可在 10 分鐘內(nèi)完成，而且還實(shí)現(xiàn)了良好的刀具壽命、絕佳的產(chǎn)品質(zhì)量和無污染的零件。

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      該 Jabro 刀具品種包括四種定制解決方案和兩種標(biāo)準(zhǔn)解決方案，非常適合醫(yī)療零件制造商對(duì)脛骨托架組件進(jìn)行加工。

      為減輕 ISO-S 合金較差熱傳遞性的影響，另一種解決方案是用銑削加工代替磨削加工。長(zhǎng)時(shí)間的磨削加工所產(chǎn)生的熱量會(huì)在零件中產(chǎn)生拉應(yīng)力并使零件變形；一家制造商發(fā)現(xiàn)股骨膝關(guān)節(jié)組件在磨削后經(jīng)常超出尺寸規(guī)格，導(dǎo)致廢品率達(dá) 20% 至 30%。

      為了解決這一問題，山高應(yīng)用工程師開發(fā)出了五步加工法，用于在機(jī)床上對(duì)股骨組件進(jìn)行加工。該工藝采用球頭立銑刀和帶有中心鎖定系統(tǒng)的夾具，使零件能夠在加工過程中旋轉(zhuǎn)。這種仿形銑削方法非常適合加工這種復(fù)雜零件，因?yàn)檫@些復(fù)雜的3D 零件常常用到剛性較低的夾具。整個(gè)加工的切削時(shí)間約為 7 分鐘。加工完成后，僅需要進(jìn)行拋光，并且該拋光過程所花費(fèi)的時(shí)間要少于磨削后再進(jìn)行拋光所用的時(shí)間。

      小型牙科零件

      特殊的加工方法有助于克服 ISO-S 材料的加工挑戰(zhàn)。高進(jìn)給銑削策略（參見附注）既可提高生產(chǎn)率，又能延長(zhǎng)刀具壽命。在對(duì)鈷鉻合金鋼制成的牙科組件進(jìn)行粗加工時(shí)，采用了山高 Jabro 立銑刀系列中的 3 mm 直徑JHF 180 刀具，其中工作臺(tái)進(jìn)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，切削速度為 66 m/min。在鈷鉻合金鋼加工中，刀具壽命為 175 分鐘。

      許多小型醫(yī)療和牙科組件都是在實(shí)驗(yàn)室和牙科診所中的緊湊型高速機(jī)床上加工的。這些機(jī)床采用的小型刀具必須能夠承受在小型植入物和其他零件上進(jìn)行仿形加工時(shí)快速變化的切屑負(fù)荷。為滿足這種需求，山高開發(fā)了Jabro Mini JM905 和 JM920 刀具。這些刀具提供 4 刃型號(hào)，直徑從 0.1 mm 至 2.0 mm 不等，并采用可達(dá) 16x D 的長(zhǎng)懸伸長(zhǎng)度。盡管尺寸較小，但它們可以提供特殊小型零件生產(chǎn)所需的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并且尺寸滿足典型工件的要求。

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      發(fā)電

      ISO-S 材料在全球發(fā)電行業(yè)中的應(yīng)用也日益廣泛。雖然當(dāng)前的重點(diǎn)是發(fā)展風(fēng)能、水能和太陽能等“綠色”能源，但是目前全球電力的 60% 以上都是通過燃料生產(chǎn)的。大部分發(fā)電都涉及燃?xì)夂驼羝啓C(jī)的使用。不僅于此，人們還在不斷努力地提高渦輪機(jī)的效率。例如，強(qiáng)度高但重量輕的鈦合金部件能夠在渦輪機(jī)的下部壓縮段減少高轉(zhuǎn)速下的向心力，因此可以實(shí)現(xiàn)更快的旋轉(zhuǎn)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(yīng)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率所需的更高溫度。

      更新的合金，更大的挑戰(zhàn)

      在追求效率和高性能的過程中，ISO-S 合金經(jīng)歷了不斷的發(fā)展。金屬制造商開發(fā)出具有更高性能的合金，以滿足日益嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。例如，鎳基 Inconel 738 和鈷基 SFX414 等現(xiàn)有的 HRSA 能夠在 850 攝氏度到 1200攝氏度的溫度范圍下工作。同時(shí)一些最新的 HRSA 產(chǎn)品，如 GTD 262 和 Rene 108 可在 1200 攝氏度到 1600攝氏度的溫度下工作。相應(yīng)地，這些新合金也提出了更大的加工挑戰(zhàn)。最近，山高協(xié)助加工了發(fā)電渦輪機(jī)靜態(tài)部件中使用的更高性能的新型合金材料。該材料具有更高的耐熱性，因此加工難度也隨之提高；僅可實(shí)現(xiàn) 18 m/min 的切削速度，而對(duì)于 Inconel 718 參考材料通常可實(shí)現(xiàn) 25-35m/min 的速度。

     
      刀具壽命。山高基于 Jabro 780 刀具槽型開發(fā)了一款特制刀具，它采用變芯厚設(shè)計(jì)，能夠在嚴(yán)苛的切削條件下提高穩(wěn)定性。使用該刀具時(shí)采用了原來使用的參數(shù)：18 m/min 的切削速度、0.015 mm 的每刃進(jìn)給量和 43mm/min 的工作臺(tái)進(jìn)給率。新刀具加工了兩個(gè)輪機(jī)段 (640 mm)，刀具壽命延長(zhǎng)了 100%。隨后，通過將切削速度降低至 16 m/min 并將每刃進(jìn)給量增加到 0.017 mm，應(yīng)用工程師能夠?qū)⒌毒邏勖M(jìn)一步延長(zhǎng)到 800mm（刀具壽命延長(zhǎng) 150%）。

      航空航天部件

      由于 HRSA 保持了高溫強(qiáng)度并具有卓越的抗蠕變和耐腐蝕性，因此在現(xiàn)代航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中，該合金的重量占 50% 之多。

      ISO-S 材料在航空航天渦輪機(jī)中的應(yīng)用類似于它在發(fā)電行業(yè)渦輪盤中的應(yīng)用。然而，在很多情況下，航空航天應(yīng)用的公差更緊密。例如，山高開發(fā)了專用于加工渦輪機(jī)葉片樅樹形根部輪廓的刀具。在某些能源應(yīng)用中，根部輪廓的公差在 10 微米的范圍內(nèi)，而在某些航空航天應(yīng)用中，該輪廓公差則更緊密，介于 0 至 5 微米 (0 –0.005) 之間。

      結(jié)構(gòu)鈦合金

      除了應(yīng)用于渦輪機(jī)的低溫段外，鈦合金具有重量輕、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，因此還可用于起落架等航空航天結(jié)構(gòu)零件。起落架部件本身就非常大且堅(jiān)固，在使用標(biāo)準(zhǔn)材料制造時(shí)，重量會(huì)更大。

      用于制造更輕起落架的更新、更輕、強(qiáng)度更大的鈦合金比之前使用的鈦合金還要難以加工。一種最新開發(fā)的鈦合金是鈦 5553，由于其 5% 的鋁含量、5% 的鉬含量、5% 的釩含量以及 3% 的鉻含量而得名。鈦 5553 的優(yōu)勢(shì)在于具有 1160 MPa 的高抗拉強(qiáng)度，而 Ti6Al4V 參考材料僅為 910 MPa。更高的抗拉強(qiáng)度將切削速度限制到比加工 Ti6Al4V 時(shí)低 50% 的水平。

      疊層合金

      如果一種 ISO-S 材料就已嶄露了加工難度，那么同時(shí)加工兩種不同的材料則會(huì)帶來更大的挑戰(zhàn)。一些航空航天應(yīng)用涉及到加工由不同材料的疊層組成的部件。該挑戰(zhàn)是在提供充足切屑控制并且不產(chǎn)生振動(dòng)或毛刺的條件下加工“夾層”或“混合”材料。

      其中一個(gè)典型的例子是鈦合金和不銹鋼的組合。不銹鋼和鈦具有一些共性：強(qiáng)度相對(duì)較高并且具有粘性（切削材料易粘在立銑刀上）。

      為了加工采用鈦 6Al4V/奧氏體不銹鋼疊層材料的發(fā)動(dòng)機(jī)支架，山高提供的解決方案是應(yīng)用專為加工鈦合金而設(shè)計(jì)的硬質(zhì)合金 Jabro JHP 770 刀具。該刀具擁有不同的刃口間距、徑向后角和特殊成型的排屑槽。內(nèi)冷通道最大限度地降低了工件粘性并清除了切屑。在加工疊層材料時(shí)，刀具先通過不銹鋼然后再通過鈦合金。整個(gè)過程采用了適用于更難加工材料（鈦合金）的參數(shù)。考慮到該合金的導(dǎo)熱性較低，采用了 50 m/min的中等切削速度、0.036 mm/rev 的進(jìn)給率以及 3 mm 的切削深度，以圓周插補(bǔ)銑進(jìn)行遞減。

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      HSS 備選

      盡管硬質(zhì)合金刀具在很多情況下彰顯性能優(yōu)勢(shì)，但它并不是高效加工 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(jīng)濟(jì)高效的選擇。

      很多大型的航空航天部件（如起落架零件）都采用鈦合金或不銹鋼實(shí)心坯加工而成。對(duì)于這些零件，直徑高達(dá)50 mm 的高性能 HSS 刀具能夠切除大量材料。HSS 刀具在低轉(zhuǎn)速、高扭矩的機(jī)床上非常高效，能夠有效地對(duì)鈦合金和不銹鋼進(jìn)行粗加工甚至是精加工。該刀具能夠采用大切削直徑和切削寬度，甚至在它的切削速度低于硬質(zhì)合金刀具時(shí)，也可以提供具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的金屬切除率。

      Jabro JCO710 HSS-Co 刀具是先進(jìn)的 HSS 刀具的一個(gè)例子。該刀具的含鈷量為 8%，硬度為 67 HRC，采用了拋光排屑槽（旨在減少摩擦和積屑瘤）以及可變面輪廓槽型（能夠進(jìn)行輕快切削和降低可導(dǎo)致不合格表面粗糙度值的顫振風(fēng)險(xiǎn)）。這些刀具用于加工大型鈦合金零件時(shí)，可提供超過 800 分鐘的刀具壽命。
   

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      結(jié)論

      對(duì)于在關(guān)鍵應(yīng)用中采用的 ISO-S 材料，制造商的加工目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一流的質(zhì)量、可靠的一致性和生產(chǎn)率。隨著金屬制造商不斷開發(fā)出新的合金來滿足日益嚴(yán)苛的高性能應(yīng)用的需求，刀具制造商也創(chuàng)造出了能夠克服 ISO-S材料加工挑戰(zhàn)的新刀具材料和策略，使制造商能夠滿足其加工目標(biāo)。

      附注

      ISO-S 銑削策略

      精心設(shè)計(jì)的刀具和切削策略組合有助于經(jīng)濟(jì)高效地加工 ISO-S 材料。

      一種方法是高進(jìn)給銑削。該方法將切削力從徑向轉(zhuǎn)為軸向，將較小的軸向切削深度與較大的工作臺(tái)進(jìn)給率相結(jié)合，能夠產(chǎn)生可將熱量從切削刃帶走的更薄切屑，同時(shí)還減小了切削力，從而最大限度地減少振動(dòng)，使加工操作更加穩(wěn)定、可靠。除了減少熱量生成和延長(zhǎng)刀具壽命外，高進(jìn)給銑削還能提供出色的金屬切除率：比傳統(tǒng)銑削快 200% - 300%。

      高進(jìn)給銑削可以采用多種刀具完成。例如，在山高全面的 Jabro 立銑刀系列中，JHF180 刀具專為加工硬度在48 - 62 HRC 范圍內(nèi)的更硬鋼和鉻鈷合金而設(shè)計(jì)。該刀具采用剛性 0.9 度錐頸設(shè)計(jì)，可減少刀具變形，能夠進(jìn)行深型腔銑削，并改善了表面粗糙度。刀具槽型經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可將切屑順利排出。該刀具非常適合高進(jìn)給銑削應(yīng)用，包括面銑、槽銑、斜坡銑、螺旋插補(bǔ)銑以及等高線加工。

      ISO-S 材料的其他銑削策略取決于具體加工、工件材料和現(xiàn)有的機(jī)床。傳統(tǒng)方法涉及軸向和徑向切削深度的1-1 平衡以及平均進(jìn)給率。高性能加工（使用山高 HPM 系列等特制刀具進(jìn)行）利用大軸向切削深度和100%徑向切削深度來實(shí)現(xiàn)大金屬切除量。高速加工也是一種備選方法，在該方法中，刀具采用相當(dāng)?shù)偷膹较蚯邢魃疃群洼^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生產(chǎn)率。不同加工策略的高效實(shí)施取決于各種因素的組合，包括所用機(jī)床的能力以及能夠處理大型程序和文件以實(shí)施加工工藝的 CNC 系統(tǒng)。

      鈦合金加工本身具有特殊的加工和刀具要求。使用中等切削速度有助于避免產(chǎn)生過多熱量，從而減少刀具和工件之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。盡可能地使用冷卻液。鋒利的切削刃有助于從工件上切下切屑，因此減小了切削力。此外，也可采用高進(jìn)給策略。