特殊材料的车削

高温合金和钛合金都是难加工材料。它们不同于任何其他金属，这就是它们的特殊性。它们具备出色的属性，例如强度/重量比、高温条件下的强度和硬度保持能力以及出色的抗腐蚀能力。
但是，因为这些材质的加工难度也大，所以它们需要“特殊的”解决方案。必须通过专用工具进行周全规划，要精挑细选方法和刀具轨迹，以此实现高效、安全和良好的效果。
这个概览介绍了能够提升车削性能和加工安全性的各种加工要求和发展。

独特的零件属性，但是加工难度大

是否能够加工某种零件材料的能力由若干因素决定，它们影响和决定着金属切削工序的要求和成效。从非常广泛的角度而言，切削零件材料的能力与刀具磨损趋势和切屑形成方式有关。由于大多数情况下的不同，这些特殊材料的切削加工性差。它们被视为难加工材料 — 但是其实，如果方法得当，它们并不难加工。
更加特殊的相对常见的零件材料被归类为ISO S组：高温合金 (HRSA) 和钛合金。对于机械加工，根据成分、条件和特性，所有这些都可分为若干子组。S类合金的化学特性和冶金成分将决定物理属性，进而决定切削加工性。由于碎屑问题，切屑控制通常要求高，而且一个并非罕见的现象是：具体切削力可能是钢材质的两倍 (这是直接的测量方法，证明材料切削难度多么高，且其决定了所需的切削力和功率)。
HRSA材料难加工的主要原因是它们即使在高温条件下依然保持高强度。它们不会像大多数其他材料那样软化和流动，而且它们还会迅速硬化。强大的机械负荷和大量的热量聚集在切削刃上。有镍基、铁基或钴基高温合金，具有独特的零件应用能力，主要是航空航天、能源和医药行业，因为它们的优势属性不会 改变太多，直到接近熔点。它们还具有非常强的抗腐蚀能力。但是从可加工性角度来看，它们需要有能力的机床、高刚性的安装条件、专用的刀片材质和槽型、优化的冷却液应用，最后同样重要的是，它们还需要正确的加工方法和刀具。当然还需要更多规划，需要生产前期进行更多的工作。
钛金属合金也被分为若干种，切削加工性各不相同。通常，切削加工性被评为不同等级 (韧性)，这就对刀具和方法提出了非常特别的要求。高要求的受限条件包括低热导性、高温条件下的高强度、高度易粘结、薄的切屑有产生毛边的倾向，刀具前刀面生成了狭窄的接触面，且切削刃附近聚积了强大的切削力。切屑可能循环形成，因此导致不同的切削力，而有些合金的硬质合金含量相对较高，因此使材料的磨蚀性更强。过高的切削速度可能加剧切屑和刀具材料之间的反应，从而导致切削刃突然崩刃/破裂以及切削刃材料粘结/熔化。有些合金还会快速硬化，从而加剧扩散类型的磨损，进而导致过量毛刺形成。这也会使以下工序的难度更大。
特殊材料，是的，它们的加工难度会更大，很多HRSA和钛金属合金成功加工的可能性就相对较小。

当车削这些材料，……

……成功的关键在于平衡材料和应用因素之间综合影响。有一些基本的经验规则，对实现出色效果的贡献很大：

• 预先规划好合理的加工策略，尽可能详细，
• 建立最佳刀具作业方法，
• 建立最佳刀具轨迹且使用非常稳定的刀柄，
• 使用最佳的新型专用切削刀具技术，
• 应用合格的切削参数保证加工安全性和生产率，
• 通过螺旋切削长度运算对切削进行预测，
• 正确应用冷却液 - 现代高压解决方案，
• 利用专家建议和支持。

务必精细规划加工过程，因为涉及关键的决定性因素，例如工件材料的状态/条件。铸造、锻造、棒料、热处理、固溶处理以及时效都会极大影响零件，由此影响刀具和方法的选择。工件表面状况不尽相同并影响加工，硬度也是。车削策略应当始终包括待加工零件的设计特征要求以及加工的不同阶段，关乎粗加工 (初始阶段)、半精加工 (中间阶段) 和精加工 (最后阶段)。复杂特征和表面完整性是常见问题。

对特殊材料的车削进行规划时，零件设计、材料和条件是基础。如果适用，根据材料条件和质量要求，规划好初始、中间和最后阶段的加工如何执行。编程时规划好刀具轨迹和进给的减少将决定磨损程度、刀具类型、生产周期和安全性。

这些材料的切削作用……

……很大程度上受切削刃对工件的作用方式的影响。切削刃的主偏角以及刀片槽型是性能、刀具寿命、安全性和效果的主导因素。刀片形状的选择经常要考量需要进行的具体切削。但是，应用中有一个关键因素：使用小主偏角有助于刀具性能和刀具寿命的提升。
选择刀片材质时，部分需要根据主偏角来决定。这个角度会影响到导致切削刃上沟槽形成的磨损类型、影响结果的尺寸且可能导致刀具过早报废。正确应用的方法意味着可以选择具备更高生产率的刀片材质，同时也提供了更长刀具寿命和更高安全性。

切削刀具的主偏角影响着切屑厚度、进给率、切削力以及可能实现的切削类型。对于特殊材料，角度的选择对于生产率和过程可靠性有直接影响，会影响到刀片形状、刀尖半径以及可以如何充分利用刀具材料。圆刀片和xcel型的刀片通常是最佳选择。

刀具材料 (刀片材质) 的选择还受到所涉及车削工序类型、粗加工、半精加工及精加工的影响，也受制于工件条件和切削类型。由于这些材料的硬度，切削刃的塑性变形应当总是被视为选择刀片材质时的主要危险因素 (正如所提到的，沟槽磨损主要受到主偏角和切削深度的影响)。刀片材质的选择也应当考虑刀片形状，因为这是一个强度问题，要通过方法、切屑负荷以及切削是连续的还是断续的来进行考量。因此对于HRSA的加工，至关重要的是专用材质。
高水平的刀片热硬性、恰当的刀片韧性水平以及刀片涂层的充分粘合性是主要要求。正前角切削槽型、锋利的切削刃、高水平的切削刃强度以及相对开阔的断屑器总是应该成为这些材料可转位刀片的特征。
创建最合适的切削参数对于这些材料的成功加工也至关重要。切削速度受限于速度、进给和切深，可优化，以提供高水平生产率、安全性和质量。切削速度与热量生成以及对刀片的影响相关；必须足够高，以此使切削有充分的可塑性但是又不会过高，进而不会使刀具材料不平衡。专用硬质合金刀片的速度通常为130至260 sfm (40至80 m/min)；陶瓷刀片的速度通常为490至1310 sfm (150至400 m/min)。
进给率是切削时间和切屑厚度的主要影响因素。对于特殊材料，必须更加谨慎地平衡这一点，因为限制相对严格：对于粗加工，切屑必须最大化，但是又不会过大以至于对切削刃造成过大负荷；而对于精加工，切屑必须足够厚以至于能够防止过热和加工硬化。
切削深度经常影响切削刃的行进，因此必须低于特定值。例如，如果使用圆刀片加工HRSA，切深不应超过刀片直径的15%。仿形切削也要对切深进行精细编程。涉及凹槽或方肩，不要超过合适的切宽。
关于刀具寿命，广泛使用螺旋切削长度 (SCL) 是非常重要。正确创建这一点意味着可以预测因刀片转位产生的机床停机并进行相应编程且以正确速度走刀而不会使切削刃无法维持所需的表面质量。

通过螺旋切削长度运算可以预测时间或切削长度，进而缩短要求严苛的特殊材料的加工时间并提升表面质量。然后通过螺旋长度而规划因换刀而导致的停机，以此更好适应工序和切削参数，进而优化刀具寿命和机床利用率。

刀具磨损情况很大程度上受到…

… 强大切削力以及更高切削刃温度的影响，特定类型的切削刃更容易磨损。主要是前面提及的沟槽磨损 (工件材料与切深的机械磨损类型)；切削刃的塑性变形 — 高温和高压共同作用的结果；第三点是主要因更硬材料导致的磨料磨损。另一个类型是顶层剥落磨损，出现于陶瓷刀片，切削刃的顶层脱层。切削刃的方式发挥着重大作用。

刀片材质的选择与特殊材料的粗加工和精加工并不直接相关，与其他材料的情况一样。相反，材质的选择才是关系更大的优化因素 — 稍微更复杂一些，取决于刀片形状和切削刃的方式以及工序类型。破坏性的磨损形式，例如呈现的沟槽磨损和塑性变形，必须主要通过合适的刀具、切削参数和方法来控制。硬质合金刀片和现代的赛隆陶瓷以及某种程度上的晶须增强陶瓷通常是最合适、应用最广泛的选择。

对于特殊材料的车削，最合适的主偏角是小角度，等于或小于45度。最差的情况是主偏角是90/0度或者切深大于刀片的刀尖半径。大/小角度意味着切屑薄和更高的进给。
对于HRSA车削，刀具的主偏角将决定某款PVD或CVD涂层的刀片是否是最合适的。这是为了防止热效应。PVD适合90/0度主偏角，CVD适合45度。另一方面，钛金属车削并不会受益于刀片涂层。这种情况下，一个更重要的因素是确保最合适的切削刃状况，例如用于精加工的圆刀片。新系列的PVD刀片具备高硬度以及抵御切削刃变形和热冲击的出色能力。加之锋利的切削刃，它们能够在粘结材料的粗加工到精加工工序中表现出色。

正确的刀片形状 …

… 是加工这些材料的重要应用因素。圆柄 (R形) 已经成为针对这些材料的主要建议之一。圆刀片为锋利的正前角切削刃提供强韧性；沿着长型切削刃，切屑厚度不尽相同，实现高进给；大的刀片半径，不会因为表面质量限制进给率。圆刀片也为很多零件形状所需的仿形切削和型腔工序提供编程灵活性。
方刀片 (S形) 在有些情况下最合适初始阶段加工，它有能力以45度角在各种方向进行粗加工。长菱形刀片 (C形) 具备固有的轨迹灵活性，如果延伸至Xcel型刀片甚至能够提供更强的刀具可达性，深入圆角、台阶和凹窝。刀片形状和45度主偏角这两项因素的结合也降低了径向切削力，使切屑厚度保持一致，并降低沟槽磨损。结果是生产率、刀具寿命和安全性都得到了提升。

编程优化 …

… 至关重要，以下提供一些建议用于提升性能，尤其是如果使用的是圆刀片，因为它们本质上就非常适合特殊材料：

• 避免插入切削和软化影响；如果这些切削是必要的，将进给率减半，
• 如果车削方肩，进给也应当减半或者刀具应当滚入切削，这里经过编程的半径等于刀片直径。(准则是：所编程的最小半径是刀片直径的大约25%，而零件半径是刀片直径的75%。刀具中心进给是推荐的编程半径。)，
• 如果使用圆刀片进行粗加工，使编程的半径等于刀片直径，而对于精加工，要确保所编程的半径大于刀片直径，
• 考虑替代的刀具轨迹、多次走刀和双向加工，以此充分使用刀片，
• 通过对工件进行预倒角加工且向斜削角进行进给，保护陶瓷刀片。
• 在整个加工过程中保持令人满意的主偏角，与刀片切宽保持平衡。限制角度对于实现出色性能是必不可少的，而使用圆刀片也是通过现代刀片材质实现潜能的一个重要推动力，
• 进行仿形切削和插铣加工时要避免任何缠绕现象，以此避免刀片遭遇超额负荷，使用替代性的刀具轨迹或更小的刀片直径，
• 考虑摆线走刀，将切削分割成若干合适的切削，尤其是型腔加工。

对于HRSA和钛金属加工，您需要在刀具类型和方法上作何考量？以下是主要考量因素：

• 一定不能缺少高精度冷却液。得益于内冷式刀具作业方式在切削刃及其背后的精准喷射，车削、铣削和钻孔工序可以获得诸多益处。凭借恰当的冷却液供应，作为标准和非标解决方案提供的先进喷嘴技术可应用于所有类型的机械。投资新机床用于钛金属切削的冷却液压力必须达到70巴，以此助力断屑操作的改进，但是高达200巴的压力对于HRSA车削是有利的，因为断屑更难。

冷却液的使用对于特殊材料的加工是决定性的应用因素。高精度冷却液的应用如今是标准化的或非标化的高科技，效率如此之高，以至于使切削本身、切屑成形、刀具寿命和生产率都产生了明显的影响。一般而言，这些材料生成的高温使冷却效果成为必要，但是如果大量而精准地应用高压冷却液，加之专用刀片和在刀具内部供应冷却液，性能和效果都得以优化。

• 对于特殊材料的车削，可达性经常成为问题。复杂的特性和刀具悬伸使得刀具和方法成为成败的关键。考虑模块化的系统，可靠的刀具刀板理念使切削刃可以呈现不同角度和可使用的悬伸。转接柄和刀板的范围提供灵活性，以此从有限的标准刀具库打造出任何刀具，进而匹配不同配置并在外部或内部型腔的有限空间实现可达性。刀板应当包括所需的径向和轴向间隙，以此深入有角度的凹槽，从刀具内部向切削刃提供高精度冷却液。
• 对于任何加工工序，刀具材料都是核心，而对于特殊材料它们更是关键因素。这个领域要求专用的刀片材质以及正确的刀片槽型，主要是最新的硬质合金和陶瓷形式。未涂层的硬质合金材质依然拥有重要地位，但是刀片涂层技术的最新发展成就了经过特别涂层工艺处理的黏合型硬质合金刀片，进而通过缩短切削时间和延长刀具寿命的方法进一步提升了切削刃的能力。
• 镗杆、刀板甚至是铣削刀具内置刀具减震功能，最大程度降低振动可能性。抗振动技术取得了巨大飞跃，对于刀具悬伸特别容易产生震动的情况，这应当是一种自然的选择——尤其是当不稳定性可能造成影响时。生产率、加工安全性和零件质量是与质量及抗振动刀具作业系统可用性直接相关的因素。没有这个配备，很多工序都无法执行：现在，对于涉及悬伸 (250毫米，高达直径的十四倍) 的内圆车削，可非常高效地高精度执行。