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創(chuàng)新的工程技術(shù)推動了醫(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)域中鉆頭 。

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，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，制造商對加工改進(jìn)的追求就主要集中在零件可銑刀 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，人口的平均體重也是如此。這兩個(gè)因素都會對膝關(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。

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。長時(shí)間的磨削加工所產(chǎn)生的熱量會在零件中產(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)間要非標(biāo)刀 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，又能延長刀具壽命。在對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，直徑從 0.1 mm 至 2.0 mm 不等，并采用可達(dá) 16 x D 的長懸伸長度。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。

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)對提高發(fā)動機(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，而對于 Inconel 718 參考材料通常可實(shí)現(xiàn) 25-35 m/min 的速度。

現(xiàn)有刀具僅在加工一個(gè)渦輪盤葉片（320 mm 切削長度）后就發(fā)生了磨損，因此渦輪機(jī)制造商希望尋求更長的刀具壽命。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 43 mm/min 的工作臺進(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)一步延長到 800 mm（刀具壽命延長 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。

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，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)，也可以提供具有競爭優(yōu)勢的金屬切除率。

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。

結(jié)論
對于在關(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，使加工操作更加穩(wěn)定、可靠。除了減少熱量生成和延長刀具壽命外，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。 (中國刀具信息網(wǎng))