从角落办公室到工厂车间,航空制造业的每个人都面临着同样的挑战:以最高的效率为安全关键应用生产优质零件。这一点在航空航天机械加工中尤其明显,因为其复杂、难加工的部件,如整体叶盘将高级材料与复杂功能相结合。
这种零件的高价值加上长周期意味着从事航空加工的工程师不能犯错误,尤其是在飞机发动机部件的质量控制标准如此之高的情况下。
一致的工具寿命对于保持质量和生产率之间的平衡至关重要,因此为工作选择正确的工具是在竞争如此激烈的市场中取得成功的关键。先进航空航天材料的不断扩展产生了先进切割工具的平行世界,有这么多的选择很容易迷失。
这份报告旨在帮助工程师和制造专业人士驾驭不断发展的航空加工领域。在接下来的几页中,读者将了解航空航天材料的最新发展,特别是耐热超级合金和复合材料,以及这些发展如何影响航空航天加工。显然,新材料会带来新的挑战,可能需要新的工具;但是即使你加工的是传统的合金,由于使用了最新的刀具技术,加工速度和表面光洁度也会有显著的提高。
在为某项工作指定切削刀具时,缩小选择范围可以降低成本和交付时间,但前提是您选择了正确的刀具。为了做到这一点,工程师需要了解航空加工领域当前的挑战和变化。这份报告将教你:
专有和非专有航空航天材料的新发展以及这些变化如何影响切削工具。
加工关键航空发动机部件的当前挑战和解决方案。
在航空加工中选择最佳性能的正确刀具的技巧。
到本报告结束时,工程师和制造专业人员在处理时间紧迫的难加工材料时,应该能够更好地为航空航天应用指定或选择切削工具,而不会牺牲质量或组件完整性。
航空航天材料的变化
“随着技术的发展和材料的变化和发展,我们帮助客户找到加工材料的最佳方式,包括新的工具、流程和技术。”
航空加工已经变得更加复杂,特别是对于耐热高温合金(HRSA)和复合材料。这两类材料在过去十年里都取得了长足的进步,因此,在生产高价值、轻质零件的应用中,这些材料的需求越来越大。然而,这种上升趋势推动了对航空工程师有吸引力的更多材料选择的发展。
耐热高温合金
在航空航天工业中,HRSAs主要用于热截面涡轮部件,如传统的叶片、整体叶盘、燃烧室和相关的静态部件,但高温合金的高温耐受性和抗蠕变性使它们可用于其他部件,如阀门和歧管。顾名思义,这些材料不容易导热,包括切削力产生的热量。因此,热量会更快地传递给切削工具,切削区的温度范围可达1,至1,°C,从而缩短了工具寿命。与更传统的材料(例如钢)相比,切削区的高温还会导致被加工部件更倾向于应变和加工硬化。
典型燃气涡轮喷气发动机示意图
热处理——如退火、固溶处理和时效——也会对机械加工性产生积极或消极的影响。例如,退火的零件硬度较低,相对容易加工,而时效的零件通常较硬,硬度高达48HRC。硬度影响机械加工性,是选择刀具的主要因素。需要更大的力来剪切材料并形成碎片。
近年来,航空制造业中使用的HRSAs数量大幅增加,尽管大多数现代飞机发动机热部件是镍基的,Inconel仍然是最受欢迎的部件之一。然而,正如山特维克科罗曼特公司的航空业专家斯科特·刘易斯解释的那样,这并不是唯一的选择:
“不仅仅是,还有许多不同类型的镍基材料。如今,许多原始设备制造商拥有自己的专有材料,这些材料对切割工具来说甚至比更具挑战性。通常,当您处理这些更困难的材料时,您的切割数据会减少大约10%,在某些情况下甚至会更高。”
换句话说,HRSAs很难加工,不仅是因为它们的材料特性,还因为这些特性多种多样。Lewis指出,“耐热超级合金硬度的微小变化——例如,从46到40HRC——或成分会显著影响您选择的切割数据,尤其是切割速度。”
复合材料
事实上,许多喷气发动机制造商拥有自己专有的镍基材料,这使得一致的航空加工变得更加困难,复合材料也是如此,正如SandvikCoromant整体硬质合金工具产品经理CoreySchwenke解释的那样:
“对于专有材料,似乎每个人都有自己的版本。你可能在一个制造商那里有很好的体验,然后用同样的复合钻头或复合刳刨机去找另一个制造商,结果却不一样,因为材料的配方不同。我认为复合材料是我们在材料领域看到的最大挑战之一。”
复合材料旨在结合不同材料的最佳性能,通常通过嵌入连续或短切纤维(如碳、玻璃、芳族聚酰胺等)来实现。)到主体聚合物基质(例如,酚醛树脂,聚酯,环氧树脂等。)然后用热、光或化学催化剂固化。概括地说,航空航天工业中使用的先进复合材料可以分为热固性塑料和热塑性塑料——前者可能需要化学固化剂,而后者只需要热和压力。
复合材料在飞机生产中的应用给了航空工程师更多的选择,但也给了他们更多的考虑。
例如,复合材料具有相对较低的全厚度热导率,这使得平面内外的热膨胀系数非常不同。因此,复合材料的连接点会承受更高的应力。复合材料也通过损伤模式而不是局部塑性变形来吸收冲击能量。因此,复合材料的失效往往是突然的和灾难性的。
显然,这些新问题对HRSAs和复合材料的可加工性以及飞机总体设计提出了挑战。
航空航天加工面临的挑战
“仅仅因为一些东西在五年或十年前有效,并不意味着它在今天使用不同或更复杂的材料时仍然以同样的效率工作。”
如前所述,航空航天材料的进步给机械加工带来了几个新的挑战。本报告详细研究了四个挑战:
各种材料
零件复杂性
公差和法规
零件成本
各种材料
作为一个高度监管的行业,航空工程师处理的认证流程比其他制造行业更深入。在航空制造业,认证可能很多,有时包括零件、材料、生产设备,甚至工艺本身,一直到使用的工具。硬质合金刀片是目前精加工的首选材料,但使用特殊材料进行精加工以提高生产率的研究仍在进行中。
喷气式发动机的分解图。
谈到航空航天材料,镍基材料、复合材料或复合材料叠层材料是最常见的。“除此之外,”施文克说,“我们看到这些堆叠材料的不同组合——这些不同类型的材料层叠在一起,非常难以加工。”
另一点要考虑的是,不同供应商的入口层和出口层可能不同。“在复合材料家族中,我们看到更多的热塑性应用正在出现,这些材料往往具有较低的熔点。”这意味着,除了使用专有材料带来的可变性之外,加工热塑性塑料时熔化和变形的风险也相当高。商品热塑性塑料的传统高速、轻进料策略不适用于填充材料坚硬、耐磨或两者兼有的重载复合材料。
零件复杂性
整体叶盘等发动机部件是航空制造业中最具挑战性的部件之一,通常需要专门的机器和软件。这种部件对于标准工具来说尤其具有挑战性。
整体叶盘是一个独特的挑战。由于形状完全受到发动机质量流量要求的限制,零件形状和可制造性之间的传统设计权衡根本不适用:无论任务有多困难,整体叶盘都必须按照设计进行加工。薄壁和紧密的特征是已知的。“这些零件的复杂性,以及它们是如何设计的,肯定会对可加工性产生影响,”刘易斯说。“例如,对于整体叶盘,试图将手伸到叶片之间通常意味着你将手伸到了最大伸出量,甚至超过了我们通常建议的最大伸出量。但是,也有用于长距离运输的特殊工具可供选择,例如重金属和硬质合金刀柄。”
规程
在所有加工零件的行业中,航空业是监管最严格的行业之一。这是有道理的,因为这个行业可能会出现错误以人命为代价。公差因零件而异。
例如,旋转部件通常比静态部件更关键,并且通常具有更严格的公差。此外,由于航空航天行业的广泛监管和小批量零件,检查远比大批量和不太重要的生产部件更全面。
“对于某些关键部件和功能,锁定的流程可能会限制客户进行更改,”Lewis解释道。“当涉及到精加工操作时,如果他们想要更换工具,可能会涉及大量的文书工作或漫长的批准过程,以及在加工后对零件进行破坏性检查以进行质量控制。破坏性检查是指他们实际切割组件来分析零件的质量。这也是商店不经常更换工具的原因之一。”
零件成本
由专有材料或其他独特材料制成的极其精密公差的高度复杂零件不可避免地会很昂贵。
高质量的工具、最佳的工艺和刀具路径,以及理解具有挑战性的材料和复杂的部件将会有所帮助商店避免不可避免的昂贵陷阱。错误会导致零件报废,或同样不可取的,低估工作和利润。
“工具肯定会影响废品率,”刘易斯说,“以及精度和表面质量。为正确的工作准备正确的工具很重要,但拥有正确的编程技术或工具路径也很重要。”
提高生产率和刀具寿命的技巧
“航空业的需求意味着我们的客户正在寻找能够为他们提供过程安全性和表面完整性的工具。”
Lewis和Schwenke为寻求缩短周期时间或提高刀具寿命的工程师提供了许多建议。“在你去客户那里运行工具之前,做一些实验室测试,”Lewis说。“这让你更好地了解你的工具在这些材料中的表现。”
根据SandvikCoromant指出,处理具有挑战性的部件的最佳方法之一是使用具有摆线技术的整体硬质合金工具。整体硬质合金刀具的优势包括延伸距离长(直径长度比超过10xD)、切削齿更多以及能够使用更复杂的刀具路径,例如五轴余摆线技术。
切削刀具的经典难题是:如何平衡单位成本、刀具寿命和生产率?一方面,为了尽可能避免停机时间,用户可能更喜欢一种尽管成本较高但使用时间尽可能长的工具。另一方面,不同的用户可能更喜欢使用多种成本较低且未经优化的工具,这些工具可能不会持续很长时间,但也需要较低的前期投资。可用的设备和夹具通常是一个因素。
工具应该被认为是一种投资,操作应该被整体地理解。正如Lewis解释的那样,最好是看每个组件的成本,而不是看每个工具的成本。“对于每个组件的成本,你正在考虑质量工具与最佳结果的适当技术相结合,”他说。“你的工具供应商应该能够在许多方面支持你。不仅有助于进给和速度,还提供了驱动工具的适当技术。”
由于所需的优化工具和姐妹工具的数量,航空航天制造商需要更多的加工能力。姊妹工具是无人值守操作的常见做法。使用这种方法的好处是,一旦您有了一个锁定的、安全的过程,您就可以让操作员运行多台机器,有助于降低管理费用。“有时客户想要一个通用工具,”Schwenke评论道,“我们和他们谈论‘标准与优化工具’。”标准工具是多用途的,可以在多种材料中运行,而优化工具是特定于某种材料的。
“当我们研究这些更难加工的材料时,”他继续说道,“你真的需要一种专门为这种材料设计的工具或工具等级——你可以通过优化工具来优化你的过程。”
根据Lewis和Schwenke的说法,“我们在航空制造业看到的最大错误之一是,客户使用一种工具仅仅是因为这是他们一直在使用的工具。他们可能不知道一种更新的工具或技术可以给他们带来巨大的好处,”刘易斯说。“尽管他们可能会在商店里买到更复杂的材料,但他们仍在使用同样的旧工具。”
选择正确的技术
经验丰富的工程师和机械师都知道,选择正确的切割技术可以极大地提高生产率。高转速、高功率生产加工中心引入了更轻切削和更快进给速度的概念,但航空航天领域的复杂、关键任务需要更加深思熟虑的方法。
如果你想在高进给下实现轻度啮合,Lewis建议使用余摆线铣削技术来降低刀具啮合。“这项技术是从模具行业的硬零件铣削,”他解释说。“它允许较轻的径向深度和较高的轴向切削,这意味着刀具可以更快地穿过零件,从而减少热量积累,这对刀具寿命有积极的影响。
当我们降低刀具磨损并提高进给速度时,我们可以延长刀具寿命、提高一致性并提高生产率——所有这些都是客户所追求的。"
面对新材料或新材料组合的工程师从他们过去使用类似材料的经验出发,记录成分和条件,以确定加工参数的初始值。从那里,他们读取工具的磨损,并相应地调整,直到性能得到优化。这个过程被称为映射,因为它创建了一个我们希望工具如何执行的图表。切屑图和刀具磨损图有助于工程师获得最佳的最终结果。
选择正确的切割工具
为工作选择正确的工具这一老生常谈一直伴随着我们,这是有原因的。航空航天中新材料带来的挑战制造业使得为您的应用选择最佳工具变得更加重要。不足为奇的是,第一步是与您的工具供应商讨论您的需求。
Lewis解释说,“在拜访客户时,我们首先要看的是他们使用什么工具。它是用于正确工作的正确工具还是用于正确材料的正确工具?如果我们看到这一点,很多时候我们会问这样的问题,“你为什么要使用这个工具?”我们得到的回应是‘哦,这是我们一直用的。’"
材料和切割工具的技术创新步伐让许多车间不知道最新的选择——切割工具供应商非常乐意提供这些信息。举个例子,山特维克科罗曼特提供了一系列整体硬质合金端铣刀,用于粗加工、精加工和螺纹铣削。CoroMillPlura刀具可以切割难以加工的航空材料,这些刀具针对HRSA、钛和复合材料等材料及其应用进行了优化,包括高进给侧铣、大型排屑和微加工。
在许多情况下,关键是为您的应用选择具有正确涂层或几何形状的端铣刀。为了应对日益多样化的航空航天材料,一些供应商正在提供具有航空航天专用等级和涂层的切割工具。
例如,山特维克科罗曼特的级镍基合金(可在科罗米尔PluraHFSISOS工具上获得)采用了一种带有新型涂层的硬质基底,可在加工零件时抵抗高工作负荷由硬化的高粘性材料制成,例如由Inconel制成的发动机外壳。
整体硬质合金工具的好处
正如Lewis所解释的,“航空领域整体硬质合金工具的优势在于周期时间和精度。如果您使用整体硬质合金圆形刀具而不是可转位铣刀,您可以使用更多的齿来减小直径,并利用摆线技术来提高立方金属去除率。”
当然,可转位铣刀在航空航天加工中还是有一席之地的。例如,与整体硬质合金刀具相比,使用可转位刀具可以更有效地在大表面上进行端面加工操作。然而,通过适当的编程,整体硬质合金端铣刀在许多应用中比可转位刀具更有效。
使用工具啮合摆线技术的CoroMillPlura整体硬质合金工具。
如上所述,使用HRSAs时,热量从材料传递到切削工具。Inveio和Zertivo等山特维克Coromant专利涂层旨在创造一种热障,有助于保护基底免受损坏。这些涂层还具有减少粘附的特性,有助于减少堆积边缘(BUE)的形成。
结论
在一个竞争激烈的行业中,生产一个单一的组件可能意味着巨大的时间、金钱和专业知识投资,制造商不能犯错误。广泛的法规、严格的公差和快速的创新相结合,使航空制造商处于更加危险的境地。新材料和新设计给机械加工带来了新的挑战,唯一的应对方法就是利用切削工具和技术的创新。在生产力和上市时间依赖于不断发展的技术的任何行业,这都是一条真理:
跟上变化的步伐,否则可能会落后。
第一台飞机发动机是用能想象到的最基本的切削工具制造的:锤子、凿子和原始钻床上的碳钢钻头。半个世纪后,复杂的燃气轮机热段叶片由镍合金熔模铸造和机械加工而成。今天,航空发动机的冶金和制造技术已经发展成为一门复杂的工程科学。只有当制造和生产方法能够跟上创新的步伐时,这种快速的技术发展才有可能。在航空加工中,这意味着使用可以处理复杂几何形状的切削工具以及最新的材料,如HRSAs和复合材料。
选择合适的刀具可以决定是按时按预算生产,还是生产出延迟的、不符合规格的零件,或者(甚至更糟)两者兼而有之。在航空加工中选择正确的刀具并不容易,但有专家可以帮助使这一过程更加轻松。
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