加工難加工材料
什麼是稀有金屬，它們為何如此稀有，它們是如何加工的？ 為了理解這個主題，讓我們從定義它開始。
主流的工程材料是鋼、不銹鋼、鑄鐵等鐵基合金。 另一組常用材料包括基於有色金屬的合金，例如鋁合金、黃銅和青銅。
此外，還有為滿足特定需求而開發的特殊類型的材料。 這些難加工的材料具有專門的應用； 它們很少見且不常用，而且製造成本通常更高。
目前不存在對於難加工材料的嚴格一致定義。許多專家將它們稱為鈹、鋯等金屬及其合金、陶瓷、複合材料和高溫合金。在考慮使用結構材料時，應首先區分高溫合金和複合材料。由於多種原因，金屬加工行業主要處理這些類型的材料，其中之一是加工特殊材料是有問題的。超級合金，或更具體地說，高溫超級合金 (HTSA)，主要在與高溫相結合的重機械負載下運行。它們主要用於燃氣輪機和各種閥門和石化設備。高溫合金的“難加工性”在於其冶金設計，可提供高抗變性以在高溫下保持強度。根據主要成分，HTSA 可分為三組：鎳 (Ni)-、鈷 (Co)- 和鐵 (Fe) 基高溫合金。高溫合金的化學性質，特別是在鎳基和鈷基 HTSA 的情況下，會導致機械加工性差。
複合材料是多成分材料。與鋼或鋁等傳統工程材料相比，複合材料工件更接近淨形狀，不需要大量材料去除。然而，複合材料的成分具有不同的特性，當它們組合在一起時，它們會產生異質結構，從而使加工成為問題。加工複合材料的過程不同於加工金屬，它通常看起來更像是破碎而不是切削。高複合磨蝕性會導致嚴重的刀具鈍化，以及各種性能問題，例如精度下降或不可修復的加工缺陷。
金屬加工行業在加工特殊材料方面取得重大進展。先進的加工刀具和有效的加工策略已經將加工操作的性能提升到一個全新的水平。 3D 打印令人印象深刻的飛躍，這可能會顯著減少加工操作，看起來非常有希望。但有一個“例外”，它仍然限制充分利用機床能力的顯著增加。這個“例外”就是切削刀具。儘管取得明顯的進步，但切削刀具仍然是加工效率的瓶頸。因此，在特殊材料的生產性加工方面取得突破的計劃與刀具有很大關係。
刀具製造商不斷努力尋找高效且可靠的解決方案來加工特殊材料。有時，重大進步的傳統來源似乎幾乎不存在，向前邁出的一大步只與真正的新穎性有關。無論如何，刀具製造商仍然設法提供有趣的產品，將可用的手段和資源與新的想法相結合。最近幾年推出的伊斯卡發展，為此類產品提供一個很好的例子，伊斯卡試圖解決現有的瓶頸並尋找新的前進方式。
更難的難加工材料: 優勢陶瓷
鎢鋼仍然是機械加工的主要切削材料。鎢鋼刀具的導入徹底改變金屬加工行業，確保由於切削速度的急劇提高而顯著提高生產率。然而，儘管如此，即使在今天，難以加工的鎳基和鈷基高溫合金 (HTSA) 的切削速度仍然很低：通常在 25-50 m/min (80-160 sfm) 的範圍內。我們如何擴展速度邊界？
難切削的陶瓷材料已經成為切削材料。使用奇特的陶瓷材料可確保完全不同的切削速度。例如，用陶瓷刀具加工高溫合金，切削速度1000 m/min（3300 sfm）是完全真實的。因此，陶瓷刀具在加工HTSA中變得越來越普遍。
最近，伊斯卡開發一系列帶有陶瓷製成的雙面刀片的可轉位殼銑刀（圖 1）。這些銑刀主要用於以極高的切削速度對平面和 3D 表面進行粗加工和半精加工。經濟的雙面刀片設計提供高陶瓷利用率。刀片由多種陶瓷材質製成，例如“黑色”陶瓷、晶須增強陶瓷和賽隆（一種基於氮化矽的陶瓷）。新銑刀的應用主要在最大限度地提高金屬移除率 (MRR) 並顯著縮短循環時間。
另一個成功使用陶瓷切削的例子是伊斯卡的另一款最新產品：賽隆的實心立銑刀系列。立銑刀專為生產性粗加工鎳基高溫合金而設計，例如航太工業中的各種材質的 Inconel、Incoloy、Haynes 等。與典型的鎢鋼立銑刀相比，賽隆立銑刀可將切削速度提高多達 50 倍！
應該注意的是，陶瓷刀具的特性與鎢鋼刀具不同。 通常，刀具壽命的終點取決於可接受的表面光潔度或產生的毛邊，而不是刀具磨損尺寸。
切削鑽石
在用複合材料製造零件時，鑽孔被廣泛認為是主要的切削操作。 提高鑽孔刀具的能力對加工複合材料和複合材料堆疊的有效性產生直接影響。
最近，伊斯卡推出一系列直徑範圍為 3.3-12 毫米 (.130-.500") 的新型實心鑽頭，專為複合材料設計（圖 2）。這些刀具的共同特點是使用聚晶金剛石 (PCD) 或金剛石鍍層以確保高耐磨性。這些新型鑽頭有多種類型；其中一種基於使用 PCD 尖端作為鑽頭的中心點，另一種類型具有金剛石 晶圓。兩種鑽孔類型都提供大面積進行多次再研磨。
第三種類型的鑽頭是具有金剛石鍍層切削區域的鎢鋼刀具。 它們的波浪形切削刃有助於減少毛邊的形成，特別是在鑽孔碳纖維增強塑料 (CFRP) 和 CFRP-鋁疊層時。
冷卻液供應器
在加工特殊高溫合金時，有效的冷卻液供應是成功的基石。 精確高壓冷卻 (HPC) 是提高切削性能的重要工具。 它是延長刀具壽命、更好的切屑控制和更高生產率的真正來源。
伊斯卡最新開發的產品之一是帶有 ISO 型可轉位刀片的車刀系列（圖 3）。 刀具設計採用上夾具，即使在重切削和斷續切削期間也能可靠地固定刀片。 以前帶有 HPC 選項的車刀有一個槓桿夾持機構，因為上夾具會阻礙冷卻液射流到達切削刃。
新開發的刀具集成一個中空的上夾具，可以解決兩個問題：
-強大而剛性的刀片夾持
-消除冷卻液射流到達切削刃的任何障礙
因此，在新工具中用作冷卻劑噴嘴的夾具獲得額外的重要功能特徵。
帶有貫穿刀具冷卻液供應的新產品不僅有利於使用 HPC 進行加工。它們應用於採用傳統外部“低”壓冷卻（10-15 巴）的車削也提供更好的性能。
在切斷和切槽中，特別是在深切槽中，高效的切屑成形具有至關重要的意義。切削刃的精確高壓冷卻顯著減少切屑堵塞並減少積屑瘤。在過去的一年裡，伊斯卡通過導入帶有 HPC 選項的新型端面切槽刀具擴大其 HPC 產品的範圍（圖 4）。這些刀具適用於高達 140 巴的冷卻液壓力。
幾何創新永無止境
改進切削幾何形狀確實窮盡所有的可能性。這一結論的良好證據是升級現有可轉位刀片的各種新解決方案。通常，此類解決方案涉及先進的切屑成形、強化切削刃和漸進式刃口製備。
ISCAR 用於精車特殊高溫合金的新型斷屑槽 F3S（圖 5）專為流行的 ISO 型刀片（CNMG、WNMG 等）而設計。典型的精加工操作的特點是切深淺和進給量低。因此，斷屑槽的成功在於與刀片切削刃相鄰的小區域。與現有刀片相比，需要真正的工程“藝術”和大量努力來重新設計該區域以獲得更好的性能。
F3F 給出瞭如何成功執行此操作的示例。它有一個加強的切削刃，以防止凹槽磨損，以及一個專門設計的偏轉器，用於在精車 HTSA 中進行有效的切屑控制。與正前角相結合，這些特徵可確保平滑輕鬆的切削、顯著的斷屑能力以及顯著降低切削力。
加工特殊材料使刀具製造商面臨不同的挑戰。在開發將帶來突破的切削刀具時，刀具製造商會嘗試一切。有時他們的解決方案真的很“難切削性”，有時創新思維允許在傳統方向上前進。在 ISCAR 的案例中，可以清楚地看到，為滿足金屬加工行業對特殊材料的需求，尋找正確響應的進展並沒有停止。
