模具之家讯：损坏刀具就是打破规则

尽管这条格言看似与直觉相悖，但却是提高钛金属切除率的成功方法。钛，和铬镍铁合金以及其它一些特殊材料一样，被广泛用于航空和军事领域。Michael Allawos，加州圣地马斯市Mikana 制造公司总裁，对此非常了解：“我们公司1985 年创立，主要服务于航空工业领域，”他解释道。“我们竭力搜寻一种独一无二的材料，使得那些难以加工的零件从那些难以加工的材料中加工出来。”

在过去的几年里，航空金属材料的价格飞涨，使得材料成本在利—损方程式中占有越来越大的比重。为降低成本并保持竞争力，Allawos 发现，Mikana 必须加快生产速度。他必须更快速地切削钛和铬镍铁合金，这就意味着必须进行改革。

Allawos 知道，机床和加工工艺是唯一的解决方案，他开始寻找一家刀具公司，希望他们能帮助他开创一套新的切削钛金属的方法。最终他找到了一家完美的合作伙伴：Hanita 切削刀具的经销商，加州Thousand Oaks 的JonathanSaada 和他的伙伴们。

“ 这是一个三方的合作！”Jonathan Saada 大声说道，他指的三方即他的公司，Mikana 和哈斯自动化公司。Saada 提供创新性的刀具，Mikana 则提供测试这些新想法的平台和专业技术。由于哈斯机床本身的稳定性，以及哈斯维修工程师和哈斯工厂从始至终提供支持，一台带有高拉紧力拉杆的哈斯VF-2 成为了测试机床。他们合作创新的结果颠覆了许多难加工材料的切削理论。

Mikana 生产的大部分工件都由硬质铬镍铁合金或钛制成，传统方法都采用较低的进给速率加工这些材料。“加工材料的切除率都是以立方英寸每分来测量的，”Allawos解释道。“这也经常被当成盈利或是亏损的量度。更快的切除速率和更长的刀具寿命意味着更高的产能，况且我们生产的一些工件需要切除大量材料。这些都与减少循环时间有关。”
这些为F-22A 战斗机生产的镂空结构零件，在Mikana 的哈斯立式加工中心上经两步操作，由钛金属加工而来。图片从左起分别显示了操作的第一步，第二步以及原始钛材料

那么有多少材料被切除呢？Allawos 举起了一大块钛6-2-2-2-2 和一个当中镂空的钛金属盒。“看到了吗？”他问道，“这个薄薄的工件就是从这个大家伙加工出来的。正如你所见，这个大家伙的90% 都被切掉了，而且钛6-2-2-2-2 比其它类型的材料都要坚硬。”但令人难以置信的是切除材料的进给速率是绝大多数机械师无法想象的。大部分的切削都是在每分钟80 到90 英寸的进给速率下进行的！
用于Boeing 787 的铝材零件正等待着他们的第三步以及最后一步加工操作。工件顶部的曲面需使用大量的仿形铣3D 加工。 Mikana 并没有采用小型球面端铣刀和紧密的步距，因为这样需要大量的加工时间。Mikana 选用了规格稍大的球面端铣刀以及较小的加工步距，然后对零件手工修整，这样是最有效的做法。

Saada 和Allawos 决定要用实践的方法来解决进给速率慢的问题。“在我们最开始启动这个项目的时候，”Saada 说道，“我就向Michael 保证过，在这些刀具证明自身价值之前，他不需要支付任何刀具费用。但我们想知道新刀具的极限所在，所以，我们把它带给Mikana 的生产经理，然后让他来弄坏它。每一个试过的新刀具我们都是这样做的，记录下结果，然后达到某个更高的进给速率。”

“我鼓励我的员工们来想出新办法和新实验，”Allawos继续解释道，“如果我们发现一个好结果，那么节约的成本就能弥补整个过程的花费。我们记录下所有的事情，而且得到了令人惊奇的结果。我们现在掌握了这项技术，它使得我们使用大大超过切削刀具制造商推荐的切削速度和进给速率来获得优异的成果，特别是在切削铬镍铁合金和钛金属方面。”
Mikana 的品质经理（左）和产品经理正在检查零件成品，其他员工正关注于其他哈斯机床上的加工

“进行一个优异的钛金属切削，共有三个因素发生作用，”Saada 表示。“第一是刀具。为消除噪声，我们使用一种被称为Varimill 的变螺旋角刀具，从而打破谐振。它具有氮化铝钛涂层，可以分散热量。”

“第二个因素是仿形铣的使用，”Saada 继续道，“利用球面端铣刀的尖端对半径进行加工。第三，我们采用薄化切屑效应。” 薄化切屑意味着它大部分的切削刃与工件产生较轻地接触以获得大的切削深度。

“通过使用带有涂层的刀具，我们能够对钛6-2-2-2-2进行每分钟80 到90 英寸的切割，” Saada 的同伴，David Buchberger 解释道。“当你对那些习惯于用每分钟4 英寸的速度加工钛金属的人说，他们的加工速度完全可以达到每分钟80 英寸，他一定会向后倒退并连连摆手表示不可置信。然后你向他展示，事实上完全可以做到这样，他一定会深受震撼。”

Saada 通过实践解决加工硬化而造成的工件脆化。“大多数情况下是由于刀具的停顿造成了加工硬化”，他说道，“人们害怕加工钛，所以他们一次只切削0.01 英尺，当加工到转角的时候，他们就慢下来。那么热量到哪里去了？到零件里去了！加工硬化变得局部化，所以你必须不停歇地移动刀具，保持切削。我们采用薄化切屑的方法，所以热量都传到切屑而不是零件里。”

钛6-2-2-2-2 非常坚硬，难以切削。635 铬镍铁合金也是一样。它是最难以加工的金属，刀具损坏非常快。Saada 取出一个盘旋形的盘子和一块铬镍铁合金放在桌上。“你可以看到我们是怎样从这块合金加工出这个零件的，”他指出，“大约95% 的合金都变成了切屑。我们试过硬质合金铣刀，陶瓷刀片以及含钴刀具。它们磨损得非常快——基本没有寿命。我们最终尝试粉末高速钢刀具，它含12% 钴，6% 钒，带有氮化铝钛涂层，这样才是最佳组合。”“其它所有的端铣刀都极易磨损，而硬质合金太脆弱易碎，以至于刀刃碎裂，”Buchberger 说道，“它们加工635 铬镍铁合金只能坚持约20 分钟。现在我们每把刀具能使用超过一个小时，而且刀具重磨后无需重涂层。在Mikana，我们用同样的1 英寸刀具对铬镍铁合金进行长达3 小时的切割，其中大部分时间是满刀切削。”

刀具和进给倍率的单独使用并不能获得高效的性能。“最重要的因素之一在于哈斯VF-2 的高拉紧力拉杆，” Mikana产品经理，Ed Lujan 解释道。“拉杆的张力将所有震颤作响的可能性都清除掉了。材料切削时震颤声是机械师们最头疼的问题，它并不是机器本身的故障。如果你准备对多种金属进行切割，那么你最好拥有一台多样化的机床，正如我们一样，可以让哈斯机床加工任何种类的金属。”

能够加工多种金属的能力对Mikana 的生产和未来都至关重要。“尽管我们为F-18，F-22 和Joint Strike Fighter生产零件，但事情已变得越来越商业化，”Allawos 指出，“我们和Lockheed，Boeing 和JPL 一类的商业客户合作。我们大概有108 个Rover 零件现在还在火星上遨游。它们中的大多数都产自我们的哈斯机床。”

Mikana50% 的产品是钛和铬镍铁合金制成，他们也加工塑料，泡沫和铝材。“正是这些刀具对铝材进行切削，”Buchberger 举着一只大直径3 齿波刃铣刀说道。“次微晶粒硬质合金。有些人觉得没有必要对铝材切削，但是它的刀具寿命和切割速度会十倍地返还它的成本。”

“我们甚至用这种刀具来切削地板，”Lujan 补充道。“我们能切割面积达6 英寸见方的地板，厚达0.045 英寸——误差控制在0.005 英寸以内。一些刀具会在地板上造成裂纹。这是我独有的每分钟90 英寸的刀具。”

Mikana 车间几乎一半的加工量都在于铝材。“我们想用我们的哈斯机床来做这些工作，因为在哈斯机床上加工效果很好，”Allawos 评论说，“它是台坚固的机器，更适合用于加工硬质材料。”

Lujan 说，哈斯机床最大的优点之一在于“哈斯机床的操作都一样。如果你会操作VF-2，那么你就可以操作VF-4 或者VF-8。它们的控制器都是一样的。会对加工产生不同影响的因素在于进给倍率和预读。哈斯控制器使困难的工作变得简单。”

“我们在这里测试极限，然后就可以知道我们到底能达到多快的切削速度，这些刀具，机床以及工艺的极限在哪里，”Saada 说道，“我们彼此扶持，然后从对方的想法和创新中获益。”

Allawos 赞同道。“我们的创新精神为三家公司都带来了利益——最终，是为整个行业带来了利益。”
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