航空航天业迅猛发展 高性能刀具大有作为

文章来源:互联网 点击数:396 发布时间:2017-05-22
航空航天工业产品零件的特点是耐高温、高强度、难加工,同时合金材料和复合材料多、复杂结构件多、工艺要求高。这就对其加工设备提出了更高要求,为了推动航空航天事业的发展,近几年来,有实力的机床生产厂家开始研发制造高端数控机床,以替代进口,为民族事业作出了贡献。
航空航天业迅猛发展 高性能刀具大有作为

航空航天工业产品零件的特点是耐高温、高强度、难加工,同时合金材料和复合材料多、复杂结构件多、工艺要求高。这就对其加工设备提出了更高要求,为了推动航空航天事业的发展,近几年来,有实力的机床生产厂家开始研发制造高端数控机床,以替代进口,为民族事业作出了贡献。

一、精密数控系统需助力航空航天的发展

航空航天工业产品零件的特点是耐高温、高强度、难加工,同时合金材料和复合材料多、复杂结构件多、工艺要求高。这就对其加工设备提出了更高要求,为了推动航空航天事业的发展,近几年来,有实力的机床生产厂家开始研发制造高端数控机床,以替代进口,为民族事业作出了贡献。

航空航天产品制造对数控技术与装备的需求呈现以下六个特点:机械加工的数控化率要求高,几乎对各类数控机床都有需求;对数控机床利用率及数控加工效率要求高;数控加工已成为CAD/CAPP/CAM集成应用及;无图纸制造的基础;高速高精度数控切削加工已成必然趋势;要求对不同材料和结构的零部件数控加工工艺及切削参数进行优化;部分数控技术与装备具有专用性。对数控立式车床和立式车削中心、立式铣削加工中心、立卧转换加工中心、数控镗铣床、高效专用叶片加工中心、榫齿成形磨床、数控电火花加工机床等需求量较大,主要用于采用难加工材料、结构复杂的整体机匣、整体叶轮和叶盘等结构件和各种复杂型面叶片的加工。航天产品的发动机制造中,推力室内外壁结构、阀门、活门、转子叶片等的加工,对数控铣床/铣削中心、精密数控车床、数控镗铣床等数控设备有较多的需求。

航空机载设备的关键部件种类多、尺寸小、结构复杂、精度高,对精密数控镗铣床和加工中心、精密数控车床和车削中心、精密数控万能外圆磨床、数控电火花机床和线切割机床等数控设备有重要的需求,以满足各种壳体、阀体、液压偶件、液压平板阀、光管、激光陀螺反射镜、非球面光学零件等零部件的精密、超精密加工要求。航天产品的弹/箭/星载设备主要为控制、导引、探测部件等高精度的精密仪器与机械,对数控技术与装备的要求主要是:精密数控车床和车削中心、高精度万能数控磨床、数控光学坐标磨床和成形磨床、高精度数控电火花加工机床等。

航空航天工业产品零件的特点是耐高温、高强度、难加工,同时合金材料和复合材料多、复杂结构件多、工艺要求高。飞机机身结构件主要有梁、框、肋、壁板等零件,此类零件大多为铝合金或钛合金材料,一般外形轮廓尺寸都很大,属薄壁多腔的整体框架结构,机械切削去除量大,表面质量要求高。加工此类零件需要大型、重型机床装备,要求工作台承重10吨以上,有效行程在15米以上的高刚性机床。航空发动机是国之重器,是装备制造业的尖端。

航空发动机由于研制难度高、技术含量高、产业回报高的特点,被誉为是现代工业;皇冠上的明珠。尽快在这一领域实现突破,对于增强我国经济和国防实力、提升综合国力具有重大意义。国家提出了2020年在航空航天领域机床国产化率达到80%的目标,这不仅成为期盼,也是寄予了大国崛起的希望,需要包括数控系统、功能部件、主机企业在内整个行业的一致努力。对此,机床企业还需努力,技术突破仍需卯足劲。

二.中国航空航天业刀具应用现状

随着航空航天产品的不断升级,尤其各种难加工材料的使用,其加工技术也正逐步提高。如今航空航天领域在刀具的应用方面是什么状态,航空航天工具企业的发展状况又是如何?

中国航空航天工具协会常务副秘书长杨卫先生说:“就航空航天行业来讲,其刀具的应用水平未必比汽车领域高多少,两者的主要区别在于,汽车行业通常是大批量地使用刀具,而航空航天业则是大件小批量生产,专业性刀具使用较多。”他介绍说,目前国内航空业有七八家的专业化工具厂,而航天业则没有。

如此之少的专业化工具厂究竟能否满足国内的市场需求,是否需要一般的刀具企业配合生产?杨秘书长介绍到,目前航空航天工具协会会员中专业化工具企业共有4家,即贵阳西南工具总厂、保定向阳航空精密机械有限公司、陕西航空硬质合金工具公司以及陕西航空宏峰精密机械工具公司。这些企业的产品中有60%左右供应航空航天企业使用,也有一部分出口。即便如此,供应给航空航天使用的刀具也并非完全用于军品的生产,多数航空航天企业所使用的刀具有70%——80%生产民品,仅20%——30%应用于军品。

现今国内航空航天刀具的市场状况与别的行业类似,如果出现市场上现有刀具无法解决的难题时,特别是目前航空航天领域高精尖产品加工中遇到的钛合金、铝镁合金等难加工材料及复合材料的加工,刀具应用企业便需要通过自行研制、开发的方式解决。

“专业化刀具厂的产品多数都是有任务安排的,无论如何也需要首先满足航空航天领域的刀具需求。”杨秘书长解释说,这些专用刀具产品无法完全从市场上获得,因而专业化厂在产品面向市场之前,必须首先要满足行业的使用需求。对于一些有特殊要求而在国内市场上无法寻求的刀具,协会则可以起到桥梁的作用,为企业联系到国外的专业化刀具企业,满足企业的需求。 “近年来,我国航空航天企业的发展势头很好,国家给予比较大的支持,军品生产任务饱满,现在民品也已经进入市场,日益繁荣的市场又促进了民品生产的发展。”

杨秘书又说,细观市场不难发现仍然存在一些问题:国内专业化厂所能提供的多是专用刀具,市场上的通用刀具产品不全面,因而企业应用以进口居多;另外,一些进口的高档数控加工中心所使用的刀具也基本都源自进口,以山特维克可乐满、肯纳、山高和欧士机等国际知名品牌为主,这些企业的销售渠道很广泛,在国内大型城市都设有办事处,购买刀具比较方便,并且良好的售后服务及产品质量保障,也使其竞争优势更优于国内企业。在这样的竞争环境下,中国航空航天工具业更应该发挥自主创新的能力,以实现应用企业的刀具国产化之路。

由于目前机加工、模具设计制造等方面的应用人才十分匮乏,很多企业对一些生产中的具体应用问题十分关心,“如何提高数控设备的加工效率,如何提高钛合金刀具的寿命及其切削速度,对数控操作人员进行相关的培训以及软磁合金的自行研制加工等这些问题都是他们所关注的,所以开展此类培训活动很有必要。”

三、刀具在航空航天制造业中的具体应用

现今,国内航空航天刀具的发展状况与别的行业类似,如果出现市场上现有刀具无法解决的加工难题,特别是目前航空航天领域高精尖产品加工中遇到的钛合金、铝镁合金等难加工材料及复合材料的加工难题,就需要刀具供应商和用户密切合作,通过共同研制、试切开发出专用刀具。同时,刀具厂商在产品面向市场之前,都是经过大量的实验、试切,确保满足用户加工过程中的各种需求。

1.航空航天制造业典型零件用刀具种类

航空航天零部件不仅采用了很多新结构、新技术和新材料,而且零件构型复杂,刚性较差,这些因素促使发动机等零件机械加工必须大量使用高性能的标准刀具和专用刀具进行加工。

目前,发动机盘类零件、轴类零件、机匣类零件加工中外购高性能硬质合金标准刀具和硬质合金非标刀具比例相当。典型中小构件,叶片类零件等以标准刀具为主。在实际加工中刀具的选择主要考虑以下几个因素:工件材料、工件形状、加工要求、加工机床、系统刚性、表面质量技术要求等。以涡轮机匣零件为例,从工件材料上分析,变形高温合金、铸造高温合金等难加工材料大量采用。这些难加工材料导热系数小,比强度大,切削温度高,易产生加工硬化。切削时刀具磨损快,刀具寿命短,刀具消耗量大,因此必须合理选择刀具几何角度。从工件结构上来看,壁薄、刚性差,难加工。

加工零件凸起部分时,刀具系统容易与零件、夹具干涉。因此必须对刀具路径进行优化,如用插铣加工代替侧铣、空行程快速走刀、优化抬刀位置、采用螺旋插补等方式进行铣削。从机床的选择上来说,涡轮机匣需要在大功率的加工中心上加工。从加工工序上分析,机匣需要经过粗加工、半精加工、精加工。为了节省刀具费用,在制造这类零件时,粗加工时可采用高性能陶瓷铣刀,半精加工和精加工时采用标准硬质合金刀具和非标高性能专用刀具,这样可显着提高生产效率。从加工经济性方面上来说,刀具配置方案需要不断改进,尽量采用刀具商最新研发的产品。

2.航空航天制造业常用刀具材料

随着航空航天业钛合金、高温合金等难加工材料的广泛应用,如何正确选择、合理使用刀具进行高效高质量切削加工已经成为一个非常重要的行业性话题。随着工件材料与刀具材料、结构等的互相促进,航空航天制造业得以不断发展,可以说刀具的不断发展是航空航天制造业不断发展的驱动力。

目前,航空航天制造业广泛应用的刀具材料主要有以下几大类:工具钢(碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料。其中,硬质合金刀具所占比重最大,在航空制造中是主导刀具,应用范围相当广泛。与硬质合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、热硬性和耐磨性,且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金,因此,陶瓷刀具已经成为航空航天业刀具发展的一个主流。

在航空航天材料加工过程中,槽加工和孔加工是加工难点。像发动机盘类零件、轴类零件、机匣类零件加工对加工刀具的要求非常高,因此,在这类零部件的加工中高性能硬质合金标准刀具和硬质合金非标刀具使用量非常大。在实际加工中刀具的选择应考虑以下几个因素:工件材料、工件形状、加工要求、加工机床、系统刚性、表面质量技术要求等。

以涡轮机匣零件为例,从工件材料上分析,变形高温合金、铸造高温合金等难加工材料大量采用,这些难加工材料导热系数小,比强度大,切削温度高,易产生加工硬化,切削时刀具磨损快,刀具寿命短,刀具消耗量大,因此必须合理选择刀具几何角度。

从工件结构上来看,壁薄、刚性差,难加工,加工零件凸起部分时,刀具系统容易与零件、夹具干涉,因此,必须对刀具路径进行优化,如插铣加工代替侧铣,空行程快速走刀,优化抬刀位置,采用螺旋插补等方式进行铣削。

从加工工序上分析,机匣需要经过粗加工、半精加工、精加工,为了节省刀具费用,在制造这类零件时,粗加工时可采用高性能陶瓷铣刀,半精加工和精加工时采用标准硬质合金刀具和非标高性能专用刀具,这样可显着提高生产效率。

从加工经济性方面上来说,刀具配置方案需要不断改进,尽量采用刀具商最新研发的产品。航空制造业中,硬质合金刀具所占比重最大。硬质合金刀具在航空制造中是主导刀具,应用范围则相当广泛,在数控刀具材料中占主导地位。硬质合金成为主要的刀具材料,使切削加工实现了向硬质合金时代的过渡,由于不同牌号的硬质合金性能特点不同,因而其应用范围也不同。硬质合金不但可用于制造各种机夹可转位刀具,而且可以制造整体式立铣刀、铰刀、丝锥和钻头等。硬质合金刀具分为普通硬质合金、涂层硬质合金、超细颗粒硬质合金、碳(氮)化钛基硬质合金。

YT类硬质合金具有YG类和YW类的大部分优良性能,在航空制造业应用较广。涂层硬质合金有比基体更高的硬度、耐磨性、耐热性,应用广泛。超细颗粒硬质合金可以大范围地运用于断续切削。碳(氮)化钛基硬质合金主要用于钢件的连续表面的精加工和半精加工。

目前我国陶瓷刀具的应用还处于起步阶段,实际应用发展较慢。陶瓷刀具主要用于硬质合金刀具难以切削的工件粗加工。航空制造业推广使用陶瓷刀具的时间不长,在陶瓷刀具的几何参数、切削用量以及使用技术方面需要积累经验。陶瓷材料与硬质合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、热硬性和耐磨性。陶瓷刀具化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金,非常适合干式连续高速切削高温合金、淬硬刚、轴承钢、高强度钢等难加工材料。航空发动机中高温合金应用很多,盘轴类零件较多,正是陶瓷刀具发挥其优势的地方。实现高效加工,以陶瓷刀具替代部分硬质合金刀具,是完全可行的。陶瓷刀具不是万能刀具,只有正确使用才能充分发挥其优越性。

鉴于陶瓷刀具的特性,选用时必须注意三方面的问题:①要选择良好的系统刚性,可以有效防止振动对刀具的损害,提高刀具寿命。②要防止零件对刀具的冲击。对硬度高并且形状不规则的毛坯,应在切入和切出处先倒角再切削。③要优选刀具几何参数,陶瓷刀具常采用零前角或负前角切削。我们要在充分掌握工件材料性能的基础上,采取相应的措施才能使切削加工达到高质量、高效率、低成本。

发挥进口刀具与国产刀具、标准刀具与非标刀具各自的优势,充分发挥各档次设备的加工能力,有针对性地选择刀具供应商。

四、航空发动机企业如何提高刀具切削技术水平

航空发动机企业提高刀具切削技术水平、降低刀具成本措施,应从以下做起:

(1)转变观念,把握切削技术最新发展方向

发挥进口刀具与国产刀具、标准刀具与非标刀具各自的优势,充分发挥各档次设备的加工能力,有针对性地选择刀具供应商。螺纹刀具等复杂刀具采用国内刀具可以有效降低成本,保证质量。航空航天发动机中零件(如盘轴、机匣件)形状复杂,表面完整性要求又高,切削技术需要不断提升。新刀具也不断涌现,使得切削速度不断提高。我们要借鉴欧洲国家使用先进刀具所具有的高速度、大进给、小切深的理念,与国际先进切削理念接轨,研发先进的切削工艺技术。

(2)实现刀具重磨,降低采购成本

在数控加工中,刀具的损坏不仅影响加工的质量和效率,而且还可能导致严重的机床和人身事故。刀具的损坏有磨损和破损两种情况,加工产品时,刀具受到切削力、切削热和摩擦的作用,会逐渐磨损或破损,最后失去切削能力。

随着刀具的磨损,工件的加工精度也逐渐下降,已加工表面也逐渐变得粗糙。刀具磨损到一定程度就不能继续使用,否则将降低工件的尺寸精度和加工表面质量,同时也会增加刀具的消耗和加工成本。航空发动机企业应根据生产特点,制定适合本企业的刀具修磨技术标准,严格按照刀具修磨技术标准,对刀具进行修磨以及对涂层后质量情况进行跟踪。在实际应用过程中,返磨刀具降本增效效果十分显着,如某发动机制造企业,外购刀具修磨以整体硬质合金铣刀、钻头、铰刀、扩孔钻和复杂刀具为主。年外购可重磨硬质合金立铣刀约五六万把,这些刀具经重磨后还可继续使用,节省的刀具费用也很可观。

(3)强化基础培训,实施引智工程

加强技术人员和操作者在切削技术、刀具选型、刀具使用等方面的培训,提高他们选刀、用刀的能力是降本增效的前提。

建立可供技术人员和操作者在选择刀具,尤其是代用刀具时作为参考的切削数据库,来满足现场机械制造的强烈需求,是降本增效的基础。航空制造企业要知己知彼,高性能刀具必须在适合的零件材料上运用,必须与现场生产设备相适应。航空制造企业应实施引智工程,促使刀具供应商对其定期举行培训,利用刀具商已有的成熟的技术优势来为企业服务。这样既可实现双赢,又可使企业的刀具工程师具有先进的切削理念,掌握世界先进的切削技术。最终实现企业制造水平的跨越发展。

刀具供应商应详细了解用户的真实需求,根据用户的实际需要,提供用户最需要的产品。刀具供应商还要能做好技术指导方面的工作,并提供刀具方面的详细资料,如什么样的刀具适合于加工什么样的材料工件,同时,给出刀具的最佳切削参数等。具体地说,用户希望刀具供应商所派的工程师不仅要熟悉国内外刀具、材料技术以及发展动态,熟悉金属切削技术,还要熟悉机加工艺、各类通用刀具和数控刀具的选择与应用,熟悉各类数控机床,能独立编制机加工艺和刀具配备方案,使用户能够更迅捷地接触世界最先进的刀具技术,与此同时也让用户获得性价比更优的刀具产品和优质的售后服务。