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瓦尔特:高品质刀具为加工效率保驾护航

2014年11月20日 08:48中国机床商务网点击:4089

  【中国机床商务网 名企在线】航天工业已经是一个国家综合国力的集中体现。北京星航机电装备有限公司在承担国防装备研制与制造的过程中,采用了一批先进的刀具产品,成功解决了难加工材料带来的加工困难,而且将整体加工效率提升了20%,对于高品质刀具带来的众多好处,受用至今。
  
  成立于1960年的北京星航机电装备有限公司(以下简称“星航机电”)坐落在北京西郊,是隶属于中国航天科工集团公司第三研究院的国家大型高科技企业。公司占地面积29万平方米,现有资产总值22亿多元。现有在职员工约为1500人。基于先进的航天技术和设备,公司开发的系列精密切削及成形零部件产品、精密铸造成型零部件产品和焊接成型零部件产品应用广泛。星航机电以国防防务产品的研制与生产任务为主业,先后承担了国家多个重点防务产品的研制生产任务,填补了我国国防装备领域的多项空白。
  
  企业先后获得省部级以上科技进步奖50多项。这些殊荣反应了星航机电的研发水平,也肯定了星航机电在研发方面以及制造方面的能力。据星航机电技术中心项目主管姜涛博士的介绍,星航机电对自身技术要求的标准非常高,一是出于所在产品领域的特殊性,飞航产品本身的高标准要求;另外是出于对产品希望进行不断改造和升级的意愿。目前,公司拥有多型号、多系列冷热加工设备和精密测试、计量、理化试验设备,现已形成了完整配套的铸造、钣金、铆接、焊接、热表处理、理化检测、数控加工、总装、测试和CAD/CAM集成制造系统等系列现代化工艺技术装备能力。
  
  刀具关键在于使用寿命
  
  航天工业被称作是制造业金字塔的塔尖,无论加工工艺还是加工材料,航天产品的生产都代表着尖端制造业。作为其中的一个分支,国防装备制造业同样被作为高科技产业,更是一个国家综合国力的集中体现和重要标志。随着科技的发展,国防装备对材料轻量化及特殊性能(如隐身性)的要求也在不断提高,因此,其中的零部件采用钛合金、复合材料等难加工材料的比例越来越大,由此也引发了很多加工难题。
  
  钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛使用,在钛合金加工中,刀具的选择非常关键,会对钛合金的加工质量产生决定性影响。加工钛合金的理想刀具必须同时具备较高的热硬度、良好的韧性、良好的耐磨性,以及高的导热系数和较低的化学活性,尤其在铣削加工时,刀具还应具有良好的抗冲击性。
  
  在星航机电的所有加工任务中,钛合金的使用占有比较高的比例,多为飞航产品的框架类以及回转类零部件。“我们与瓦尔特的合作要追溯到2005年,自从有了这个型号以来,就开始使用瓦尔特的刀具产品,合作已经近十年。”星航机电专门负责刀具加工的工艺员杨宏宇先生回忆说。星航机电的钛合金框架类产品规格并不大,毛坯件类似机翼形状,扁平,有正反两面需要进行型面加工,而且为了减轻产品质量,上面有很多减重设计的沟槽,零件中间部分也基本都是为了减重的镂空设计。该零件的工艺流程并不复杂,杨宏宇先生介绍说,毛坯件首先交给钳工划线,因为零件的特殊形状,无法装卡,所以之后的步骤是加工零件的卡头,然后是粗铣加工零件正反面、稳定化,然后进行精划线、卡头精加工以及精加工上下两面。
  
  从热处理开始,算上所有工艺步骤,这样一个钛合金的零件加工周期在60小时左右,其中,金属加工部分的时间大概在40小时,加工这样一个工件共使用三个瓦尔特的球头刀片。“从我们的使用经验来看,瓦尔特的刀具寿命是最长的,我们曾与若干的进口刀片做过对比,瓦尔特的球头刀在同等转速和进给的情况下,刀具的使用寿命最长,表现最佳。”杨宏宇先生很明确的指出,虽然钛合金导热性差,会致使刀具磨损加快,但瓦尔特的一把刀,可以实现粗加工时的使用寿命是4小时,精加工达到8小时,而其他厂家达不到这个标准。
  
  目前,星航机电使用的瓦尔特刀具产品是P3204-D16WSM36球头刀片,配F2139球头刀杆。瓦尔特仿形精铣刀F2139是用于型腔精加工的高精度刀具,极其精准的四面磨制刀片有各种切削材质和槽型可供选择,确保最佳工件表面质量;专用于切削难加工材料的槽型和涂层技术,延长了刀具使用寿命;另外,对称的刀体结构满足了高速切削加工的要求。现在瓦尔特也为这款铣刀配备了整体硬质合金刀杆,在长悬伸时起到减震作用。基于以上条件,刀具能与规定的加工条件完美匹配。而且,星航机电使用的WSM36刀片是瓦尔特技术改进后的新材质,这种材质的基体材料为超细硬质合金晶粒,刀片涂层底层为TiAlN材质,提高了抗后刀面磨损能力,中间为PVDγ-Al2O3涂层,提高了塑性变形和微小崩刃抵抗能力,表层装饰涂层为ZrN,整个涂层的厚度只有4-5μm,以确保切削刃口的锋利。到目前为止,该产品已经在星航机电钛合金零件的加工中服役了十年,其突出的刀具使用寿命是征服星航机电的关键。
  
  刀具是加工效率提升的基石
  
  在星航机电的所有零件中,除了比例比较大的钛合金之外,铝合金的比例也达到了40%。这些铝合金零件多为薄壁、深腔类零件,相比较钛合金来说,铝合金本身导热性好,硬度也不高,因此加工相对容易一些,对刀具的要求也相对低一些。星航机电在加工铝合金零件时,需要刀具具有高强度、高韧性的特点,这里用到的硬质合金刀具会比较多。除此之外,就是对加工效率有明确的要求。姜涛博士介绍说:“因为现在装备的研发周期越来越短,这就需要制造水平得到相应提升,尤其对加工效率的要求标准更高。”通过对瓦尔特刀具的使用,星航机电铝合金部件的加工效率整体提高了20%,效率的提高还将整体加工成本降低不少,给星航机电的产品制造带来了极大的益处。
  
  采用瓦尔特刀具产品加工的铝合金部件的形状类似长方形,但是里面由很多个大小不一的型腔,型腔的深度一般在100~120毫米之间,因此,加工中刀具的硬度、耐磨性、抗冲击性、振动都是需要考虑的因素。这些型腔多为标准的长方形,在与瓦尔特合作之前,加工车间在加工型腔拐角处时经常会遇到断刀现象,因为型腔的深度较大,刀具振动容易引发断刀,而且拐角部位是R8的圆角,拐角角度大概在90°。而在使用了瓦尔特的铣刀之后,这一状况得到了极大改善,不仅振动消除了,表面加工质量也大为提高。因此,瓦尔特是星航机电最早合作的刀具厂家,而且这一合作就持续了十年。
  
  合作空间巨大
  
  目前,在星航机电的加工车间中,还有很多类型的难加工材料,比如高温合金、钨镍铁等等。星航机电数控加工车间技术负责人丁国智先生介绍说,高温合金占比现在已经达到了15%,其加工效率的提升亟待解决,“因为产品需要,现在我们加工的一些小型的舱体类零件都是高温合金制成的,高温合金的导热性非常差,仅是钛合金导热性的七分之一,可见其机加工的难度。”这种加工会造成刀具的快速急剧磨损,所以刀具能否进行加工是第一步,然后需要考虑刀具加工这样的部件时的使用寿命,接下来才会考虑刀具的加工效率。“现在我们使用一把刀加工高温合金,基本使用20分钟刀具寿命就结束了,如果能找到持续加工1小时以上的刀具,那将极大的改善我们的加工现状,整体加工成本也会减少很多。”杨宏宇先生认为这是目前困扰他的最大的难题。
  
  刀具在星航机电的加工中起到了至关重要的作用,原来某些部件仅一道工序就需要加工半个月左右,在高品质刀具的介入下,现在这种情况基本杜绝了。当然,这种改善不是仅依靠高品质的刀具产品就能够实现的,还包括刀具供应商提供的前期服务,比如刀具选型的建议以及工艺流程的改善。在所有相关因素中,杨宏宇先生认为最重要的是刀具信息的沟通以及产品的试用,“这个环节是非常关键的,我们要使用最新的刀具牌号,但首先要知道刀具供应商做了哪些优化。另外就是刀具的试用,有新的刀具推出,我们希望能第一时间拿到试用。”
  
  其实对于这些问题,瓦尔特已经给出了很好的解决方案,比如全新的品牌瓦尔特-全向(WalterMultiply)。这是一种总体服务理念,刀具管理是一个重要的部分。而刀具管理系统的一个重要组件是瓦尔特的刀具管理软件(TMS),从中可以清晰地图示出当前的库存量、单个刀具更换周期以及准确的刀具消耗量。它还能记录每把刀具的具体动向,从刀具接收到安装至机床上,其中也包括装配刀具。另一个益处是通过配置成本中心、工作人员、班次以及项目,轻触一下按钮就能够在TMS中进行清查。这样一来,用户毫不费力就能回顾性地估量所关注的项目所产生的实际刀具成本。刀具管理系统的个性化服务组件,包括刀具供应系统、供应管理、“每零件成本”解决方案以及库存量优化都可以根据客户的个人需求进行定制。在不远的未来,用户只需要输入所要加工零件的基本结构特征以及材料,软件就能够自动为用户进行配刀,这与星航机电的想法正好吻合。
  
  图1.
  
  隶属于中国航天科工集团公司第三研究院的北京星航机电装备有限公司是国有大型工业企业。

  
  图2.
  
  在星航机电的所有加工任务中,钛合金的使用占有比较高的比例,多为飞航产品的框架类以及回转类零部件。
  
  图3.
  
  在使用瓦尔特刀具产品的10年间,星航曾与若干的进口刀片做过对比,瓦尔特的球头刀在同等转速和进给的情况下,刀具的使用寿命最长,表现最佳。
  
  图4.
  
  姜涛,技术中心预先研究项目主管。
  
  图5.
  
  丁国智,数控加工车间技术负责人。

  
  图6:正在翻阅瓦尔特产品手册的数控刀具专员杨宏宇先生。
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