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从航空工业需求看未来刀具的发展情况

2009年09月09日 10:17中国机床商务网点击:2792

  进入21世纪,激烈的市场竞争推动着以机器制造技术为先导的先进制造技术以前所未有的速度向前发展,航空零部件的制造也已进入以数字化制造技术为特点的发展时期。先进的航空产品要求航空零件具有更优异的性能、更低的成本和更高的环保性,而加工工艺要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重复精度和可再现性。传统的刀具已不能满足以上要求,刀具行业因此而进入了“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的现代刀具生产新格局。
  高速、高效切削
  随着科学技术的进步,我们正处于先进制造技术快速发展时期,数控机床的推广应用,大大降低了零件加工的辅助时间,极大地提高了生产率。航空零件加工的总工时中,辅助时间缩短,切削所占的时间比例就相应增大,要想进一步提高机床的生产率,必须大幅度提高切削速度,这也是近几十年来高速切削技术迅速发展的主要原因。高速加工最早主要用于航空工业轻合金的加工,现已成为航空制造业提高加工效率和质量、降低加工成本的主要途径。
  在航空零部件加工中,高速切削正在被大量应用,主要有以下几个原因:
  (1)为了最大限度地减重和满足其他一些要求,许多构件、壁板等采用“整体制造法”,即在大块毛坯上去除余量,形成薄壁,细筋结构的零件,需要去除大量金属材料,导致切削时间占用零件总生产时间比例很大,因此提高生产率的途径之一就是采用高速切削加工。
  (2)飞机零件的结构复杂、精度高,零件的薄壁、细筋结构刚度差,要尽量减少加工中的径向切削力和热变形,只有采用高速切削加工才能满足这些要求。
  (3)难加工材料,如镍基高温合金、钛合金、高强度结构钢被现代航空产品大量采用,这些材料强度大、硬度高,耐冲击、加工中容易硬化,切削温度高、刀具磨损严重,属于难加工材料。一般采用很低的切削速度进行加工,如果采用高速切削,不但可以大幅度提高生产率而且可以有效地减少刀具磨损,提高零件的表面质量。
  高速切削加工具有不同于传统切削加工技术的加工机理和应用优势,它是数控加工工艺观念的转变。根据航空产品的材料和结构特点,要实现高速加工必须以先进高速切削刀具为保证。高速切削刀具必须具有良好的耐磨性和高强度韧性,先进的刀具材料、优良的刀具涂层技术、合理的几何结构参数,高度动平衡刀具系统,安全可靠的夹紧方式,以及高同心度的刀刃精度等等。
  刀具切削材料的发展方向及应用
  目前,在飞机制造领域中,高速钢刀具约占总各类切削加工总刀具量的60%,硬质合金刀具约占总刀具量的35%,超硬刀具(立方氮化硼、金刚石)占全部刀具总量不超过5%,今后随着航空新材料不断涌现,硬切削、干切削应用的增加,硬质合金刀具、涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具的比例将大幅提高。
  1硬质合金材料的发展
  为了满足高速切削技术的迅猛发展,以硬质合金为主的各种刀具材料性能已经全面提高,细颗粒、超细颗粒硬质合金的开发及涂层技术在硬质合金刀具上的应用显着地提高了硬质合金材料的强度和韧性,用它制造的整体合金刀具正逐步代替传统的高速钢刀具,使切削速度和加工效率提高了数倍,为高速切削的推广应用打下了重要基础。整体硬质合金还在一些复杂成形刀具中得到了应用,满足了产品加工多样性的需求。目前国内厦门金鹭特种合金有限公司、株洲钻石硬质切削刀具股份有限公司、四平博尔特工艺装备有限公司及陕西航空硬质合金工具公司都能为航空工业提供硬质合金刀具,其产品性能接近世界先进水平。
 21世纪硬质合金刀具材料应重点在2方面发展:一是细化晶粒使之达到纳米级微晶等级。硬质合金晶粒尺寸越小,硬质合金的硬度就越高其耐磨性就越好,韧性和刚度也就越高,从而扩大其应用范围;二是应用新技术新工艺开发新型硬质合金提高硬质合金内在性能和质量。
  2涂层技术的发展
  刀具涂层技术在现代切削加工和刀具发展中起着十分重要作用,自问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大进展,化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,相继开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到了提高;而物理涂层(PVD)技术也取得了重大突破,在涂层设备的结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层,通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构等大量新型涂层,大幅度提高了涂层硬度和韧性。
  3超硬刀具材料的发展
  超硬材料是指金刚石和立方氮化硼(CBN),其硬度比其他刀具材料高出几倍,金刚石是自然界中最硬的物质,CBN的硬度仅次于金刚石。近年来,超硬刀具材料发展迅速。
  金刚石刀具材料分为5类:天然金刚石(ND)、人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC)、金刚石薄膜涂层刀具(CD)、金刚石厚膜刀具(FCD)和人造聚晶金刚石(PCD)。ND的结晶各向异性,在进行刀磨的使用时必须选择适宜的方向;人造金刚石各向同性,其硬度低于ND,但强度与韧性好于ND。
  金刚石刀具能够有效地加工非铁金属材料和非金属材料。如铜、钨等有色金属及其合金,陶瓷、硬质合金,各种纤维和颗粒加强复合材料,塑料、橡胶、石墨、玻璃和木材等,但金刚石忌切钢铁和其他铁族元素。
  立方氮化硼(CBN)刀具材料具有极高的硬度和红硬性,是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金的理想刀具材料,由于CBN刀具加工高硬度零件时可以获得良好的加工表面粗糙度,因此采用CBN刀具切削淬火钢可以实现“以切代磨”。
  4高速钢材料的发展
  在未来刀具材料发展中仍要提到高速钢材料的发展,尽管高速钢材料在全世界的销售额正逐年减少,但高性能钴高速钢和粉末冶金高速钢的使用量仍在不断增加,这2种高性能高速钢比普通高速钢具有更好的耐磨性、红硬性和使用的可靠性。随着人们对切削加工效率追求的提高和观念的转变,这些高性能高速钢刀具在航空领域被大量采用。如航空难加工材料,自动钻铆机上使用的钻、扩、铰、锪一体高精度复合刀具以及加工飞机零件复杂型面的各类复合刀具。
  随着科技进步,先进制造系统,高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实现,对刀具提出了全新要求,未来刀具材料也必将有重大发展。刀具材料与工件材料双方交替发展和相互促进,成为切削刀具不断向前发展的历史规律。在未来,刀具材料必将面临工件性能提高,加工批量加大和制造精度提升的更严峻挑战。材料科学的进步,推动了刀具材料的发展,而刀具材料的发展应考虑原材料资源的制约。新品种的出现,新旧品种各自所占比重的变化以及它们之间相互竞争和相互补充的格局,将成为未来刀具材料发展的新特点。
刀具新技术、新结构、新品种的发展及趋势
  随着制造业的高速发展,航空工业及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动了采用新技术、新结构的刀具不断涌现,不断丰富刀具品种。国内外刀具制造商,如厦门金鹭特种合金有限公司等为了满足航空制造对刀具的要求,与航空制造企业紧密合作,开发新型刀具。由于飞机零件具有结构复杂、精度高、零件壁薄和飞机零件采用钛合金、镍基合金、碳纤维及其他难加工材料多的特点,因此引导着航空刀具研制向以下方向发展。
  (1)高精度、高效率、高表面质量。传统的刀形参数已不能满足现代切削对刀具要求,厦门金鹭公司研发人员根据加工要求和加工特点开发了高效铝合金加工系列产品,采用超细晶硬质合金棒材;大圆弧开槽和渐变芯径设计,使得刀具刚性和排屑能力大大加强;刃口抛光技术和容屑槽特殊处理工艺使被加工大大提高;加工过程中应用工装和加工工艺使整批刀具外径公差控制在10μm以下,轴向径向跳动控制在5μm以下,刀具动平衡等级控制在G2.5以下。获得到国家专利保护,在国内大型飞机制造厂与国外知名刀具对比中替代进口。
  (2)超高精度、超长寿命。在加工大批量产品、复杂工件、精密工件,一般的刀具无法满足要求,厦门金鹭公司研发人员开发金刚石涂层抛光刀具,金刚石涂层刀具在非铁材料加工上表现超长的寿命,如加工碳纤维、石墨、铝合金、复合材料等寿命是其他涂层刀具50倍以上,但缺点是其表面粗糙度不够理想。厦门金鹭公司研发人员应用独特工艺对金刚石涂层进行抛光处理,使被加工表面达到镜面效果,兼具超长寿命和超高精度的特点,获得国家专利保护。
  (3)高强度、高刚性等难加工材料。随着材料科学的快速发展,越来越多的难切削材料运用到各个领域,以TC18为例,与普通钛合金相比,其加工效率是TC4的1/3,其转速、进给、吃刀量都不同程度下调,厦门金鹭公司研发人员与西安飞机工业(集团)有限公司共同合作,开发双螺旋不等分刀具和前波刃刀具,应用和开发无钛涂层,不仅适合槽加工也适合侧加工,而且加工率要高于普通钛合金加工。
  (4)各类金属材料与各类复合材料夹层加工。近年来,随着航空技术的飞速发展,某些航空产品具有特殊的功能及用途,采用传统单一材料已不能满足使用要求,为了满足这些产品的特殊功能,采用了材料夹层技术,如镍基合金、钛合金、不锈钢等金属与碳纤维、芳纶等非金属材料叠加的夹层材料。由于以上金属与非金属都属于难加工材料,并且加工性能也截然不同,所以很难制造出同时满足加工以上金属与非金属夹层的刀具。厦门金鹭公司、四平博尔特工艺装备公司人员与西飞公司刀具设计人员共同研制了加工以上夹层材料的新型刀具。
  (5)开发多功能刀具和高效专用刀具。航空零部件的特点是结构复杂、精度高。对结构复杂、精度要求高的零件尽量使用一种刀具来完成加工,这样既减少了换刀次数,又节省了换刀时间,提高了加工效率,降低了制造成本。如以色列伊斯卡刀具公司的“霸王刀”,在一个刀头的几个方向上都有切削刃,可在一次装卡工序中完成左右车外园、车端面、切沟槽、倒角、仿形等多道工序,节省刀具数量、减少换刀时间,提高工效1~3倍。
  国内厂家厦门金鹭与四平博尔特工艺装备有限公司开发的多功能成型组合专用刀具、阶梯刀具、内冷孔钻扩铰组合刀具等都是一种刀具完成多个工序的加工任务。这些多功能刀具的开发充分体现了多功能刀具在提高加工效率、降低制造成本、节约投资方面的重要作用。
  (6)可转位刀具广泛使。以往在航空材料加工中整体刀具占绝大多数,随着航空材料中钛合金、高温合金、高强度钢在应用中的增加,可转位刀具的应用也逐步增加,可转位刀具具有不经焊接、无裂纹等缺陷,充分发挥原有刀片的切削性能,并减少机床停机磨刀,装卸刀具的辅助时间等优点,使用可转位刀具比焊接刀具可提高切削效率35%以上。目前西方国家可转位刀具进入成熟期,其品种不断增加,结构优化,几何参数更加合理,在切削刀具中占有率达到80%左右,我国使用不到30%。所以对于我国航空工业零件加工,更广泛使用可转位刀具是未来的发展方向。
  (7)刀具设计研制的数字化。现代刀具不仅应能满足高速切削、干式切削、硬切削、复合切削加工等先进切削技术的需求,而且要满足产品功能的多样化、结构的合理化、外形的实用美观等方面的更高要求,但以往刀具的设计主要依靠经验,依靠试验法,这种设计方法效率低、设计周期长、开发新产品难度大,显然已阻碍了新型刀具的开发和使用,无法满足先进切削加工技术的需求。
  现代切削技术的发展迫切需要先进的刀具设计技术,而刀具设计的特点是空间角度难计算,形状复杂,尺寸繁多并且切削机理复杂,但随着计算机技术及CAD/CAM技术的高速发展,采用先进技术和专用的应用软件及刀具仿真技术进行刀具的研制开发将成为未来刀具设计与开发的方向。
与刀具相关新技术的发展
  刀具的切削不仅取决于刀具本身,还与使用机床、刀具与机床的连接、刀具的刀柄系统、刀具的动平衡、刀具安全监控系统等密切相关,而与刀具相关的技术也与刀具技术一起在科技进步推动下取得了新的进展。
  1高速切削时刀具刀柄系统
  加工中心等数控机床以前一直采用传统的7∶24实心锥柄工具系统,这种刀柄由于只靠锥面结合,刀柄与主轴的联接刚性较低,主轴转速超过10000r/min,联接刚性的不足更为明显。对采用ATC刀柄换刀来说,每次换刀后,刀具的径向尺寸都可能发生变化,存在着重复定位精度低问题。为解决这些问题主要对标准7∶24刀柄进行改进。在HSK刀柄的启发下,近年来出现了7∶24刀柄的新型联接技术,如日本日研公司和大昭和公司分别研制出三处接触(3LOCKSYSTEM)和双面(BIGPLUS)2种7∶24联接刀柄。与标准的7∶24刀柄比较,它们有更高的联接刚性和精度,可用于高速、高效切削,并且还能与现有7∶24刀柄或机床兼容,是7∶24刀柄未来的发展方向,除对标准7∶24刀柄结构进行改造外,目前主要采用新型的HSK刀柄和KM刀柄。
  HSK刀柄是一种新型的高速锥形刀柄,其接口采用锥面和端面2面同时定位的方式,刀柄为中定,锥体长度较短,有利于实现换刀的轻型化及高速化,由于采用端面定位,完全消除了轴向定位误差,使高速、高精加工成为可能也是我们国内制造厂刀具制造发展方向。高速刀具与主轴的连接技术随着科技进步今后还将得到不断发展,使一些新概念刀柄——HSK、KM、3LOCK、BIGPLUS等刀柄得到进一步改进和完善。
  当前主轴与刀具连接技术发展方向是:
  (1)采用双面定位系统;
  (2)装夹精度高,夹持刚性好,结构紧凑;
  (3)刀柄带平衡和减振装置;
  (4)发展多功能和智能型刀柄。
  2刀具动平衡技术
  对高速旋转的刀具还有平衡与安全问题,在高速主轴系统中,任何旋转体的不平衡都会产生离心力,不平衡的刀具或刀柄在高速切削时产生的离心力使机床产生振动,旋转刀具微小的不平衡量,在高速切削时都会造成很大的离心力,刀具不平衡产生的不规则切削力,将导致不规则的磨损,其结果一方面会影响工件的加工精度和表面质量,另一方面会影响主轴轴承和刀具的使用寿命,更主要的是影响高速切削的安全性,所以高速切削需要认真进行刀具的动平衡。
  目前国外公司根据刀具动平衡的要求开发了专用刀具动平衡仪,德国的HAIMER公司和意大利的CEMB公司推出了立式刀具动平衡仪,都可以实现全自动的刀具动平衡测量。新型动平衡测量仪发展的方向是测量精确高效、操作方便、功能强大。
  3刀具刃口钝化的发展
  目前国外进口的整体刀具或可转位刀片刃口大都进行了刃口的钝化。经钝化后的刀具或刀片刃口微观缺陷彻底清除,有效地增加了刃口强度,其刀具耐用度一般可提高20%至一倍,我国目前只有厦门金鹭特种合金有限公司等少数公司对刀具刃口进行了钝化处理,而其余大部分刀具都未进行钝化处理,耐用度低,刀具消耗费用大,所以刀具刃口的钝化是我国当前刀具制造发展的一个方向。
 
  我国航空制造加工正处于快速发展时期,新型飞机及大型飞机的研制对于航空制造加工提出了挑战,在航空产品的机械加工中要充分认识刀具在切削加工中的重要性。在机械加工中,刀具被称为机床的“牙齿”和“孪生兄弟”。无论何种金属切削机床,都必须依靠这个“牙齿”才能发挥作用,离开这个“孪生兄弟”则一事无成。未来随着科技水平的提高,设备更新换代速度越来越快(10~15年换一代),要在短期内赚回设备投资并创造出利润,就要研究依靠刀具挖掘潜力,所以在机械加工中一定要配置性能优异的刀具才能使机床高速高效运转。
  目前,国内制造的刀具还不能完全满足航空制造业的加工需求,每年还需进口大量刀具,未来对于国内刀具制造企业,应加快自身的技术创新与技术改造力度,加大研发力度,加快新型刀具、多功能刀具及刀具材料、涂层技术的开发,提高产品质量,使国内刀具尽快达到世界先进水平,为我国航空制造业提供优质高效的刀具产品。
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