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我国数控机床刀具和量仪技术应用现状与发展

2009年11月27日 10:18中国机床商务网点击:3204

  “十一五”期间,我国制造领域国家优先发展的重大专项中包含了能源、汽车、航空航天以及交通运输等有关国计民生的重要领域,而这些行业重大装备制造中所涉及到的典型、关键零件的特点是:大、重、复杂、精密,其中新型难加工材料(如硅铝合金、钛合金、高强度耐热钢、碳纤维及复合材料等)的切削加工占据了相当大的比重。这给数控切削加工技术和数控切削机床装备提出了新的课题,也对数控刀具和数字化测量技术和量具量仪提出了新的要求和挑战,提供了新的发展机遇和舞台。当前我国数控刀具和仪器的发展落后于数控机床的发展,已经成为阻碍我国数控切削技术和数控切削机床发展的瓶颈,改变现状刻不容缓。

  为了更清晰、真实的了解数控机床用刀具和量仪在我国重大机械装备制造业中的需求和应用现状,尤其是为了进一步明确在关键零部件切削加工中,国产数控刀具和量仪的现状及其与国外先进技术和产品的差距,以便有助于客观、科学的确认:在“十一五”期间及今后一段时间内,我国工具行业在数控刀具和数字化测量仪器领域的攻关方向和目标,2008年6月,作者有幸参加了由中国机床工具工业协会组织的、对核电风电装备制造业及工具制造业部分厂商的调研,对我国数控刀具和量仪在国家重要机械装备制造业中的现状和发展有了更深刻的感受。

  一、核电风电设备制造业中数控刀具和数字化量仪应用现状

  能源装备制造业,尤其是清洁能源如核电、风电设备制造业近年发展迅猛。发电设备中一些典型关键零部件如汽轮机叶片、转子轮槽以及汽轮发电机转子嵌线槽等的切削加工,由于被加工材料属于耐热高强度合金钢、不锈钢等难加工材料,切削量大,切削负荷重,对数控刀具的切削性能,诸如高温红硬性、弯曲剪切强度、抗磨损性、抗粘接性、摩擦系数等有很高的要求。与此同时,高精度复杂型面的切削对数控刀具本身的精度也提出了更高的要求。因此,这些发电装备典型零件的加工和检测,在一定程度上代表并反映了先进切削技术及先进数控刀具、先进数字化测量技术及测量仪器的最新成果和水平,备受工具制造行业的关注。此外,调研所见到的高精度、大规格风电增速传动箱齿轮成形加工和测量,以及传动滚动丝杆硬切削成形加工等新技术也给人留下了深刻印象。

  1.汽轮机叶片型面的数控切削加工

  当今,汽轮机叶片五轴联动数控切削加工工艺已得到广泛应用。汽轮机叶片数量大、规格多、轮廓形状复杂、精度高,难加工。而具有耐热、高强度、抗腐蚀的高性能合金钢工件材质更增加了切削加工的难度,因而对叶片数控刀具的可转位刀片基体材质和涂层性能要求很高。目前,工厂加工中大多采用的仍是国外硬质合金涂层刀具/刀片。在调研中了解到,对于整体锻件冲击式水轮机叶轮叶片的加工还有待攻关。关于汽轮机叶片形状精度的检测,通常采用三坐标测量机进行点位测量,如采用PC-DMIS BLADE软件在三坐标测量机上进行测量及叶片参数分析;或在现场用样板光隙法检测,但是后者缺乏定量判定。企业期待市场上能提供方便应用于生产现场、能对批量叶片实现快速精密测量的数字化仪器。

  2.汽轮机转子枞树型轮槽的数控切削加工

  加工汽轮机转子枞树型轮槽的成形铣刀精度要求很高,型线精度达微米级。目前国产化(包括汽轮机厂自行开发)的枞树型轮槽铣刀(M42高速钢基体 TiAlN涂层)的切削性能和精度基本上已能满足用户需求,正逐步进入生产现场,替代进口。

  3.汽轮发电机转轴嵌线槽的数控切削加工

  汽轮发电机转轴嵌线槽是采用专用可转位转子槽铣刀,在数控转子槽铣床上加工而成。由于转轴材质为高强度合金钢,切削槽深,铣刀直径大,切削速度高,切削负荷重,对不重磨数控硬质合金涂层刀片的质量要求较高。生产现场仍以国外刀具产品为主。

  4.风电增速传动箱齿轮的数控切削加工

  作为清洁环保、可再生能源的风力发电设备近年在我国发展迅猛。为适应风电增速传动箱的高精度、大模数硬齿面齿轮批量生产要求,齿轮数控成形加工技术和装备得到推广应用。我国重要的风电增速箱开发制造基地南京高速齿轮箱厂,采用了先进的齿轮成形干铣削技术和成形磨削技术,以及相应的大型CNC数控成形铣齿机和CNC数控成形磨齿机等数控装备进行生产,实现了高质量风电增速箱产品的快速增长。在加工过程中及完成后,对每个齿轮进行了规定的精度检测和监控,这是制造高性能、长寿命风电增速传动箱的重要保证。格里森一普法特大型成形磨齿机上采用了数控在机齿轮测量装置,可对齿轮的齿廓、齿向偏差进行在机扫描测量;新进的克林贝格P300型3米座式CNC齿轮测量仪能对齿轮加工几何精度进行高精度测量。该仪器采用工作台面气浮技术,便于重型工件的安全装调,高精度光栅传感器测头能对工件安装偏心进行快速找正和实施软件补偿。值得一提的是,国产的数控大型成形铣齿机和数控铣齿刀盘已在该厂得到应用。

  5.传动滚珠丝杆的数控切削加工

  南京工艺装备厂近年引进了德国先进的滚珠丝杆硬切削成形加工技术和数控切削装备,采用CBN成形铣刀盘对淬硬钢棒进行精密车铣硬切削,一次完成传动滚珠丝杆螺纹的精密成形加工。由于不使用冷却液,因而既符合环保要求,又能实现高效、高性能切削加工。值得一提的是,国产激光滚动丝杆检查仪在该厂得到了很好的使用。

  二、我国工具制造业数控机床用刀具和量仪技术现状及发展

  这次调研了工具行业3个主要生产厂家:上海工具厂有限公司、哈尔滨量具刃具集团有限责任公司和哈尔滨第一工具制造有限公司。深切感受到,我国经济实力快速增长,尤其是机械制造业的连续多年高速发展,为我国工具制造业创造了前所未有的发展机遇。国家“十一五”计划和重大专项的启动又提供了新的发展机遇。有关工厂都根据自身特点,制定了近期发展方针和长期发展战略目标,并已经进行了实施阶段,取得了显着的成效,技术进步加快,产品质量不断提高,企业竞争力提高,可持续发展能力得到增强。归纳起来,有以下几个特点:

  1.立足于传统强势产品,加大技改投入,引进先进技术、产品和装备,提高质量,扩大规模,确立并强化在行业中的优势地位。

  上海工具厂根据所制定的发展目标,有计划地连续投入巨资进行技改,引进并自行研制了先进硬质合金孔加工刀具和丝锥加工的数控设备和技术、先进超硬刀具数控制造装备和技术、先进数控刀具/刀片涂层装备和技术,以及高速钢热处理技术等等。在消化吸收基础上,积极开发创新,重视夯实与发展数控刀具制造核心技术,实现产品结构升级换代,以确保上工加工刀具和丝锥产品在行业中的龙头地位。新一轮技改投入和发展规划的实施,为公司迅速发展成为生产规模最大、产品品种最齐全、整体配套能力最强的国内工具制造企业而做出了积极贡献。

  哈量近10年不断强化在齿轮测量仪器、表面粗糙度测量仪及轮廓测量仪等精密仪器开发制造领域的优势,成功开发了目前国产最大的2米CNC齿轮测量仪,成为国内最具竞争实力的精密测量仪器制造厂商。2005年,通过收购德国凯狮公司,引入国外先进设计与制造技术和专利,迅速建成先进的、双面约束定位夹紧HSK工具系统生产线,并形成批量生产;迅速建成CCD数控刀具预调测量仪系列产品生产车间,形成年产500~600台套的能力,已批量出口欧洲。成功的兼并、引进、开发创新、实现国产化,使哈量在精密量仪产品方面,迅速确立了在国内的领先地位,在相关技术和产品方面,迅速缩小了与国际先进水平的差距。

  哈一工通过国债技改(二年投入上亿元),修建了新厂区,投资了新设备,面目焕然一新。尤其在拳头产品拉刀上,引进了国外成套先进数控拉刀磨床和检测仪器,以期在国内继续领先,并在数控可转位刀具和齿轮滚刀等复杂刀具上的传统优势得到进一步加强。硬质合金弧锥齿轮铣刀盘和新近开发的数控圆柱齿轮成形铣刀盘获得成功应用,得到了用户好评。

  株洲钻石切削刀具公司近年投资10亿元,在包括硬质合金材料、数控刀具在内的整体硬质合金刀具、数控可转位刀片等领域,引进了成套先进制造技术和设备,使产品开发能力和制造质量得到很大提升,成为当今国内竞争实力最强、开发研究投入最多、生产规模最大的硬质合金数控刀具/可转位刀片制造企业。

  2.因势利导,按照工具行业发展规律,拓展上下游延伸技术和产品领域。以便更好满足、适应市场/国家发展需求,为企业战略发展目标的实现打下基础。

  株洲钻石在原母公司以硬质合金原材料、半成品制造为主的基础上,向数控刀具、可转位刀片的深加工领域拓展,成为国内最大的硬质合金数控刀具/刀片制造商。而上工则规划从刀具制造向刀具材料(硬质合金)制造、高档数控刀具制造装备制造等领域发展,目标是建成为国内领先的大型综合性金属切削工具制造企业,集刀具研究、制造和服务的国内龙头企业之一。

  3.注重基础、共性、关键技术研究开发,积极承接国家、地方科技攻关项目,建立“产学研用”科研开发体制,迅速提升企业创新能力和技术/产品优势。

  哈量近年投入科研经费平均占销售收入的4%以上,年开发新产品30余项,专利165件。2005年承担国家863计划项目“HSK工具圆锥量具”标准起草制定,2006年承担了哈尔滨市“高速数控机床用HSK工具系统的研究和应用”项目。2007年承担国家标准“刀具预调测量仪”的制定工作,以及承担哈尔滨市“CNC及CCD自动瞄准高精度刀具预调测量仪的研制”科技攻关项目等。上工近年承担了国家科技部创新基金“汽车制造业精密复合孔加工刀具和高效复合涂层刀具开发”,上海市经委科技攻关项目“刀具研究开发的计算机平台建设”、“高速切削涂层刀具的研究与开发”、“高效精密数控刀具制造和应用技术”等,获得了多项刀具涂层专利。

  4.通过企业收购兼并、专业人才及技术引进,实现资源整合优化,提高企业整体实力。

  哈量于2005年成功兼并德国凯狮公司,奠定了批量生产国际水平HSK工具系统和数控刀具预调测量仪的制造开发技术和能力。上工则依靠上海集优股份有限公司在香港的上市,募集资金,2007年投巨资开展了“发展数控刀具生产技术改造项目”。通过与意大利SU公司组建的上优公司,引进了先进齿轮刀具制造工艺和技术诀窍,增强了齿轮刀具制造实力。

  通过调研,我们在感受到工具行业技术水平和生产规模得到快速发展进步的同时,也看到与国外先进水平的差距仍然很大。在风电、核电等能源装备制造业,关键零部件切削加工所采用的数控刀具和测量仪器,几乎全部由国外产品所垄断,主要厂商为山特维克、肯纳、伊斯卡、赛科等。国内刀具主要用于非关键部位及粗、半精加工工序。与国外产品相比,除了切削性能指标有较大差距外,更大的问题是质量不稳定,不可靠,产品性能分散性大。此外,在用户服务上的差距也小可忽视。

  我国在数控切削技术和数控刀具的研究、开发和制造上,与国外的主要差距反映在以下三方面:

  (1)数控切削基础理论与技术方面,尤其是微观质量控制技术、与材料学科相关的金相组织结构分析与质量控制技术、新型难加工材料切削机理和技术的深入研究等。

  (2)数控刀具制造技术及装备方面,特别在关键制造工艺及工艺过程对质量控制的稳定性上,如超细晶粒硬质合金基体、涂层工艺质量控制、超硬刀具刃口强化技术等;装备方面:数控工具磨床、刃口强化设备和涂层设备的开发和研制等。

  (3)数控刀具应用技术及实验研究方面,针对不同行业、用户需求,尤其是新型难加工材料如高温合金、钛合金、硅铝合金、复合材料等工件加工,为用户提供科学、可靠、实用可行的数控刀具/可转位刀片及切削参数的切削数据库等信息平台。

  在量仪方面,与国外的差距更大。在这次调研中,明显感受到主要在以下三个技术领域差距大:

  (1)数控机床测量技术与仪器方面,尤其是以激光测量系统为代表的高精度动态、静态数控机床精度及性能的测试技术以及精度补偿技术等。

  (2)数控刀具测量技术与仪器方面,尤其是高精度CNC数控刀具测量技术,数控刀具在机测量技术,以及数控刀具预调测量技术与仪器。

  (3)适用于生产现场的在机/在线数字化测量技术与仪器,特别是复杂精密轮廓加工的在机测量与反馈修正补偿技术与装置,如数控成形齿轮磨在机测量测量技术与装置,汽轮机叶片现场在线测量技术与装置等。

  为了尽早缩短并赶上国外先进水平,在国家政策的指引和扶持下,有重点地选择涉及工具行业技术发展的关键技术进行立项攻关,将对提升我国工具行业竞争实力和具备可持续发展能力,以适应国家装备制造业的发展需要具有非常重要的意义。在国家的支持和行业企业自身努力下,我国工具行业完全有可能大大加快缩小与国外先进水平差距的进程。

  三、装备制造业对工具行业需求分析

  1.高速数控机床用新型工具系统——HSK等适用于高速高精度切削的、二面夹紧定位工具系统

  以HSK为代表的二面夹紧定位新型工具系统,是为了适应当今高速高效精密数控切削加工技术的发展、满足高档数控切削机床的先进加工性能要求而开发的。新型工具系统的特点是与机床主轴连接受力拉紧时,其锥面和端面同时接触定位,实现二面约束过定位,增强了高速切削加工时,数控机床主轴-刀具系统的动态刚性/连接强度和定位精度。其中典型的是已成为国际标准的HSK工具系统和山特维克公司的Capto工具系统。

  国内不少企业对HSK工具系统进行了少量试制和生产,由于缺乏对关键技术的深入研究开发,没有形成成套制造技术和批量生产能力。哈量于2005年兼并了德国凯狮公司后,经过消化吸收,逐步掌握了从产品设计到动平衡和精度检验等整套HSK工具系统系列批量制造技术和工艺,现在已经具备了年产5万多台套(全部外销)的能力,取得了明显成效。当然,在批量生产技术、工艺路线、产品质量检测和控制上,还有不足之处,尚待继续消化吸收、攻关创新,以便进一步缩小与国外的差距。上海工具厂、四川英格等企业也已经能少量生产HSK锥柄数控刀具,提供诸如上海通用汽车制造厂等用户需求。上工兼并上海附件一厂后,具备了批产常规工具系统的能力,已规划了“高速数控机床用新型刀柄系统项目”,引进设计制造技术、人才和关键设备,以达到年产HSK刀柄夹头2万件的生产能力。事实上,国内至今尚未建立起国家级和行业级的HSK工具系统的检测体系、基准传递体系、各级实物基准,以及产品质量认证体系。这项工作必不可少,应规划安排,尽早实施。

  2.高效可转位刀具系列及超硬刀具

  高效可转位刀具系列和超硬刀具,是数控刀具中非常重要的领域,产品应用量大面广,不同应用领域所涉及的技术关键、攻关内容都将有所不同:所采用可转位刀片基体材质、涂层要求、刀片几何参数、刀片装夹方式、整体刀具结构设计等等都会有很大差异,技术难度大、攻关内容多。此外,带3维断屑槽型可转位刀片的设计制造技术,包括精密毛坯的压制烧结、刃口强化等都是有待攻关的内容。硬切削、超精切削以及包括复合材料在内的新型材料切削,进一步推动了超硬刀具的需求和发展。在高品质超硬刀具材料的开发与生产上我国仍有较大的差距,即使是国产超硬刀具,所采用的超硬刀片(PCD、CBN)材料多半从GE和De Beers公司进口。3维形状超硬刀片的采用是近年超硬刀具发展的一种新趋势,其制造加工难度更大。高效可转位刀具系列方面,国内企业如株洲钻石、厦门金鹭、自贡硬质合金、陕硬、成量等都有生产,其中以株洲钻石生产规模最大,实力最为雄厚,总体水平最高,拥有一条据称达到世界一流水平的数控可转位刀片生产线,近年组建的研究中心,包括设计开发、使用技术研究、材料性能试验以及切削实验装备,具有良好的开发平台。而上工则在超硬刀具开发生产上,拥有较为成熟的设计和加工经验、先进精良的制造装备和成功的服务应用成效。

  3.超细晶粒整体硬质合金涂层刀具系列

  超细晶粒整体硬质合金涂层刀具在汽车工业、航空航天以及能源工业中使用很多,目前在关键数控机床上所用整体硬质合金涂层刀具大多为进口刀具所垄断,国产刀具也往往是购买国外的超细晶粒硬质合金棒料进行加工,自身发展受到制约。近几年我国拥有硬质合金粉料制造能力的一些工具厂,如株洲钻石、厦门金鹭、陕硬等,通过技改投入,引进技术和设备,开发了超细晶粒硬质合金刀具材料,取得初步成果(达到亚微米级。近年采用了先进的纳米涂层技术,刀具性能质量得到明显提高。上工规划将实施“超细晶粒整体硬质合金涂层刀具项目”,实现超细晶粒硬质合金材料和刀具制造成套技术的开发。国内企业要使批量生产硬质合金粒度稳定达到超细0.3~0.5?m,进一步提高品质,缩小和国外先进产品的差距,则需要在制造技术、工艺等基础技术上下功夫进行技术攻关。此外,如何在刀具精加工后涂层前表面有足够的富钴层,是提高涂层质量的一个关键技术,尚待攻关。

  4.高效高性能精密复杂数控刀具

  以齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀以及各类型拉刀为代表的高效高性能精密复杂数控刀具,在汽车、风电核电、航空、船舶、铁路、工程机械等行业的齿轮传动装置制造中使用广泛而重要。

  项目所列目标参数合理、必要。国产精密齿轮刀具和拉刀,主要存在二个问题:材质和涂层。目前关键场合所采用的为均为进U钴高速钢和粉末冶金高速钢材料。最近不少生产厂进行技改和设备投入,采用先进涂层(如TiAlN、TiAlCN等)及高速钢热处理技术和没备,使国产齿轮刀具和拉刀的质量性能大为提高,缩小了和国外的差距,部分取代国外产品。‘哈一工’二年来累计投资近1.2亿,用于新厂土建和国内外先进设备购置,为打造成为国内拉刀生产第一、齿轮刀具和可转位数控刀具强势的复杂数控刀具制造企业而努力。汉江工具厂抓住这几年发展的机遇,已经成为国内最具实力的齿轮滚刀制造企业。该厂通过与巴尔采斯的合作,使齿轮刀具涂层质量得到保证,提高了刀具的使用性能。高速高效的机夹式不重磨数控成形齿轮刀具,是齿轮刀具发展的一个新方向,值得行业考虑发展。

  5.高精度、全自动刀具预调测量仪系列

  我国数字式刀具预调测量仪的开发起步较晚,2005年在北京机床展览会上才有哈量和天津天门首次亮相展出了采用带面阵CCD的数字式刀具预调测量仪样机。自从哈量于2005年收购了德国凯狮公司以后,在消化吸收其先进设计和制造技术的基础上,自行开发了系列高精度刀具预调测量仪。该厂已经组建了刀调仪生产工段,达到年产500~600台刀调仪,目前以手动系列为主,供出口。对于高精度、CNC全自动、具备联网功能的刀具预调测量仪,该厂正在积极规划开发,以便迅速赶上国外当今先进水平。此外国内天津天门、成量等均在开发,但是技术水平、质量上还有一定的差距,尚待继续努力。

  6.高性能激光测量系统

  高性能激光测量系统主要用于数控机床以及三坐标测量机等高档数控装备的精度检测和评定。近年来激光测量系统的发展方向是:高分辨率、高精度、多功能、小型化,主要生产厂家为英国雷尼肖、美国API、安杰伦和光动公司,以及德国SIOS等,以雷尼肖产品在国内销量最大。2007年上市的新产品XL-80轻型激光干涉测量系统,配有XC-80传感器,实现了小型化,同时提高了性能,测量距离40m/80m,分辨率达到lnm,最高测量速度1m/s。美国API公司的XD激光干涉测量系统,具有5维/6维测量功能,提高了数控机床装备精度检测效率和精度。我国以成都工具研究所为主研制生产的国产激光干涉测量系统,与国外先进水平相比还有一定差距。近年通过国家科研院所基金项目的支持,测量原理和测量技术上取得突破,在提高国产激光测量系统的性能上,取得了一些成果。

  总之,通过这次调研,进一步证实,我国工具制造业在数控刀具和测量仪器的技术水平和性能质量等方面,与国外的差距较大。但经过近年来的技改投入、引进和发展,已经缩小了差距,但创新能力仍然不足,这是基础技术试验研究未得到足够重视与发展、行业技术积累整体欠缺造成的结果。深信在“产、学、研、用”方针的带动下,在国家的支持、行业的协同、企业的努力下,我国工具制造业一定能得到快速发展,迅速缩小与国外先进水平的差距,以适应我国机械制造业的持续、快速发展的需求。

  近来,全球经济衰退的风暴已经从虚拟经济向实体经济迅速扩展,对我国工具行业整体的影响和冲击,于2008年10月中旬陡然显现。这是一场严峻的考验,各工具厂都抓紧制定策略,调整计划,积极应对以渡过困境:同时积极夯实内功,加速产品升级换代、优化转型工作,为行业早日复苏作好准备。(作者:成都工具研究所谢华锟)
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