切削刀具在航空航天制造业中的应用

国际金属加工网 2016年10月27日

中国实现宇航员太空行走,让世人看到了中国人几千年来征服月球的梦想即将实现;大飞机项目的实施,并将在2016年翱翔蓝天,使我们看到了中国屹立世界航空强国的希望将变为现实。这一切的巨大成就,都将印迹在中国的历史长河中。但是,我国航空航天事业的腾飞,离不开从事航空航天事业的每一名员工的成长和机床工具业的进步,航空航天事业的发展也是对我国金属加工业发展的有力见证。

航空航天制造业中,工量具的应用是非常普遍的。鉴于航空航天产品的特殊性,那么,航空航天制造中刀具的使用情况是怎么样的,如何利用现有刀具提高加工效率,刀具企业如何更好地为企业服务?中国金属加工在线特别邀请了几位从事机加工工作的工程师,让他们谈谈航空航天制造中刀具的应用情况。

航空航天制造业向来被大众认为是高技术含量的行业,要保证各种复杂产品的质量,大量使用高端的刀具,到底这个行业中刀具的应用情况如何呢?

 贵州航天乌江机电设备有限责任公司张玉峰

 张玉峰:在航天制造中,刀具主要是用于产品的成形加工,特别是在一些难加工、难切削材料中应用很好,比如山高公司的PCBN刀具。在航天产品中经常会遇到加工硬度大于45HRC的合金钢以及各种铸铁和铸钢的的情况,我们通常认为45HRC是业内大多数人常用的加工下限,若大于45HRC时就没有办法加工。但自从选用了山高的PCBN刀具,问题就迎刃而解,因为山高的PCBN刀具有效使用PCBN的出发点是机床机构的可靠性和刚性,最新式的PCBN加厚整体刀片(3/16in)可以可靠地固定在标准刀杆上。

又如山特维克可乐满可转位铣刀,现在的可转位刀片立铣刀能在较宽范围内用小直径立铣加工替代传统的高速钢或整体硬质合金。虽然高速钢和整体硬质合金立铣刀仍是用于轴向切深长的仿形切削的最佳选择,但可转位刀片立铣刀对于涉及小到达16mm中等轴向切深的大批量小直径加工提供一个更经济的替换物。可转位刀片立铣刀提供若干节约成本的优点。最明显的是它们戏剧性地削减刀具替换成本。破裂的刀片只需很低的成本就能换新,还消除了重磨的需求。重磨会引起刀具直径大小的损失,像在铣槽加工时,那意味着一个额外的精加工来满足关键尺寸需求所引出的成本增加,并且还提供很广的通用性来削减成本。在许多情况下,仅仅只需在同一个刀体简单地改变刀片材质或槽形就能用于不同的工件材料加工——允许我们容易和经济地从中碳钢转到钛合金或者从铣槽转换到快速仿形。

 近年来,新改进的工件材料已经在平稳地推出。

 新材料提供很多优点的同时也有不利于加工的一面,但是刀具制造商已开始通过设计用于特定组别的工件材料加工的刀具包的手段解决这些问题。拿车刀刀具包作为例子,我们看到这种刀具包通常是一系列能对目标工件材料所有或大部分操作和工况有效加工的材质和断屑槽刀杆和刀片组合。刀具包可能预先装配成标准产品或根据供应商提供的常用产品的要求进行装配。预先装配的刀具包的优点是它包含的先进的切削材质和断屑槽是特别针对超级合金和钛合金加工研发的,而不推荐用于其他材料。另外,这个刀具包提供自己完整独立的应用和操作指南的手册。就像一大批生产应用证实的那样,正确使用高温合金加工的专用刀具,将使刀具寿命跟原先使用最好的刀具获得的结果相比提高约100%。

中航工业航宇公司黄芳

黄芳:航空机载产品因其必须适应恶劣的飞行环境,而采用了很多特殊的材料。因此,刀具种类、材质牌号、切削参数的选择,在我们的产品加工中,显得尤为重要。

 (1)车刀类我们常使用的车刀基本都采用标准刀具,对可转位硬质合金刀片的需求量较大。

 另外,因为我们的数控车床刀盘规格不统一,外圆类刀体的刀柄宽度从12mm、16mm、20mm到25mm都有一定数量的应用;镗孔及内切槽刀杆常用整体钢刀杆和带内冷的硬质合金刀杆,刀杆直径常用的有6mm、8mm、10mm、12mm、16mm和20mm,某些特殊的细长孔零件需要加长刀杆;针对某些较大直径的套管类零件,我们通常需要自制一些非标镗孔刀具,方法是将12mm刀体的外圆车刀装配到直径为48~60mm的刀杆上;对于直径小于6mm的孔类零件,如需要镗孔,我们多采用硬质合金棒刃磨小镗刀

 (2)中心刀具类中心钻多为普通刀具,但特殊零件也常用到加长中心钻。铰刀的材质常用的是高速工具钢和硬质合金,在排屑槽样式上,直槽较为常用,工件状态为通孔时多用左旋槽。

 枪钻加工具有孔径尺寸前后一致性、导向性好等特点,不存在用加长钻把孔钻偏等问题,内孔壁留的余量比较均匀,钻出的孔同轴度好,而且孔内无残留铁屑,孔内比较清洁,比较适合于精度要求较高的深孔加工

 (3)铣刀类飞刀:常用的有立铣、面铣和球头铣刀。立铣常用直径为12mm、16mm和20mm,可进行方肩铣、槽铣、型腔铣等加工,在进刀方式上应采用折线或螺旋下刀方式,但直径12mm的飞刀采用单齿刀片结构,刀片磨损较快,进给也不够快,在刀具直径要求不严格时,我们多采用直径16mm以上的飞刀;面铣多为f 50mm以上的螺旋刃面铣刀,刀尖强度高,经济性能好,面铣效果优良,适合平面半精加工、精加工;仿形球头飞刀多应用于三维曲面的仿形加工。为了降低切削液的使用成本和利于环保,我们在飞刀刀片的使用中,也常使用干式切削刀片,但效果达不到理想状态,刀具磨损情况较为严重。

 立铣刀:我们日常使用的立铣刀的材质通常选用高速工具钢和硬质合金两类,直接选用标准刀具,根据不同的切削材料和加工类型,来选用铣刀的直径、刃口数、螺旋角。粗加工中,我们首先考虑的是余量的去除率,大进给、大切深是必然选择,刀具容屑槽的大小也是关键,因此,刀具在直径相同时,齿数少的容屑槽较大,故而我们常选用二齿硬质合金立铣刀,螺旋角为30°~45°。精加工中,首先考虑的是被加工精度和表面质量,这样铣削过程中的平稳及多齿加工是首要考虑因素,并且在同样铣削深度时大螺旋对于铣削力的分散起到良好效果,因此我们选用四齿或六齿硬质合金立铣刀,螺旋角为45°~60°。另外,圆鼻刀在加工中应用也十分的频繁,但标准刀具中没有提供相应的刀具型号,我们只有在立铣刀的基础上进行修磨圆角,刀具损耗和修磨成本较高。

铣床用镗刀:铣床用镗刀的使用中,小孔多用小孔径单刃微调精镗刀,它具有调节精度高、刀具动平衡好等特点;大孔多采用直角(倾斜)型粗镗刀、双刃镗刀、倾斜型微调精镗刀,但这几种镗刀由于其结构限制,无法保证刀具平衡,无法用于高速切削;在深孔镗削加工中,为避免振动,对刀具刚性要求高,我们常选用模块式或加长式镗刀,我们觉得,模块组合式的加长镗刀的避振效果要优于整体加长式镗刀。

高速刀具:因高速加工中心设备的应用需要,我们也使用侧固式、弹簧夹紧式、液压夹紧式的HSK刀柄;在高速刀具方面,整体式高速铣刀在出厂时就已经做过动平衡检测,使用比较方便,所以,我们在日常应用中,常选用直径8mm、10mm、12mm、16mm和20mm规格的整体硬质合金高速立铣刀。在高速加工领域,我们还处于起步阶段,需要经验积累,也希望刀具商能够在提供刀具的时候,进行必要的技术交流。

航天科工集团第九研究院红阳厂吴国君

吴国君:我厂在加工钛合金、高温合金、钨渗铜、玻璃钢复合材料工件时,使用WSM35、WSP45刀片较多,当切深为1mm时,使用这两种刀片铣削上述材料工件时的切速可达70~150m/min;另外,SECO(山高)刀具在我厂加工难切削材料工件时也得到了较好的运用,山高公司CVD涂层材质等级为CP200、未涂层材质等级为890的两种刀片,是主要针对Ni、Co、Fe和Ti基高温合金精加工和加工纯钛而制作的两种高硬度超细颗粒材质等级刀具,同时对不锈钢精加工也有良好的效果。除上述两种进口品牌刀具在我厂难加工材料方面运用得较多外,我们还有针对性的使用过某些材质的肯纳、山特维克可乐满等进口品牌刀具加工高温合金、钛合金与玻璃钢复合材料等难加工材料,也取得过不错的效果。

航空航天产品刀具发展趋势和提高刀具切削技术水平的手段如何?

张玉峰:现代刀具发展的重要特征之一是专业化、复合化和多功能化,导致刀具结构日趋复杂,形状变得十分特异。在航天产品中需多轴联动的数控加工技术已经成为现代刀具企业不可缺少的手段。由于刀具制造工艺的特殊性,刀具制造的专用数控机床通常由刀具企业自行研究开发,机床企业协作制造。所以,刀具专用数控技术和装备的开发和应用已经成为现代工具企业的一个重要工作内容。由此可见,现代刀具企业的运作范围,从专用原材料的研究和生产开始,囊括了表面处理技术和刀具生产专用数控技术及装备的研发和应用

“三高一专”刀具产品的研究、生产和推广服务,成为了企业竞争的焦点。这种竞争的结果,使国际工具工业的发展日趋集中化。

 对用户提供综合服务的深度和广度日益成为衡量现代工具企业竞争力的重要标志。国外制造业为使新产品开发费用和管理工作量部分地转嫁到工具供应商,达到共同承担开发风险之目的,广泛采用平台战略,全球采购、一体化管理方式已成趋势。在工具的采购上,将目标转向生产成本低的国家和地区,以降低生产成本,增加市场竞争力。在工具管理上则突出表现为工具厂从主要提供刀具产品转变为主要提供切削技术,负责刀具采购、管理和现场服务,即所谓一体化管理模式。工具企业向用户提供的已经不是单纯的刀具产品,而是切削加工问题的整体解决方案,这个方案的两个基本要素就是先进的刀具和优质的服务。

中航工业沈阳黎明航发(集团)公司叶洪涛

叶洪涛:航空制造业提高刀具切削水平需要采取多项措施。企业在提高生产效率和改善产品质量的同时,一些隐藏的问题也逐渐凸现出来。如在试加工中选取的刀具材料及切削用量参数不合理从而在生产效率、表面质量方面无法满足要求;一种性能不错的刀具可能使用在完全错误的场合;盲目使用和盲目采购时有发生;设备和刀具资源浪费严重,生产成本方面居高不下。因此,通过切削试验,优化切削参数非常关键,这里边需要通过采用切削参数实验技术优选刀具。

一些技术人员由于对材料的切削性能、刀具材料以及刀具结构性能方面缺乏了解,在选择刀具和切削参数时难以得出合理的结论。这就需要通过培训对相关技术人员补充刀具方面的知识,提升他们选刀、用刀的能力。航空制造业应通过建立具有实用价值的,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迫切需求。航空企业必须有自己的金属切削工艺人员,这些金属切削工艺人员必须对难加工材料的特点十分熟悉,应具备现场刀具问题处理的能力;具备刀具的选型、技术交流、修磨、评审等相关综合能力。

现在的国内外刀具企业,特别是国际着名的企业,已经具备对不同的应用领域提供不同解决方案的服务体系。但是,刀具供应商毕竟不能完全了解航空航天企业的加工情况,那么,您希望刀具企业在向贵公司提供刀具的时候,能够提供什么样的售前和售后服务?

张玉峰:在服务方面应加强售前和售后服务,售前需深入用户对该刀具的意途。国外刀具企业在中国只是一些代理机构,对售前一些工程技术方面不能进行很好的解答,特别是企业需制作的非标刀具,不能及时提供服务,往往要发电子邮件到总部请求支援。刀具售后服务跟进不及时,刀具代理商在企业进行服务时只是关心刀具的使用情况,而并没有从是否发挥刀具的最大价值和刀具的切削参数选择方面进行服务。因此,希望国外刀具制造企业在售前售后服务时加强工程技术方面的服务,更能使企业得到更好的收获。

 叶洪涛:从刀具供应商方面来讲,提供优良的系统刀具方案是为航空制造业解决切削问题的关键。刀具供应商必须了解用户的真实需求,同时,又不局限于销售某一种刀具品牌。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,而且能够独立的处理刀具问题;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,与此同时也获得性价比更优的刀具产品和优质的售后服务。刀具经销商、代理商应征集用户的需求,不仅是向用户供应刀具,还应为企业提供可行的刀具方案,定期举行培训,把先进的切削技术、高端的切削理念传达给企业的技术人员。通过有效的综合刀具技术支持来提高航空制造业用户的切削技术。这样既能使刀具商推广了自己的先进刀具,又能满足航空制造业切削技术进步的需求,形成航空制造业用户与刀具供应商共赢的良好氛围。

黄芳:我们对刀具的使用,还不是很专业,很希望能得到刀具商的技术支持,多开展些技术交流,有针对性地进行刀具选型、选用切削参数,以提高产品质量和加工效率;还希望刀具商可以提供刀具修复、废旧刀具的回收渠道,以减少我们的刀具使用成本;其次,我觉得刀具供应商和企业可以在刀具试验、试用等方面加强合作,在材料和新刀具应用方面互通信息;另外,我们希望对非标刀具的采购周期能够更为迅捷和方便。

吴国君:首先,用户非常看重刀具商的态度,在用户使用所购刀具遇到困难时,特别希望刀具商能给出合理的解释,无论购买的刀具量或少或多,刀具商最好能做到随叫随到,深入现场解决问题;其次,希望刀具商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;再次,在用户遇到难加工材料工件时,用户希望刀具商最好能做到提前介入,同用户一起,帮助用户提前做好刀具的合理选型。


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