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航空航天制造业常用刀具材料

国际金属加工网 2016年12月23日

随着航空航天制造业的不断发展,叶片、盘轴、机匣等主要结构件大量采用新型难加工材料制造,这些难加工材料的高效加工问题一直是企业研究的主题。航空航天企业中高性能刀具的使用,使航空制造业机械加工技术迅猛发展,但是买好刀具容易,用好刀具很难。航空制造业刀具降本增效研究成为当务之急。

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。

航空航天制造业常用刀具材料

随着航空航天难加工材料的广泛应用,如何正确选择刀具材料进行切削加工,降低加工成本,提高生产率是一个非常重要的问题。切削刀具材料要与工件力学性能、物理性能、化学性能匹配。

随着刀具技术和机床技术的相互结合,工件材料与刀具材料的互相促进,航空航天制造业不断发展。可以说刀具材料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牌号多达上千种,根据刀具材料来划分,不外乎以下几大类: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。碳素工具钢适于制造手动工具,碳素工具钢T10A和T12A应用较广泛。

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。

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

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。

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。


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