浅析航空航天刀具国产化的需求、挑战和展望

国际金属加工网 2018年07月11日

北京航空航天大学教授 孙剑飞

在新常态背景下,中国的经济结构和产业结构都处在调整期,给国产刀具提出了新的机遇和挑战,刀具企业也应当认识新常态、适应新常态、引领新常态。具体来讲,刀具领域也要进行产业升级和调整,特别是在高端刀具领域,目前硬质合金刀具已经成为主流,如果刀具企业还是墨守成规、不思进取,例如,仍然坚守低质刀具,或者死死抱住传统高速钢刀具不放,不抓住目前新常态下的新机遇,开发新的刀具,将会面临市场淘汰。刀具市场的健康发展,将会促进材料制备、涂层、环保等领域的良性健康发展。总之,新经济和新的先进制造环境下,刀具市场潜力巨大。由于航空航天自身的特点,在材料方面有钛合金、高温合金、高强度钢、复合材料等,加工难度大;结构上有深腔、深孔、复杂曲面等弱刚性零件(可达性差),比较复杂;性能上对表面完整性、可靠性要求越来越高,对长寿命、高可靠性的高性能刀具有着迫切需求。尤其在结构上,在叶轮叶盘的加工中需要长悬深的刀具,在复杂曲面的加工中需要锥球头的刀具,在实现跨行加工算法中需要鼓形刀,等等,这些都对刀具提出了很高的要求。

对刀具寿命的要求越来越高。如航空发动机机匣,切削的加工周期是4个月,单一道工序的切削时间就需要260小时,需要频繁换刀,有时候几分钟刀具的寿命就到了。在钛合金领域,阻燃钛合金是非常难切削的,还有铸造高温合金,有些型号的铸造高温合金切削所使用的硬质合金刀具只有两分钟的寿命,对刀具寿命的需求是一个极大的挑战。在沉淀硬化不锈钢的加工中,很多时候刀具也只有几分钟的使用寿命。另外,复合材料种类很多,其中金属基复合材料以及部分高含量碳纤维就很难切削。

对刀具一致性和可靠性的要求越来越高。刀具初始刃口钝圆半径和刀具磨损情况有着较强的相关性。我试过国内外180多种刀具,国产刀具与国外进口刀具对比,经常是2个刃口一个已经微崩,另一个完好无损。除此之外还有刀具跳动问题,导致可靠性、一致性没有保证。

国内刀具目前开始注重产学研合作开发,水平有了很大的提升,有一部分已经替代进口,迫使进口刀具开始降价,但与进口刀具仍然有差距。与进口刀具相比,国产刀具目前最大的优势是价格便宜,然而在性能、稳定性、服务性有着明显的不足。国内刀具企业此前缺乏针对相关制造行业的积淀,缺乏有针对的刀具提供、刀具使用指导、刀具售后服务定制,对行业了解不足。刀具结构设计上落后于国外,数字化仿真能力存在差距。国产刀具多年来结构几乎没有太大变化,国外刀具经常会有新的结构突破;先进刀具材料性能和一致性上与国外存在差距;先进涂层工艺及设备缺乏;产品满足率不及国外厂商;应用推广、服务(交钥匙)及品牌上的差距;标准化工作严重滞后。

航空航天刀具市场主要还是被国外的厂家所占领,如瑞典、以色列、美国等,在航空发动机领域90%以上都是使用进口刀具,国产刀具很少。在飞机领域情况稍好一些,这两年国产刀具开始占领市场。刀具作为一种耗材,不能实现国产化,对国家安全造成了很大的威胁。航空航天刀具大量依赖进口,将会带来经济性和战略性隐患。所以,国产刀具必须重视基础研究,如切削机理等;必须进行刀具的多学科优化与专业化开发;必须重视应用推广,例如,刀具厂家角色的转变;重视标准及专利;重视基础数据的积累,如建立切削数据库等。

未来,航空航天国产刀具可以利用仿真技术,进行切削机理研究,知其所以然;加强新工艺的应用,重视刀具、参数、工艺系统的结合。

航空航天制造领域,目前仍然大部分被国外硬质合金刀具厂商占领;然而在国家高档数控基础及基础制造装备科技重大专项等课题支持下,目前国内刀具厂商与高校、航空航天制造企业合作,研发替代进口刀具的高性能刀具,已经取得初步进展。例如,北航与西南工具、株钻、厦门金鹭等国内主要刀具企业开展针对航空发动机零件的专用刀具研制,目前已经取得了很大的进展,所研发的刀具已经部分替代进口刀具,即将进入产业化生产阶段。航空航天刀具的国产化也是一个系统工程,虽然目前技术方面有了一定的提升,但在产品满足率、质量控制、品牌认可、标准化等方面,都需要齐头并进。航空航天领域刀具的开发,不能脱离航空航天零件的工艺特点,只有充分了解了工艺需求,才能更好地有针对性地研发专门的高性能刀具,因此必须以工艺为核心开展研究。在刀具质量控制、刀具材料选用、刀具本身磨削工艺参数控制上,我们恰恰忽略了很多细节,这也是应当持续改进的。


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