數(shù)控高速加工在航空產(chǎn)品制造中的應用
西安航空動力控制有限責任公司(西控公司)是中國航空工業(yè)集團公司發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)產(chǎn)品的專業(yè)生產(chǎn)廠家，同時與世界著名飛機制造公司霍尼韋爾、漢勝、古德里奇、伊頓等公司建立了合作關系，開展了轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的零部件加工業(yè)務。西控公司在生產(chǎn)航空發(fā)動機產(chǎn)品和飛機零部件加工過程中，由于要采用先進的加工裝備和工藝，進行了技術改造，引進了先進的加工裝備，使公司的航空制造業(yè)設備的數(shù)控化率越來越高，高效率、高質(zhì)量的數(shù)控加工在公司得到廣泛應用，促進了公司生產(chǎn)技術水平的發(fā)展。
數(shù)控高速加工設備在西控公司產(chǎn)品制造中應用的現(xiàn)狀
近幾年，隨著國民經(jīng)濟和國防工業(yè)的迅速發(fā)展，國家對航空制造裝備的需求也迅速增長。中航工業(yè)西控公司為了提高航空產(chǎn)品的制造質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期，在技術改造方面加大了投資力度，引進了先進的加工設備，配置了相應的數(shù)控刀具。公司在數(shù)控高速加工過程中，雖然相關的配套技術(如刀具技術、高速加工工藝技術)還未能及時跟上，在加工有些難加工異型件時有相當難度，但在新品研制生產(chǎn)加工過程中也積累了寶貴的經(jīng)驗。如公司采用高速五軸聯(lián)動加工中心機床加工的曲面凸輪，凸輪零件表面是復雜型面，材料是38CrMoAlA熱處理后的氮化狀態(tài)，表面硬度H R C≥62。要完成生產(chǎn)研制，保證零件型面的加工精度，公司的研制技術專家、工藝人員從凸輪型面的設計，加工程序的編制，工藝路線的確定，零件熱處理變形量的控制，數(shù)控刀具的選擇，磨具的設計與制造等進行了科研技術攻關，最終實現(xiàn)了曲面變化復雜型面的加工。曲面凸輪研制加工的成功代表了西控公司高技術、高水平、高質(zhì)量的生產(chǎn)能力。目前公司在航空發(fā)動機燃油控制調(diào)節(jié)裝置異型件的加工中繼續(xù)進行新的挑戰(zhàn)和突破。
1西控公司在航空產(chǎn)品制造中對數(shù)控高速加工的需求
公司航空產(chǎn)品分為軍品和轉(zhuǎn)包2方面，產(chǎn)品概括起來就是“高精尖”。首先，在結構上公司航空產(chǎn)品大量采用組合結構件，以及鋁合金、鈦合金、不銹鋼及高溫合金材料。其次，在工藝裝備方面，研制高性能的航空發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)零部件所需的金屬型鋁合金模具，有色、黑色金屬鍛件模具，鍛鋼件模具等的加工難度也不斷增加。
傳統(tǒng)的機械加工技術已經(jīng)無法有效地滿足這些需求，而高速加工技術的特點和優(yōu)勢為實現(xiàn)航空產(chǎn)品新結構、新材料以及高精度工藝裝備的加工提供了更為有效的解決方案。應用高主軸轉(zhuǎn)速、高進給速度的高速切削加工能使加工過程平穩(wěn)，獲得很高的精度，切削加工的工件表面質(zhì)量幾乎可與磨削加工相媲美，實現(xiàn)了“以銑代磨”的效果，從而可以實現(xiàn)殼體類、軸套類、異型件類的高質(zhì)量加工。對于航空產(chǎn)品中剛性較差的細長、軸、薄壁零件，可以高質(zhì)量地加工完成；對于高精度工藝裝備上的型腔曲面的加工，可以省去鉗工拋修的工藝過程，直接加工出來；氮化狀態(tài)、淬火狀態(tài)的合金鋼曲面凸輪和精密活門襯套組件等也可直接加工完成。
2數(shù)控高速加工的核心技術
數(shù)控高速加工技術、數(shù)控高速切削刀具技術、數(shù)控高速加工工藝技術以及數(shù)控高速加工測試技術等是發(fā)展數(shù)控高速加工技術的核心，而數(shù)控切削刀具的選擇直接影響著高速加工設備實現(xiàn)高效率、低成本的基礎。在高速切削的發(fā)展過程中，機床與刀具的發(fā)展是相輔相成、相互促進的。在由機床、刀具和零件組成的切削加工工藝系統(tǒng)中，刀具是最活躍的因素。刀具切削性能的好壞取決于構成刀具的材料和刀具結構，特別是高速切削加工的生產(chǎn)率、刀具使用壽命的高低、加工成本的多少、加工精度和加工表面質(zhì)量的優(yōu)劣等，很大程度上取決刀具材料和刀具結構的合理選擇。因此數(shù)控刀具的選擇對數(shù)控高速加工的過程至關重要。
下面結合公司航空產(chǎn)品數(shù)控高速加工技術的現(xiàn)狀及需要解決的問題，重點介紹西控公司在高效、高速切削中數(shù)控刀具、高速加工機床在生產(chǎn)應用中的情況和普遍存在的問題。
西控公司航空產(chǎn)品數(shù)控高速加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀
1公司用于航空組合結構件的材料
(1)整體件不銹鋼及鋁合金材料的結構件。
為提高產(chǎn)品零件的可靠性、降低成本和減輕重量，該類零件大部分是用整體實心不銹鋼、鋁合金材料制成的結構件，80%～90%的材料要在加工中去除掉，而高速切削產(chǎn)生的熱量少、切削力小、零件變形小，因此提高生產(chǎn)效率的唯一途徑是采用加工中心進行高速銑削加工。
(2)鈦合金和鎳基合金難切削材料零件。
鈦(鎳)合金具有強度高、熱強度好、化學活性大等特點，目前公司采用鈦基和鎳基合金材料的航空產(chǎn)品的重要部件逐漸增多。采用高速切削后，其切削速度可提高到80m/min以上，為常規(guī)切削速度的8倍。這類零件材料的加工特點是切削力大、切削溫度高、加工硬化和粘刀現(xiàn)象嚴重、刀具易磨損。
2航空組合結構件的切削加工技術
從航空組合結構件材料的發(fā)展趨勢和特點分析，航空組合結構件的切削加工技術主要包括鋁合金結構件的高速切削加工技術和鈦(鎳)基合金等難加工材料的切削加工技術2個方面。
(1)鋁合金高速切削加工技術。
適用于進行鋁合金高速切削的加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般都在10000r / m i n以上，有的可高達60000～100000r /min，切削速度可達2000～5000m/min，加工進給速度達2～20m / m i n，材料的去除率30～40k g / h，工作臺的加(減)速度達到1～10g。目前，公司的大多數(shù)機床主軸在生產(chǎn)中的實際使用主軸轉(zhuǎn)速在8000r / m i n左右，未能充分發(fā)揮機床的效能。有的機床采用國產(chǎn)刀具僅能在3000～4000r/min以下使用，8000r/min以上必須采用進口刀具。
(2)難加工材料的切削加工技術。
Inconel718(GH169)鎳基合金和T i A l6V4鈦合金是公司制造產(chǎn)品時采用的典型難加工材料，因它們很難加工，所以一般采用很低的切削速度。公司目前在切削加工技術水平方面還在探索研究，所選擇的切削速度僅能達到80～100m / m i n，還沒有在生產(chǎn)中大規(guī)模應用。如果選用高速加工，可以大幅度提高生產(chǎn)效率、減小刀具磨損、提高產(chǎn)品零件的表面質(zhì)量。
3高速切削刀具材料
高速切削技術的發(fā)展，刀具技術起到非常關鍵的作用。高速切削刀具材料和刀具制造技術都發(fā)生了巨大的變化。適合進行高速切削的刀具材料主要有：P C B N立方氮化硼刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具和超硬材料刀具。
4高速工具系統(tǒng)
刀柄是高速切削加工的一個關鍵部件，高速切削用的刀具，由于刀具旋轉(zhuǎn)速度很高，無論從保證加工精度方面考慮，還是從操作安全方面考慮，都對它的裝夾技術有很高的要求。傳統(tǒng)的刀柄與機床主軸的連接方式是7∶24錐柄(BT、ISO)，這種彈簧夾頭、螺釘?shù)葌鹘y(tǒng)的刀柄形式和刀具的裝夾方式已不能滿足適用高速加工的要求，因此開發(fā)新型的高速工具系統(tǒng)已成為改進高速切削系統(tǒng)的重要組成部分。在刀柄方面，德國開發(fā)出了HSK空心短錐柄刀柄連接方式，H S K短錐刀柄采用1∶10的錐度，它的錐度比標準的7∶24錐柄短，可以實現(xiàn)法蘭端面和錐柄的同時接觸，具有很高的連接精度和剛度，可以采用高等級平衡及主軸自動平衡的系統(tǒng)技術，高速切削加工時能保證加工精度，保證高生產(chǎn)率，安全可靠。目前國際標準化組委會制定的I SO/DI S標準和德國DI N69893-1號H S K刀柄已成為公司高速切削刀柄的主流。
數(shù)控刀具高速切削的現(xiàn)狀及存在的問題
1國內(nèi)刀具行業(yè)開發(fā)高速切削刀具的現(xiàn)狀
近年來，隨著國家航空制造業(yè)對高速加工刀具需求的日益增加，國內(nèi)刀具制造企業(yè)針對高速切削加工技術和高速加工刀具進行了一系列的研發(fā)工作，取得了一定的進展。如成都工具研究所、成量集團公司、上海工具廠有限公司等工具行業(yè)的骨干企業(yè)，圍繞高速加工技術，在硬質(zhì)合金材料、涂層和刀具加工等方面加大了技改的投入力度，取得了初步成效，為航空企業(yè)提供了產(chǎn)品和技術。
2西控公司在高速切削用刀具中存在的問題
目前，公司在制造業(yè)所需的高精度、高效率、高可靠性刃具產(chǎn)品和加工技術，80%以上依靠進口，我國刀具行業(yè)無法滿足公司航空產(chǎn)品高速加工的需要。主要原因是我國刀具行業(yè)的研發(fā)和創(chuàng)新能力與國外相比存在較大差距。
(1)作為主要刀具材料的硬質(zhì)合金牌號開發(fā)與國外產(chǎn)品有較大的差距，影響著整體切削水平的提高。目前僅有株洲鉆石切削刀具有限公司、成都工具研究所等少數(shù)單位的個別牌號的性能接近國外產(chǎn)品，并且新牌號創(chuàng)新和升級的速度緩慢，使我國量大面廣的一般機械加工行業(yè)的切削水平普遍處于低速、低效的狀態(tài)。
(2)在涂層技術方面，除成都工具研究所自行開發(fā)涂層技術和設備外，我國既缺少基礎理論研究，又缺少應用技術及設備的開發(fā)，行業(yè)內(nèi)基本上都走引進設備、引進技術一條路。
(3)在刀具結構創(chuàng)新方面，基本上是空白，在國際機床展覽會上，很難發(fā)現(xiàn)有我國原創(chuàng)的刀具產(chǎn)品。其原因在于我國刀具工業(yè)的主體仍處于生產(chǎn)傳統(tǒng)標準刀具的模式之中，通用標準刀具的產(chǎn)量仍占各大刀具公司的絕大部分。
我國切削技術和刀具的落后，還表現(xiàn)在我國刀具工業(yè)的結構上，在我國只有個別刀具公司真正具備硬質(zhì)合金刀具材料和涂層這2項核心技術，多數(shù)刀具廠都缺少硬質(zhì)合金材料這項核心技術，有些刀具廠雖然引進了涂層設備，但不具備開發(fā)能力，制約著刀具公司進一步做大、做強。
數(shù)控高速加工設備在公司使用中普遍存在的問題
數(shù)控高速切削設備實現(xiàn)了零件的“零打磨”拋光和高硬度材料的精密加工，帶來了更高的加工效率。我們在看到數(shù)控高速切削設備讓人“砰然心動”的同時，還要清醒地認識到數(shù)控高速切削設備在應用上存在著一些難點和問題：
(1)數(shù)控高速加工設備的成本高，投資回報周期長。不僅數(shù)控設備本身成本較高，而且使用成本也很高，比較高端的高速加工數(shù)控設備的價額超過了150～160萬元，高轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)下，主軸的平均使用壽命一般只有3年，更換一次主軸的成本是整機的1/3。
(2)高速加工使用的數(shù)控刀具主要依靠進口，而且采購成本很高。
(3)加工工藝要求較高，不適當?shù)那邢髁繒o刀具帶來很大的損壞。如果設備使用不當，刀具選用不合適，不但不能充分發(fā)揮設備的性能，刀具(包括刀片)就會大量報廢，導致成本增加，產(chǎn)生巨大的浪費。
(4)數(shù)控高速加工設備對編制加工程序的工作人員要求高。目前，由操作人員自己編制加工程序，而操作人員的技術水平、對零件材料知識的認識水平參差不齊，造成加工時選擇刀具的硬度及切削參數(shù)的差異性較大。
(5)加工準備周期較長。
(6)機床維修維護保障性差。
有效地應用數(shù)控高速加工設備
如果認為購置數(shù)控高速加工機床，就能實現(xiàn)高效生產(chǎn)，其實不然，因為很多數(shù)控高速加工機床并不能達到最優(yōu)化使用，除了存在一些技術原因之外，認識上的偏差和使用方法的不當，也為其作用的發(fā)揮帶來負面影響，如果所有的產(chǎn)品加工工序都在數(shù)控高速加工機床上完成，結果反而造成了加工設備的浪費。筆者經(jīng)過多方考察調(diào)研，這方面國內(nèi)外比較成功的做法是，數(shù)控高速加工機床與數(shù)控加工中心、普通加工機床、仿型銑床配套使用，發(fā)揮其各自的加工優(yōu)勢，以達到加工系統(tǒng)最優(yōu)、最有效運行的目的。例如用普通加工機床或仿形銑床完成大部分切削量(重切削)，而剩余2～3mm的加工余量則由數(shù)控高速加工機床快速、高效、高質(zhì)量的完成。這樣做具有很多優(yōu)點：普通的重切削機床比較普遍，加工成本很低；加工量大，精度要求不高極易達到；刀具便宜；數(shù)控高速機床高速切削時，因為加工對象已接近成型，切削量相對比較均勻；節(jié)省了拋光和打磨的環(huán)節(jié)與時間，加工的零件可達鏡面效果的表面光潔度，表面完整性也很好；配合尺寸精確；雖然高速加工時刀具較貴，但加工時間短，切削量不大，性價比高。所以，公司結合產(chǎn)品特點，適當配套設備，發(fā)揮數(shù)控高速加工設備的高精度、高效率、高質(zhì)量的加工特性，以實現(xiàn)產(chǎn)品的高效高精、低成本制造。
現(xiàn)在國家大力倡導產(chǎn)學研用相結合，加強科技研發(fā)和成果轉(zhuǎn)換，航空工業(yè)正處于深刻變革和重要轉(zhuǎn)型時期，西控公司作為中航工業(yè)企業(yè)，在提高數(shù)控高速加工技術的應用水平中，如何才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢和作用？的確，國內(nèi)數(shù)控高速加工設備及技術水平與機床發(fā)達國家相比，仍存在一定的差距，提高公司航空產(chǎn)品數(shù)控高速加工技術的應用水平，公司科研技術專家、工藝人員、設備及刀具管理人員責無旁貸。要與生產(chǎn)單位緊密結合，開展數(shù)控高速加工設備研究、基礎工藝試驗研究、切削刀具研究、綜合系統(tǒng)工藝集成研究以及相關技術培訓等內(nèi)容。
充分發(fā)揮數(shù)控高速切削的作用
拓寬高速切削零件材料及高速切削工藝范圍，建立航空產(chǎn)品的切削工藝數(shù)據(jù)庫。開發(fā)高速切削加工編程技術，推廣高速切削加工技術、干式(準干式)切削綠色制造技術，積極建立完善的推廣應用機制。
針對航空產(chǎn)品常用材料，如鋁合金、鈦合金、不銹鋼、鎳基高溫合金等材料開展切削工藝試驗研究，建立相關材料的高速切削數(shù)據(jù)庫，開展高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控，收集信息、不斷改進。
加強公司航空產(chǎn)品高速加工制造工藝規(guī)范的研究。按質(zhì)量管理體系GJB9001A的要求，新產(chǎn)品研制工藝文件編制的規(guī)定和標準研制工藝方案，在保證航空產(chǎn)品零部件合格裝配的前提下，在裝配試驗研制過程中進行反復試驗和試用。從設備的角度，要以數(shù)控高速加工設備為核心，高中低檔加工設備相配套，綜合選用設備特點，編制新研工藝圖和加工工序路線圖，以降低成本，提高效率，研制生產(chǎn)出質(zhì)量好，精度高、產(chǎn)品零件裝配性能穩(wěn)定的研制工藝文件體系。
開展數(shù)控高速加工方面的技術支持和人員培訓，為數(shù)控高速加工技術在公司航空產(chǎn)品中有效的應用培養(yǎng)高素質(zhì)的技術人才。
結束語
數(shù)控高速切削刀具及相關技術是實現(xiàn)數(shù)控高速切削加工的基本條件，數(shù)控高速切削技術是先進的制造技術，推廣應用數(shù)控高速切削技術不但可以大幅度提高機械加工的效率、質(zhì)量，降低成本，而且可以帶動一系列高新技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。加強數(shù)控高速切削對數(shù)控刀具材料、刀具結構的基礎研究，建立完整的工藝參數(shù)表和數(shù)控高速切削數(shù)據(jù)庫、數(shù)控高速切削安全技術標準，對數(shù)控高速刀具在線監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)控高速刀具動平衡等的研究，結合航空材料加工的實際情況，立足現(xiàn)有的刀具設計和制造能力，借鑒國內(nèi)外先進經(jīng)驗加快數(shù)控高速切削刀具系統(tǒng)、數(shù)控高速切削機床系統(tǒng)的研究開發(fā)，以進一步提高公司航空工業(yè)數(shù)控加工的技術水平。
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