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從航空工業需求看中國刀具行業未來市場發展

2015-11-23 點擊數:2590
傳統的刀具已不能滿足先進的航空産品要求,刀具行業因此而進入了“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的現代刀具生産新格局。

  進入 21世紀,激烈的市場競爭推動著以機器制造技術爲先導的先進制造技術以前所未有的速度向前發展,航空零部件的制造也已進入以數字化制造技術爲特點的發展時 期。據了解,先進的航空産品要求航空零件具有更優異的性能、更低的成本和更高的環保性,而加工工藝要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重複精度和可 再現性。傳統的刀具已不能滿足以上要求,刀具行業因此而進入了“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的現代刀具生産新格局。

  高速、高效切削

   隨著科學技術的進步,我們正處于先進制造技術快速發展時期,數控機床的推廣應用,大大降低了零件加工的輔助時間,極大地提高了生産率。航空零件加工的總 工時中,輔助時間縮短,切削所占的時間比例就相應增大,要想進一步提高機床的生産率,必須大幅度提高切削速度,這也是近幾十年來高速切削技術迅速發展的主 要原因。高速加工最早主要用于航空工業輕合金的加工,現已成爲航空制造業提高加工效率和質量、降低加工成本的主要途徑。

  在航空零部件加工中,高速切削正在被大量應用,主要有以下幾個原因:

  爲了最大限度地減重和滿足其他一些要求,許多構件、壁板等采用“整體制造法”,即在大塊毛坯上去除余量,形成薄壁,細筋結構的零件,需要去除大量金屬材料,導致切削時間占用零件總生産時間比例很大,因此提高生産率的途徑之一就是采用高速切削加工。

  飛機零件的結構複雜、精度高,零件的薄壁、細筋結構剛度差,要盡量減少加工中的徑向切削力和熱變形,只有采用高速切削加工才能滿足這些要求。

   難加工材料,如鎳基高溫合金、钛合金、高強度結構鋼被現代航空産品大量采用,這些材料強度大、硬度高,耐沖擊、加工中容易硬化,切削溫度高、刀具磨損嚴 重,屬于難加工材料。一般采用很低的切削速度進行加工,如果采用高速切削,不但可以大幅度提高生産率而且可以有效地減少刀具磨損,提高零件的表面質量。

   高速切削加工具有不同于傳統切削加工技術的加工機理和應用優勢,它是數控加工工藝觀念的轉變。根據航空産品的材料和結構特點,要實現高速加工必須以先進 高速切削刀具爲保證。高速切削刀具必須具有良好的耐磨性和高強度韌性,先進的刀具材料、優良的刀具塗層技術、合理的幾何結構參數,高度動平衡刀具系統,安 全可靠的夾緊方式,以及高同心度的刀刃精度等等。

  刀具切削材料的發展方向及應用

  目前,在飛機制造領域中,高速鋼 刀具約占總各類切削加工總刀具量的60%,硬質合金刀具約占總刀具量的35%,超硬刀具(立方氮化硼、金剛石)占全部刀具總量不超過5%,今後隨著航空新 材料不斷湧現,硬切削、幹切削應用的增加,硬質合金刀具、塗層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金剛石刀具的比例將大幅提高。
  1.硬質合金材料的發展

   爲了滿足高速切削技術的迅猛發展,以硬質合金爲主的各種刀具材料性能已經全面提高,細顆粒、超細顆粒硬質合金的開發及塗層技術在硬質合金刀具上的應用顯 著地提高了硬質合金材料的強度和韌性,用它制造的整體合金刀具正逐步代替傳統的高速鋼刀具,使切削速度和加工效率提高了數倍,爲高速切削的推廣應用打下了 重要基礎。整體硬質合金還在一些複雜成形刀具中得到了應用,滿足了産品加工多樣性的需求。目前國內廈門金鹭特種合金有限公司、株洲鑽石硬質切削刀具股份有 限公司、四平博爾特工藝裝備有限公司及陝西航空硬質合金工具公司都能爲航空工業提供硬質合金刀具,其産品性能接近世界先進水平。

  21世紀硬質合金刀具材料應重點在2方面發展:一是細化晶粒使之達到納米級微晶等級。硬質合金晶粒尺寸越小,硬質合金的硬度就越高其耐磨性就越好,韌性和剛度也就越高,從而擴大其應用範圍;二是應用新技術新工藝開發新型硬質合金提高硬質合金內在性能和質量。

  2.塗層技術的發展

   刀具塗層技術在現代切削加工和刀具發展中起著十分重要作用,自問世以來發展非常迅速,尤其是近幾年取得了重大進展,化學塗層(CVD)仍然是可轉位刀片 的主要塗層工藝,相繼開發了中溫CVD、厚膜三氧化二鋁、過渡層等新工藝,在基體材料改善的基礎上,使CVD塗層的耐磨性和韌性都得到了提高;而物理塗層 (PVD)技術也取得了重大突破,在塗層設備的結構、工藝過程、自動控制等方面都取得了重大進展,開發了適應高速切削、幹切削、硬切削的耐熱性更好的塗 層,通過對塗層結構的創新,開發了納米、多層結構等大量新型塗層,大幅度提高了塗層硬度和韌性。

  3.超硬刀具材料的發展

  超硬材料是指金剛石和立方氮化硼(CBN),其硬度比其他刀具材料高出幾倍,金剛石是自然界中最硬的物質,CBN的硬度僅次于金剛石。近年來,超硬刀具材料發展迅速。

   金剛石刀具材料分爲5類:天然金剛石(ND)、人造聚晶金剛石複合片(PCD/CC)、金剛石薄膜塗層刀具(CD)、金剛石厚膜刀具(FCD)和人造聚 晶金剛石(PCD)。ND的結晶各向異性,在進行刀磨的使用時必須選擇適宜的方向;人造金剛石各向同性,其硬度低于ND,但強度與韌性好于ND。

  金剛石刀具能夠有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料。如銅、鎢等有色金屬及其合金,陶瓷、硬質合金,各種纖維和顆粒加強複合材料,塑料、橡膠、石墨、玻璃和木材等,但金剛石忌切鋼鐵和其他鐵族元素。

  立方氮化硼(CBN)刀具材料具有極高的硬度和紅硬性,是高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金的理想刀具材料,由于CBN刀具加工高硬度零件時可以獲得良好的加工表面粗糙度,因此采用CBN刀具切削淬火鋼可以實現“以切代磨”。
  4.高速鋼材料的發展

   在未來刀具材料發展中仍要提到高速鋼材料的發展,盡管高速鋼材料在全世界的銷售額正逐年減少,但高性能钴高速鋼和粉末冶金高速鋼的使用量仍在不斷增加, 這2種高性能高速鋼比普通高速鋼具有更好的耐磨性、紅硬性和使用的可靠性。隨著人們對切削加工效率追求的提高和觀念的轉變,這些高性能高速鋼刀具在航空領 域被大量采用。如航空難加工材料,自動鑽鉚機上使用的鑽、擴、鉸、锪一體高精度複合刀具以及加工飛機零件複雜型面的各類複合刀具。

  隨 著科技進步,先進制造系統,高速切削、超精密加工、綠色制造的發展和付諸實現,對刀具提出了全新要求,未來刀具材料也必將有重大發展。刀具材料與工件材料 雙方交替發展和相互促進,成爲切削刀具不斷向前發展的曆史規律。在未來,刀具材料必將面臨工件性能提高,加工批量加大和制造精度提升的更嚴峻挑戰。材料科 學的進步,推動了刀具材料的發展,而刀具材料的發展應考慮原材料資源的制約。新品種的出現,新舊品種各自所占比重的變化以及它們之間相互競爭和相互補充的 格局,將成爲未來刀具材料發展的新特點。

  刀具新技術、新結構、新品種的發展及趨勢

  隨著制造業的高速發展,航空工 業及模具行業等重點産業部門對切削加工不斷提出更高的要求,推動了采用新技術、新結構的刀具不斷湧現,不斷豐富刀具品種。國內外刀具制造商,如廈門金鹭特 種合金有限公司等爲了滿足航空制造對刀具的要求,與航空制造企業緊密合作,開發新型刀具。由于飛機零件具有結構複雜、精度高、零件壁薄和飛機零件采用钛合 金、鎳基合金、碳纖維及其他難加工材料多的特點,因此引導著航空刀具研制向以下方向發展。

  高精度、高效率、高表面質量。

  超高精度、超長壽命。

  高強度、高剛性等難加工材料。

  各類金屬材料與各類複合材料夾層加工。

  開發多功能刀具和高效專用刀具。

   可轉位刀具廣泛使。以往在航空材料加工中整體刀具占絕大多數,隨著航空材料中钛合金、高溫合金、高強度鋼在應用中的增加,可轉位刀具的應用也逐步增加, 可轉位刀具具有不經焊接、無裂紋等缺陷,充分發揮原有刀片的切削性能,並減少機床停機磨刀,裝卸刀具的輔助時間等優點,使用可轉位刀具比焊接刀具可提高切 削效率35%以上。目前西方國家可轉位刀具進入成熟期,其品種不斷增加,結構優化,幾何參數更加合理,在切削刀具中占有率達到80%左右,我國使用不到 30%。所以對于我國航空工業零件加工,更廣泛使用可轉位刀具是未來的發展方向。

  刀具設計研制的數字化。現代刀具不僅應能滿足高速切 削、幹式切削、硬切削、複合切削加工等先進切削技術的需求,而且要滿足産品功能的多樣化、結構的合理化、外形的實用美觀等方面的更高要求,但以往刀具的設 計主要依靠經驗,依靠試驗法,這種設計方法效率低、設計周期長、開發新産品難度大,顯然已阻礙了新型刀具的開發和使用,無法滿足先進切削加工技術的需求。
   現代切削技術的發展迫切需要先進的刀具設計技術,而刀具設計的特點是空間角度難計算,形狀複雜,尺寸繁多並且切削機理複雜,但隨著計算機技術及 CAD/CAM技術的高速發展,采用先進技術和專用的應用軟件及刀具仿真技術進行刀具的研制開發將成爲未來刀具設計與開發的方向。

  與刀具相關新技術的發展

  刀具的切削不僅取決于刀具本身,還與使用機床、刀具與機床的連接、刀具的刀柄系統、刀具的動平衡、刀具安全監控系統等密切相關,而與刀具相關的技術也與刀具技術一起在科技進步推動下取得了新的進展。

  1.高速切削時刀具刀柄系統

   加工中心等數控機床以前一直采用傳統的7∶24實心錐柄工具系統,這種刀柄由于只靠錐面結合,刀柄與主軸的聯接剛性較低,主軸轉速超過 10000r/min,聯接剛性的不足更爲明顯。對采用ATC刀柄換刀來說,每次換刀後,刀具的徑向尺寸都可能發生變化,存在著重複定位精度低問題。爲解 決這些問題主要對標准7∶24刀柄進行改進。在HSK刀柄的啓發下,近年來出現了7∶24刀柄的新型聯接技術,如日本日研公司和大昭和公司分別研制出三處 接觸(3LOCKSYSTEM)和雙面(BIGPLUS)2種7∶24聯接刀柄。與標准的7∶24刀柄比較,它們有更高的聯接剛性和精度,可用于高速、高 效切削,並且還能與現有7∶24刀柄或機床兼容,是7∶24刀柄未來的發展方向,除對標准7∶24刀柄結構進行改造外,目前主要采用新型的HSK刀柄和 KM刀柄。

  HSK刀柄是一種新型的高速錐形刀柄,其接口采用錐面和端面2面同時定位的方式,刀柄爲中定,錐體長度較短,有利于實現換 刀的輕型化及高速化,由于采用端面定位,完全消除了軸向定位誤差,使高速、高精加工成爲可能也是我們國內制造廠刀具制造發展方向。高速刀具與主軸的連接技 術隨著科技進步今後還將得到不斷發展,使一些新概念刀柄——HSK、KM、3LOCK、BIGPLUS等刀柄得到進一步改進和完善。

  當前主軸與刀具連接技術發展方向是:

  采用雙面定位系統;

  裝夾精度高,夾持剛性好,結構緊湊;

  刀柄帶平衡和減振裝置;

  發展多功能和智能型刀柄。
  2.刀具動平衡技術

   對高速旋轉的刀具還有平衡與安全問題,在高速主軸系統中,任何旋轉體的不平衡都會産生離心力,不平衡的刀具或刀柄在高速切削時産生的離心力使機床産生振 動,旋轉刀具微小的不平衡量,在高速切削時都會造成很大的離心力,刀具不平衡産生的不規則切削力,將導致不規則的磨損,其結果一方面會影響工件的加工精度 和表面質量,另一方面會影響主軸軸承和刀具的使用壽命,更主要的是影響高速切削的安全性,所以高速切削需要認真進行刀具的動平衡。

  目前國外公司根據刀具動平衡的要求開發了專用刀具動平衡儀和立式刀具動平衡儀,都可以實現全自動的刀具動平衡測量。新型動平衡測量儀發展的方向是測量精確高效、操作方便、功能強大。

  3.刀具刃口鈍化的發展

   目前國外進口的整體刀具或可轉位刀片刃口大都進行了刃口的鈍化。經鈍化後的刀具或刀片刃口微觀缺陷徹底清除,有效地增加了刃口強度,其刀具耐用度一般可 提高20%至一倍,我國目前大部分刀具都未進行鈍化處理,耐用度低,刀具消耗費用大,所以刀具刃口的鈍化是我國當前刀具制造發展的一個方向。

  結束語

   我國航空制造加工正處于快速發展時期,新型飛機及大型飛機的研制對于航空制造加工提出了挑戰,在航空産品的機械加工中要充分認識刀具在切削加工中的重要 性。據了解,在機械加工中,刀具被稱爲機床的“牙齒”和“孿生兄弟”。無論何種金屬切削機床,都必須依靠這個“牙齒”才能發揮作用,離開這個“孿生兄弟” 則一事無成。未來隨著科技水平的提高,設備更新換代速度越來越快(10~15年換一代),要在短期內賺回設備投資並創造出利潤,就要研究依靠刀具挖掘潛 力,所以在機械加工中一定要配置性能優異的刀具才能使機床高速高效運轉。

  據了解,目前,國內制造的刀具還不能完全滿足航空制造業的加 工需求,每年還需進口大量刀具,未來對于國內刀具制造企業,應加快自身的技術創新與技術改造力度,加大研發力度,加快新型刀具、多功能刀具及刀具材料、塗 層技術的開發,提高産品質量,使國內刀具盡快達到世界先進水平,爲我國航空制造業提供優質高效的刀具産品。

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