现今,国内航空航天刀具的发展状况与别的行业类似,如果出现市场上现有刀具无法解决的加工难题,特别是目前航空航天领域高精尖产品加工中遇到的钛合金、铝镁合金等难加工材料及复合材料的加工难题,就需要刀具供应商和用户密切合作,通过共同研制、试切开发出专用刀具。同时,刀具厂商在产品面向市场之前,都是经过大量的实验、试切,确保满足用户加工过程中的各种需求。
三、刀具在航空航天制造业中的具体应用
现今,国内航空航天刀具的发展状况与别的行业类似,如果出现市场上现有刀具无法解决的加工难题,特别是目前航空航天领域高精尖产品加工中遇到的钛合金、铝镁合金等难加工材料及复合材料的加工难题,就需要刀具供应商和用户密切合作,通过共同研制、试切开发出专用刀具。同时,刀具厂商在产品面向市场之前,都是经过大量的实验、试切,确保满足用户加工过程中的各种需求。
1.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。
2.航空航天制造业常用刀具材料
随着航空航天业钛合金、高温合金等难加工材料的广泛应用,如何正确选择、合理使用刀具进行高效高质量切削加工已经成为一个非常重要的行业性话题。随着工件材料与刀具材料、结构等的互相促进,航空航天制造业得以不断发展,可以说刀具的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主要有以下几大类: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。其中,硬质合金刀具所占比重最大,在航空制造中是主导刀具,应用范围相当广泛。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,且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金,因此,陶瓷刀具已经成为航空航天业刀具发展的一个主流。
在航空航天材料加工过程中,槽加工和孔加工是加工难点。像发动机盘类零件、轴类零件、机匣类零件加工对加工刀具的要求非常高,因此,在这类零部件的加工中高性能硬质合金标准刀具和硬质合金非标刀具使用量非常大。在实际加工中刀具的选择应考虑以下几个因素: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。
鉴于陶瓷刀具的特性,选用时必须注意三方面的问题:①要选择良好的系统刚性,可以有效防止振动对刀具的损害,提高刀具寿命。②要防止零件对刀具的冲击。对硬度高并且形状不规则的毛坯,应在切入和切出处先倒角再切削。③要优选刀具几何参数,陶瓷刀具常采用零前角或负前角切削。我们要在充分掌握工件材料性能的基础上,采取相应的措施才能使切削加工达到高质量、高效率、低成本。