數(shù)控高速加工在航空產(chǎn)品制造中的應(yīng)用
西安航空動力控制有限責(zé)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(guān)系，開展了轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的零部件加工業(yè)務(wù)。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(shù)改造，引進了先進的加工裝備，使公司的航空制造業(yè)設(shè)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(yīng)用，促進了公司生產(chǎn)技術(shù)水平的發(fā)展。
數(shù)控高速加工設(shè)備在西控公司產(chǎn)品制造中應(yīng)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(shù)改造方面加大了投資力度，引進了先進的加工設(shè)備，配置了相應(yīng)的數(shù)控刀具。公司在數(shù)控高速加工過程中，雖然相關(guān)的配套技術(shù)(如刀具技術(shù)、高速加工工藝技術(shù))還未能及時跟上，在加工有些難加工異型件時有相當(dāng)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(fù)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(shù)專家、工藝人員從凸輪型面的設(shè)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(shè)計與制造等進行了科研技術(shù)攻關(guān)，最終實現(xiàn)了曲面變化復(fù)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(shù)、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(jié)構(gòu)上公司航空產(chǎn)品大量采用組合結(jié)構(gòu)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(shù)已經(jīng)無法有效地滿足這些需求，而高速加工技術(shù)的特點和優(yōu)勢為實現(xiàn)航空產(chǎn)品新結(jié)構(gòu)、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(yīng)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(xì)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(shù)
數(shù)控高速加工技術(shù)、數(shù)控高速切削刀具技術(shù)、數(shù)控高速加工工藝技術(shù)以及數(shù)控高速加工測試技術(shù)等是發(fā)展數(shù)控高速加工技術(shù)的核心，而數(shù)控切削刀具的選擇直接影響著高速加工設(shè)備實現(xiàn)高效率、低成本的基礎(chǔ)。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(gòu)成刀具的材料和刀具結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(guān)重要。
下面結(jié)合公司航空產(chǎn)品數(shù)控高速加工技術(shù)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(yīng)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
1公司用于航空組合結(jié)構(gòu)件的材料
(1)整體件不銹鋼及鋁合金材料的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)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(yán)重、刀具易磨損。
2航空組合結(jié)構(gòu)件的切削加工技術(shù)
從航空組合結(jié)構(gòu)件材料的發(fā)展趨勢和特點分析，航空組合結(jié)構(gòu)件的切削加工技術(shù)主要包括鋁合金結(jié)構(gòu)件的高速切削加工技術(shù)和鈦(鎳)基合金等難加工材料的切削加工技術(shù)2個方面。
(1)鋁合金高速切削加工技術(shù)。
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(dá)60000～100000r /min，切削速度可達(dá)2000～5000m/min，加工進給速度達(dá)2～20m / m i n，材料的去除率30～40k g / h，工作臺的加(減)速度達(dá)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(shù)。
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(shù)水平方面還在探索研究，所選擇的切削速度僅能達(dá)到80～100m / m i n，還沒有在生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)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(shù)的發(fā)展，刀具技術(shù)起到非常關(guān)鍵的作用。高速切削刀具材料和刀具制造技術(shù)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(guān)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)，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(biāo)準(zhǔn)化組委會制定的I SO/DI S標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(shù)，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(shù)。
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(shù)，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(shù)方面，除成都工具研究所自行開發(fā)涂層技術(shù)和設(shè)備外，我國既缺少基礎(chǔ)理論研究，又缺少應(yīng)用技術(shù)及設(shè)備的開發(fā)，行業(yè)內(nèi)基本上都走引進設(shè)備、引進技術(shù)一條路。
(3)在刀具結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)刀具的模式之中，通用標(biāo)準(zhǔn)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(shù)和刀具的落后，還表現(xiàn)在我國刀具工業(yè)的結(jié)構(gòu)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(shù)，多數(shù)刀具廠都缺少硬質(zhì)合金材料這項核心技術(shù)，有些刀具廠雖然引進了涂層設(shè)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(shè)備在公司使用中普遍存在的問題
數(shù)控高速切削設(shè)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(shè)備讓人“砰然心動”的同時，還要清醒地認(rèn)識到數(shù)控高速切削設(shè)備在應(yīng)用上存在著一些難點和問題：
(1)數(shù)控高速加工設(shè)備的成本高，投資回報周期長。不僅數(shù)控設(shè)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(shè)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(dāng)?shù)那邢髁繒o刀具帶來很大的損壞。如果設(shè)備使用不當(dāng)，刀具選用不合適，不但不能充分發(fā)揮設(shè)備的性能，刀具(包括刀片)就會大量報廢，導(dǎo)致成本增加，產(chǎn)生巨大的浪費。
(4)數(shù)控高速加工設(shè)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(shù)水平、對零件材料知識的認(rèn)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(zhǔn)備周期較長。
(6)機床維修維護保障性差。
有效地應(yīng)用數(shù)控高速加工設(shè)備
如果認(rèn)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(dá)到最優(yōu)化使用，除了存在一些技術(shù)原因之外，認(rèn)識上的偏差和使用方法的不當(dāng)，也為其作用的發(fā)揮帶來負(fù)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(jié)果反而造成了加工設(shè)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(dá)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(dá)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(dá)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(jié)合產(chǎn)品特點，適當(dāng)配套設(shè)備，發(fā)揮數(shù)控高速加工設(shè)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(dǎo)產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)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(shù)的應(yīng)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(shè)備及技術(shù)水平與機床發(fā)達(dá)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(shù)的應(yīng)用水平，公司科研技術(shù)專家、工藝人員、設(shè)備及刀具管理人員責(zé)無旁貸。要與生產(chǎn)單位緊密結(jié)合，開展數(shù)控高速加工設(shè)備研究、基礎(chǔ)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(guān)技術(shù)培訓(xùn)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(shù)，推廣高速切削加工技術(shù)、干式(準(zhǔn)干式)切削綠色制造技術(shù)，積極建立完善的推廣應(yīng)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)試驗和試用。從設(shè)備的角度，要以數(shù)控高速加工設(shè)備為核心，高中低檔加工設(shè)備相配套，綜合選用設(shè)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(shù)支持和人員培訓(xùn)，為數(shù)控高速加工技術(shù)在公司航空產(chǎn)品中有效的應(yīng)用培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)人才。
結(jié)束語
數(shù)控高速切削刀具及相關(guān)技術(shù)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(shù)是先進的制造技術(shù)，推廣應(yīng)用數(shù)控高速切削技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)合航空材料加工的實際情況，立足現(xiàn)有的刀具設(shè)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(shù)水平。
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