先進刀具技術(shù)與航空零件切削加工

1、先進刀具技術(shù)與航空零件切削加工.先進刀具技術(shù)與航空零件切削加工.20/20先進刀具技術(shù)與航空零件切削加工.航空制造領(lǐng)域向來是先進技術(shù)高度密集的行業(yè)之一,主假如因為航空產(chǎn)品的零零件形狀和構(gòu)造復(fù)雜、資料多種多樣、加工精度要求嚴格。航空產(chǎn)品零件制造的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在:(1平常帶有復(fù)雜的理論刀具資料及其涂層技術(shù)的發(fā)展促使了刀具切削速度的不停提高,帶來了加工效率的改革,進一步帶來了加工范圍的拓展。刀具的設(shè)計和使用應(yīng)試慮刀具資料與工件資料的性能般配性,針對不一樣樣的工件資料和加工條件確立合理的刀具資料和構(gòu)造形式。高速、高效、高精度切削加工要求刀具具有多種優(yōu)秀性能,“高韌性高強度基體+高硬度高耐磨性刃部”是

2、將來刀具的主要發(fā)展方向。北京航空制造工程研究所王焱王文理先進刀具技術(shù)與航空零件切削加工AdvancedCuttingToolTechnologyforAircraftComponentMachining用最廣的加工方法。在現(xiàn)代飛機和發(fā)動機的主承力構(gòu)造中,整體構(gòu)造件所占的比率快速增添,這種零件平常采納整體毛坯(板材或鍛件進行切削加工,零件成品的重量只有毛坯的10%20%,其余的80%90%資料都成了切屑。飛機機體的梁、框、肋、壁板以及發(fā)動機的壓氣機電扇、整體葉盤等都是現(xiàn)代飛機、航空發(fā)動機的重點零件,使用的資料波及高強鋁合金、鈦合金、高溫合金、復(fù)合資料等,大多以整體構(gòu)造為主,構(gòu)造復(fù)雜、資料去除量大

3、、精度及表面質(zhì)量要求高,加工周期較長。這些零件的切削加工王焱北京航空制造工程研究所研究員。向來從事切削加工技術(shù)、數(shù)控工藝技術(shù)、數(shù)字化集成制造技術(shù)等方面的研究,曾參加或主持達成多項科技預(yù)研、型號攻關(guān)、型號零件生產(chǎn)工作。外形曲面、縱橫交錯的增強筋構(gòu)造、厚度較小的薄壁構(gòu)造等;(2零件材料以高強度鋁合金、鈦合金、高溫合金、不銹鋼、復(fù)合資料、蜂窩構(gòu)造為主,多半犯難加薪水料;(3現(xiàn)代飛機擁有長壽命、高靠譜性要求,這使零件表面的質(zhì)量控制要求更加嚴格;(4愈來愈多地采納整體構(gòu)造設(shè)計,零件的外廓尺寸也愈來愈大。為知足航空產(chǎn)品的設(shè)計性能與使用要求,零零件的制造常常采納多種工藝手段,如切削加工、電物理加工、電化學(xué)加

4、工、束流加工、精巧鍛造及精巧鍛造等,此中切削加工仍舊是當前在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用最多、使過程關(guān)于實現(xiàn)高效、正確加工有焦急迫的需求。切削加工向來是零件加工的主要技術(shù)手段之一,只管跟著科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展,新的加工方法不停浮現(xiàn)而且獲取了日趨寬泛的應(yīng)用,可是切削加工仍舊是當前應(yīng)用最多、使用最為寬泛的加工方法,關(guān)于尺寸和形狀的配合精度要求越高的零件,就越需要采納切削加工手段來達成,到現(xiàn)在還沒有更好的加工方法1。切削刀具是支撐和促使切削加工技術(shù)進步的重點要素。近來幾年來,高速高效數(shù)控機床的寬泛應(yīng)用使現(xiàn)代切削加工技術(shù)發(fā)展到了一個新的階段,先進高效刀具的應(yīng)用是使昂貴的數(shù)控機床充散發(fā)揮其高效加工能力的基本前提之一

5、。切削刀具的應(yīng)用基礎(chǔ)制造技術(shù)向來是陪伴人類文明的發(fā)展而行進的。18世紀后期,有挪動刀架和導(dǎo)軌的機床的出現(xiàn)標記住機械加工生產(chǎn)時代的開始。跟著19世紀新式冶煉技術(shù)、內(nèi)燃機技術(shù)、電氣技術(shù)的發(fā)明與圓滿,以及H福特大規(guī)模生產(chǎn)方式和泰勒科學(xué)管理理論的出現(xiàn),機械制造業(yè)開始進入大量量生產(chǎn)時代。切削加工是現(xiàn)代制造技術(shù)中最基本的加工方法之一,它是利用刀具(或工具去除被加工對象上節(jié)余的資料,進而獲取形狀、精度和表面質(zhì)量都符合預(yù)約要求的表面。在由機床、刀具、工件和夾具構(gòu)成的切削加工工藝系統(tǒng)中,刀具是富于變化、影響加工狀態(tài)的活躍要素。刀具資料的選擇與發(fā)展是實現(xiàn)切削加工過程、推進切削加工技術(shù)進步的重點。人類使用工具是從天

6、然資料開始的,經(jīng)過石器時代、青銅時代、鐵器時代的發(fā)展,準備切削工具經(jīng)過石頭、獸骨、青銅制備切削/切割工具,發(fā)展到工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬合金制成的先進切削刀具,被加薪水料也從石頭、木材、獸骨等天然材料發(fā)展到銅、鐵、鋼、各樣金屬合金、非金屬資料等不一樣樣的種類,到現(xiàn)在已經(jīng)形成了金屬資料、陶瓷材料、有機高分子材料“三足鼎峙”的新場面,而由2種以上在物理和化學(xué)性質(zhì)上不一樣樣的物質(zhì)聯(lián)合起來而獲取的多項固體材料復(fù)合資料是現(xiàn)代資料革命的一個重要方向2,在構(gòu)件制造過程中也相同需要切削加工技術(shù)。刀具性能的利害取決于構(gòu)成刀具的資料和構(gòu)造。刀具資料的切削性能必然知足以下基本要求:(1硬度。刀具資料必然

7、高于工件資料的硬度,現(xiàn)代刀具資料常溫硬度平常要求在HRC60以上。(2強度和韌性。較高的強度則能承受較大的切削力,較好的韌性能夠承受較大的沖擊載荷和振動。(3耐磨性。刀具資料應(yīng)擁有較好的抵擋磨損的能力,是刀具資料強度、硬度和組織構(gòu)造等要素的綜合反應(yīng)。(4熱硬性。刀具在高溫下保持資料硬度、強度、韌性和抗氧化的能力3。各樣不一樣樣的刀具資料只幸好一定溫度范圍下保持其切削性能,常有刀具資料的主要性能和正常工作溫度如表1所示。切削加工過程中,刀具切削刃要承受高切削溫度、高壓強、高應(yīng)變速率,這就要求刀具既要有較高的高溫硬度和耐磨性能,又要有較高的強度和韌性,刀具涂層技術(shù)和刀具表面辦理技術(shù)即是為知足切削加

8、工對刀具資料的這些綜合性能要求而發(fā)展起來的。涂層刀具是采納物理或化學(xué)方法,在刀具基體資料上覆蓋一層或多層耐高溫、耐磨損的涂層資料,使刀具既有強韌的基體,又擁有高硬度、高耐磨性的表面。基本的刀具涂層材料可分為單涂層、多元涂層、軟涂層等4,常有的涂層資料性能和應(yīng)用范圍如表2所示。單調(diào)涂層在應(yīng)用中有必然的限制性,而多涂層構(gòu)造在現(xiàn)代涂層刀具中使用較寬泛,多層涂層能夠有效地改良涂層的組織構(gòu)造,提高刀具的使用性能。因為涂層資料的耐熔結(jié)、耐磨損和耐熱性能優(yōu)于基體,因此能以超出基材的切削速度進行切削。其余,因為涂層的摩擦系數(shù)表1不一樣樣刀具資料正常工作的溫度范圍超硬合金石材、獸骨木材、鑄銅、鑄鐵鐵碳合金、合金

9、鋼硬質(zhì)合金陶瓷高速鋼工具鋼天然資料石器時代鐵器時代20世紀青銅時代1819世紀21世紀高強鋼、高錳鋼、不銹鋼、高溫合金、鈦合金、有色金屬合金、工程陶瓷、復(fù)合資料刀具資料發(fā)展和應(yīng)用的基本趨向小,因此能夠延伸刀具的使用壽命。航空零件切削加工中刀具的應(yīng)用現(xiàn)狀航空產(chǎn)品零件使用的資料主要波及高強鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金、復(fù)合資料等多各樣類。飛機機體上波及切削加工的零件主要使用鋁合金、鈦合金、復(fù)合資料、高強度鋼等資料,其構(gòu)造尺寸大,尺寸協(xié)調(diào)部位多;航空發(fā)動機上波及切削加工的零件主要使用鈦合金、高溫合金、不銹鋼、復(fù)合資料,其加工精度要求較高。從加工形式上看,飛機機體構(gòu)造件以機翼梁、機身框、翼肋、壁板為典

10、型代表,零件形式為扁平形構(gòu)造,尺寸較大,帶有機身、機翼理論外形。這種零件主要以銑削加工為主,采納不一樣樣形式的銑削刀具在龍門構(gòu)造、五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床上達成加工,常用的刀擁有盤銑刀、立銑刀、球頭銑刀等,更加常用的是帶有刀尖圓角的專用銑刀;航空發(fā)動機零件以機匣、整體葉盤、葉片以及軸、盤為典型代表,除軸、盤類零件合適采納車削加工外,其余零件為展轉(zhuǎn)形構(gòu)造,部分部位需要車削加工,大部分波及安裝及氣流通道的部位還需要在五坐標聯(lián)動控制、轉(zhuǎn)臺構(gòu)造的數(shù)控機床進步行銑削加工,加工過程都需要多種形式和構(gòu)造的刀具,如外圓車刀、內(nèi)圓車刀、立銑刀、球頭銑刀等。在零件加工過程中,鑲齒刀具、焊接式刀具、整體刀具都有寬泛的應(yīng)用

11、,近來幾年來,鑲齒刀具、整體刀具漸漸成為現(xiàn)場主要使用的刀具構(gòu)造,焊接式刀具應(yīng)用范圍已漸漸減小。這些刀具主要根源于3個門路:公司自制、國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠和外國刀具供給商,此中高檔刀具主要之外國刀具廠商的產(chǎn)品為主,國產(chǎn)刀具的主要問題是制造精度較低、表面辦理技術(shù)尚存在差距、刀具質(zhì)量不夠堅固,各批次刀具的精度和壽命有時不一致,進而致使生產(chǎn)現(xiàn)場難以堅固控制零件加工精度的一致性。高速加工已經(jīng)進入適用化階段,飛機構(gòu)造件是應(yīng)用高速加工的主要領(lǐng)域,特別是在鋁合金構(gòu)造件、復(fù)合資料構(gòu)件的切削中應(yīng)用寬泛。當前,鋁合金資料切削速度已達到n,鑄鐵精加工和半精加工速度為15005500m/min(最高速度為50007500m/

12、mi5001500m/min,精銑灰鑄鐵最高可達2000m/min,一般鋼為300800m/min,淬硬鋼(HRC4565速度為100500m/min5。高速加工的切削速度為常例切削的510倍,刀具的安全性、高溫堅固性、動均衡已成為高速加工刀具的重點。當前,航空零件切削加工現(xiàn)場裝備的高速銑削設(shè)施主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到24000r/min,使用的高速切削加工刀具主要之外國品牌為主,鋁合金零件切削速度已經(jīng)達到1300m/min以上。高速銑削加工中使用的刀具主假如鑲齒、整體2種構(gòu)造的硬質(zhì)合金刀具,新式超硬資料(如PCD、PCBN刀具則應(yīng)用較少。航空產(chǎn)品零件的加工平常需要使用數(shù)目不等、規(guī)格和構(gòu)造不一樣樣的刀

13、具才能達成,而且要求不一樣樣刀具加工的表面之間連續(xù)、無接差、無干預(yù)。在大部分狀況下,生產(chǎn)現(xiàn)場中切削刀具的應(yīng)用主要仍是粗放型的,關(guān)于切削刃形狀對加工精度的影響、粗精加工刀具的接刀偏差、刀具安裝調(diào)整精度等問題缺乏仔細、深入地分析和控制,主要經(jīng)過對刀儀、表2常有涂層資料的性能和應(yīng)用范圍機床上對刀和名義尺寸值獲取刀具的直徑、安裝長度、重點部位的尺寸(如刀尖圓角。不一樣樣刀具之間的重點尺寸最少存在0.05mm以上的偏差(特別是鑲齒刀具這使得加工出來的工件表面存在殘留、臺階和損害,不得不依賴后續(xù)的人工修整和拋光進行辦理。,從切削參數(shù)方面看,因為各生產(chǎn)現(xiàn)場的技術(shù)水平易配套環(huán)境不一樣樣,刀具切削時使用的切削參

14、數(shù)差別較大,切削參數(shù)的選擇和使用主要以工藝人員或機床操作者的經(jīng)驗為主。鋁合金資料的切削速度在2002000m/min之間,單位時間資料的去除率為1030kg/h不等;鈦合金資料切削速度在950m/min之間,單位時間資料的去除率一般不超出12kg/h。從刀具壽命方面看,生產(chǎn)現(xiàn)場基本上都沒有嚴格控制,主假如由操作者憑經(jīng)驗判斷刀具的可用狀態(tài),這也是造成工件加工表面質(zhì)量不堅固的原由之一。跟著飛機產(chǎn)品遨游性能的提高,人們對現(xiàn)代航空零件加工精度的要求也漸漸嚴格,復(fù)雜形狀表面的精度偏差從初期的(0.150.3mm已經(jīng)提高到(0.080.12mm,表面粗拙度從Ra6.4Ra1.6提高到Ra1.6Ra0.8。

15、提高刀具精度、合理選擇使用刀具是知足零件的精度和表面質(zhì)量要求的重要環(huán)節(jié)。新資料、新構(gòu)造的切削加工特色及刀具需求重新式飛機和發(fā)動機的發(fā)展趨向看,鑒于降低飛機機體和發(fā)動機重量、提高遨游性能、節(jié)儉燃油耗費的考慮,過去大量采納的組合式金屬構(gòu)造、鋁合金直接覆蓋的方法已漸漸被舍棄,鈦合金、復(fù)合資料使用的比率愈來愈大,整體構(gòu)造成為飛機和發(fā)動機產(chǎn)品的主體。鈦合金是公認的難加薪水料之一,需要在高性能刀具的支持下才能知足質(zhì)量和周期需求;采納鋪疊、環(huán)繞、RTM等工藝制備的復(fù)合資料構(gòu)件只管不需要很大的切削加工量,但其資料構(gòu)造的特別性和較高的質(zhì)量要求也對切削刀具具有較高的要求;采納整體構(gòu)造設(shè)計后,一般狀況下都采納整體板

16、材或大型鍛造毛坯來加工,此中90%以上的資料都要被切除,加工量較大,對加工效率要求極高。航空發(fā)動機零件平常為鈦合金、高溫合金資料,這些資料的切削加工向來是一個難點。同時,航空發(fā)動機零件形狀復(fù)雜、精度要求嚴格。以新式發(fā)動機的主要構(gòu)造零件整體葉盤為例,切削加工過程波及氣流通道、葉身型面、葉根葉尖、進排氣邊等難加工部位,銑削是達成這些重點部位加工的主要工藝方法,因為構(gòu)造空間狹小,平常要使用小直徑、大長度的立銑刀或球頭銑刀。航空發(fā)動機零件切削加工的主要特色是:(1被加工資料變形服氣極限高,切削變形抗力大,致使切削力大、切削功率高,刀具承受較大的切削力和扭矩,要求刀具擁有較高強度硬度和耐磨性能,加工過程

17、中能很好地保持刀具切削性能和幾何形狀;(2切削過程中切削力顛簸大,刀具承受周期載荷作用,簡單產(chǎn)生刃部缺口或崩刃,要求刀具擁有較好的韌性并有減振或消振舉措;(3切削區(qū)溫度高,切削熱集中于刀尖周邊(特別是鈦合金工件加工,刀具承受較高的熱載荷作用,簡單產(chǎn)生熔結(jié)和氧化致使刀具無效,要求刀具刃部擁有更高的堅固切削性能。飛機構(gòu)造件資料平常以鋁合金、鈦合金、蜂窩構(gòu)造(鋁或NOMEX和復(fù)合資料為主,還有少許的不銹鋼和超高強度鋼。此中鋁合金、鈦合金零件切削加工量很大(約有80%90%資料被切除,復(fù)合資料構(gòu)件切削加工量相對較少,但加工中簡單產(chǎn)生撕破和層間剝離而損害復(fù)合資料構(gòu)件的基體。飛機構(gòu)造件平常為薄壁構(gòu)造,鋁合

18、金構(gòu)造件構(gòu)造厚度最小可達0.82mm;鈦合金因為資料特色的限制,其最小構(gòu)造厚度要大于鋁合金構(gòu)造件的最小構(gòu)造厚度。飛機構(gòu)造件以銑削加工為主,其切削加工主要擁有以下特色:(1鋁合金和蜂窩構(gòu)造的資料服氣強度較低,切削過程產(chǎn)生的切削力小,合適采納高速加工方法,要求刀具知足高速切削的基本要求(如耐熱性、抗熱沖擊性、高溫力學(xué)性能、靠譜性;(2復(fù)合資料為基體相和增強相構(gòu)成的物質(zhì),力學(xué)性能擁有各向異性,刀具拉伸、剪切和歪曲的聯(lián)合作用下切除資料,纖維斷面與刀具后刀面存在激烈的摩擦,加工精度和表面粗拙度不易達到設(shè)計要求;(3零件上存在好多的轉(zhuǎn)角和過渡地區(qū),這些部位應(yīng)圓滑連結(jié)以避免應(yīng)力集中,要求刀具的細部構(gòu)造(如刀

19、尖圓角尺寸正確并在切削過程中保持形狀不變;表3常有工件資料與刀具的般配(4資料切除量大,工步工序加工時間長,要求刀具擁有較高的壽命,防范屢次換刀而造成精度損失和協(xié)助時間增添;(5零件上擁有好多的槽腔、下陷、閉斜角等構(gòu)造,在銑削加工過程中有時要使刀具沿軸向切入甚至垂直進刀,這就要求刀具底部擁有切削能力。航空零件的切削加工當前主要分為2個種類:一是輕質(zhì)構(gòu)造和輕合金的高速加工,主要針對鋁合金和復(fù)合資料,使用的刀具以硬質(zhì)合金、PCD資料為主,帶有單涂層或復(fù)合涂層;二是針對鈦合金、不銹鋼、超高強度鋼等難加薪水料的切削,使用的刀具資料主假如細晶粒硬質(zhì)合金、超細晶粒硬質(zhì)合金和高性能高速鋼,應(yīng)特別注意刀具資料

20、(包含其涂層與工件資料的般配,實踐證明,鈦合金切削加工中,常例涂層對提高刀具性能方面沒有顯然作用,必然找尋新的涂層及涂層工藝。表3給出了現(xiàn)階段航空產(chǎn)品零件切削加工中不一樣樣工件資料適用的刀具和涂層。將來刀具的發(fā)展趨向切削加工追求的目標是高精度、高效率、低成本、綠色環(huán)保。近來幾年來,切削加工技術(shù)在高速切削、硬態(tài)切削、微霧潤滑切削、干式切削、復(fù)合切削等領(lǐng)域快速發(fā)展,這些切削加工技術(shù)是實現(xiàn)以最小限度生產(chǎn)設(shè)施高效率、低成本加工零件的生產(chǎn)方式的核心,到當前為止,切削加工技術(shù)發(fā)展的最大標記就是高速切削加工(HighSpeedCutting,HSC的發(fā)展。先進的刀具技術(shù)是促使切削技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和保證,刀具技術(shù)的發(fā)展波及刀具資料和刀具構(gòu)造的發(fā)展,刀具資料是提高刀具性能的基礎(chǔ),刀具構(gòu)造是提高工件加工精度的重點。跟著高速加工、高精度加工技術(shù)的進步和難加薪水料應(yīng)用數(shù)目的增添,刀具資料的進展也十分顯然,新式陶瓷、細晶粒硬質(zhì)合金、超細晶粒硬質(zhì)合金、TiC/TiN基金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金等資料大大提高了刀具的性能,刀具基體的耐磨性、耐熱性、韌性和抗彎強度顯然提高。復(fù)合涂層技術(shù)使刀具性能進一步提高,涂層資料除了有合適高速切削的TiC、TiN、TiAlN之外,現(xiàn)在還使用金剛石、立方氮化