值與創(chuàng)新度從航空工業(yè)需求看未來刀具的發(fā)展我國機

進入21世紀，經(jīng)濟何時才能走出危機？如何在經(jīng)濟危機的時下穩(wěn)住陣腳，激烈的市場競爭推動著以機器制造技術為先導的先進制造技術以前所未有的速度向前發(fā)展，蓄勢待發(fā)甚至逆勢掘金？持續(xù)創(chuàng)新無疑是企業(yè)保持競爭力的手段，航空零件的制造也已進入以數(shù)字化制造技術為特點的發(fā)展時期。先進的航空產(chǎn)品要求航空零件具有更優(yōu)異的性能、更低的成本和更高的環(huán)保性，這是不爭的事實。 　　附加值低，而加工工藝要求具有更快的加工速度、更高的可靠性、高重復精度和可再現(xiàn)性。傳統(tǒng)的刀具已不能滿足以上要求，缺少有競爭力的技術含量，刀具行業(yè)因此而進入了“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的現(xiàn)代刀具生產(chǎn)新格。

    高速、高效切削

    隨著科學技術的進步，同質(zhì)化產(chǎn)品低價競爭，我們正處于先進制造技術快速發(fā)展時期，甚至生產(chǎn)過剩，數(shù)控機床的推廣應用，供大于求，大大降低了零件加工的輔助時間，產(chǎn)品滯銷，極大地提高了生產(chǎn)率。航空零件加工的總工時中，已經(jīng)讓許多機床工具企業(yè)在經(jīng)濟危機的大潮中吃盡了苦頭。及時的財政救市，輔助時間縮短，產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃的實施，切削所占的時間比例就相應增大，無不在鼓勵裝備制造業(yè)企業(yè)加速技術升級、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結構，要想進一步提高機床的生產(chǎn)率，通過產(chǎn)品創(chuàng)新和服務創(chuàng)新，必須大幅度提高切削速度，將經(jīng)濟危機當作一個調(diào)整期，這也是近幾十年來高速切削技術迅速發(fā)展的主要原因。高速加工最早主要用于航空工業(yè)輕合金的加工，積蓄能量，現(xiàn)已成為航空制造業(yè)提高加工效率和質(zhì)量、降低加工成本的主要途徑。

    在航空零件加工中，調(diào)整策略，高速切削正在被大量應用，提高產(chǎn)品的附加值，主要有以下幾個原因：

    （1）為了最大限度地減重和滿足其他一些要求，期許贏得洗牌后的市場先機，許多構件、壁板等采用“整體制造法”，獲取應得的利潤。 　　在筆者看來，即在大塊毛坯上去除余量，產(chǎn)品的附加值有兩層含義。首先，形成薄壁，該產(chǎn)品要能夠給用戶帶來附加價值，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產(chǎn)時間比例很大，因此提高生產(chǎn)率的途徑之一就是采用高速切削加工。

    （2）飛機零件的結構復雜、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。

    （3）難加工材料，如鎳基高溫合金、鈦合金、高強度結構鋼被現(xiàn)代航空產(chǎn)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產(chǎn)率而且可以有效地減少刀具磨損，提高零件的表面質(zhì)量。

    高速切削加工具有不同于傳統(tǒng)切削加工技術的加工機理和應用優(yōu)勢，它是數(shù)控加工工藝觀念的轉變。根據(jù)航空產(chǎn)品的材料和結構特點，要實現(xiàn)高速加工必須以先進高速切削刀具為保證。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(yōu)良的刀具涂層技術、合理的幾何結構參數(shù)，高度動平衡刀具系統(tǒng)，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(fā)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(zhì)合金刀具約占總刀具量的35%，超硬刀具（立方氮化硼、金剛石）占全刀具總量不超過5%，今后隨著航空新材料不斷涌現(xiàn)，硬切削、干切削應用的增加，硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具、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(zhì)合金材料的發(fā)展

    為了滿足高速切削技術的迅猛發(fā)展，以硬質(zhì)合金為主的各種刀具材料性能已經(jīng)全面提高，細顆粒、超細顆粒硬質(zhì)合金的及涂層技術在硬質(zhì)合金刀具上的應用顯著地提高了硬質(zhì)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?zhèn)鹘y(tǒng)的高速鋼刀具，使切削速度和加工效率提高了數(shù)倍，為高速切削的推廣應用打下了重要基礎。整體硬質(zhì)合金還在一些復雜成形刀具中得到了應用，滿足了產(chǎn)品加工多樣性的需求。目前國內(nèi)廈門金鷺特種合金有限公司、株洲鉆石硬質(zhì)切削刀具股份有限公司、四平博爾特工藝裝備有限公司及陜西航空硬質(zhì)合金工具公司都能為航空工業(yè)提供硬質(zhì)合金刀具，其產(chǎn)品性能接近世界先進水平。

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

    2涂層技術的發(fā)展

    刀具涂層技術在現(xiàn)代切削加工和刀具發(fā)展中起著十分重要作用，自問世以來發(fā)展非常迅速，尤其是近幾年取得了重大進展，化學涂層（CVD）仍然是可轉位刀片的主要涂層工藝，相繼了中溫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涂層的耐磨性和韌性都得到了提高；而物理涂層（PVD）技術也取得了重大突破，在涂層設備的結構、工藝過程、自動控制等方面都取得了重大進展，了適應高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，通過對涂層結構的創(chuàng)新，了納米、多層結構等大量新型涂層，大幅度提高了涂層硬度和韌性。

    3超硬刀具材料的發(fā)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(zhì)，CBN的硬度僅次于金剛石。近年來，超硬刀具材料發(fā)展迅速。

    金剛石刀具材料分為5類：天然金剛石（ND）、人造聚晶金剛石復合片（PCD/CC）、金剛石薄膜涂層刀具（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(zhì)合金，各種纖維和顆粒加強復合材料，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(xiàn)“以切代磨”。

    4高速鋼材料的發(fā)展

    在未來刀具材料發(fā)展中仍要提到高速鋼材料的發(fā)展，盡管高速鋼材料在全世界的銷售額正逐年減少，但高性能鈷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，自動鉆鉚機上使用的鉆、擴、鉸、锪一體高精度復合刀具以及加工飛機零件復雜型面的各類復合刀具。

    隨著科技進步，先進制造系統(tǒng)，高速切削、超精密加工、綠色制造的發(fā)展和付諸實現(xiàn)，對刀具提出了全新要求，未來刀具材料也必將有重大發(fā)展。刀具材料與工件材料雙方交替發(fā)展和相互促進，成為切削刀具不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)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(zhàn)。材料科學的進步，推動了刀具材料的發(fā)展，而刀具材料的發(fā)展應考慮原材料資源的制約。新品種的出現(xiàn)，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，將成為未來刀具材料發(fā)展的新特點。

刀具新技術、新結構、新品種的發(fā)展及趨勢

    隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，航空工業(yè)及模具行業(yè)等重點產(chǎn)業(yè)門對切削加工不斷提出更高的要求，推動了采用新技術、新結構的刀具不斷涌現(xiàn)，不斷豐富刀具品種。國內(nèi)外刀具制造商，如廈門金鷺特種合金有限公司等為了滿足航空制造對刀具的要求，與航空制造企業(yè)緊密合作，新型刀具。由于飛機零件具有結構復雜、精度高、零件壁薄和飛機零件采用鈦合金、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(fā)展。

    （1）高精度、高效率、高表面質(zhì)量。傳統(tǒng)的刀形參數(shù)已不能滿足現(xiàn)代切削對刀具要求，廈門金鷺公司研發(fā)人員根據(jù)加工要求和加工特點了高效鋁合金加工系列產(chǎn)品，采用超細晶硬質(zhì)合金棒材；大圓弧開槽和漸變芯徑設計，使得刀具剛性和排屑能力大大加強；刃口拋光技術和容屑槽特殊處理工藝使被加工大大提高；加工過程中應用工裝和加工工藝使整批刀具外徑公差控制在10μm以下，軸向徑向跳動控制在5μm以下，刀具動平衡等級控制在G2.5以下。獲得到專利保護，在國內(nèi)大型飛機制造廠與國外知名刀具對比中替代進口。

    （2）超高精度、超長壽命。在加工大批量產(chǎn)品、復雜工件、精密工件，一般的刀具無法滿足要求，廈門金鷺公司研發(fā)人員金剛石涂層拋光刀具，金剛石涂層刀具在非鐵材料加工上表現(xiàn)超長的壽命，如加工碳纖維、石墨、鋁合金、復合材料等壽命是其他涂層刀具50倍以上，但缺點是其表面粗糙度不夠理想。廈門金鷺公司研發(fā)人員應用獨特工藝對金剛石涂層進行拋光處理，使被加工表面達到鏡面效果，兼具超長壽命和超高精度的特點，獲得專利保護。

    （3）高強度、高剛性等難加工材料。隨著材料科學的快速發(fā)展，越來越多的難切削材料運用到各個領域，以TC18為例，與普通鈦合金相比，其加工效率是TC4的1/3，其轉速、進給、吃刀量都不同程度下調(diào)，廈門金鷺公司研發(fā)人員與西安飛機工業(yè)（集團）有限公司共同合作，雙螺旋不等分刀具和前波刃刀具，應用和無鈦涂層，不僅適合槽加工也適合側加工，而且加工率要高于普通鈦合金加工。

    （4）各類金屬材料與各類復合材料夾層加工。近年來，隨著航空技術的飛速發(fā)展，某些航空產(chǎn)品具有特殊的功能及用途，采用傳統(tǒng)單一材料已不能滿足使用要求，為了滿足這些產(chǎn)品的特殊功能，采用了材料夾層技術，如鎳基合金、鈦合金、不銹鋼等金屬與碳纖維、芳綸等非金屬材料疊加的夾層材料。由于以上金屬與非金屬都屬于難加工材料，并且加工性能也截然不同，所以很難制造出同時滿足加工以上金屬與非金屬夾層的刀具。廈門金鷺公司、四平博爾特工藝裝備公司人員與西飛公司刀具設計人員共同研制了加工以上夾層材料的新型刀具。

    （5）多功能刀具和高效專用刀具。航空零件的特點是結構復雜、精度高。對結構復雜、精度要求高的零件盡量使用一種刀具來完成加工，這樣既減少了換刀次數(shù)，又節(jié)了換刀時間，提高了加工效率，降低了制造成本。如以色列伊斯卡刀具公司的“霸王刀”，在一個刀頭的幾個方向上都有切削刃，可在一次裝卡工序中完成左右車外園、車端面、切溝槽、倒角、仿形等多道工序，節(jié)刀具數(shù)量、減少換刀時間，提高工效1～3倍。

    國內(nèi)廠家廈門金鷺與四平博爾特工藝裝備有限公司的多功能成型組合專用刀具、階梯刀具、內(nèi)冷孔鉆擴鉸組合刀具等都是一種刀具完成多個工序的加工任務。這些多功能刀具的充分體現(xiàn)了多功能刀具在提高加工效率、降低制造成本、節(jié)約投資方面的重要作用。

    （6）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(shù)，隨著航空材料中鈦合金、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(jīng)焊接、無裂紋等缺陷，充分發(fā)揮原有刀片的切削性能，并減少機床停機磨刀，裝卸刀具的輔助時間等優(yōu)點，使用可轉位刀具比焊接刀具可提高切削效率35%以上。目前西方可轉位刀具進入成熟期，其品種不斷增加，結構優(yōu)化，幾何參數(shù)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(yè)零件加工，更廣泛使用可轉位刀具是未來的發(fā)展方向。

    （7）刀具設計研制的數(shù)字化?，F(xiàn)代刀具不僅應能滿足高速切削、干式切削、硬切削、復合切削加工等先進切削技術的需求，而且要滿足產(chǎn)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(jīng)驗，依靠試驗法，這種設計方法效率低、設計周期長、新產(chǎn)品難度大，顯然已阻礙了新型刀具的和使用，無法滿足先進切削加工技術的需求。

    現(xiàn)代切削技術的發(fā)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，形狀復雜，尺寸繁多并且切削機理復雜，但隨著計算機技術及CAD/CAM技術的高速發(fā)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將成為未來刀具設計與的方向。

與刀具相關新技術的發(fā)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(tǒng)、刀具的動平衡、刀具安全監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)

    加工中心等數(shù)控機床以前一直采用傳統(tǒng)的7∶24實心錐柄工具系統(tǒng)，這種刀柄由于只靠錐面結合，刀柄與主軸的聯(lián)接剛性較低，主軸轉速超過10000r/min，聯(lián)接剛性的不足更為明顯。對采用ATC刀柄換刀來說，每次換刀后，刀具的徑向尺寸都可能發(fā)生變化，存在著重復定位精度低問題。為解決這些問題主要對標準7∶24刀柄進行改進。在HSK刀柄的啟發(fā)下，近年來出現(xiàn)了7∶24刀柄的新型聯(lián)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(lián)接刀柄。與標準的7∶24刀柄比較，它們有更高的聯(lián)接剛性和精度，可用于高速、高效切削，并且還能與現(xiàn)有7∶24刀柄或機床兼容，是7∶24刀柄未來的發(fā)展方向，除對標準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，刀柄為中定，錐體長度較短，有利于實現(xiàn)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、高精加工成為可能也是我們國內(nèi)制造廠刀具制造發(fā)展方向。高速刀具與主軸的連接技術隨著科技進步今后還將得到不斷發(fā)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(fā)展方向是：

    （1）采用雙面定位系統(tǒng)；

    （2）裝夾精度高，夾持剛性好，結構緊湊；

    （3）刀柄帶平衡和減振裝置；

    （4）發(fā)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(tǒng)中，任何旋轉體的不平衡都會產(chǎn)生離心力，不平衡的刀具或刀柄在高速切削時產(chǎn)生的離心力使機床產(chǎn)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，刀具不平衡產(chǎn)生的不規(guī)則切削力，將導致不規(guī)則的磨損，其結果一方面會影響工件的加工精度和表面質(zhì)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(jù)刀具動平衡的要求了專用刀具動平衡儀，德國的HAIMER公司和意大利的CEMB公司推出了立式刀具動平衡儀，都可以實現(xiàn)全自動的刀具動平衡測量。新型動平衡測量儀發(fā)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(fā)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(jīng)鈍化后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，我國目前只有廈門金鷺特種合金有限公司等少數(shù)公司對刀具刃口進行了鈍化處理，而其余大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(fā)展的一個方向。

    結束語

    我國航空制造加工正處于快速發(fā)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(zhàn)，在航空產(chǎn)品的機械加工中要充分認識刀具在切削加工中的重要性。在機械加工中，刀具被稱為機床的“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(fā)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?lián)Q代速度越來越快（10～15年換一代），要在短期內(nèi)賺回設備投資并創(chuàng)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(yōu)異的刀具才能使機床高速高效運轉。

    目前，國內(nèi)制造的刀具還不能完全滿足航空制造業(yè)的加工需求，每年還需進口大量刀具，未來對于國內(nèi)刀具制造企業(yè)，應加快自身的技術創(chuàng)新與技術改造力度，加大研發(fā)力度，加快新型刀具、多功能刀具及刀具材料、涂層技術的，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使國內(nèi)刀具盡快達到世界先進水平，為我國航空制造業(yè)提供優(yōu)質(zhì)高效的刀具產(chǎn)品。

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