高速高效切削加工技术的现状及发展趋势

作者：成都工具研究所 罗德福

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 一、前言 目前，我国已成为世界飞机零部件的重要转包生产国，波音、麦道、空客等世界著名飞机制造公司都在我国转包生产从尾翼、机身、舱门到发动机等各种零部件，这些飞机零部件的加工生产必须采用先进的加工装备和加工工艺。为此，国内各飞机制造公司均进行了大规模的技术改造，引进了大量国外先进的加工装备，使我国的飞机制造业设备的数控化率越来越高。与此同时，大量高速、高效、柔性、复合、环保的国外切削加工新技术不断涌现，使切削加工技术发生了根本的变化。刀具在航空航天加工领域的应用技术进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的新阶段。与此形成鲜明对比的是，我国的装备制造业和以制造业为主要服务对象的传统的工具工业却无法满足航空航天工业对现代制造装备和先进加工工艺的要求。 下面结合我国航空航天工业加工技术的现状及发展趋势，着重介绍我国高效、高速切削刀具的生产应用情况，对我国工具工业的发展现状和存在的问题提出自己的看法。 二、航空航天工业加工技术的现状及发展趋势 1.航空结构件材料的发展趋势及其特点 ①以整体件为代表的铝合金结构件 为了提高零件的可靠性、降低成本和减轻重量，传统的铆接结构逐步被整体薄壁的机加工结构件所代替。这类零件由于大部分是用整体实心铝合金材料制成的薄壁、细筋结构件，70%～95%的材料要在加工中去除掉，而高速切削产生的热量少、切削力小、零件变形小，因此提高生产效率的唯一途径是采用四轴或五轴联动机床进行高速铣削加工。 ②以钛基和镍基合金零件为代表的难切削材料零件 由于钛（镍）合金具有比强度高、热强度好、化学活性大等特点，目前飞机发动机重要部件采用钛基和镍基合金材料的逐渐增多。采用高速切削后，其切削速度可提高到100m/min以上，为常规切削速度的10倍。这类材料的加工特点是：切削力大、切削温度高、加工硬化和粘刀现象严重、刀具易磨损。 ③以碳纤维复合材料零件为代表的复合材料结构件 复合材料现已成为新一代飞机机体结构主要材料之一，如飞机上的大型整体成形的翼面壁板、带纵墙的整体下翼面等。主要切削工艺有钻孔和切边。 2.航空结构件的切削加工技术 从航空结构件材料的发展趋势和特点可以看出，航空结构件的切削加工技术主要包括针对铝合金结构件的高速切削加工技术和针对钛（镍）基合金等难加工材料的切削加工技术两个方面。 ①铝合金高速切削加工技术 目前，适用于进行铝合金高速切削的加工中心主轴转速一般都在10000r/min以上，有的可高达60000～100000r/min，切削速度可达2000～5000m/min，加工进给速度达2～20m/min，材料的去除率30～40kg/h，工作台的加（减）速度达到1～10g。 近年来，国内两大航空集团的飞机制造骨干企业均进行了大规模的技术改造，引进的数控金切机床总数就已超过500台，绝大多数是从欧洲、美国、日本进口的高速加工机床，但由于高速加工的相关配套技术（如刀具技术、高速加工工艺技术）未能及时跟上，大多数设备在生产中的实际使用主轴转速在10000r/min左右，未能充分发挥设备的效能。有的企业采用国产刀具仅能在6000r/min以下使用，15000r/min以上必须采用进口刀具。 ②难加工材料的切削加工技术 航空动力部门大量采用镍基合金（如Inconel718）和钛合金（如TiAl6V4）制造飞机发动机零件。对于这些难加工材料，目前国内的切削加工技术水平还比较低，仅少数企业开展了部分研究应用，切削速度仅能达到80～100m/min，还没有在生产中大规模应用。 3.高速切削刀具材料 高速切削技术的发展过程中，刀具技术起到了非常关键的作用。高速切削刀具材料和刀具制造技术都发生了巨大的变化，大体上说，目前适合进行高速切削的刀具材料主要有三类： ——各种涂层硬质合金刀具； ——陶瓷刀具； ——超硬材料刀具。 4.高速工具系统 高速切削用的刀具，尤其是高速旋转刀具，由于旋转速度很高，无论从保证加工精度方面考虑，还是从操作安全方面考虑，对它的装夹技术都有很高的要求。7:24锥柄、弹簧夹头、螺钉等传统的刀柄形式和刀具的装夹方式已不能满足高速加工的需要。开发新型的高速工具系统已成为高速切削系统的重要组成部分。 在刀柄方面：ISO标准的HSK刀柄已成为高速切削刀柄的主流。 在夹紧部位方面：国外各刀具公司研制开发了液压夹头、热装夹头、压入式夹头等各种刀具夹紧系统。 在刀具安全性技术方面：按ISO1940/1的规定，旋转刀具的动平衡已达G40等级以上，某些精加工高速铣刀的不平衡质量已达到G2.5级，而美国平衡技术公司推出的刀具动平衡机甚至可平衡到G1.0级。 三、我国高速切削刀具的现状及存在的问题 1.我国工具行业开发高速切削刀具的现状 近年来，随着我国航空制造业高速加工刀具需求的日益增加，国内工具制造企业加大了自身技术改造的投入力度，针对高速切削加工技术和高速加工刀具开展了一系列的研究开发工作，取得了一定的成效。 下面简要介绍国内几家主要高速加工刀具生产厂的高速刀具开发生产情况： ①株洲钻石切削刀具股份有限公司 该公司研制开发的超微细PVD涂层牌号YBG102、YBG202和CVD涂层牌号YBM351的整体硬质合金铣刀，其转速可达30000r/min，进给速度可达2m/min，已在航空制造企业得到了应用，该公司为飞机舱体结构薄壁件加工开发的三刃整体硬质合金高速铣刀，转速可达15000r/min，已替代进口，形成了国产化。现正在开发25000～30000r/min的高速铣刀。 ②陕西航空硬质合金工具公司 该公司是航空航天行业所属企业。目前主要为航空制造业开发生产焊接式螺旋刃立铣刀和整体硬质合金铣刀，产品主要供应航空制造企业。由于目前国内硬质合金材料性能达不到航空企业高速加工的要求，因此，整体硬质合金铣刀的棒料主要依靠进口。 ③四平兴工刃具有限公司 该公司在上世纪90年代初在全国首家引进了德国GUHRING公司整体刀具加工生产线，专业从事整体硬质合金棒状刀具的开发和生产。该厂生产的整体硬质合金刀具产品，已供多家航空制造企业。该公司的整体硬质合金铣刀的棒料也主要依靠进口。 ④自贡硬质合金有限公司成都分公司 该公司为航空制造业提供的刀具主要是整体硬质合金棒状刀具，以整体硬质合金立铣刀为主，其生产的单齿高速整体硬质合金立铣刀，转速可达8000～12000r/min，加工钛合金的立铣刀，切削速度可达40m / min，该公司用于高速切削的整体硬质合金铣刀的棒料也主要依靠进口。 ⑤森泰英格（成都）数控刀具有限公司 该公司开发生产的高速加工用HSK热装柄工具系统已达到国外同类产品的水平。 ⑥哈尔滨量具刃具集团有限公司 该公司下属的子公司凯狮－林克斯（KELCH LINKS）公司主要生产销售高效高精度卡具和刀具热套装设备等产品。其中，HSK刀柄可接受批量订货。 此外，近年来，成都工具研究所、成量集团公司、上海工具厂有限公司等工具行业的骨干企业，围绕高速加工技术，在硬质合金材料、涂层和刀具加工等方面也加大了技改的投入力度，取得了初步成效，已开始为航空航天工业提供产品和技术。 2.目前我国高速切削刀具发展所存在的问题 目前，我国现代制造业所需的高精度、高效率、高可靠性刃具产品和加工技术，80%以上依靠进口，我国刀具行业无法满足航空工业高速加工需要的原因主要在以下几方面： ①对发展现代刀具工业的必要性和紧迫性缺乏认识 我国刀具企业中的国有大中型企业，在长期计划经济的条件下生产千篇一律的标准化刀具，形成了墨守成规的惯性。近年来，虽然看到了国外刀具工业在技术上的飞速进步，却没有认清现代制造业需要的是“三高一专（高精度、高效率、高可靠性和专业化）”现代刀具。十几年来虽然引进了一些先进技术和装备，但是，这些装备一是总量不够，二是其中很大一部分被用到了标准刀具的生产线，继续生产千篇一律的标准化刀具，对发展现代刀具工业的必要性和紧迫性缺乏认识。 ②对现代刀具工业“高起点、大投入、规模化、国际化”的发展特点认识不足，投入强度过低，也影响了发展 由于业内人士对现代刀具工业“高起点、大投入、规模化、国际化”的发展特点认识不足，导致投入强度过低。国际上的刀具巨头，其资产超过主机厂的比比皆是。多则几十亿美元，少的也有几亿美元。我国刀具工业从全行业的结构看，要形成少数大而强、多数小而专的合理格局。但是，从全局范围看，少数几家领头羊的投资规模，10～15亿元人民币是最低的门槛。没有这样的投入强度，不能建成真正意义上的现代刀具工业，也满足不了我国现代制造业的发展需求。 这里想要特别强调的是，发展现代工具制造业面临着掌握开发高性能新型工具材料，新型表面涂层技术和刀具专用数字化制造技术的严峻挑战，引进国外先进装备的代价十分高昂只是问题的一个方面，实际上很多新材料、新涂层和制造软技术都面临跨国集团的技术封锁，必须自行开发和掌握。因此，消化吸收国外先进技术，在这个基础上培养人才，自主创新，树立品牌，取得用户认同，需要有一个过程。按照目前大多数国有工具企业用贷款搞技改的投资方式，往往五年内要求还本付息，使得工具企业只能把主要投入放在市场成熟，风险较小的传统标准刀具方面，现代硬质合金高效刀具的发展受到了投资体制的严重制约。 希望国家从政策层面，鼓励风险投资进入装备行业，有力地促进现代高效刀具的发展，没有这种风险投资的有力支持，中国工具工业难以强大起来，也不可能对航空航天工业以及现代制造业的发展真正形成有力的支持。 ③我国刀具行业自主研发和创新能力与国外相比存在较大差距 首先，作为主要刀具材料的硬质合金牌号开发与国外产品有较大的差距，影响着整体切削水平的提高。目前，仅有株洲钻石切削刀具有限公司、自贡硬质合金有限公司、成都工具研究所等少数单位的个别牌号其性能接近国外产品，并且新牌号创新和升级的速度缓慢，使我国量大面广的一般机械加工行业的切削水平普遍处于低速、低效的状态。 其次，在涂层技术方面，除成都工具研究所自行开发涂层技术和设备外，我国既缺少基础理论研究，又缺少应用技术及设备的开发，行业内基本上都走引进设备、引进技术一条路。 第三，在刀具结构创新方面，基本上是空白，在去年的CIMT 2005国际机床展览会上，很难发现有我国原创的刀具产品。其原因还与我国刀具工业的主体仍处于生产传统标准刀具的模式之中。通用标准刀具的产量产值仍占各大刀具公司的绝大部分。 我国切削技术和刀具的落后，还表现在我国刀具工业的结构上，在我国只有个别刀具公司真正具备硬质合金刀具材料和涂层这两项核心技术，多数刀具厂都缺少硬质合金材料这项核心技术，有些刀具厂虽然引进了涂层设备，但不具备开发能力，制约着刀具公司进一步做大、做强。 ④不规范的市场环境，导致劣质低价产品恶性竞争 众所周知，切削刀具的主要材料高速钢和硬质合金，都要以金属钨和其他稀有合金元素为原料炼制。而钨资源在全球是一种稀缺资源，但在我国的蕴藏量居世界第一。这本来为我国发展优质刀具材料提供了一个得天独厚的条件，但遗憾的是，这个优势非但没有得到发挥，反而被一些人利用走向了反面。这些人对钨资源的“乱采滥伐”造成了开采和流通秩序的混乱，大量低价的钨精矿流向国际和国内市场，造成价格的大幅度下跌。加速了资源的枯竭，生态环境的恶化，国有重点矿山受到严重破坏。这种现象若任其发展，损害的不仅是一个行业的利益，还会从根本上动摇社会主义市场经济健康发展的基础。 在当前的新形势下，过去沿用的“不惜一切代价出口创汇”的指导方针应予改变。要按照中央提出的科学发展观，既要鼓励出口，还要重视出口的效益，以及对国民经济可持续发展的影响，刀具行业这种低档产品大量出口，以浪费资源、能源和损害环境为代价，谋取一些局部利益的做法，应予改变。建议政府在出口政策方面，按照形势的变化，适时进行调整。鼓励和引导企业从低档产品盲目发展和削价竞销的旋涡中解脱出来，走上一条健康发展的道路。 四、结束语 历史的经验证明，一个产业的核心技术是无法通过交换得来的，要得到核心技术，唯一途径是提高自主创新能力。党的十六届五中全会，对我国在“十一五”时期的发展战略和目标做出重要部署，提出要坚定不移地以科学发展观统领经济社会发展全局，把提高自主创新能力作为调整经济结构，转变经济增长方式的中心环节；要形成一批拥有自主知识产权和知名品牌、国际竞争力较强的优势企业，加快发展包括装备制造业在内的先进制造业，发挥制造业对经济发展的重要支撑作用，实现经济社会的全面协调可持续发展。这一重要发展战略的提出，为我国装备制造业的进一步发展指明了方向。工具工业作为我国装备制造业的一部分，就必须瞄准我国制造业的需要，立足于提高自主创新能力，开始高起点发展，为国民经济健康、快速、协调发展服务。 原载：世界制造技术与装备市场(end)

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