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瓦爾特刀具--先進切削技術助力高效加工

2014-12-16 來源：數控機床市場網作者：瓦爾特

瓦爾特刀具應用案例

關鍵詞：瓦爾特刀具應用案例航空航天結構件鈦合金鋁合金高速加工

先進切削技術助力高效加工

中航工業成都飛機工業（集團）有限責任公司是中國航空工業集團直屬特大型企業，是我國航空武器裝備研制生產基地，航空武器裝備出口主要基地，民機零部件重要制造商。數控機械加工廠（簡稱“成飛數控廠”）是成飛公司屬下的一個主要結構件生產分廠，數控加工設備門類齊全，可完成鈦合金等各種大、中、小型復雜和精密的結構件生產加工任務，具有承接各類模具、非標準設備的設計制造能力。經過多年發展，成飛數控廠實現了彎頭加工、鈦合金異形槽加工以及外接內冷刀具技術的應用，并在國內首次實現了對大型鈦合金整體框零件的變形控制和精確制造。

為中國科學院高能物理研究所成功制造的“第二代巨型正負電子對撞機漂移室本體——BESⅢ漂移室”是成飛數控加工技術高水平的真實反映。該部件加工制造難度之大、精度要求之高堪稱國內之最：它是由16個精密絲孔端面板，通過內室內筒，連接法蘭盤，臺階連接環及外室外筒連接而成。其中外桶材料為復合材料，而大端面、內室和臺階為鋁合金材料。僅大端板上就有20934個小孔，218個大孔和1048個螺紋孔，用中科院專家的話說，就是一粒灰塵掉進去都將影響其精度。漂移室本體的成功制造，使得北京正負電子對撞機能夠成功改造，使我國和發達國家在高能物理研究方面的差距縮小了25年，是成飛數控加工技術的完美展現。

飛機結構件的特點

飛機結構件是飛機的主要受力部件，其外形與飛機曲面外形、風道外形、翼身溶合體外形等理論外形有關，零件內、外形角度變化較大。該類零件在國內外均采用數控加工，尤其是五軸聯動加工，數控加工零件約占全部機加工零件的85％；整體結構件都是用厚板加工而成，材料去除率達到90%以上，因此切削加工量極大。同時，為了減輕飛機重量，結構件的腹板和壁厚愈來愈薄，腹板厚度通常為1.5mm左右，在加工中非常容易變形，增大了零件的加工難度；飛機結構件作為主要承力部件，裝配協調面、交點孔等精度要求高，以滿足精確裝配的需要，如腹板最高精度達到±0.1mm，比前一代飛機提高一倍以上。航空整體結構件具有尺寸大、壁薄、易變形以及切削加工難度大、零件精度高等工藝特點。

另外，隨著新一代戰機性能的逐步提高，新型高性能材料不斷引入，高強度難加工材料和低密度輕質材料成為航空結構件的兩大類主要材料，結構件材料逐漸由鋁合金為主轉變為鋁合金、鈦合金、復合材料并重的局面。

近年來，成飛數控廠承擔了鈦合金、鋁合金、復合材料和不銹鋼等材料結構件的數控加工任務，所加工的零件主要為框、梁、壁板和接頭等類型，每年交付近10萬件零件，涵蓋了軍機、民機兩大類型產品，零件尺寸大至4000mm×2000mm，小至100mm×100mm，零件腹板最小尺寸僅1mm。所加工產品的特點是材料范圍廣，尺寸跨度大，精度要求高，對數控加工提出了很高的要求。數控加工作為一種高效、精密的數字化切削加工技術，成為飛機復雜結構件機械加工的主要手段，飛機結構件50%以上的加工工作量由數控加工完成。

高速機床推動高效加工

裝備對數控加工水平起著決定性的作用，直接影響著產品質量。這里所講的裝備包含兩層含義，一方面指各種類型的機床設備、工裝夾具，另一方面則指加工過程中涉及的各種刀具產品。高速加工技術不僅成倍地提高了生產效率，改善了零件的加工精度和表面質量，而且有效地解決了低速加工中一些難解決的問題，如超薄零件的加工和某些特殊材料（如纖維增強塑料等）的高效加工等。目前，高速加工依然是實現這些飛機結構件高效加工的主要途徑。

高速機床是提供高速加工的主體，刀具是實現高速切削加工的關鍵。近年來，高速加工相關技術得到迅猛的發展。當前應用的高速主軸，轉速可達42000r/min，甚至更高，直線電機和力矩電機已逐步進入應用階段，進給速度越來越快，達到120m/min；進給加速度越來越大，大型機床進給加速度達到9.81m/s2，中小型機床進給加速度達到19.62m/s2，反映加速度變化率的加加速度已成為衡量高速性能的一項重要指標；切削效率越來越高，鋁合金結構件數控加工的材料去除率高達5000～7000cm3/min.

成飛數控廠擁有的DST高速機床，主軸轉速可達30000 r/min，進給加速度達到了2g。該機床在鋁合金加工方面擁有其他機床無可比擬的優勢，加工效率較普通機床提高了近一倍。DST高速機床應用植物油微量冷卻潤滑技術，大大提升了成飛公司的數控加工水平，并成為成飛數控廠鋁合金加工的一大亮點。

先進刀具助力高速加工

在成飛數控廠，DST高速機床的精加工幾乎全部采用瓦爾特的刀具產品。針對鋁合金零件，瓦爾特提供的刀具解決方案充分發揮了高速機床的先進性。

某鋁合金零件尺寸為3m×2m，材料牌號鋁合金 7050-T7451，零件高度140mm，最大緣條高度90mm，厚度僅2.5mm，緣條跨度在200mm以上，且緣條無剛性支撐，厚度尺寸公差在0.4mm以內。由于尺寸大，加工變形較為嚴重，緣條的高厚比高達36∶1，而且該零件粗精加工需在不同機床上進行，零件的變形控制十分困難。尤其是對于高緣條，DST高速機床的效率不能充分發揮，加工過程易產生顫振，加工難度較大。通過多次試切，成飛數控廠配合瓦爾特的3刃整體刀具JGXLZY3GNT/20*24*60R3，將高緣條進給速度提高至5400mm/min，加工效率提升30%以上，盡可能地保證了高緣條的加工效率和加工質量。而對于其他剛性較好的部位，成飛數控廠則采用高轉速大進給的切削方式，轉速高達28000 r/min，進給速度最大10800mm/min，令加工效率提升一倍以上，且現場加工效果良好，實現了零件的順利交付。在應用DST高速機床和瓦爾特刀具之前，該鋁合金零件一直在亞高速機床上加工，轉速9000 r/min，進給速度3600mm/min，加工效率低下，加工周期長。

同樣，瓦爾特刀具在鈦合金加工方面也效果顯著。瓦爾特的大進給刀具最大進給速度達1500mm/min，成飛數控廠用其替換了之前應用的焊接刀具，將加工效率提升了30%以上，同時工件的加工變形量大大減少。例如：某零件尺寸為3.6m×1.8m，通過刀具和參數的綜合應用可將加工變形成功控制在0.1mm以內。此外，瓦爾特的玉米銑刀F2338-100080最大切深可達50mm，最大切寬達76mm，由此產生的金屬去除率最大可達340cm3/min，加工效率提升顯著。

用戶的效率提升伙伴

為順應飛機產品質量和精度越來越高的要求，以及生產節點的進一步壓縮，生產企業不斷尋找高效且優質的加工方式。就飛機結構件來說，刀具的正確選用和使用有時顯得尤為關鍵，其質量、加工效率經常成為制約零部件加工品質和交貨周期的首要因素。在實踐中不斷總結，成飛數控廠針對產品材質范圍廣的特點，形成針對不同材料的高效加工解決方案。例如，針對鈦合金材料，采用大功率、大扭矩機床和硬質合金刀具或涂層刀具等高效刀具；針對鋁合金材料，采用高轉速機床和高速鋼或整體硬質合金刀具，配合微量潤滑技術。

如今，成飛數控廠與瓦爾特的合作已經延續了十數年。在成飛數控廠，從零件的毛坯粗加工，到精加工成型，再到精度孔的加工，無論是整體立銑刀、可轉位銑刀、U鉆、鏜刀和盤刀均能看到瓦爾特的身影，基本覆蓋了成飛數控廠70%以上的刀具品種。尤其是在精度孔的加工中，瓦爾特的刀具表現出色，其應用覆蓋在85%以上。從加工材質來看，瓦爾特刀具的應用涵蓋了鋁合金、鈦合金、不銹鋼和淬硬鋼等材料。

基于瓦爾特深厚的刀具研發及制造實力，以及豐富的刀具產品線和強大的數控加工工程能力，成飛數控廠與瓦爾特的合作超越了一般的合作關系。不管是加工材料發生變更，還是工藝技術發生創新，每當成飛數控廠遇到刀具方面的難題，瓦爾特都會及時給予專業的技術解答。瓦爾特刀具的創新與發布也給成飛數控加工帶來了先進的切削理念，高效、高質的加工刀具使得數控加工由難變易，加工技術水平逐步得到提升。

目前，成飛公司承擔了大量的軍機、民機和國外轉包的生產任務，大型航空整體結構件數控加工任務非常繁重。在不斷對現有加工工藝和流程進行改善的同時，成飛公司制定了年產值200億元的目標，這一目標的達成，必然要得益于基礎裝備和技術的有力支持。憑借優勢技術能力，瓦爾特與成飛數控的合作將會更加深入。