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瓦爾特應用案例：以銑代磨以銑代擠中的技術攻關

2016-6-7 來源：瓦爾特作者：

文/薄維斌中航工業金城南京機電液壓工程研究中心工藝工程部

高速加工，尤其對具有大去除量金屬加工特點的航空制造業而言，是實現高效率制造的核心手段。起源于德國學者Carl.Salomon博士的假設：“線速度超過一定值后，隨著線速度的增加，切削溫度不升反降。”經過多年的實踐，該假設得到證實。特別是在1992年，德國Darmstadt工業大學的H. Schulz教授詳細闡述了高速切削加工的概念及其涵蓋的范圍，他認為對于不同的切削對象，如下圖所示的過渡區即為通常所謂的高速切削范圍，那是當時金屬切削工藝技術人員所期待實現的切削速度。如今，高速切削作為面向21世紀的一項高新技術，因其具有高效率、高精度和高表面質量的基本特征，越來越多的實踐應用證明了其能產生巨大的技術經濟效益。

圖1. 面向不同切削材料的高速切削加工范圍

針對某型號產品，在銑削高硬材料和銑削高精度轉子柱塞孔的生產過程中，我們通過高速銑削的方法，應用德國瓦爾特的標準與非標刀具，以銑代磨、以銑代擠，最終實現了設定的目標，完成了技術攻關，有效提升了整體制造水平。

在實際加工中，我們主要有兩個應用方向：第一，利用高速切削加工超硬材料。傳統及國內同行普遍采用磨削加工，不僅效率低、單件工時較高，而且使用磨頭消耗大，刀具成本高。盡管近年來隨著CBN、金屬陶瓷、陶瓷等刀具的應用，漸漸開始使用新的切削方式加工超硬材料，但是普遍存在切削區域局部溫度高，有精加工面表層金相組織變質的現象。高速加工會降低切削區域溫度，引起我們的興趣。第二，是在加工有色金屬（尤其是鋁合金）時的應用，為降低在薄壁、細深腔等對切削力較為敏感的零件的切削變形，切削深度要經量選低，但切削深度低，在傳統的機床上，零件的加工效率自然降低，高速加工轉速高、進給快，可以有效彌補切削深度變小的效率損失。

以銑代擠

以生產某柱塞泵產品為例，其中關鍵配合孔材質為鑄銅、尺寸為φ10，公差要求為0.005，圓柱度要求0.003，粗糙度要求0.2，孔長徑比為6。為保證該孔的尺寸及技術條件要求，原工藝方法為鏜、擠加工，即先鏜加工預留合適的擠光余量由擠光刀加工。盡管效率較高，但存在最大的問題是：鑄銅材料有缺陷，往往在擠光的過程中不可控，合格率不高。并且擠光工序為最后工序，工序報廢后經濟損失較大。

在引入高速銑機床后，以及深入了解了高速銑削理論后，我們決定使用高速銑的方法來進行技術攻關。我們的工藝實踐策略為粗、精加工嚴格分離；分層銑削；定期檢測更換精加工刀具。

粗、精加工分離。主要是刀具的分離，粗加工以快速去除余量為主，主要采用螺旋插銑的銑削方法，對刀具要求不高。精加工加工策略與初加工完全不同，對刀具對跳動及刀尖尺寸要求高。對刀具的要求首先體現在幾何尺寸上，首先要求刀具夾持后的跳動不大于0.004，這項指標體現的是工具供應商在刀柄和刀具制造上的綜合實力，在瓦爾特工程師的指導下，我們通過反復夾持試棒測量，得出：瓦爾特熱漲刀柄的反復定位精度不大于0.002，夾持瓦爾特銑刀后，刀尖跳動不大于0.004，遠遠高于0.008到0.012的平均水平，滿足了刀尖跳動要求。另外，瓦爾特工程師根據我們零件的工況，在刀具幾何角度上選取了大前角、大螺旋角的刀具、在材料上選擇了耐高溫的刀具材料，以及硬度高、摩擦系數小的涂層材料，有效減小了加工阻力，避免在加工過程中出現振動問題。實踐證明，刀具加工過程中，不僅接觸角度大，多刀齒同步工作，切削進刀退刀平穩，還進一步減少了振動，更耐磨，刀具壽命也更長。

分層銑削。主要是在精加工的過程中，我們對現有常用的銑削方式進行了一定的試驗和摸索，發現：螺旋下刀銑無法滿足零件圓柱度和光度要求，圓柱度最好在0.015，光度不超過0.4；側銑無法滿足零件的圓柱度要求，加工后孔上大下小有0.008-0.01的錐度，分層銑的方法能夠同時改善圓柱度和光度水平，但分層銑削的分層深度直接影響著零件的加工效率，經試驗在經濟性和質量的平衡下，分層厚度為0.4。這是銑削的關鍵參數。

定期檢測并更換精加工刀具。精加工刀具直接影響質量，如此精度的尺寸，刀具磨損超限的結果就是產品超差。使用目視刀具涂層磨損情況，與使用高倍的對刀儀檢測，能有效檢測刀具磨損情況。在涂層脫落或刀尖跳動超出0.006的情況下及時更換刀具，有效的保證了產品的穩定性。除此之外，刀具磨損后經國內專業的刀具廠商返修，也節約了大量的刀具成本。

按每批產品50件投產來計算，提升效果如下：

以銑代磨

生產中，有相當大一部分產品需要在熱處理后進行加工，尤其是高硬度材料（HRC55以上）。對回轉類零件，一般采用內、外圓磨床加工，非回轉類零件一般采用坐標磨床，效率極低，經濟性也不好。

我們應用高速銑削解決了這些問題，不僅實現了高效、低切削力，在某些場合完全取代坐標磨床的作用。主要應用特點如下：

加工余量對以銑代磨加工的效率影響非常大。一般側銑加工余量不大于0.02，否則刀具急劇磨損。

線速度嚴格按刀具樣本制定值調整。因為新的加工理念使生產環節的積累不足，而刀具使用指南是廠商技術積累的成果，要有“拿來主義”。以往，我們在加工高硬材料方面可謂空白，偶爾加工HRC48-52材料過程中，總會出現加工效率低、刀具熱磨損速度快、刀具出現崩刃現象、產品加工后還有啃刀現象、加工精度不穩定等問題。在與瓦爾特工程師多次交流后，我們從源頭（刀具選型：我們選取瓦爾特超硬加工系列材料，采用小前角、小螺旋角、不等齒距、不等螺旋角的刀具幾何尺寸系列，能有效的增加刀具韌性，耐熱性高），過程（參數應用，主要是采用低切削量、高轉速、高進給的參數組合，一般將切削深度不大于0.04，轉速提升至75m/min,進給在40M/min）優化了加工順序及采用螺旋進、退刀方式，以及刀具翻新（刀具一旦磨損鍍層磨損至刀具發白或磨損量超過0.012，進行返修），這樣一個完整的刀具應用管理周期進行了全面的調整。可以說，完整解決方案的應用，有效保證了目標的最終達成。

刀具一定有針對性，一般加工高硬材料的刀具材料均為特殊開發，嚴格控制刀具材料中粒度不大于0.02的粒子不低于80%，鈷含量不高于3%，加入鈦、鈮、鉬、鋁的等元素，采取合理的熱處理工藝手段，選取硬度高（HV>3500）摩擦系數小于0.25的涂層，采用物理氣相沉積的涂層方法，使刀具材料的綜合性能得到保證。

關于中航工業金城南京機電液壓工程研究中心

中航工業金城南京機電液壓工程研究中心是我國航空機載機電系統的研發中心和生產基地。具有完整的預先研究、型號研制、設計制造、試驗交付和維修服務的手段和能力。現有職工3000 余人，公司先后為60 多個機型37 大機電系統提供產品和配套附件。目前擁有的空中加油裝備、恒速傳動裝置、應急動力裝置、空氣渦輪起動機、燃氣渦輪起動機、高壓除水環境控制系統、三輪渦輪冷卻器、高性能電液伺服閥、燃油泵、飛機地面操縱系統等核心技術和產品，在國內具有不可替代性。同時，民航機電產品維修居于國內領先地位。