从航空零部件加工看刀具发展趋势

    随着科学技术进步，我们正处于先进制造技术快速发展时期，数控机床推广应用，大大降低了零件加工辅助时间，极大地提高了生产率。航空零件加工总工时，辅助时间缩短，切削所占时间比例就相应增大，要想进一步提高机床生产率，必须大幅度提高切削速度，这也近几十年来高速切削技术迅速发展主要原因。高速加工最早主要用于航空工业轻合金加工，现已成为航空制造业提高加工效率质量、降低加工成本主要途径。
   
    进入21世纪，激烈市场竞争推动着以机器制造技术为先导先进制造技术以前所未有速度向前发展，航空零部件制造也已进入以数字化制造技术为特点发展时期。先进航空产品要求航空零件具有更优异性能、更低成本更高环保性，而加工工艺要求具有更快加工速度、更高可靠性、高重复精度可再现性。传统刀具已不能满足以上要求，刀具行业因此而进入了“高精度、高效率、高可靠性专用化”现代刀具生产新格局。

高速、高效切削

    航空零部件加工，高速切削正被大量应用，主要有以下几个原因：

（1）为了最大限度地减重满足其他一些要求，许多构件、壁板等采用“整体制造法”，即大块毛坯上去除余量，形成薄壁，细筋结构零件，需要去除大量金属材料，导致切削时间占用零件总生产时间比例很大，因此提高生产率途径之一就采用高速切削加工。

（2）飞机零件结构复杂、精度高，零件薄壁、细筋结构刚度差，要尽量减少加工径向切削力热变形，只有采用高速切削加工才能满足这些要求。

（3）难加工材料，如镍基高温合金、钛合金、高强度结构钢被现代航空产品大量采用，这些材料强度大、硬度高，耐冲击、加工容易硬化，切削温度高、刀具磨损严重，属于难加工材料。一般采用很低切削速度进行加工，如果采用高速切削，不但可以大幅度提高生产率而且可以有效地减少刀具磨损，提高零件表面质量。

    高速切削加工具有不同于传统切削加工技术加工机理应用优势，它数控加工工艺观念转变。根据航空产品材料结构特点，要实现高速加工必须以先进高速切削刀具为保证。高速切削刀具必须具有良好耐磨性高强度韧性，先进刀具材料、优良刀具涂层技术、合理几何结构参数，高度动平衡刀具系统，安全可靠夹紧方式，以及高同心度刀刃精度等等。

刀具切削材料发展方向及应用

    目前，飞机制造领域，高速钢刀具约占总各类切削加工总刀具量60%，硬质合金刀具约占总刀具量35%，超硬刀具（立方氮化硼、金刚石）占全部刀具总量不超过5%，今后随着航空新材料不断涌现，硬切削、干切削应用增加，硬质合金刀具、涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具聚晶金刚石刀具比例将大幅提高。

1硬质合金材料发展

    为了满足高速切削技术迅猛发展，以硬质合金为主各种刀具材料性能已经全面提高，细颗粒、超细颗粒硬质合金开发及涂层技术硬质合金刀具上应用显着地提高了硬质合金材料强度韧性，用它制造整体合金刀具正逐步代替传统高速钢刀具，使切削速度加工效率提高了数倍，为高速切削推广应用打下了重要基础。整体硬质合金还一些复杂成形刀具得到了应用，满足了产品加工多样性需求。目前国内厦门金鹭特种合金有限公司、株洲钻石硬质切削刀具股份有限公司、四平博尔特工艺装备有限公司及陕西航空硬质合金工具公司都能为航空工业提供硬质合金刀具，其产品性能接近世界先进水平。

    21世纪硬质合金刀具材料应重点2方面发展：一细化晶粒使之达到纳米级微晶等级。硬质合金晶粒尺寸越小，硬质合金硬度就越高其耐磨性就越好，韧性刚度也就越高，从而扩大其应用范围；二应用新技术新工艺开发新型硬质合金提高硬质合金内性能质量。

2涂层技术发展

    刀具涂层技术现代切削加工刀具发展起着十分重要作用，自问世以来发展非常迅速，尤其近几年取得了重大进展，化学涂层（CVD）仍然可转位刀片主要涂层工艺，相继开发了温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺，基体材料改善基础上，使CVD涂层耐磨性韧性都得到了提高；而物理涂层（PVD）技术也取得了重大突破，涂层设备结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展，开发了适应高速切削、干切削、硬切削耐热性更好涂层，通过对涂层结构创新，开发了纳米、多层结构等大量新型涂层，大幅度提高了涂层硬度韧性。

    超硬材料指金刚石立方氮化硼（CBN），其硬度比其他刀具材料高出几倍，金刚石自然界最硬物质，CBN硬度仅次于金刚石。近年来，超硬刀具材料发展迅速。

    金刚石刀具材料分为5类：天然金刚石（ND）、人造聚晶金刚石复合片（PCD/CC）、金刚石薄膜涂层刀具（CD）、金刚石厚膜刀具（FCD）人造聚晶金刚石（PCD）。ND结晶各向异性，进行刀磨使用时必须选择适宜方向；人造金刚石各向同性，其硬度低于ND,但强度与韧性好于ND。

    金刚石刀具能够有效地加工非铁金属材料非金属材料。如铜、钨等有色金属及其合金，陶瓷、硬质合金，各种纤维颗粒加强复合材料，塑料、橡胶、石墨、玻璃木材等，但金刚石忌切钢铁其他铁族元素。

    立方氮化硼（CBN）刀具材料具有极高硬度红硬性，高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金理想刀具材料，由于CBN刀具加工高硬度零件时可以获得良好加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬火钢可以实现“以切代磨”。

4高速钢材料发展

    未来刀具材料发展仍要提到高速钢材料发展，尽管高速钢材料全世界销售额正逐年减少，但高性能钴高速钢粉末冶金高速钢使用量仍不断增加，这2种高性能高速钢比普通高速钢具有更好耐磨性、红硬性使用可靠性。随着人们对切削加工效率追求提高观念转变，这些高性能高速钢刀具航空领域被大量采用。如航空难加工材料，自动钻铆机上使用钻、扩、铰、锪一体高精度复合刀具以及加工飞机零件复杂型面各类复合刀具。

    随着科技进步，先进制造系统，高速切削、超精密加工、绿色制造发展付诸实现，对刀具提出了全新要求，未来刀具材料也必将有重大发展。刀具材料与工件材料双方交替发展相互促进，成为切削刀具不断向前发展历史规律。未来，刀具材料必将面临工件性能提高，加工批量加大制造精度提升更严峻挑战。材料科学进步，推动了刀具材料发展，而刀具材料发展应考虑原材料资源制约。新品种出现，新旧品种各自所占比重变化以及它们之间相互竞争相互补充格局，将成为未来刀具材料发展新特点。

刀具新技术、新结构、新品种发展及趋势

    随着制造业高速发展，航空工业及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高要求，推动了采用新技术、新结构刀具不断涌现，不断丰富刀具品种。国内外刀具制造商，如厦门金鹭特种合金有限公司等为了满足航空制造对刀具要求，与航空制造企业紧密合作，开发新型刀具。由于飞机零件具有结构复杂、精度高、零件壁薄飞机零件采用钛合金、镍基合金、碳纤维及其他难加工材料多特点，因此引导着航空刀具研制向以下方向发展。

（1）高精度、高效率、高表面质量。传统刀形参数已不能满足现代切削对刀具要求，厦门金鹭公司研发人员根据加工要求加工特点开发了高效铝合金加工系列产品，采用超细晶硬质合金棒材；大圆弧开槽渐变芯径设计，使得刀具刚性排屑能力大大加强；刃口抛光技术容屑槽特殊处理工艺使被加工大大提高；加工过程应用工装加工工艺使整批刀具外径公差控制10μm以下，轴向径向跳动控制5μm以下，刀具动平衡等级控制G2.5以下。获得到国家专利保护，国内大型飞机制造厂与国外知名刀具对比替代进口。

（2）超高精度、超长寿命。加工大批量产品、复杂工件、精密工件，一般刀具无法满足要求，厦门金鹭公司研发人员开发金刚石涂层抛光刀具，金刚石涂层刀具非铁材料加工上表现超长寿命，如加工碳纤维、石墨、铝合金、复合材料等寿命其他涂层刀具50倍以上，但缺点其表面粗糙度不够理想。厦门金鹭公司研发人员应用独特工艺对金刚石涂层进行抛光处理，使被加工表面达到镜面效果，兼具超长寿命超高精度特点，获得国家专利保护。

（3）高强度、高刚性等难加工材料。随着材料科学快速发展，越来越多难切削材料运用到各个领域，以TC18为例，与普通钛合金相比，其加工效率TC41/3，其转速、进给、吃刀量都不同程度下调，厦门金鹭公司研发人员与西安飞机工业（集团）有限公司共同合作，开发双螺旋不等分刀具前波刃刀具，应用开发无钛涂层，不仅适合槽加工也适合侧加工，而且加工率要高于普通钛合金加工。

（4）各类金属材料与各类复合材料夹层加工。近年来，随着航空技术飞速发展，某些航空产品具有特殊功能及用途，采用传统单一材料已不能满足使用要求，为了满足这些产品特殊功能，采用了材料夹层技术，如镍基合金、钛合金、不锈钢等金属与碳纤维、芳纶等非金属材料叠加夹层材料。由于以上金属与非金属都属于难加工材料，并且加工性能也截然不同，所以很难制造出同时满足加工以上金属与非金属夹层刀具。厦门金鹭公司、四平博尔特工艺装备公司人员与西飞公司刀具设计人员共同研制了加工以上夹层材料新型刀具。

（5）开发多功能刀具高效专用刀具。航空零部件特点结构复杂、精度高。对结构复杂、精度要求高零件尽量使用一种刀具来完成加工，这样既减少了换刀次数，又节省了换刀时间，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“霸王刀”，一个刀头几个方向上都有切削刃，可一次装卡工序完成左右车外园、车端面、切沟槽、倒角、仿形等多道工序，节省刀具数量、减少换刀时间，提高工效1～3倍。

    国内厂家厦门金鹭与四平博尔特工艺装备有限公司开发多功能成型组合专用刀具、阶梯刀具、内冷孔钻扩铰组合刀具等都一种刀具完成多个工序加工任务。这些多功能刀具开发充分体现了多功能刀具提高加工效率、降低制造成本、节约投资方面重要作用。

（6）可转位刀具广泛使。以往航空材料加工整体刀具占绝大多数，随着航空材料钛合金、高温合金、高强度钢应用增加，可转位刀具应用也逐步增加，可转位刀具具有不经焊接、无裂纹等缺陷，充分发挥原有刀片切削性能，并减少机床停机磨刀，装卸刀具辅助时间等优点，使用可转位刀具比焊接刀具可提高切削效率35%以上。目前西方国家可转位刀具进入成熟期，其品种不断增加，结构优化，几何参数更加合理，切削刀具占有率达到80%左右，我国使用不到30%。所以对于我国航空工业零件加工，更广泛使用可转位刀具未来发展方向。

（7）刀具设计研制数字化。现代刀具不仅应能满足高速切削、干式切削、硬切削、复合切削加工等先进切削技术需求，而且要满足产品功能多样化、结构合理化、外形实用美观等方面更高要求，但以往刀具设计主要依靠经验，依靠试验法，这种设计方法效率低、设计周期长、开发新产品难度大，显然已阻碍了新型刀具开发使用，无法满足先进切削加工技术需求。

    现代切削技术发展迫切需要先进刀具设计技术，而刀具设计特点空间角度难计算，形状复杂，尺寸繁多并且切削机理复杂，但随着计算机技术及CAD/CAM技术高速发展，采用先进技术专用应用软件及刀具仿真技术进行刀具研制开发将成为未来刀具设计与开发方向。

 与刀具相关新技术发展

    刀具切削不仅取决于刀具本身，还与使用机床、刀具与机床连接、刀具刀柄系统、刀具动平衡、刀具安全监控系统等密切相关，而与刀具相关技术也与刀具技术一起科技进步推动下取得了新进展。

 1高速切削时刀具刀柄系统

    加工心等数控机床以前一直采用传统7∶24实心锥柄工具系统，这种刀柄由于只靠锥面结合，刀柄与主轴联接刚性较低，主轴转速超过10000r/min，联接刚性不足更为明显。对采用ATC刀柄换刀来说，每次换刀后，刀具径向尺寸都可能发生变化，存着重复定位精度低问题。为解决这些问题主要对标准7∶24刀柄进行改进。HSK刀柄启发下，近年来出现了7∶24刀柄新型联接技术，如日本日研公司大昭公司分别研制出三处接触（3LOCKSYSTEM）双面（BIGPLUS）2种7∶24联接刀柄。与标准7∶24刀柄比较，它们有更高联接刚性精度，可用于高速、高效切削，并且还能与现有7∶24刀柄或机床兼容，7∶24刀柄未来发展方向，除对标准7∶24刀柄结构进行改造外，目前主要采用新型HSK刀柄KM刀柄。

    HSK刀柄一种新型高速锥形刀柄，其接口采用锥面端面2面同时定位方式，刀柄为定，锥体长度较短，有利于实现换刀轻型化及高速化，由于采用端面定位，完全消除了轴向定位误差，使高速、高精加工成为可能也我们国内制造厂刀具制造发展方向。高速刀具与主轴连接技术随着科技进步今后还将得到不断发展，使一些新概念刀柄——HSK、KM、3LOCK、BIGPLUS等刀柄得到进一步改进完善。

    当前主轴与刀具连接技术发展方向：

    （1）采用双面定位系统；

    （2）装夹精度高，夹持刚性好，结构紧凑；

    （3）刀柄带平衡减振装置；

    （4）发展多功能智能型刀柄。

 2刀具动平衡技术

    对高速旋转刀具还有平衡与安全问题，高速主轴系统，任何旋转体不平衡都会产生离心力，不平衡刀具或刀柄高速切削时产生离心力使机床产生振动，旋转刀具微小不平衡量，高速切削时都会造成很大离心力，刀具不平衡产生不规则切削力，将导致不规则磨损，其结果一方面会影响工件加工精度表面质量，另一方面会影响主轴轴承刀具使用寿命，更主要影响高速切削安全性，所以高速切削需要认真进行刀具动平衡。

     目前国外公司根据刀具动平衡要求开发了专用刀具动平衡仪，德国HAIMER公司意大利CEMB公司推出了立式刀具动平衡仪，都可以实现全自动刀具动平衡测量。新型动平衡测量仪发展方向测量精确高效、操作方便、功能强大。

3刀具刃口钝化发展

    目前国外进口整体刀具或可转位刀片刃口大都进行了刃口钝化。经钝化后刀具或刀片刃口微观缺陷彻底清除，有效地增加了刃口强度，其刀具耐用度一般可提高20%至一倍，我国目前只有厦门金鹭特种合金有限公司等少数公司对刀具刃口进行了钝化处理，而其余大部分刀具都未进行钝化处理，耐用度低，刀具消耗费用大，所以刀具刃口钝化我国当前刀具制造发展一个方向。

    我国航空制造加工正处于快速发展时期，新型飞机及大型飞机研制对于航空制造加工提出了挑战，航空产品机械加工要充分认识刀具切削加工重要性。机械加工，刀具被称为机床“牙齿”“孪生兄弟”。无论何种金属切削机床，都必须依靠这个“牙齿”才能发挥作用，离开这个“孪生兄弟”则一事无成。未来随着科技水平提高，设备更新换代速度越来越快（10～15年换一代），要短期内赚回设备投资并创造出利润，就要研究依靠刀具挖掘潜力，所以机械加工一定要配置性能优异刀具才能使机床高速高效运转。

    目前，国内制造刀具还不能完全满足航空制造业加工需求，每年还需进口大量刀具，未来对于国内刀具制造企业，应加快自身技术创新与技术改造力度，加大研发力度，加快新型刀具、多功能刀具及刀具材料、涂层技术开发，提高产品质量，使国内刀具尽快达到世界先进水平，为我国航空制造业提供优质高效刀具产品。

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