国产刀具,请跟上中国航天征服星辰大海的步伐

发布时间: 06月21日 浏览次数:356

英雄远征  飞天逐梦

 

2021年6月17日9时22分,在酒泉卫星发射中心,我国长征二号F运载火箭搭载神舟十二号载人飞船顺利升空,并取得圆满成功。中国航天人向前所未有的高度在星空镌刻我们的印记。

 

 

15时54分,神舟十二号载人飞船入轨后顺利完成入轨状态设置,采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱前向端口,与此前已对接的天舟二号货运飞船一起构成三舱(船)组合体。这是天和核心舱发射入轨后,首次与载人飞船进行的交会对接,刷新了中国载人航天技术的新高度。

 

神舟十二号与天和核心舱的交会对接 图源:中国载人航天

 

航天零部件加工带来的挑战

 

航空航天制造业作为一个国家实力的体现,在“工业4.0”和《中国制造2025》的驱动下,毋庸置疑地成为了国家工业制造的核心产业。

 

随着航空航天制造业零部件向高性能、精密化以及制程的数字智能化发深入发展,航天零部件制造成为整个航天制造产业链最核心部分,为航天产品的制造加工提出了更大挑战:

 

①难加工材料精密加工要求

 

叶片、盘轴、机匣等主要结构件常采用低膨胀合金、钛合金、高温合金、陶瓷材料和复合材料等难加工材料,如何保证零件的精密加工要求,既有高质量又兼顾生产效率是航空航天制造企业面临的一个课题。

 

图源:SECO

 

②工艺及零件精度要求

 

一架大型民航客机有数百万个零件,这些大都采用复杂曲面和高结构效率的整体、轻量化结构,加工中为避免产生切削变形和提高效率,这对制造工艺以及制造设备提出了更高的要求。

 

③轻量化零部件表面精密处理要求

 

机器人技术和数控机床技术的发展越来越需要精密工具来实现对零部件的磨削、研磨、去毛刺、抛光、清洗等表面精密处理作业,提高航天产品质量和效率。

 

从零件结构方面来说,轻量化对航天至关重要,在零件结构设计中开始大量采用整体薄壁结构的设计,导致零件几何尺寸大、结构与面形复杂、壁厚小,过渡圆角半径小等,同时对加工精度和表面完整的要求进一步提升。

 

④过程控制及检测要求

 

验证在制造中结果反映与设计要求相符的一致性。而现在航空企业对工艺过程控制、零件表面完整性控制等环节比较薄弱。

 

以上这些因素促使发动机等零件机械加工必须大量使用高性能刀具及其加工策略来完成各种形状复杂零件的制造。高性能刀具适应了航天新材料、新技术、新工艺带来的现实挑战。这也是为什么航空航天业被认为是推动刀具发展进步的主导力量。

 

图源:沃尔德

 

了解下航天刀具 

 

图源:SANDVIK

 

航空航天制造业与普通制造业有着巨大的区别,如果出现质量问题,便会造成不可估量的后果,因此,一把性能可靠、寿命可控的刀具是至关重要的。

 

发动机盘类零件、轴类零件、机匣类、叶片类零件机械加工必须大量使用高性能的标准刀具和专用刀具进行加工。目前航空航天制造业广泛应用的刀具材料牌号多达上千种:

 

  • 按结构分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等;
  • 按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等;
  • 根据刀具材料,可划分工具钢刀具(碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具和超硬刀具。其中,硬质合金刀具所占比重最大。

 

图源:ISCAR

 

硬质合金刀具在航天机械加工数控刀具材料中占据主导地位,其应用范围则相当广泛,硬质合金不但可用于制造各种机夹可转位刀具,而且可以制造整体式立铣刀、铰刀、丝锥和钻头等。硬质合金刀具分为普通硬质合金、涂层硬质合金、超细颗粒硬质合金、碳(氮)化钛基硬质合金。硬质合金成为主要的刀具材料,使切削加工实现了向硬质合金时代的过渡。

 

钛合金适合叶片、风扇、圆盘和叶轮等航空零部件难加工材料的切削 图源:KENNAMETAL

 

硬质合金系列精密耐磨零件 图源:厦门金鹭

 

与硬质合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、热硬性和耐磨性,且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。

 

因此,陶瓷刀具已经成为航空航天业刀具发展的一个主流。

 

新金属陶瓷,添加纳米级复合原料粉,控制环形结构,强化粘结相,材料兼具卓越的耐磨性与强韧性,刀片使用寿命长,加工稳定。超细富钨相均匀分布,提高热传导性,改善抗热裂性能及抗塑性变形能力 图源:株洲钻石

 

叶轮叶盘加工用整体硬质合金刀具

 

完成高速高效精密加工任务

 

随着航空航天难加工材料的广泛应用,如何正确选择刀具材料进行切削加工,降低加工成本,提高生产率是一个非常重要的问题。

 

工件材料、工件形状、加工要求、加工机床、系统刚性、表面质量技术要求都是在实际加工中刀具选择的主要考虑因素。另外切削刀具材料要与工件力学性能、物理性能、化学性能匹配。

 

图源:SECO

 

现役型号数控加工零部件主要分为大型整体弱刚性结构件和精密复杂薄壁结构件两大类型,这些结构件的数控加工生产具有一些典型特点:定制生产、材料多样、结构复杂、加工尺寸范围大、加工易变形、加工精度要求极高,对表面粗糙度要求也极高;型号任务的快速增长,提出了高效率、高质量的加工需求与加工质量快速追溯的发展需求。

 

图源:OSG

 

高效加工装备、数控刀具以及加工工艺等工艺系统,从工艺系统的角度出发对数控装备、刀具、装卡、加工工艺、零件和冷却方式进行考虑,实现对复杂的零件结构高速高效精密加工:

 

满足可对大型整体弱刚性结构件加工过程中对加工尺寸精度、变形控制、形位精度均的高要求。

 

精密复杂薄壁结构件的精细化加工:完成对薄壁回转体类零件数控加工;对薄型多面体类零件复杂结构设计和表面精密加工;对带筋复杂曲面类零件复杂工艺加工;细长轴类零件竹节、波纹、锥度等瑕疵去除;深孔类零件和多孔交叉类零件等复杂孔系类零件的毛刺去除。

 

图源:上海工具厂

 

随着刀具技术和机床技术的相互结合,工件材料与刀具材料的互相促进,推动着航空航天产品智能制造向着敏捷化、柔性化、数字化和网络化方向发展。

 

航天大国为何需要进口刀具 

 

虽然刀具只算一种耗材,但刀具材料的不断进步为航空航天制造业不断发展提供了驱动力。

 

随着现代制造业的蓬勃发展以及国家政策的鼓励扶持,我国数控刀具行业涌现出了诸如株洲钻石、厦门金鹭、上海工具厂、森泰英格、恒锋工具、沃尔德等为代表的优秀企业,部分重点产品在核心参数上已经达到国际领先水平,成为高端数控刀具实现进口替代的重要力量。

 

图源:森泰英格

 

但是,目前国产航天航空数控刀具仍以中低端产品为主,且只在飞机领域占领市场。高端数控刀具长期依赖进口,市场份额被诸如山特维克集团、肯纳金属、日本京瓷、玛帕、伊斯卡等国际巨头垄断。尤其在航空发动机领域,90%以上都是使用进口刀具,国产刀具很少,这将会带来经济性和战略性隐患,对国家安全造成了很大威胁。

 

图源:恒锋工具

 

由于对进口航天刀具的依赖,抑制了国产刀具企业的创新性和积极性,使得大量资金外流。国内刀具企业所能提供的多是根据民用市场实际需要推出的专用刀具,其技术含量和产品质量并不是很高,市场上的通用刀具产品不全且质量不高,与我们这个航天大国对于航空零部件的精密制造要求严重不符。

 

鸡贼的国际企业却偏偏看好中国航空刀具市场,以山特维克可乐满、伊斯卡、肯纳、山高和欧士机等为主的国际知名品牌在国内大型城市都设有办事处,购买刀具比较方便,并且良好的售后服务及产品质量保障,也使其竞争优势更优于国内企业。

 

图源:EGNC

 

当然,在航天刀具制造这一块,归根结底还是我们的技术缺陷。国内外产品和技术差距扩大,无法形成国内大品牌;产品市场混乱,存在恶意竞争和利益驱使,非常规手段影响正常采购程序等现象严重。

 

在国家大力发展航空事业的背景下,航天零部件制造具有广阔的市场前景。在这个机会面前,按照专家给出的意见:

 

国产航天刀具必须重视基础研究,进行刀具的多学科优化与专业化开发,重视应用推广;

 

建立起高质量的硬质合金材料热力学和动力学数据库,应用集成计算材料工程的概念,缩短传统的材料认错研究进程;

 

针对航空航天行业,还应建立起航空航天加工材料数据库和航空航天行业切削试验及使用数据库,将有利于提升航空航天自主保障能力。

 

图源:日本京瓷

 

作为制造型企业,在刀具管理与数据库开发过程中,必须注意的一个问题就是:

 

刀具数据库必须能够适应多类刀具供应商、多品种刀具类型的结构形式

 

同时打通从CAM、CAPP到刀具管理、刀具应用的系列化流程,从而真正实现工艺设计信息、刀具结构信息到机床应用的信息物理融合。

 

这也是今后较长阶段需要重点开展的研究内容。

 

中国航天引领世界航天事业发展之际,中国企业的刀具国产化任重而道远。

 

星舰 图源:SpaceX

上海国际去毛刺&表面精加工技术展览会

2021.12.22-24

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