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我國數控機床刀具和量儀技術應用現狀與發展 發布日期:2014-10-20
  “十一五”期間,我國制造領域國家優先發展的重大專項中包含了能源、汽車、航空航天以及交通運輸等有關國計民生的重要領域,而這些行業重大裝備制造中所涉及到的典型、關鍵零件的特點是:大、重、復雜、精密,其中新型難加工材料(如硅鋁合金、鈦合金、高強度耐熱鋼、碳纖維及復合材料等)的切削加工占據了相當大的比重。這給數控切削加工技術和數控切削機床裝備提出了新的課題,也對數控刀具和數字化測量技術和量具量儀提出了新的要求和挑戰,提供了新的發展機遇和舞臺。當前我國數控刀具和儀器的發展落后于數控機床的發展,已經成為阻礙我國數控切削技術和數控切削機床發展的瓶頸,改變現狀刻不容緩。

  為了更清晰、真實的了解數控機床用刀具和量儀在我國重大機械裝備制造業中的需求和應用現狀,尤其是為了進一步明確在關鍵零部件切削加工中,國產數控刀具和量儀的現狀及其與國外先進技術和產品的差距,以便有助于客觀、科學的確認:在“十一五”期間及今后一段時間內,我國工具行業在數控刀具和數字化測量儀器領域的攻關方向和目標,2008年6月,作者有幸參加了由中國機床工具工業協會組織的、對核電風電裝備制造業及工具制造業部分廠商的調研,對我國數控刀具和量儀在國家重要機械裝備制造業中的現狀和發展有了更深刻的感受。

  一、核電風電設備制造業中數控刀具和數字化量儀應用現狀

  能源裝備制造業,尤其是清潔能源如核電、風電設備制造業近年發展迅猛。發電設備中一些典型關鍵零部件如汽輪機葉片、轉子輪槽以及汽輪發電機轉子嵌線槽等的切削加工,由于被加工材料屬于耐熱高強度合金鋼、不銹鋼等難加工材料,切削量大,切削負荷重,對數控刀具的切削性能,諸如高溫紅硬性、彎曲剪切強度、抗磨損性、抗粘接性、摩擦系數等有很高的要求。與此同時,高精度復雜型面的切削對數控刀具本身的精度也提出了更高的要求。因此,這些發電裝備典型零件的加工和檢測,在一定程度上代表并反映了先進切削技術及先進數控刀具、先進數字化測量技術及測量儀器的最新成果和水平,備受工具制造行業的關注。此外,調研所見到的高精度、大規格風電增速傳動箱齒輪成形加工和測量,以及傳動滾動絲桿硬切削成形加工等新技術也給人留下了深刻印象。

  1.汽輪機葉片型面的數控切削加工

  當今,汽輪機葉片五軸聯動數控切削加工工藝已得到廣泛應用。汽輪機葉片數量大、規格多、輪廓形狀復雜、精度高,難加工。而具有耐熱、高強度、抗腐蝕的高性能合金鋼工件材質更增加了切削加工的難度,因而對葉片數控刀具的可轉位刀片基體材質和涂層性能要求很高。目前,工廠加工中大多采用的仍是國外硬質合金涂層刀具/刀片。在調研中了解到,對于整體鍛件沖擊式水輪機葉輪葉片的加工還有待攻關。關于汽輪機葉片形狀精度的檢測,通常采用三坐標測量機進行點位測量,如采用PC-DMIS BLADE軟件在三坐標測量機上進行測量及葉片參數分析;或在現場用樣板光隙法檢測,但是后者缺乏定量判定。企業期待市場上能提供方便應用于生產現場、能對批量葉片實現快速精密測量的數字化儀器。

  2.汽輪機轉子樅樹型輪槽的數控切削加工

  加工汽輪機轉子樅樹型輪槽的成形銑刀精度要求很高,型線精度達微米級。目前國產化(包括汽輪機廠自行開發)的樅樹型輪槽銑刀(M42高速鋼基體 TiAlN涂層)的切削性能和精度基本上已能滿足用戶需求,正逐步進入生產現場,替代進口。

  3.汽輪發電機轉軸嵌線槽的數控切削加工

  汽輪發電機轉軸嵌線槽是采用專用可轉位轉子槽銑刀,在數控轉子槽銑床上加工而成。由于轉軸材質為高強度合金鋼,切削槽深,銑刀直徑大,切削速度高,切削負荷重,對不重磨數控硬質合金涂層刀片的質量要求較高。生產現場仍以國外刀具產品為主。

  4.風電增速傳動箱齒輪的數控切削加工

  作為清潔環保、可再生能源的風力發電設備近年在我國發展迅猛。為適應風電增速傳動箱的高精度、大模數硬齒面齒輪批量生產要求,齒輪數控成形加工技術和裝備得到推廣應用。我國重要的風電增速箱開發制造基地南京高速齒輪箱廠,采用了先進的齒輪成形干銑削技術和成形磨削技術,以及相應的大型CNC數控成形銑齒機和CNC數控成形磨齒機等數控裝備進行生產,實現了高質量風電增速箱產品的快速增長。在加工過程中及完成后,對每個齒輪進行了規定的精度檢測和監控,這是制造高性能、長壽命風電增速傳動箱的重要保證。格里森一普法特大型成形磨齒機上采用了數控在機齒輪測量裝置,可對齒輪的齒廓、齒向偏差進行在機掃描測量;新進的克林貝格P300型3米座式CNC齒輪測量儀能對齒輪加工幾何精度進行高精度測量。該儀器采用工作臺面氣浮技術,便于重型工件的安全裝調,高精度光柵傳感器測頭能對工件安裝偏心進行快速找正和實施軟件補償。值得一提的是,國產的數控大型成形銑齒機和數控銑齒刀盤已在該廠得到應用。

  5.傳動滾珠絲桿的數控切削加工

  南京工藝裝備廠近年引進了德國先進的滾珠絲桿硬切削成形加工技術和數控切削裝備,采用CBN成形銑刀盤對淬硬鋼棒進行精密車銑硬切削,一次完成傳動滾珠絲桿螺紋的精密成形加工。由于不使用冷卻液,因而既符合環保要求,又能實現高效、高性能切削加工。值得一提的是,國產激光滾動絲桿檢查儀在該廠得到了很好的使用。

  二、我國工具制造業數控機床用刀具和量儀技術現狀及發展

  這次調研了工具行業3個主要生產廠家:上海工具廠有限公司、哈爾濱量具刃具集團有限責任公司和哈爾濱第一工具制造有限公司。深切感受到,我國經濟實力快速增長,尤其是機械制造業的連續多年高速發展,為我國工具制造業創造了前所未有的發展機遇。國家“十一五”計劃和重大專項的啟動又提供了新的發展機遇。有關工廠都根據自身特點,制定了近期發展方針和長期發展戰略目標,并已經進行了實施階段,取得了顯著的成效,技術進步加快,產品質量不斷提高,企業競爭力提高,可持續發展能力得到增強。歸納起來,有以下幾個特點:

  1.立足于傳統強勢產品,加大技改投入,引進先進技術、產品和裝備,提高質量,擴大規模,確立并強化在行業中的優勢地位。

  上海工具廠根據所制定的發展目標,有計劃地連續投入巨資進行技改,引進并自行研制了先進硬質合金孔加工刀具和絲錐加工的數控設備和技術、先進超硬刀具數控制造裝備和技術、先進數控刀具/刀片涂層裝備和技術,以及高速鋼熱處理技術等等。在消化吸收基礎上,積極開發創新,重視夯實與發展數控刀具制造核心技術,實現產品結構升級換代,以確保上工加工刀具和絲錐產品在行業中的龍頭地位。新一輪技改投入和發展規劃的實施,為公司迅速發展成為生產規模最大、產品品種最齊全、整體配套能力最強的國內工具制造企業而做出了積極貢獻。

  哈量近10年不斷強化在齒輪測量儀器、表面粗糙度測量儀及輪廓測量儀等精密儀器開發制造領域的優勢,成功開發了目前國產最大的2米CNC齒輪測量儀,成為國內最具競爭實力的精密測量儀器制造廠商。2005年,通過收購德國凱獅公司,引入國外先進設計與制造技術和專利,迅速建成先進的、雙面約束定位夾緊HSK工具系統生產線,并形成批量生產;迅速建成CCD數控刀具預調測量儀系列產品生產車間,形成年產500~600臺套的能力,已批量出口歐洲。成功的兼并、引進、開發創新、實現國產化,使哈量在精密量儀產品方面,迅速確立了在國內的領先地位,在相關技術和產品方面,迅速縮小了與國際先進水平的差距。

  哈一工通過國債技改(二年投入上億元),修建了新廠區,投資了新設備,面目煥然一新。尤其在拳頭產品拉刀上,引進了國外成套先進數控拉刀磨床和檢測儀器,以期在國內繼續領先,并在數控可轉位刀具和齒輪滾刀等復雜刀具上的傳統優勢得到進一步加強。硬質合金弧錐齒輪銑刀盤和新近開發的數控圓柱齒輪成形銑刀盤獲得成功應用,得到了用戶好評。

  株洲鉆石切削刀具公司近年投資10億元,在包括硬質合金材料、數控刀具在內的整體硬質合金刀具、數控可轉位刀片等領域,引進了成套先進制造技術和設備,使產品開發能力和制造質量得到很大提升,成為當今國內競爭實力最強、開發研究投入最多、生產規模最大的硬質合金數控刀具/可轉位刀片制造企業。

  2.因勢利導,按照工具行業發展規律,拓展上下游延伸技術和產品領域。以便更好滿足、適應市場/國家發展需求,為企業戰略發展目標的實現打下基礎。

  株洲鉆石在原母公司以硬質合金原材料、半成品制造為主的基礎上,向數控刀具、可轉位刀片的深加工領域拓展,成為國內最大的硬質合金數控刀具/刀片制造商。而上工則規劃從刀具制造向刀具材料(硬質合金)制造、高檔數控刀具制造裝備制造等領域發展,目標是建成為國內領先的大型綜合性金屬切削工具制造企業,集刀具研究、制造和服務的國內龍頭企業之一。

  3.注重基礎、共性、關鍵技術研究開發,積極承接國家、地方科技攻關項目,建立“產學研用”科研開發體制,迅速提升企業創新能力和技術/產品優勢。

  哈量近年投入科研經費平均占銷售收入的4%以上,年開發新產品30余項,專利165件。2005年承擔國家863計劃項目“HSK工具圓錐量具”標準起草制定,2006年承擔了哈爾濱市“高速數控機床用HSK工具系統的研究和應用”項目。2007年承擔國家標準“刀具預調測量儀”的制定工作,以及承擔哈爾濱市“CNC及CCD自動瞄準高精度刀具預調測量儀的研制”科技攻關項目等。上工近年承擔了國家科技部創新基金“汽車制造業精密復合孔加工刀具和高效復合涂層刀具開發”,上海市經委科技攻關項目“刀具研究開發的計算機平臺建設”、“高速切削涂層刀具的研究與開發”、“高效精密數控刀具制造和應用技術”等,獲得了多項刀具涂層專利。

  4.通過企業收購兼并、專業人才及技術引進,實現資源整合優化,提高企業整體實力。

  哈量于2005年成功兼并德國凱獅公司,奠定了批量生產國際水平HSK工具系統和數控刀具預調測量儀的制造開發技術和能力。上工則依靠上海集優股份有限公司在香港的上市,募集資金,2007年投巨資開展了“發展數控刀具生產技術改造項目”。通過與意大利SU公司組建的上優公司,引進了先進齒輪刀具制造工藝和技術訣竅,增強了齒輪刀具制造實力。

  通過調研,我們在感受到工具行業技術水平和生產規模得到快速發展進步的同時,也看到與國外先進水平的差距仍然很大。在風電、核電等能源裝備制造業,關鍵零部件切削加工所采用的數控刀具和測量儀器,幾乎全部由國外產品所壟斷,主要廠商為山特維克、肯納、伊斯卡、賽科等。國內刀具主要用于非關鍵部位及粗、半精加工工序。與國外產品相比,除了切削性能指標有較大差距外,更大的問題是質量不穩定,不可靠,產品性能分散性大。此外,在用戶服務上的差距也小可忽視。

  我國在數控切削技術和數控刀具的研究、開發和制造上,與國外的主要差距反映在以下三方面:

  (1)數控切削基礎理論與技術方面,尤其是微觀質量控制技術、與材料學科相關的金相組織結構分析與質量控制技術、新型難加工材料切削機理和技術的深入研究等。

  (2)數控刀具制造技術及裝備方面,特別在關鍵制造工藝及工藝過程對質量控制的穩定性上,如超細晶粒硬質合金基體、涂層工藝質量控制、超硬刀具刃口強化技術等;裝備方面:數控工具磨床、刃口強化設備和涂層設備的開發和研制等。

  (3)數控刀具應用技術及實驗研究方面,針對不同行業、用戶需求,尤其是新型難加工材料如高溫合金、鈦合金、硅鋁合金、復合材料等工件加工,為用戶提供科學、可靠、實用可行的數控刀具/可轉位刀片及切削參數的切削數據庫等信息平臺。

  在量儀方面,與國外的差距更大。在這次調研中,明顯感受到主要在以下三個技術領域差距大:

  (1)數控機床測量技術與儀器方面,尤其是以激光測量系統為代表的高精度動態、靜態數控機床精度及性能的測試技術以及精度補償技術等。

  (2)數控刀具測量技術與儀器方面,尤其是高精度CNC數控刀具測量技術,數控刀具在機測量技術,以及數控刀具預調測量技術與儀器。

  (3)適用于生產現場的在機/在線數字化測量技術與儀器,特別是復雜精密輪廓加工的在機測量與反饋修正補償技術與裝置,如數控成形齒輪磨在機測量測量技術與裝置,汽輪機葉片現場在線測量技術與裝置等。

  為了盡早縮短并趕上國外先進水平,在國家政策的指引和扶持下,有重點地選擇涉及工具行業技術發展的關鍵技術進行立項攻關,將對提升我國工具行業競爭實力和具備可持續發展能力,以適應國家裝備制造業的發展需要具有非常重要的意義。在國家的支持和行業企業自身努力下,我國工具行業完全有可能大大加快縮小與國外先進水平差距的進程。

  三、裝備制造業對工具行業需求分析

  1.高速數控機床用新型工具系統——HSK等適用于高速高精度切削的、二面夾緊定位工具系統

  以HSK為代表的二面夾緊定位新型工具系統,是為了適應當今高速高效精密數控切削加工技術的發展、滿足高檔數控切削機床的先進加工性能要求而開發的。新型工具系統的特點是與機床主軸連接受力拉緊時,其錐面和端面同時接觸定位,實現二面約束過定位,增強了高速切削加工時,數控機床主軸-刀具系統的動態剛性/連接強度和定位精度。其中典型的是已成為國際標準的HSK工具系統和山特維克公司的Capto工具系統。

  國內不少企業對HSK工具系統進行了少量試制和生產,由于缺乏對關鍵技術的深入研究開發,沒有形成成套制造技術和批量生產能力。哈量于2005年兼并了德國凱獅公司后,經過消化吸收,逐步掌握了從產品設計到動平衡和精度檢驗等整套HSK工具系統系列批量制造技術和工藝,現在已經具備了年產5萬多臺套(全部外銷)的能力,取得了明顯成效。當然,在批量生產技術、工藝路線、產品質量檢測和控制上,還有不足之處,尚待繼續消化吸收、攻關創新,以便進一步縮小與國外的差距。上海工具廠、四川英格等企業也已經能少量生產HSK錐柄數控刀具,提供諸如上海通用汽車制造廠等用戶需求。上工兼并上海附件一廠后,具備了批產常規工具系統的能力,已規劃了“高速數控機床用新型刀柄系統項目”,引進設計制造技術、人才和關鍵設備,以達到年產HSK刀柄夾頭2萬件的生產能力。事實上,國內至今尚未建立起國家級和行業級的HSK工具系統的檢測體系、基準傳遞體系、各級實物基準,以及產品質量認證體系。這項工作必不可少,應規劃安排,盡早實施。

  2.高效可轉位刀具系列及超硬刀具

  高效可轉位刀具系列和超硬刀具,是數控刀具中非常重要的領域,產品應用量大面廣,不同應用領域所涉及的技術關鍵、攻關內容都將有所不同:所采用可轉位刀片基體材質、涂層要求、刀片幾何參數、刀片裝夾方式、整體刀具結構設計等等都會有很大差異,技術難度大、攻關內容多。此外,帶3維斷屑槽型可轉位刀片的設計制造技術,包括精密毛坯的壓制燒結、刃口強化等都是有待攻關的內容。硬切削、超精切削以及包括復合材料在內的新型材料切削,進一步推動了超硬刀具的需求和發展。在高品質超硬刀具材料的開發與生產上我國仍有較大的差距,即使是國產超硬刀具,所采用的超硬刀片(PCD、CBN)材料多半從GE和De Beers公司進口。3維形狀超硬刀片的采用是近年超硬刀具發展的一種新趨勢,其制造加工難度更大。高效可轉位刀具系列方面,國內企業如株洲鉆石、廈門金鷺、自貢硬質合金、陜硬、成量等都有生產,其中以株洲鉆石生產規模最大,實力最為雄厚,總體水平最高,擁有一條據稱達到世界一流水平的數控可轉位刀片生產線,近年組建的研究中心,包括設計開發、使用技術研究、材料性能試驗以及切削實驗裝備,具有良好的開發平臺。而上工則在超硬刀具開發生產上,擁有較為成熟的設計和加工經驗、先進精良的制造裝備和成功的服務應用成效。

  3.超細晶粒整體硬質合金涂層刀具系列

  超細晶粒整體硬質合金涂層刀具在汽車工業、航空航天以及能源工業中使用很多,目前在關鍵數控機床上所用整體硬質合金涂層刀具大多為進口刀具所壟斷,國產刀具也往往是購買國外的超細晶粒硬質合金棒料進行加工,自身發展受到制約。近幾年我國擁有硬質合金粉料制造能力的一些工具廠,如株洲鉆石、廈門金鷺、陜硬等,通過技改投入,引進技術和設備,開發了超細晶粒硬質合金刀具材料,取得初步成果(達到亞微米級。近年采用了先進的納米涂層技術,刀具性能質量得到明顯提高。上工規劃將實施“超細晶粒整體硬質合金涂層刀具項目”,實現超細晶粒硬質合金材料和刀具制造成套技術的開發。國內企業要使批量生產硬質合金粒度穩定達到超細0.3~0.5?m,進一步提高品質,縮小和國外先進產品的差距,則需要在制造技術、工藝等基礎技術上下功夫進行技術攻關。此外,如何在刀具精加工后涂層前表面有足夠的富鈷層,是提高涂層質量的一個關鍵技術,尚待攻關。

  4.高效高性能精密復雜數控刀具

  以齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀以及各類型拉刀為代表的高效高性能精密復雜數控刀具,在汽車、風電核電、航空、船舶、鐵路、工程機械等行業的齒輪傳動裝置制造中使用廣泛而重要。

  項目所列目標參數合理、必要。國產精密齒輪刀具和拉刀,主要存在二個問題:材質和涂層。目前關鍵場合所采用的為均為進U鈷高速鋼和粉末冶金高速鋼材料。最近不少生產廠進行技改和設備投入,采用先進涂層(如TiAlN、TiAlCN等)及高速鋼熱處理技術和沒備,使國產齒輪刀具和拉刀的質量性能大為提高,縮小了和國外的差距,部分取代國外產品。‘哈一工’二年來累計投資近1.2億,用于新廠土建和國內外先進設備購置,為打造成為國內拉刀生產第一、齒輪刀具和可轉位數控刀具強勢的復雜數控刀具制造企業而努力。漢江工具廠抓住這幾年發展的機遇,已經成為國內最具實力的齒輪滾刀制造企業。該廠通過與巴爾采斯的合作,使齒輪刀具涂層質量得到保證,提高了刀具的使用性能。高速高效的機夾式不重磨數控成形齒輪刀具,是齒輪刀具發展的一個新方向,值得行業考慮發展。

  5.高精度、全自動刀具預調測量儀系列

  我國數字式刀具預調測量儀的開發起步較晚,2005年在北京機床展覽會上才有哈量和天津天門首次亮相展出了采用帶面陣CCD的數字式刀具預調測量儀樣機。自從哈量于2005年收購了德國凱獅公司以后,在消化吸收其先進設計和制造技術的基礎上,自行開發了系列高精度刀具預調測量儀。該廠已經組建了刀調儀生產工段,達到年產500~600臺刀調儀,目前以手動系列為主,供出口。對于高精度、CNC全自動、具備聯網功能的刀具預調測量儀,該廠正在積極規劃開發,以便迅速趕上國外當今先進水平。此外國內天津天門、成量等均在開發,但是技術水平、質量上還有一定的差距,尚待繼續努力。

  6.高性能激光測量系統

  高性能激光測量系統主要用于數控機床以及三坐標測量機等高檔數控裝備的精度檢測和評定。近年來激光測量系統的發展方向是:高分辨率、高精度、多功能、小型化,主要生產廠家為英國雷尼肖、美國API、安杰倫和光動公司,以及德國SIOS等,以雷尼肖產品在國內銷量最大。2007年上市的新產品XL-80輕型激光干涉測量系統,配有XC-80傳感器,實現了小型化,同時提高了性能,測量距離40m/80m,分辨率達到lnm,最高測量速度1m/s。美國API公司的XD激光干涉測量系統,具有5維/6維測量功能,提高了數控機床裝備精度檢測效率和精度。我國以成都工具研究所為主研制生產的國產激光干涉測量系統,與國外先進水平相比還有一定差距。近年通過國家科研院所基金項目的支持,測量原理和測量技術上取得突破,在提高國產激光測量系統的性能上,取得了一些成果。

  總之,通過這次調研,進一步證實,我國工具制造業在數控刀具和測量儀器的技術水平和性能質量等方面,與國外的差距較大。但經過近年來的技改投入、引進和發展,已經縮小了差距,但創新能力仍然不足,這是基礎技術試驗研究未得到足夠重視與發展、行業技術積累整體欠缺造成的結果。深信在“產、學、研、用”方針的帶動下,在國家的支持、行業的協同、企業的努力下,我國工具制造業一定能得到快速發展,迅速縮小與國外先進水平的差距,以適應我國機械制造業的持續、快速發展的需求。

  近來,全球經濟衰退的風暴已經從虛擬經濟向實體經濟迅速擴展,對我國工具行業整體的影響和沖擊,于2008年10月中旬陡然顯現。這是一場嚴峻的考驗,各工具廠都抓緊制定策略,調整計劃,積極應對以渡過困境:同時積極夯實內功,加速產品升級換代、優化轉型工作,為行業早日復蘇作好準備。
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