國宏工具助力南京航空航天大學工藝優化 化解老大難問題
2025-2-18 來源：國宏工具 作者（zhě）：-
從 5mm 到 0.5mm，突破鈦合（hé）金（jīn）翼麵蒙皮加工
航空製造企業中（zhōng）流傳著這樣（yàng）一句話：“要把一克重量送上天（tiān），需要花費一（yī）克黃金。”這對占據了飛機 80%麵積、21%重量的蒙皮（pí）零件來說，可謂是“至理名言”。包裹（guǒ）在飛機（jī）外殼的蒙皮，為（wéi）了滿足飛機減重、動力提升等需求（qiú），零件（jiàn）厚度被（bèi）“一降再降”，新一代戰術製導飛行器的金屬（shǔ）蒙（méng）皮厚度最薄處甚至僅 0.5mm，如同雞蛋殼（ké）般。同時，作為直接承受飛機載荷、對飛機疲（pí）勞壽命起決定性作用的零件，蒙皮不僅采用了高強度鈦合金等新材（cái）料，對加工精度和表麵質量都有著極（jí）高的要求，其加工技術一直被公認為是行（háng）業難題。
南京航空航天大學（xué）（以下簡稱“南航”）作為全國知名高校，以及數次參與我國航空航天重要型號預研、技術攻關、試驗任務的專業科研機構，一直致力於多類型航空航天“難加工”零件的工（gōng）藝優化。針對某軍工企（qǐ）業某型號翼（yì）麵鈦合金（jīn）蒙皮零件易切穿、成品率低的問題，南航特別成立（lì）了項目團隊，就其零件結構、材料特性、裝夾方式、加工工藝等進行了係統性探究，並聯合（hé）國宏工具係統（無錫）股份（fèn）有限公司（以下簡稱“國宏工具”），共同研發了專用（yòng）的直刃結構整體硬（yìng）質合金銑刀，成功完成了厚度（dù）最小處僅 0.5mm、最大處 1mm，且帶有 0.5mm 厚度（dù）立筋（jīn）結構的鈦合（hé）金薄壁蒙皮試（shì）驗件高效高精加工，為整體薄壁腹板類零件的加工提供了有益借鑒。
鈦合金+複雜薄壁結構，加工難度成倍（bèi）上升
該（gāi）款翼麵蒙皮（pí）結構複雜，如圖 1 所示，主體結構為 1mm 厚的腹板（bǎn），尺寸接近 0.8 X 0.3m，度很大；腹板上還帶有多（duō）邊形型腔結構，型腔側壁的壁厚僅為 0.5mm，高度為 3.5mm，屬於典型的弱剛度結構。蒙皮零件的毛坯為 5mm 厚鈦合金板材，材料去除率高達 92.6%。加之零件整體均由 TA15鈦合金製成（chéng），其材料的室（shì）溫強度、高（gāo）溫強度以及焊接性能均高於 TC4 鈦合金等其他材料，更使得零件的加工難度成（chéng）倍上（shàng）升。
圖 1：蒙皮零件的主體結構
南航項目團隊在（zài）對原加工工藝分析後發現，刀具的“不合適”是頻繁產生過切問題的關鍵。在刀具切（qiē）入板材時，加（jiā）工區域的材料會發生塑性變形，同時受（shòu）到刀具所產生的（de）向上牽引（yǐn）作用發生一定程度的翹曲。隨著餘量的不斷去除，板（bǎn）材剛度逐漸下降（jiàng），切削力的作用便讓實際切深越（yuè）來越大，從而導致腹板的過切，甚至切穿。
圖 2：被切穿的腹板
明確方案優化重點後，南航項目團隊便開始尋找合適（shì）的刀具廠商（shāng）。國宏工具作為國產硬質合金刀具的領先企業，也是與南航保持著緊密聯（lián）係的校企合作夥伴，自然成為了團隊的第一選擇。“國宏工具（jù）是國內少數幾家擁有（yǒu）刀具全製程自主生（shēng）產能力（lì）的企業，在航空航（háng）天難加工材料領域有著（zhe）深厚的技術和經驗積累，更為難得的，是他們擁有高水（shuǐ）平的切削實驗室，無論是‘硬件’還是（shì）‘軟實（shí）力’都十分契（qì）合南航（háng）對於（yú）技術合作夥伴的需求。”南航項目團隊（duì）負責人（rén）介紹說。
大膽創新，研發鈦合金專用直（zhí）刃銑刀
針對高硬度材料（liào）的側麵加工、槽加工，目前行業多采用大螺旋角立銑（xǐ）刀，因為螺旋角越大，工件與刀（dāo）刃的接觸線就越長，施加到（dào）單位長度的刀刃上的負荷也就越小，從而有利於延長刀具壽命，也能在一定程度上提升切削穩定性。但國宏工具技術部門在深度探究後發現，針對該款薄壁零件，原本為立銑刀帶來性能提升的（de）“螺旋角”正是板材（cái）切（qiē）穿的“罪魁禍首”。
“多（duō）次模擬加工後，我們發現，帶螺旋角的（de）銑刀由於刀齒沿著螺旋排列，且每個刀（dāo）齒（chǐ）的切削位置不同，因（yīn）此切削力被分（fèn）散到（dào）整個刀具（jù）上（shàng），在加（jiā）工中便會對腹板產生‘上拉（lā）—下壓’的上下往複作用，這時（shí）一旦（dàn）板材局部厚度不均勻存在翹（qiào）曲凸起，就（jiù）會出現過切。”國宏工具技術（shù）總監王必永（yǒng）先生介紹說，“我們大膽提出了研發螺旋角為 0°的（de）鈦合（hé）金專用直（zhí）刃銑（xǐ）刀的想法，看是否（fǒu）能通過將切削力集（jí）中在與工件表麵垂直方向的方式，避免過切。”
圖（tú） 3：國宏工具直（zhí）刃銑刀實物（wù）圖
隨後，國（guó）宏工具技（jì）術部門快速設計出了對比實驗（yàn）方案：將兩款采用了相同（tóng）硬（yìng）質合金（jīn）基體材質與國宏自主（zhǔ）研發的 AlCrN 基塗層材質的螺旋角銑刀和直刃銑刀，通過同款三軸加工中心對目標零件的鈦合金（jīn）毛坯板材進行加工試驗。同時，利用壓電式儀（yí）削（xuē）力測量係統同步測量（liàng）作用（yòng）於工件和刀具上（shàng）的切削力。
測試結果顯示，不同於帶螺（luó）旋角的銑刀加工時會在軸向產生正負兩向交替往複的（de）切削力，直刃（rèn）銑刀產生的軸向力始終對腹板產生下壓作用，因（yīn）此能（néng）夠避免腹板被（bèi）刀具切穿（chuān）的問題。此（cǐ）外，下壓的切削力有助於壓緊腹板零（líng）件，輔助實現真空吸盤的嚴密吸附，從而（ér）保證切削過程中切深的（de）準確性，提升腹板的加工精度。實驗還發現，較之帶有螺旋角的銑刀，直刃銑刀在相（xiàng）同切削參數下（xià）的切（qiē）削力更小（xiǎo），因而能夠降低切削過程中產生的殘餘應力，減少低厚度（dù）腹板結構的加工變形，如圖 4 所示（shì）。
圖 4：帶螺旋角的常規（guī）銑刀與（yǔ）直刃銑刀的切削力大小對比
南航項（xiàng）目團隊在內部（bù）測試後，對國宏工具所研發的直刃銑刀的性能表（biǎo）示了高度認可。“采用直刃銑刀來加工鈦合金薄壁零件是（shì）一個顛覆傳統認知的創新設想，國宏工具團（tuán）隊（duì）以高效的執行力和強大的技術力（lì）將設想變成了現實，為我們攻堅這一項目帶（dài）來了突破。”南（nán）航團隊負責（zé）人說道，“此外，國宏工具自主（zhǔ）研發的鈦合金專用塗層，也是這款刀具能夠充分發揮（huī）效用，達到理（lǐ）想加工效（xiào）果的關鍵。”
加工（gōng）難點“逐一擊破（pò）”，實現工藝優化
找到合適的刀具，僅是方案優化的第一步，如何優化設計加工工藝成為了擺在南航項目團隊麵前的又一難題。根（gēn）據以往的經驗，基（jī）於“短板優先（xiān）”的原則，團隊先設計了總體加工工序——首先在板材上加工型腔（qiāng）（圖 5 a)），從型腔中心位置螺旋下刀，切（qiē）深達到槽腔深度後刀路逐步向外（wài）擴展，完成最薄弱的型腔（qiāng）內腹板的加工（圖 5 b)）。之後再進行槽銑（xǐ），去除各型（xíng）腔間的材料（圖 5 c)）。最後對型腔（qiāng）立筋結構的內外圈進（jìn）行（háng）加工（圖（tú） 5 d)）。
圖 5：蒙皮（pí）樣件的工序設計
而後，便是對單工序（xù）加工（gōng）難點的“逐個擊破”了。在完成型腔內部粗（cū）加工後，轉角部位還殘留有較多材料，且這些轉角大多十分狹（xiá）窄，在其內進行粗精加工難度很大。初步的設計方案是采用小直徑直刃銑刀，以側銑（xǐ）方式進行，但（dàn）很快便出現（xiàn）了小直徑刀具難以承（chéng）受逐漸（jiàn）增大的切削力（lì）而折（shé）斷的問題，而若通過減少切深與進給速度來控製切削時（shí）刀具的（de）載荷，又會極大影響加工效率。因此，國宏工具技術團隊便提出了采（cǎi）用插銑方式的可能性，並且直（zhí）刃銑刀也非常適用於插銑工藝。在（zài）得到南航項目團隊認可後，經過多次加工實驗的國宏工具技術團隊確定（dìng）了具體的工藝參數（如表 1 所示）。
表 1：型腔轉（zhuǎn）角殘插銑加工切削參數
對型腔（qiāng）內外側壁進行（háng）精加工是最後一道（dào）工序，在零件剛性最弱時，將側壁內外兩側餘量一次性高效去除，並確保尺寸精度到位的嚴苛要（yào）求，也使其成為了難度最大的一道工（gōng）序。如何實現？確定切削速度與每齒進給量是關鍵。“國宏工具（jù）在前期對直刃銑刀（dāo）切削力的（de）測試（shì）數據，為我們這一步序的工藝（yì）設計提供了很大幫助。” 南航（háng）團隊負責人介紹說。
國宏工具實驗發（fā）現，切削速度對直刃銑刀的切削力影響不大，相反，每齒進給量與切寬則對直刃（rèn）銑刀的切削（xuē）力（lì）產生了顯著（zhe）影響，並且，切寬變化帶（dài）來的影響更（gèng）大。基於此數據，南航項目團隊（duì）提出，在對型腔內外側壁進行側銑加工時，可以采用高速切削，配合較（jiào）小（xiǎo）的每齒進給量與切寬，從（cóng）而在減少切（qiē）削力的同時獲得較高的材料去除（chú）率。
表 2：內/外側壁精加（jiā）工工藝參數
“經過我們團隊成員和各方合作（zuò）夥伴，尤其是國宏工具技術部門的共同（tóng）努力，蒙皮樣件最終成功通過了（le）驗收，不僅將精度、表麵質量誤差控製在±0.05mm 以內，還大幅提升了加工效率，加工耗時較原有工藝減少了約 53%，且加工過程穩（wěn）定。” 南航團隊負責人（rén）總結道，“我們相信，南航與國（guó）宏工具正式成（chéng）立的‘高性能刀具係統技術聯合（hé）實驗室’，接下來將會（huì）帶動更多的研究項目落地。”
圖 6：完成加工的（de）蒙皮樣件
關於國宏工具
國宏工具係統（無錫）股份有限公司成立於 2004 年（nián），注冊資本近 3.7 億元，是一家專業從（cóng）事（shì）超高精密（mì）數控刀具和集成電路封裝楔形劈刀（dāo）研發、生產、銷售和服務的高新技術企業。公（gōng）司擁有各種先進加工、檢測（cè）設備達 290 餘台，建有塗層產線（xiàn），具備刀（dāo）具全製程生產能力（lì），核心（xīn）產品包括硬質合金刀具、超硬刀具、陶瓷刀具和集成電路（lù）封（fēng）裝楔形（xíng）劈（pī）刀。公司以市場為（wéi）導（dǎo）向，針對需求旺（wàng）盛的電子信息、航空航天（tiān）、汽車、通用機械、模具等領域，推出了多種刀（dāo）具（jù）產品以及提效解決方案，與捷普集團、富士康（kāng）集（jí）團、三星集（jí）團、中（zhōng）國航發、中國電科、三一重工（gōng）、利納馬、博世集團等擁有長期（qī）的合作關係。
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