“做世界一流的中小航空發(fā)動機供應商”——自1951年建廠成立近70年來，懷抱著這個夢想與目標，中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司（以下簡稱南方公司）始終堅持創(chuàng)新，不斷提升發(fā)展核心技術能力，現(xiàn)已形成航空發(fā)動機研制、生產(chǎn)、修理、服務保障于一體的強大優(yōu)勢體系。南方公司作為行業(yè)內(nèi)種類最全、型號最多的航空發(fā)動機企業(yè)，擁有30多萬平方米生產(chǎn)廠房及設施，配備近7000臺套領先設備；作為我國中小航空發(fā)動機研制生產(chǎn)基地，具備了批產(chǎn)第三代和研制第四代中小型渦軸、渦槳航空發(fā)動機的工藝與制造技術能力，部分核心零部件關鍵技術更是達到了世界先進水平。
精度高、材料與結(jié)構(gòu)雙重難加工的特性，讓航空零部件的制造總是很難在品質(zhì)與效率間達到平衡。由此，工藝優(yōu)化、提速提效的生產(chǎn)改革一直在南方公司大范圍、持續(xù)性開展。借助智能領先的設備與工具產(chǎn)品，來最大限度地解決加工效率低、精度不夠、生產(chǎn)環(huán)節(jié)不合理等問題，效果明顯。曾采用傳統(tǒng)分層銑削方式進行生產(chǎn)加工的減速器主要零件游星架的窗口結(jié)構(gòu)正是南方公司工藝改革的典型實例。
效率瓶頸，傳統(tǒng)加工方式急需改善
游星架是減速器中的主要零件，其結(jié)構(gòu)復雜，大小不一的內(nèi)需鉆孔內(nèi)要安裝齒輪軸等多個轉(zhuǎn)動件。游星架底部圓柱形結(jié)構(gòu)的外圍有4個窗口結(jié)構(gòu)，需要從實體形式的毛坯件開始掏空加工，不僅加工余量非常大，其對表面質(zhì)量的要求也十分嚴格。
圖1 游星架幾何圖 圖2 分層銑削加工
“在以往生產(chǎn)中，對于這個窗口結(jié)構(gòu)，我們采用的是傳統(tǒng)的分層銑削加工形式。這種方法雖然加工穩(wěn)定，表面質(zhì)量得以保證，但是效率相當?shù)拖隆！蹦戏焦纠铍p全介紹說，“分層銑削每次加工最多只能深入2毫米，而游星架窗口結(jié)構(gòu)的徑向需切削深度為70余毫米，要完成加工需要在徑向深度方向循環(huán)切削40次。每次循環(huán)中沿窗口銑削一周的時間是2分鐘，完成單個窗口加工就需要至少80分鐘。”
另外，如此加工效率讓該零件占用設備的情況十分嚴重。車間經(jīng)常出現(xiàn)為了加工游星架這個零件，而導致其余需要上該設備的零件排隊積壓，對生產(chǎn)造成了很大影響。因此，急需對其進行工藝改善和效率提升。
工藝改善：整體銑刀 + 動力銑削
傳統(tǒng)分層銑削方式中采用的是切削刃有限的裝刀片式銑刀，每次徑向切削深度僅為2毫米，且無法增大，這也最直接地導致了切削次數(shù)和切削時間的增加。所以，首先考慮的就是如何加大徑向切削深度的問題。
圖3 分層銑削刀具(裝刀片式)
在深入分析比較后，南方公司決定采用切削深度更大的整體玉米銑刀替換原有的刀片銑刀。同時，零件窗口結(jié)構(gòu)剛開始是實體毛坯狀態(tài)，整體玉米銑刀若要單次直接實現(xiàn)滿刃切削，則首先需要加工一個底孔讓刀具能夠伸入零件使切削刃整體接觸到加工面。效率更高、切削力更大的鉆削形式成了最佳選擇。由此，他們基本制定了先采用鉆頭加工底孔，再使用整體玉米銑刀進行滿刃切削的加工方式。
在解決了切削深度問題，減少了循環(huán)切削次數(shù)后，南方公司的技術人員們又開始考慮是否能通過加大進給、切深、提高轉(zhuǎn)速等方式增大刀具切削力，從而減少循環(huán)中一周切削時間。“然而，這種設想很快就被推翻了。采用整體刀具滿刃切削時的切削載荷較大，如果直接提高進給、切深等加工參數(shù)，必然會導致刀具和工件之間的接觸時間長、切削溫度升高，刀具難以承受則易造成打刀，進而影響刀具使用壽命和加工質(zhì)量。” 李雙全繼續(xù)介紹說，“隨后，我們團隊又對編程方式進行了反復的討論和探索，最終找到了能提高切削參數(shù)同時又能使刀具承受惡劣加工條件的切削方式——動力銑削。”
與傳統(tǒng)加工不同，在動力銑削過程中銑刀是處于一邊自轉(zhuǎn)一邊公轉(zhuǎn)的狀態(tài)，減少了接觸角和每轉(zhuǎn)切除量，從而降低了切削力和切削溫度，使刀具能適應更惡劣的切削要求；同時，動力銑削實現(xiàn)了將非連續(xù)加工變成連續(xù)加工，加工穩(wěn)定性更高，因此加工轉(zhuǎn)速、切削等參數(shù)可繼續(xù)提高，從而實現(xiàn)大余量快速切削。
優(yōu)質(zhì)刀具方案打造極致高效
工藝方案確定后，接下來就是要尋找合適的刀具產(chǎn)品了。整個提效方案需要4把刀具，首先是用于窗口剛開始加工時進行鉆削加工，形成底孔的大直徑鉆頭；然后是快速銑削去除窗口余量和協(xié)助清除邊角殘留余量的玉米合金銑刀；以及最后用于窗口精加工，保證最后尺寸及表面質(zhì)量的精加工整體合金刀具。
在了解對比了市場上多種刀具品牌后，南方公司最終選擇了擁有完整產(chǎn)品系列且對多種航空零件加工具備豐富經(jīng)驗的山高刀具。航空部件的精度要求十分嚴格并且材料成本非常高，生產(chǎn)過程中的可靠性、安全性至關重要，南方公司需要的是實力強大、品質(zhì)可靠的供應商。而山高刀具在航空制造領域一直備受好評，其技術團隊更有著豐富的應用經(jīng)驗，在接觸之初便贏得了南方公司的信任。
針對鉆削工序，南方公司使用了山高刀具新型的 Perfomax 颶風鉆，其優(yōu)化的排屑槽，可以實現(xiàn)最佳的切屑控制和排屑，從而有效提高鉆削參數(shù)，實現(xiàn)高效金屬去除效果，并延長刀具使用壽命。排屑槽所采用的新型“減磨表面”的特殊波形盡可能減少了切屑和排屑槽之間的接觸，使刀具應用更為安全可靠。
圖4 Perfomax 颶風鉆
“對于整個方案中最為核心的整體刀具銑削過程，我們制定了兩種刀具配合使用的方案。先使用長度較短的玉米合金銑刀，采用動力銑削方式，快速銑削去除窗口余量，然后用長度稍長的同款銑刀清除上款刀具未能去除的邊角殘留余量。”山高刀具航空航天應用經(jīng)理宋永輝對刀具方案進行解釋說明，“這兩款刀具是山高JABRO JHP993系列，非常適合高效率金屬切削加工，它特有的分屑槽設計，即使在較大切削用量的情況下，也能有效控制切屑。可形成非常小的碎屑，避免了切屑在型腔中難以排出而帶來的刀具折斷風險。另外，該系列刀具采用超細粉末制成的基體，兼具硬度和韌性，配合多刃的設計，可實現(xiàn)更高的進給速度，充分發(fā)揮了動力銑削的優(yōu)勢。”
山高的這兩款整體玉米合金銑刀將窗口結(jié)構(gòu)初步加工完成只花費了短短10分鐘的時間，僅是原來分層銑削方式的1/8，大大超出了南方公司的預期，其加工效果令人驚喜。
圖5 用于動力銑削的玉米合金銑刀
最后，是精加工階段。為了保證良好的表面質(zhì)量、平面度及垂直度，南方公司選擇了適合大切深、小切寬、側(cè)銑加工的522長刃精銑刀，可以有效避免分層加工產(chǎn)生的接刀痕，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的壁面光潔度。“該款刀具特有的幾何設計，還能夠在加工薄壁的情況下，完美解決由于材料剛性不足而產(chǎn)生的讓刀情況。”宋永輝補充說道。
圖6 山高 522 長刃精銑刀確保了優(yōu)質(zhì)的壁面光潔度
“通過采用整體合金銑刀進行滿刃切削和動力銑削編程方式的工藝，結(jié)合山高刀具高效優(yōu)質(zhì)的刀具方案，我們成功將游星架窗口結(jié)構(gòu)的加工時間從原來的80分鐘縮短為14分11秒，效率提升超過80%。”李雙全說道，“這類方法不僅僅優(yōu)化了一個零部件的加工，它在大余量切削、斷續(xù)切削等工藝領域都有著很大的推廣價值和借鑒意義。在今后，我們還會將工藝優(yōu)化、效率提升應用到更多的零部件加工中。”