現(xiàn)代刀具切削加工技術(shù)的重要發(fā)展趨勢
發(fā)布日期:2022-12-22
| （一）中國制造業(yè)快速發(fā)展和重點用戶行業(yè)對刀具的需求
從世界范圍觀察中國制造業(yè)的發(fā)展可以看出，中國制造業(yè)近年發(fā)展迅速。對刀具行業(yè)來說，這意味極大的市場。而在這種背景下，中國低水平的制造成本是公認(rèn)的事實。從勞動生產(chǎn)率看，有統(tǒng)計資料表明，中國和德、美、日等發(fā)達(dá)國家相比，大約差距3～5倍。
如此大的市場，低水平的勞動生產(chǎn)率，再加上制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，對刀具行業(yè)來說，既是機(jī)遇，更是挑戰(zhàn)。市場對刀具的需求，不僅是量的增長，更重要的是質(zhì)的提高。從用戶行業(yè)看，有七大行業(yè)對刀具的需求量最為顯著。
其一是發(fā)電設(shè)備制造業(yè)。在全球能源供應(yīng)逐日緊張，石油價格持續(xù)上漲等背景下，對發(fā)電設(shè)備的需求已越來越明顯。在發(fā)電設(shè)備制造過程中，僅花在刀具部分的成本就非常可觀。
模具制造業(yè)也是刀具用量最大的行業(yè)之一。在模具制造過程中，成型模、熱作模、冷作模、塑模等幾乎所有環(huán)節(jié)中都需要用到刀具。此外，汽車、高速列車、一般機(jī)械制造業(yè)、以及近年來逐漸擴(kuò)大用量的木材加工業(yè)都已成為刀具行業(yè)的主要用戶。
航空航天業(yè)是最傳統(tǒng)也是最為重要的刀具應(yīng)用領(lǐng)域。在該行業(yè)中，刀具一般用來切削飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。這些結(jié)構(gòu)件一般體積較大，過去大量采用鋁合金。隨著鈦合金、復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對刀具加工的要求也越來越高。
作為國家重點扶持工業(yè)之一，近年來，政府已投入大量資金用于航空航天業(yè)大型客機(jī)的研發(fā)。這些研發(fā)是方方面面的，我們抽出與刀具有關(guān)的方面來分析，著重研討結(jié)構(gòu)件材料的使用。
從最新的波音787機(jī)身可以看出，過去大量采用鋁合金直接覆蓋的方法已逐漸被舍棄，取而代之的是復(fù)合材料的直接鋪設(shè)和纏繞。此外，鈦合金的用量也在增加。與過去相比，新的方法可大大降低飛機(jī)重量，節(jié)省燃油和能耗，對大型客機(jī)來說，這一點尤其重要。
鈦合金是公認(rèn)的難加工材料。只需要鋪設(shè)和纏繞的復(fù)合材料看似不需要很大的加工量，但是對加工質(zhì)量的要求卻越來越高。對刀具行業(yè)來說，這都是不小的挑戰(zhàn)。
除了機(jī)身結(jié)構(gòu)件外，對飛機(jī)發(fā)動機(jī)的加工也是一個難點。發(fā)動機(jī)一般采用難加工材料制成，形狀復(fù)雜，需要切槽鉆孔、葉片加工等工序，對刀具的實際切削效果要求非常高。此外，為滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高質(zhì)量要求，一般情況下都選用整體毛坯來加工，90%以上的材料都將被切除掉，由于加工量大，因此對加工效率要求極高。
（二）切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢
從刀具發(fā)展歷程看，從十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期，刀具材料以高速鋼為主要代表；1927年德國首先研制出硬質(zhì)合金刀具材料并獲得廣泛應(yīng)用；二十世紀(jì)50年代，瑞典和美國分別合成出人造金剛石，切削刀具從此步入以超硬材料為代表的時期。二十世紀(jì)70年代，人們利用高壓合成技術(shù)合成了聚晶金剛石（PCD），解決了天然金剛石數(shù)量稀少、價格昂貴的問題，使金剛石刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個領(lǐng)域。
刀具材料的選擇是切削加工成功的基礎(chǔ)。與硬質(zhì)合金相比，PCD刀具速度可達(dá)4000m/min，而硬質(zhì)合金只有其1/4。從壽命上看，PCD刀具一般能提高20倍。從加工出的表面質(zhì)量看，PCD的效果比硬質(zhì)合金要好30%～40%。此外，CBN（立化氮化硼）超硬材料刀具和表面涂層刀具的發(fā)展對推動切削加工技術(shù)的進(jìn)步也功不可沒。
一百多年來，刀具的切削速度不斷提高，帶來了加工效率的變化，進(jìn)一步帶來了加工范圍的拓展。切削加工發(fā)展的最大標(biāo)志，就是高速切削加工（high speed cutting，簡稱HSC）的發(fā)展。
一個高速切削加工系統(tǒng)所涉及的方面很多。僅從加工過程上看，傳統(tǒng)的切削加工，一個被加工工件（如模具），需要經(jīng)過毛坯退火—粗加工—精加工—淬火—EDM準(zhǔn)備—電火花加工—特別的精加工—人工拋光等程序。而高速加工僅需要毛坯淬火—粗加工—半精加工—精加工以及超精加工等環(huán)節(jié)，從步驟上來說就減少了三個，加工時間比傳統(tǒng)加工方法縮短30%～50%左右；在加工小尺寸部件時，這種優(yōu)勢尤其明顯。更有甚者，過去某些企業(yè)制作復(fù)雜的模具，基本上都需要3、4個月才能交付使用，采用高速切削加工后，只需要半個月便可完成。
一個高速切削加工系統(tǒng)，由刀具和技術(shù)兩部分組成。與刀具相關(guān)的因素有刀具材料的選擇、刀具系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、刀具需加工的邊緣形狀。而與技術(shù)密切相關(guān)的是CAD/CAM系統(tǒng)的選擇、刀具加工路徑的規(guī)劃、切削參數(shù)的設(shè)置以及冷卻與潤滑環(huán)節(jié)。
自高速切削普及以來，從1950年至2000年的半個世紀(jì)內(nèi)，加工效率提高了4～5倍。當(dāng)然，需要提到的是，高速切削一般是由其加工物件來定義其“高速”的范圍。
刀具在全部加工成本中所占比重并不大。我們以汽車業(yè)某制造過程為例來分析：機(jī)床等設(shè)備投資占總成本35%，設(shè)備工作時的能耗占7%，企業(yè)的正常運營成本占27%，冷卻及潤滑成本占17%，直接人工占9%，刀具占4%。無獨有偶，機(jī)床加工鋁合金工件的批量生產(chǎn)成本中，冷卻及潤滑占16%，刀具4%，其他加工成本占80%�？梢钥闯觯毒咴谡麄�成本中，僅占了極小的一部分。但是，不可忽視的是，這4%成本的刀具，卻可能影響到10%～15%的整體加工效率。
對刀具來說，最關(guān)鍵的因素有三個：成本、壽命、效率。有實驗表明，若刀具成本降低30%，整體成本大約降低1%；若提高50%的刀具壽命，整體成本大約降低1%；但是，若盡可能的優(yōu)化切削參數(shù)，提高20%的刀具加工效率，那么，每一個工件整體成本能降低15%以上。
當(dāng)然，要全面提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，不僅應(yīng)通過高速切削減少工件的切削加工時間，還需大力壓縮加工輔助時間（含機(jī)床調(diào)整、程序運行檢查、空行程、起制動空運轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾、換刀等時間）、待機(jī)時間和故障停機(jī)時間，因為在多品種小批量生產(chǎn)條件下，機(jī)床的有效切削時間一般只占其全部工時的25%～35%�？梢姡咚偾邢魍�，如何更加有效的加工，是制造業(yè)面臨的重要課題之一。
目前，綠色加工技術(shù)已成為全球的熱點，這個綠色，包括了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效。從環(huán)保角度看，一方面是高速高效加工帶來能耗的降低，另一方面，冷卻液與潤滑液的選擇是非常關(guān)鍵。如上所述，冷卻液的成本在整體成本中所占比例頗高，達(dá)到16%左右。潤滑與冷卻的效果與整體的加工效率也非常相關(guān)，尤其是對難加工材料，如鈦合金，切削到一定程度后，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。隨高速切削的發(fā)展，冷卻液澆注時，刀具經(jīng)常出現(xiàn)熱裂的情況，導(dǎo)致刀具壽命降低，這一點需要改進(jìn)。
總之，在加工技術(shù)中，高精度、高效率、低成本、環(huán)保，及結(jié)果的可預(yù)見性，都將是明顯的趨勢。這個可預(yù)見性，是指加工結(jié)果必須是可預(yù)測的、可控制的，而不是隨機(jī)的。這就要求操作者對加工技術(shù)有更深的理解。
（三）對現(xiàn)代制造方式的探討
何謂現(xiàn)代制造？首先是硬件方面的現(xiàn)代，這包括先進(jìn)的機(jī)床、數(shù)控加工系統(tǒng)、先進(jìn)刀具的使用；在軟件方面，一是冷卻及潤滑技術(shù)及條件的改進(jìn)，二是切削參數(shù)的優(yōu)化（即加工技術(shù)的優(yōu)化）。我國航空航天業(yè)，政府投資購進(jìn)了大量國際先進(jìn)設(shè)備，但是發(fā)現(xiàn)仍然不能實現(xiàn)很好的高效加工。經(jīng)過反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)是軟件方面需要做出改進(jìn)�？梢�，現(xiàn)代制造不僅僅需要投資大量的先進(jìn)儀器設(shè)備，更應(yīng)該在知識及先進(jìn)技術(shù)方面更好地進(jìn)行武裝。
切削參數(shù)方面的調(diào)整，在不同企業(yè)有不同做法，是見仁見智的事情，這里就不再贅述。從刀具本身來說，最重要的，是提高刀具的使用壽命。如上所述，刀具使用壽命與冷卻潤滑的條件與方式息息相關(guān)。高速切削同時促進(jìn)了綠色的冷卻/潤滑技術(shù)。這里介紹一項關(guān)于冷卻潤滑的新技術(shù)。如果把氮氣加上冷的油霧潤滑（10°C以下），可提高刀具壽命10倍。同時，可提高加工效率，減少污染，提高表面加工質(zhì)量。特別適合難加工材料，如鈦合金的加工。
加工時產(chǎn)生的偏差，直接影響工件的切削加工質(zhì)量。導(dǎo)致加工偏差的因素很多，比如工件內(nèi)應(yīng)力的分布、工件的安裝與夾緊、工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、刀具變形程度、機(jī)床的精度、剛度與熱特性、工件受力變形、工件熱變形等。
舉例來說，在對飛機(jī)部件進(jìn)行高速高效高精加工，以實現(xiàn)薄壁整體式結(jié)構(gòu)時，為避免發(fā)生加工偏差，最重要的是保證低切削力，低熱偏差，及更高的材料移動率。對應(yīng)零件的剛度施以相應(yīng)的銑削力，也是加工時需要注意的關(guān)鍵問題。
綜上所述，中國制造業(yè)正面臨一個超大市場需求，同時低勞動力成本，低生產(chǎn)率水平，技術(shù)的不斷進(jìn)步，都給我們帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。不可否認(rèn)，高質(zhì)量、高效率、低成本以及環(huán)保都是現(xiàn)代制造的趨勢。同時，提高生產(chǎn)效率也就意味經(jīng)濟(jì)上的更多考慮。要實現(xiàn)現(xiàn)代制造，需要在硬件和軟件上同時下功夫，這包括投資先進(jìn)的機(jī)床、數(shù)控加工、先進(jìn)的刀具，也包括切削參數(shù)的優(yōu)化、冷卻及潤滑條件的改進(jìn)。
|
