重视刀具应用技术 提高切削加工效率
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从20世纪八十年代开始,在世界制造业的发展及制造技术进步的带动下,切削技术和刀具逐渐进入了高速、高效、创新工艺的发展新阶段,切削加工的效率成倍提高,为制造业的发展作出了重要贡献。创新、高效的切削工艺和刀具已成为制造业中汽车、航空航天、模具、电站设备制造等主要工业部门和装备制造业的基础工艺和关键技术。高速切削、干切削、硬切削等新的切削工艺正在改变一些行业的传统加工工艺,显现出强大的生命力。至今,应用创新的切削工艺和先进刀具,提高加工效率和加工质量、降低制造成本,从而提高企业的竞争实力,已成为工业发达国家机械加工企业的共识,也引起了我国机械加工企业的关注。因此,从抓刀具应用技术入手,提高企业切削刀具的应用水平,在我国具有重要的现实意义。
回顾美、德、日等制造强国发展的历程,它们无一例外都是切削技术和刀具的强国,即使在这些国家进入了信息化时代的今天,它们仍然是切削技术和刀具的领头羊。
今天,我国已成为世界的制造大国,并正在朝着建设制造强国的目标迈进。然而,我国的切削加工水平与世界先进切削技术相比,仍有较大差距。造成切削技术落后的原因,除了技术上的差距以外,还有长期以来形成的忽视切削技术和刀具的落后观念。企业通常把制造成本中的刀具费用压得很低,并把刀具采购人员能买到便宜的刀具视为其业绩,这些做法的实质是牺牲了加工效率来降低零件的制造成本。然而,切削加工的经济分析指出:由于刀具成本在零件制造成本中所占的比例仅为3%~5%,如果把刀具的购买价格降低30%,企业也只能节省1%的零件制造成本;但是如果购进性能优异的刀具,从而改善切削能力,提高加工效率(假设提高20%),那么就能节省15%的零件制造成本。至今,这个理论已经被很多切削加工的实例所证实。因此,更新观念是应用先进刀具提高切削加工效率的前提,只有观念新了,才能使像现代切削技术这样投资少、见效快的优质技术资源在我国的企业里找到用武之地。技术的差距和观念的落后不仅阻碍着我国制造业的发展,影响建设制造强国这个宏伟目标的实现,而且制约着企业的技术进步和竞争实力的壮大。因此,无论是为了实现建设制造强国的宏伟目标,还是为了企业自身的发展,都必须更新观念,加快开发和应用先进的切削技术和刀具。对于企业来说,提高刀具的使用技术和水平,不仅可以提高企业当前切削加工的效率,而且可为企业今后进一步开发和采用切削新技术打下基础,走上持续发展的道路。
在提高企业切削刀具应用水平的举措中,各企业的做法各不相同,但都可从以下三点入手。

株洲黑金刚刀片

山高Quattromill铣刀

Balzers的CrAlN涂层

采用新的刀具材料牌号

尽可能有针对性地采用新的刀具材料牌号,以更好地适应工件材料和切削条件。现代制造业中被加工材料覆盖着很广的范围,包括钢铁材料、有色金属及耐热合金、合成材料等,这些工件材料不仅大类之间其可切削性能有很大差异,而且每一大类材料内部也由于机械性能或金相组织的不同而出现可切削性的差异,如铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢,虽同属不锈钢,但可切削性也有差别。因此,有针对性地选用刀具材料牌号,才能收到“对症下药”的效果。不仅如此,使用者在面对车削、铣削、钻削等不同的加工工艺和高速精加工、低速粗加工等不同的切削条件时,也必须选用相应的牌号,才能达到理想的加工效果。正是出于这样的需求,刀具制造商加快了材料新牌号开发的速度。尽管,从宏观上看刀具材料还是这么几种,可是通过材料成份调整、制造工艺控制及与涂层的最佳搭配,可使刀具的切削性能在很宽的范围内得到调整,开发出众多不同性能、不同用途的牌号,以更加适应被加工材料和切削条件,达到提高切削效率的目的。
通常一种新牌号的开发,可提高切削效率20%以上。如山特维克公司专用于高速车削不锈钢的GC2015牌号,该牌号是具有表层富钴的、整体抗塑性变形和良好热硬性的硬质合金基体,加上专为此牌号而设计的TiN-TiN/Al2O3(多层)-TiCN复合涂层,并对涂层表面进行平滑处理,提高了刀片抗剥落和抗积屑瘤的能力,更加适合加工不锈钢,从而提高切削速度20%。又如肯纳金属公司仅就车削加工新推出的牌号就有:加工钢材的KC9110、加工不锈钢的KC9225、加工铸铁的KY1310、加工耐热合金的KC5410、加工非铁材料的KY1615,新牌号比老牌号平均可提高切削效率15%~20%。株洲钻石切削刀具股份有限公司新推出的黑金刚刀片系列,是专门加工铸铁的硬质合金刀片,包含4个牌号,分别应用于不同的场合:YBD052适用于干式高速加工灰铸铁、YBD102适用于高速加工球墨铸铁、YBD152适用于中高速或铣削加工、YBD252适用于中低速湿式铣削或断续切削。试验数据表明,这些新牌号比现有的牌号可提高切削速度30%~40%,具有显著的效果。可见,及时发现并应用新的牌号替代现有的牌号,应成为企业在提高切削加工效率方面一项经常性的工作。

选用先进的刀具结构

当前,随着刀具结构的创新速度加快,刀具制造商不断推出新结构的刀具,对提高切削效率发挥了重要的作用。在刀具结构方面有以下3个做法值得采用。
  1. 提高可转位刀具和涂层刀具的应用比例
    可转位刀具(包括部分机夹式刀具)和涂层刀具已是十分成熟的技术,在国外的企业里有很高的应用比例,但在我国多数的企业里这两者的应用比例都不高,有很大的推广应用空间。据可转位刀具推广应用工作做得比较好的企业估计,在推广了可转位刀具以后切削加工的效率平均提高了30%。此外,当前新开发的可转位刀具都有较大的前角,如山高公司的Quattromill平面铣刀,刀片槽是10°正前角,加上正前角的刀片槽形,安装后最大切削前角可达35°,显著降低了切削力和功率的消耗,为提高切削效率创造了有利的条件。Walter公司的Xtra·tec系列机夹刀片钻头、台肩铣刀和面铣刀的可转位刀片都有较大的前角,由于该系列刀具采用了该公司Quartec的材质和Tiger·tec的涂层技术,据称可提高切削效率100%。应用较大前角的可转位刀具适宜在我国大多数老企的旧机床上推广。
    时至今日,涂层技术已经进入新的发展阶段,成为现代高效刀具的重要标志,也已经成为快速提高刀具性能的有效途径,应用涂层刀具对提高企业的切削加工效率可产生立竿见影的效果。新开发的涂层有适应高速切削、干切削、硬切削的耐磨、耐热涂层,有适应断续切削的韧性涂层,还有适用于干切削及需要降低摩擦系数的润滑涂层。这些新型涂层能更好地满足多样化加工的需要。高性能涂层已突破了TiAlN系列涂层一统天下的局面,出现了Balzers公司的AlCrN涂层和日立公司的TiSiN、AlCrSiN、TiBON等新型涂层,这些涂层的显微硬度在3200~3600Hv之间,耐氧化温度在900~1100℃范围内,并且分别具有不同于TiAlN的独特性能。新涂层的开发进一步提高了涂层刀具的性能,也为用户提供了更多的选择余地。
  2. 努力创造条件,应用整体硬质合金圆形刀具
    用细颗粒、超细颗粒硬质合金制造的钻头、立铣刀、丝锥等圆形刀具与现在常用的同类高速钢刀具相比,切削速度可提高几倍,能在很大程度上提高加工效率。借助五轴联动数控工具磨床,现代的整体硬质合金圆形刀具不再是千篇一律的标准刀具,而是结构创新的特色刀具,因而此类刀具的性能有显著的提高,如美国SGS公司的不等螺旋角立铣刀,可有效地抑制铣削过程中的振动,从而提高加工质量和效率。又如日立公司的四刃圆角立铣刀,两个被称为副刃的外径略小于铣刀的公称尺寸,使四刃处在椭圆形的截面上,副刃与端刃连接形成的“圆”弧也是椭圆的一部分。切削时主刃与副刃分别切下不同长度、厚度的切屑,改变了切削力的周期性,抑制了刀具的振动,可使铣刀每齿进给量提高0.5~0.7mm,实现了高效加工。但是,整体硬质合金刀具的应用要求机床有较好的性能,对刀具的装夹也有特殊的要求,使用时应多加注意。
  3. 应用先进刀具,促进切削工艺革新
    现代切削技术进步的一个特点是,先进刀具的开发与切削工艺或加工方法的革新相结合,从更深层次上挖掘切削加工的潜力,推动切削工艺的进步。如用CBN刀具对淬硬工件的以车代磨的新工艺,效率更高,并且更有利于环保;用硬质合金螺纹铣刀铣削螺纹代替攻丝,由于避免了丝锥折断的弊病,可充分发挥硬质合金高速切削的优点,正在改变螺孔加工低速、低效的现状;专为模具工业开发的多功能铣刀、插铣刀、钻铣刀、小切深大进给铣刀等新型刀具改变了传统的模具加工方法,为提高模具加工的效率起到了重要的作用。此外,为汽车行业加工曲轴而开发的车—车拉刀、高速铣刀和为航空部门加工飞机铝合金构件开发的高速铣削等新工艺都推动了这些行业加工技术的革新,取得了显著的效果。

发挥刀具制造商的作用

现阶段企业提高刀具应用技术的工作应更多地依靠刀具制造商的帮助。现代刀具制造商掌握着大量的切削技术资源和信息,并确立了为用户提高切削加工效率的经营宗旨。他们是切削技术社会化的专业队伍,他们强大的科研力量、巨额的开发经费、现代化的工艺装备、先进的经营理念推动了现代切削技术的进步。加强与刀具制造商的合作,在他们的帮助下使企业提高刀具的应用水平和加工效率,缩短交货周期,这已是国外刀具用户企业取得竞争优势的秘诀。我们应仿而效之,尤其像加工奥氏体不锈钢、钛合金、镍合金等难加工材料,更需要依靠刀具制造商充分发挥其在刀具材料、涂层、刀具设计等方面的优势,应用积累的加工经验,才能取得好的效果。我国的刀具制造商也应进一步加快经营理念的转变,提高为用户服务的本领,成为用户可信赖的合作伙伴。
本文作者:成都工具研究所 赵炳桢
原载:《工具展望》
上载于:2006-5-16 20:18:22

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