现代切削技术的发展机制及技术特征
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从20世纪明年代开始,切削技术在工业发达国家获得了快速发展,至20世纪末对世纪初进人了以高速切削、高效切削为主要技术特征的“现代切削技术”新阶段。回顾历史,切削加工成为一门专业技术始于19世纪末20世纪初,至今已走过了整整一个世纪的历程。自切削技术问世后,就一直作为制造技术的基础工艺,发挥着重要作用,为工业发达国家的工业化及经济发展做出过重要贡献。尽管在此过程中,切削技术本身也取得了不小的进步,但是直至20世纪六七十年代,总体上并没有超越传统切削技术的范畴,其最突出的标志是刀具的开发及生产与刀具的使用及用户基本上是相互分离的,没有形成相互促进、共同发展的机制。
进入20世纪后半叶以来,由于计算机、微电子等新兴科学技术以及与切削技术紧密相关的材料科学的快速发展,切削技术随着制造业的发展和制造技术的进步也得到了快速发展,并进入了现代切削技术的新阶段。与传统的切削技术相比,现代切削技术不仅体现为切削速度更快、加工效率更高,而且形成了新的发展机制和模式,显现出新的技术特点,成为推动制造业和现代制造技术发展的重要技术因素。
因此,认识和掌握现代切削技术的发展机制和模式及其技术特点,有利于加快我国切削技术的发展。

现代切削技术的发展机制

在切削技术问世后相当长的一段时期内,有一个问题始终困扰着工具行业和刀具用户,那就是,如果使用价格较贵的好刀具进行切削加工,虽然可以提高切削效率,但会增加制造成本,用户认为得不偿失。因此,许多用户舍不得花较多的钱买好的刀具,或者买了好刀后担心刀具很快用坏,将刀具寿命定得很长。这些观念和做法阻碍了刀具的更新,影响了刀具制造商开发新刀具的积极性,制约着切削效率的提高和切削技术的进步。

图1 制造成本模型
一个制造经济学的成本模型(见图1)揭示了应用好的刀具与降低制造成本之间的内在关系。这一模型将零件制造成本分解为刀具费用、一般管理费用(与加工相关的间接费用)和加工费用(机床使用费、工人工资等),其中刀具费用只占3%~4%,一般管理费用占25%左右,而加工费用会高达70%。
根据这一成本比例,可得出以下结论:如果消极地追求降低刀具费用,其结果只能降低零件制造成本中很少的百分数,例如降低刀具费用50%,零件制造成本也只能下降约2.5%,且末考虑因使用廉价刀具而增加停机时间或降低切削用量可能增加的成本费用。如果使用好的刀具,虽然刀具费用可能增加,但由于可以提高切削速度或进给量——譬如提高20%——则可使占零件制造成本70%的加工费用下降10%以上,大大高于由节省刀具费用所产生的2.5%的效益。目前在切削行业较为通行的说法是:提高切削速度或进给速度15%~20%,可以降低制造成本10%~15%。许多成本分析案例还表明,尽管好的刀具价格较贵,但由于提高了加工效率,分摊到每一工件上的刀具费用不但没有增加,甚至有所减少。
该成本分析模型还告诉我们,使用好的刀具时,如果不注重提高切削效率而只是追求延长刀具寿命,对于降低制造成本只能收到十分有限的效果,甚至可能适得其反。
瑞典山特维克公司根据类似的制造成本分析模型及美国制造业的规模作出了以下预测:如果美国制造业推广应用性能更好的刀具,使切削速度普遍提高20%,那么每年可节省加工费用150亿美元。美国每年消耗刀具费用约30亿美元,如果为此而增加三分之一的刀具投入,也仅多花费10亿美元,然而却可产生150亿美元的效益。由此可见,切削刀具的创新可起到“四两拨千斤”的功效。
根据我国的情况,中国机械工业金属切削刀具技术协会于2004年提出在全国开展“中国刀协20工程”,旨在通过人才培训、现代切削技术及先进刀具的推广,通过切削行业“产、学、研、用”的共同努力,将我国机械加工的切削效率提高20%。如果为此我国的刀具费用需要翻一番,约需增加刀具费用100亿元人民币,而通过提高切削效率20%,全国则可节省加工费用800~1000亿元人民币。现在已有少数企业的案例证明,通过努力,提高切削效率20%甚至更多是完全可能的。
目前,上述模型和一系列数字、案例所揭示的提高切削技术与为用户和社会创造可观效益的内在联系,已被越来越多的刀具制造商和刀具用户所认识和接受,并转化为推动切削技术进步的强大动力,在短短20年左右的时间里,将切削技术推上了现代切削技术的新阶段。
现在的情况是:一方面,上述成本模型给予刀具制造商很大鼓舞,并据此确立了“创新工艺,创新刀具,提高切削效率,为用户服务”的全新经营理念,为切削这门传统制造工艺技术注入了新的生命力,使刀具制造商成为发展现代切削技术的主力军;另一方面,这一成本模型也被越来越多的刀具用户所接受,形成了“积极采用切削技术新成果,应用先进切削刀具提高加工效率,降低制造成本,提高企业竞争力”的新思维,使制造业对先进刀具的重视和需求达到了空前的程度,成为拉动切削技术快速发展的强大力量。这种“拉动”不是对切削技术发展的简单加速,而是赋予了切削技术新的发展机制和动力,使其从与使用脱节的传统切削技术过渡到面向用户需求、与使用紧密结合的现代切削技术新阶段。

现代切削技术的技术特征

切削加工进人现代切削技术新阶段,不仅反映在将切削技术的发展建立在刀具制造商与刀具用户相互联动的机制上,而且还在此基础上表现出以下明显的技术特征。
  1. 高速切削、高效切削、硬切削、干切削等新的切削工艺全面突破了传统切削技术在提高加工效率方面遇到的技术障碍,从整体上改变了切削加工面貌
    这些新工艺应用于汽车、航空、模具、装备制造业等切削加工“大户”,不仅成倍提高了加工效率,而且推动了产品开发和工艺革新。例如,航空制造业出现铝合金构件高速铣削工艺后,使飞机大型结构件不必再用组件进行装配,而可以用整体薄壁铝合金构件替代,不但减轻了构件重量,增加了构件强度和刚性,而且提高了加工质量,降低了制造成本。以大批量生产为特点的汽车工业更是研发和应用切削新工艺的先锋,开发了许多加工发动机、变速箱等主要零部件的高效新工艺,使生产节拍时间大大缩短。近年来,快速发展的模具工业可以说是与高效模具切削工艺一同成长,大型模具高速铣削和淬硬模具铣削工艺改变了传统的模具加工工艺,大大缩短了模具开发周期,为适应模具工业快速发展的需要,已形成了专门面向模具加工的“模具刀具”新系列,成为现代切削刀具中发展最快的门类。

    图2 淬硬钢的切削加工
    与此同时,传统的车、铣、钻等切削工艺的界限不断被打破,出现了一些新的切削加工方法。如新推出的铣刀可作为孔加工刀具进行钻孔和扩孔,减少了换刀时间,提高了加工效率;又如能高效去除模腔金属的插铣刀、加工曲轴的车- 车拉工艺、在复合车削中心上以铣代车的铣车工艺、用硬质合金螺纹铣刀代替硬质合金丝锥的螺纹高速加工工艺等等。切削工艺不断推陈出新,呈现出蓬勃生机,开拓着制造技术的新领域。
    此外,随着各种复合机床及“一台机床或一次装夹完成全部加工”技术的发展,将进一步改变切削加工的传统概念。
  2. 刀具材料和涂层技术取得了重大进展,为现代切削技术的诞生奠定了重要物质基础
    高速切削、高效切削、硬切削、干切削的实用化首先应归功于刀具材料的改进和涂层技术的发展。刀具材料的发展反映在各种刀具材料性能的全面进步上,使切削加工各领域的加工效率全面提高。其中,特别要强调两种刀具材料的进展,即超硬刀具材料PCD、CBN和硬质合金材料的进步。
    PCD、CBN材料具有高硬度和特别好的耐磨性,曾被寄希望于成为高速切削的推动者,但由于其性脆,在问世后相当长一段时期内,其实用化进程缓慢。近年来,通过对PCD、CBN材料制造工艺、配方成分、组织粒度等因素的控制和调整,材料韧性得到显著改善,品种增多,应用领域扩大,使应用超硬刀具材料进行高速切削的希望变成了现实。PCD在铝合金等有色金属、石墨、合成材料等非金属材料的高速、高效切削加工中发挥着独特的优势;CBN在铸铁的高速加工以及硬切削。干切削新工艺的开发和应用中也显现出优越的切削性能。新型的CBN刀具不仅用于淬硬件的精加工,而且也可用于断续切削和粗加工,为切削技术新的发展带了更大预期。

    图3 用CBN刀具车削大轧辊
    硬质合金作为刀具材料,也一直存在着硬度与韧性的矛盾。尽管多年来它在车削、铣削、孔加工等切削工序中的应用为全面提高加工效率发挥了重要作用,但其韧性差的缺陷并未得到显著改善。进入20世纪80年代以后,细颗粒、超细颗粒硬质合金的开发使硬质合金的韧性有了极大提高,从而可用于制作钻头、立铣刀、丝锥等量大面广的通用刀具,使通用刀具的加工效率大幅度提高。如今,用超细颗粒硬质合金制造的整体硬质合金钻头、立铣刀已得到普遍应用,切削速度比高速钢刀具可提高数倍,从而使硬质合金真正成为应用面最广、综合性能最好的刀具材料。硬质合金材料的另一个重大进展是梯度硬质合金材料的开发,使涂层硬质合金刀片基体的表层富钻,提高了硬质合金刀片刃口的韧性,不仅减少了崩刃,而且可以采用抗塑性变形好的基体材料,提高了刀片的承载能力,显著改善了涂层硬质合金刀片的切削性能。
    刀具涂层技术的诞生及其应用被称为是切削技术发展史上的里程碑,但是涂层技术取得重大进展则是近十多年的事。在CVD涂层领域,中温CVD的TiCN及厚膜Al2O3涂层提高了刀片的耐磨性和抗裂纹扩展能力。PVD涂层的发展尤为引人注目,不仅出现了TiAiN、Al-TiN、AlCrN、TiSiN、Al2O3等耐磨涂层,还有MOS2、DLC、WC/C等各种润滑涂层,以及梯度涂层、纳米涂层等新的涂层结构,使涂层的性能大为提高。耐磨涂层的显微硬度达到4500Hv,开始氧化温度达到1100℃,涂层与基体结合强度更好,刀具寿命成10倍地提高;而润滑涂层在减少刀具摩擦、有利切屑排除等方面效果显著,可降低刀具温度,提高刀具切削性能。目前,涂层技术的发展势头方兴未艾,以其功能多、效果好、开发快等优势,成为当前提高刀具切削性能最有效的手段,发展前景十分广阔。
    还需指出,新型刀具材料(尤其是硬质合金)和涂层技术的重大进展是构成现代切削技术的重要物质基础,并且是支持现代切削技术持续发展的核心技术,对切削技术的发展起着主要推动作用。目前世界上著名工具企业的成长和发展无不建立在这两项核心技术的基础之上。认识这一点对于规划我国工具工业的发展方向具有重要意义。目前我国只有个别刀具制造商拥有硬质合金材料和涂层技术这两种核心资源,这种现状与现代切削技术发展的要求很不相称,必须加以改变。我国是钨资源大国,开发生产刀具材料有着得天独厚的条件,发展先进刀具材料,将资源优势转变为产品优势、竞争优势,是中国工具工业的重任;创建不断创新的刀具材料品牌应成为中国工具工业的特色和强项,从而为发展我国甚至推进世界切削技术的进步发挥应有的作用。
  3. 在“对症下药”、系统优化的观念指导下,刀具新牌号、新产品的创新速度大大加快,为制造业不断提供新的效率资源
    刀具作为一种工具,是制造系统中最具活力的工艺因素,处于不断创新的过程中。在现代切削技术阶段,刀具的发展有两大特点:一是创新速度加快。两年一届的北京国际机床展(CIMT)已成为世界各国刀具制造商的“新产品发布会”,新的材料牌号、新的涂层产品、新的刀具(片)结构、新的刀具桶及装夹技术、新的加工方法等层出不穷,使参观者目不暇接。这些新产品或者提高切削速度,降低制造成本,或者提高加工质量,各具特色。在2005年第9届CIMT展会上,美国肯纳公司的专家告诉我们:”肯纳公司2001年的销售额中5年内开发的新产品占17%,而到2004年这一比例上升至45%,现在每1~2周就有新产品投放市场。”根据一些著名刀具公司的信息,其销售额中5年内开发的新产品都占到50%左右,有的公司称其3年内开发的新产品要占到35%。山特维克公司2005年在北京的一次新产品发布会推出的新产品就有600种。肯纳公司2004年共投放了大约9000个不同规格的新产品。
    二是确立了系统优化的创新思路。众所周知,切削加工因为不同的加工零件、性质多变的工件材料及具体的加工条件而千差万别,呈现出多样性和复杂性。要取得好的加工结果,应该采用最适合具体加工对象的刀具。对刀具材料、涂层和刀片槽形、几何参数或结构进行系统优化,有针对性地开发出适用的刀具,方能取得最佳的切削效果。在系统优化的基础上,现在新开发一种涂层硬质合金牌号往往可比原有牌号提高切削效率20%以上,有的甚至可达50%以上。一种新的刀具产品能提供一种新的加工效果,或显著提高加工效率,如近年来流行的大进给铣刀,每齿进给量达3.5~4.0mm,为一般铣刀的10倍;又如括光车削刀片的进给量可提高一倍。有的刀具具有多功能的特点,可以减少换刀时间,提高机床利用率,如多功能铣刀可完成倒角、铣平面、铣台肩、铣斜坡、铣孔等8种工序;又如多功能螺纹铣刀可以连续完成钻孔、铣空刀、倒角、铣螺纹等4道工序,一次走刀即可在实心材料上加工出螺纹孔。有的刀具具有减小切削力、抑止切削振动。有利于排屑等功能,可产生延长刀具寿命、提高加工质量的效果。这些建立在切削原理基础上优化开发的新产品具有强大的生命力,不断演奏出现代切削技术的新乐章。

    图4 株洲钻石切削刀具股份有限公司加工铸铁的“黑金刚”刀片
    我国工具工业必须大力提高自主创新能力,为建设创新型国家起到应有的作用。为此,首先需要树立“为用户服务”的经营理念,这里的为用户服务不是一般商品“售后服务”的概念,而是为用户提供加工问题解决方案、开发新工艺和新刀具的全面服务。供需双方的这种服务关系不仅可使刀具用户充分享用优良的技术资源,同时也使刀具制造商获得了取之不竭的创新源泉,加快了自主创新的过程。中国的刀具制造商必须转变观念,建立为用户服务的体制,锻炼为用户服务的本领,逐步成为现代工具工业的合格成员。
  4. 现代切削技术的内涵扩大
    切削加工进入现代切削技术新阶段以后,相应出现了许多新的相关技术,并成为现代切削技术不可缺少的组成部分,使切削技术的内涵扩大。例如,高速切削技术首先应用于旋转刀具,主要是铣削加工,早期曾把主轴转速超过10000 转/分作为高速切削的门槛,围绕着这一目标,开发的与加工中心相关的技术包括高速主轴、快速进给、高的加(减)速技术以及适合高速切削的数控系统等;开发的与刀具相关的技术包括HSK(空心短锥柄)刀柄、7:24两面接触刀柄、高速旋转刀具的安全技术(包括刀具的结构、安全认证、安全使用等)和刀具动平衡技术(包括可调平衡的刀具和刀柄、刀具动平衡规范、动平衡测试仪器等)。为了用整体硬质合金通用刀具进行高速加工,需要提高刀具装夹的精度和刚性,先后开发了液压夹头、热装夹头、力缩夹头等新型刀具夹头及刀具装调技术。
    此外,为了提高刀具利用率,降低刀具管理成本,还开发了刀具管理软件、切削数据库等配套技术,用现代信息技术提高切削加工的整体水平。目前,除了有专业化公司开发和生产这些配套技术及产品外,一些大型综合性刀具制造商也把它们列入常规产品系列中,形成配套供应优势,保持与刀具产品同步发展。可以说,没有这些配套技术,就谈不上现代切削技术。
    今天,我们正处在一个切削技术快速发展的时期,这也是刀具工业大有作为的时代。我国是一个切削技术相对落后的国家,现有的技术和产品已经满足不了制造业重要工业部门对先进刀具的需求,我国用于数控机床和引进生产线上的高档刀具主要依赖进口,每年进口刀具的金额已占总需求量的一半。因此,加快切削技术的发展,充分利用先进刀具的优质资源,对于我国建设制造强国和完成新型工业化的历史任务,实现振兴装备制造业的目标,不仅具有重大的现实意义,而且日益紧迫。
本文作者:成都工具研究所 赵炳桢
原载:《工具展望》2006年第2期
上载于:2007-1-26 15:11:51

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