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2006-08-25 11:53 |
現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展及技術(shù)特征
成都工具研究所 趙炳楨 +AK:(r
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從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，切削技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家獲得了快速發(fā)展，至20世紀(jì)末21世紀(jì)初進(jìn)入了以高速切削、高效切削為主要技術(shù)特征的“現(xiàn)代切削技術(shù)”新階段。回顧歷史，切削加工成為一門(mén)專業(yè)技術(shù)始于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，至今已走過(guò)了整整一個(gè)世紀(jì)的歷程。自切削技術(shù)問(wèn)世后，就一直作為制造技術(shù)的基礎(chǔ)工藝，發(fā)揮著重要作用，為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)化及經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出過(guò)重要貢獻(xiàn)。盡管在此過(guò)程中，切削技術(shù)本身也取得了不小的進(jìn)步，但是直至20世紀(jì)六七十年代，總體上并沒(méi)有超越傳統(tǒng)切削技術(shù)的范疇，其最突出的標(biāo)志是刀具的開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)與刀具的使用及用戶基本上是相互分離的，沒(méi)有形成相互促進(jìn)、共同發(fā)展的機(jī)制。 # '>?:k
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進(jìn)入20世紀(jì)后半葉以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)、微電子等新興科學(xué)技術(shù)以及與切削技術(shù)緊密相關(guān)的材料科學(xué)的快速發(fā)展，切削技術(shù)隨著制造業(yè)的發(fā)展和制造技術(shù)的進(jìn)步也得到了快速發(fā)展，并進(jìn)入了現(xiàn)代切削技術(shù)的新階段。與傳統(tǒng)的切削技術(shù)相比，現(xiàn)代切削技術(shù)不僅體現(xiàn)為切削速度更快、加工效率更高，而且形成了新的發(fā)展機(jī)制和模式，顯現(xiàn)出新的技術(shù)特點(diǎn)，成為推動(dòng)制造業(yè)和現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)因素。 f[qPG&
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因此，認(rèn)識(shí)和掌握現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展機(jī)制和模式及其技術(shù)特點(diǎn)，有利于加快我國(guó)切削技術(shù)的發(fā)展。 9Q@*0 -
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現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展機(jī)制 6;JP76PD
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在切削技術(shù)問(wèn)世后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，有一個(gè)問(wèn)題始終困擾著工具行業(yè)和刀具用戶，那就是，如果使用價(jià)格較貴的好刀具進(jìn)行切削加工，雖然可以提高切削效率，但會(huì)增加制造成本，用戶認(rèn)為得不償失。因此，許多用戶舍不得花較多的錢(qián)買(mǎi)好的刀具，或者買(mǎi)了好刀后擔(dān)心刀具很快用壞，將刀具壽命定得很長(zhǎng)。這些觀念和做法阻礙了刀具的更新、影響了刀具制造商開(kāi)發(fā)新刀具的積極性，制約著切削效率的提高和切削技術(shù)的進(jìn)步。 (/fT]6(
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一個(gè)制造經(jīng)濟(jì)學(xué)的成本模型揭示了應(yīng)用好的刀具與降低制造成本之間的內(nèi)在關(guān)系。這一模型將零件制造成本分解為刀具費(fèi)用、一般管理費(fèi)用（與加工相關(guān)的間接費(fèi)用）和加工費(fèi)用（機(jī)床使用費(fèi)、工人工資等），其中刀具費(fèi)用只占3%～4%，一般管理費(fèi)用占25%左右，而加工費(fèi)用會(huì)高達(dá)70%。 y~p4">]
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根據(jù)這一成本比例，可得出以下結(jié)論：如果消極地追求降低刀具費(fèi)用，其結(jié)果只能降低零件制造成本中很少的百分?jǐn)?shù)，例如降低刀具費(fèi)用50%，零件制造成本也只能下降約2.5%，且未考慮因使用廉價(jià)刀具而增加停機(jī)時(shí)間或降低切削用量可能增加的成本費(fèi)用。如果使用好的刀具，雖然刀具費(fèi)用可能增加，但由于可以提高切削速度或進(jìn)給量——譬如提高20%——?jiǎng)t可使占零件制造成本70%的加工費(fèi)用下降10%以上，大大高于由節(jié)省刀具費(fèi)用所產(chǎn)生的2.5%的效益。目前在切削行業(yè)較為通行的說(shuō)法是：提高切削速度或進(jìn)給速度15%～20%，可以降低制造成本10%～15%。許多成本分析案例還表明，盡管好的刀具價(jià)格較貴，但由于提高了加工效率，分?jǐn)偟矫恳还ぜ系牡毒哔M(fèi)用不但沒(méi)有增加甚至有所減少。 CT}' ")Bm
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該成本分析模型還告訴我們，使用好的刀具時(shí)，如果不注重提高切削效率而只是追求延長(zhǎng)刀具壽命，對(duì)于降低制造成本只能收到十分有限的效果，甚至可能適得其反。 {NeWdC
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瑞典山特維克公司根據(jù)類(lèi)似的制造成本分析模型及美國(guó)制造業(yè)的規(guī)模作出了以下預(yù)測(cè)：如果美國(guó)制造業(yè)推廣應(yīng)用性能更好的刀具，使切削速度普遍提高20%，那么每年可節(jié)省加工費(fèi)用150億美元。美國(guó)每年消耗刀具費(fèi)用約30億美元，如果為此而增加三分之一的刀具投入，也僅多花費(fèi)10億美元，然而卻可產(chǎn)生150億美元的效益。由此可見(jiàn)，切削刀具的創(chuàng)新可起到“四兩撥千斤”的功效。 @xJCn}`Zj
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根據(jù)我國(guó)的情況，中國(guó)機(jī)械工業(yè)金屬切削刀具技術(shù)協(xié)會(huì)于2004年提出在全國(guó)開(kāi)展“中國(guó)刀協(xié)20工程”，旨在通過(guò)人才培訓(xùn)、現(xiàn)代切削技術(shù)及先進(jìn)刀具的推廣，通過(guò)切削行業(yè)“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的共同努力，將我國(guó)機(jī)械加工的切削效率提高20%。如果為此我國(guó)的刀具費(fèi)用需要翻一番，約需增加刀具費(fèi)用100億元人民幣，而通過(guò)提高切削效率20%，全國(guó)則可節(jié)省加工費(fèi)用800～1000億元人民幣。現(xiàn)在已有少數(shù)企業(yè)的案例證明，通過(guò)努力，提高切削效率20%甚至更多是完全可能的。 |yAK@ Hl'
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目前，上述模型和一系列數(shù)字、案例所揭示的提高切削技術(shù)與為用戶和社會(huì)創(chuàng)造可觀效益的內(nèi)在聯(lián)系，已被越來(lái)越多的刀具制造商和刀具用戶所認(rèn)識(shí)和接受，并轉(zhuǎn)化為推動(dòng)切削技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)大動(dòng)力，在短短20年左右的時(shí)間里，將切削技術(shù)推上了現(xiàn)代切削技術(shù)的新階段。 QUPf *3Oy
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現(xiàn)在的情況是：一方面，上述成本模型給予刀具制造商很大鼓舞，并據(jù)此確立了“創(chuàng)新工藝，創(chuàng)新刀具，提高切削效率，為用戶服務(wù)”的全新經(jīng)營(yíng)理念，為切削這門(mén)傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)注入了新的生命力，使刀具制造商成為發(fā)展現(xiàn)代切削技術(shù)的主力軍；另一方面，這一成本模型也被越來(lái)越多的刀具用戶所接受，形成了“積極采用切削技術(shù)新成果，應(yīng)用先進(jìn)切削刀具提高加工效率，降低制造成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力”的新思維，使制造業(yè)對(duì)先進(jìn)刀具的重視和需求達(dá)到了空前的程度，成為拉動(dòng)切削技術(shù)快速發(fā)展的強(qiáng)大力量。這種“拉動(dòng)”不是對(duì)切削技術(shù)發(fā)展的簡(jiǎn)單加速，而是賦予了切削技術(shù)新的發(fā)展機(jī)制和動(dòng)力，使其從與使用脫節(jié)的傳統(tǒng)切削技術(shù)過(guò)渡到面向用戶需求、與使用緊密結(jié)合的現(xiàn)代切削技術(shù)新階段。 ;\s~%~ \
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現(xiàn)代切削技術(shù)的技術(shù)特征 Uk02IOXQ
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切削加工進(jìn)入現(xiàn)代切削技術(shù)新階段，不僅反映在將切削技術(shù)的發(fā)展建立在刀具制造商與刀具用戶相互聯(lián)動(dòng)的機(jī)制上，而且還在此基礎(chǔ)上表現(xiàn)出以下明顯的技術(shù)特征。 F; a3
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（1）高速切削、高效切削、硬切削、干切削等新的切削工藝全面突破了傳統(tǒng)切削技術(shù)在提高加工效率方面遇到的技術(shù)障礙，從整體上改變了切削加工面貌 lzoeST
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這些新工藝應(yīng)用于汽車(chē)、航空、模具、裝備制造業(yè)等切削加工“大戶”，不僅成倍提高了加工效率，而且推動(dòng)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工藝革新。例如，航空制造業(yè)出現(xiàn)鋁合金構(gòu)件高速銑削工藝后，使飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件不必再用組件進(jìn)行裝配，而可以用整體薄壁鋁合金構(gòu)件替代，不但減輕了構(gòu)件重量，增加了構(gòu)件強(qiáng)度和剛性，而且提高了加工質(zhì)量，降低了制造成本。以大批量生產(chǎn)為特點(diǎn)的汽車(chē)工業(yè)更是研發(fā)和應(yīng)用切削新工藝的先鋒，開(kāi)發(fā)了許多加工發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等主要零部件的高效新工藝，使生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間大大縮短。近年來(lái)，快速發(fā)展的模具工業(yè)可以說(shuō)是與高效模具切削工藝一同成長(zhǎng)，大型模具高速銑削和淬硬模具銑削工藝改變了傳統(tǒng)的模具加工工藝，大大縮短了模具開(kāi)發(fā)周期，為適應(yīng)模具工業(yè)快速發(fā)展的需要，已形成了專門(mén)面向模具加工的“模具刀具”新系列，成為現(xiàn)代切削刀具中發(fā)展最快的門(mén)類(lèi)。 ? {j@6,
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與此同時(shí)，傳統(tǒng)的車(chē)、銑、鉆等切削工藝的界限不斷被打破，出現(xiàn)了一些新的切削加工方法。如新推出的銑刀可作為孔加工刀具進(jìn)行鉆孔和擴(kuò)孔，減少了換刀時(shí)間，提高了加工效率；又如能高效去除模腔金屬的插銑刀、加工曲軸的車(chē)—車(chē)?yán)に嚒⒃趶?fù)合車(chē)削中心上以銑代車(chē)的銑車(chē)工藝、用硬質(zhì)合金螺紋銑刀代替硬質(zhì)合金絲錐的螺紋高速加工工藝等等；切削工藝不斷推陳出新，呈現(xiàn)出蓬勃生機(jī)，開(kāi)拓著制造技術(shù)的新領(lǐng)域。 K6(.K EW
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此外，隨著各種復(fù)合機(jī)床及“一臺(tái)機(jī)床或一次裝夾完成全部加工”技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步改變切削加工的傳統(tǒng)概念。 ,|iy1yg(
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（2）刀具材料和涂層技術(shù)取得了重大進(jìn)展，為現(xiàn)代切削技術(shù)的誕生奠定了重要物質(zhì)基礎(chǔ) WQ.i$ID/
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高速切削、高效切削、硬切削、干切削的實(shí)用化首先應(yīng)歸功于刀具材料的改進(jìn)和涂層技術(shù)的發(fā)展。刀具材料的發(fā)展反映在各種刀具材料性能的全面進(jìn)步上，使切削加工各領(lǐng)域的加工效率全面提高。其中，特別要強(qiáng)調(diào)兩種刀具材料的進(jìn)展，即超硬刀具材料PCD、CBN和硬質(zhì)合金材料的進(jìn)步。 :p&IX"Hh
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PCD、CBN材料具有高硬度和特別好的耐磨性，曾被寄希望于成為高速切削的推動(dòng)者，但由于其性脆，在問(wèn)世后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，其實(shí)用化進(jìn)程緩慢。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)PCD、CBN材料制造工藝、配方成分、組織粒度等因素的控制和調(diào)整，材料韌性得到顯著改善，品種增多，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，使應(yīng)用超硬刀具材料進(jìn)行高速切削的希望變成了現(xiàn)實(shí)。PCD在鋁合金等有色金屬、石墨、合成材料等非金屬材料的高速、高效切削加工中發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；CBN在鑄鐵的高速加工以及硬切削、干切削新工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中也顯現(xiàn)出優(yōu)越的切削性能。新型的CBN刀具不僅用于淬硬件的精加工，而且也可用于斷續(xù)切削和粗加工，為切削技術(shù)新的發(fā)展帶了更大預(yù)期。 C1D !
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硬質(zhì)合金作為刀具材料，也一直存在著硬度與韌性的矛盾。盡管多年來(lái)它在車(chē)削、銑削、孔加工等切削工序中的應(yīng)用為全面提高加工效率發(fā)揮了重要作用，但其韌性差的缺陷并未得到顯著改善。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金的開(kāi)發(fā)使硬質(zhì)合金的韌性有了極大提高，從而可用于制作鉆頭、立銑刀、絲錐等量大面廣的通用刀具，使通用刀具的加工效率大幅度提高。如今，用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金制造的整體硬質(zhì)合金鉆頭、立銑刀已得到普遍應(yīng)用，切削速度比高速鋼刀具可提高數(shù)倍，從而使硬質(zhì)合金真正成為應(yīng)用面最廣、綜合性能最好的刀具材料。硬質(zhì)合金材料的另一個(gè)重大進(jìn)展是梯度硬質(zhì)合金材料的開(kāi)發(fā)，使涂層硬質(zhì)合金刀片基體的表層富鈷，提高了硬質(zhì)合金刀片刃口的韌性，不僅減少了崩刃，而且可以采用抗塑性變形好的基體材料，提高了刀片的承載能力，顯著改善了涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能。 (h|ch#
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刀具涂層技術(shù)的誕生及其應(yīng)用被稱為是切削技術(shù)發(fā)展史上的里程碑，但是涂層技術(shù)取得重大進(jìn)展則是近十多年的事。在CVD涂層領(lǐng)域，中溫CVD的TiCN及厚膜Al2O3涂層提高了刀片的耐磨性和抗裂紋擴(kuò)展能力。PVD涂層的發(fā)展尤為引人注目，不僅出現(xiàn)了TiAlN、AlTiN、AlCrN、TiSiN、Al2O3等耐磨涂層，還有MoS2、DLC、WC/C等各種潤(rùn)滑涂層，以及梯度涂層、納米涂層等新的涂層結(jié)構(gòu)，使涂層的性能大為提高。耐磨涂層的顯微硬度達(dá)到4500Hv，開(kāi)始氧化溫度達(dá)到1100℃，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度更好，刀具壽命成10倍地提高；而潤(rùn)滑涂層在減少刀具摩擦、有利切屑排除等方面效果顯著，可降低刀具溫度，提高刀具切削性能。目前，涂層技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭方興未艾，以其功能多、效果好、開(kāi)發(fā)快等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前提高刀具切削性能最有效的手段，發(fā)展前景十分廣闊。 wlL8X7+:
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還需指出，新型刀具材料（尤其是硬質(zhì)合金）和涂層技術(shù)的重大進(jìn)展是構(gòu)成現(xiàn)代切削技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，并且是支持現(xiàn)代切削技術(shù)持續(xù)發(fā)展的核心技術(shù)，對(duì)切削技術(shù)的發(fā)展起著主要推動(dòng)作用。目前世界上著名工具企業(yè)的成長(zhǎng)和發(fā)展無(wú)不建立在這兩項(xiàng)核心技術(shù)的基礎(chǔ)之上。認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)對(duì)于規(guī)劃我國(guó)工具工業(yè)的發(fā)展方向具有重要意義。目前我國(guó)只有個(gè)別刀具制造商擁有硬質(zhì)合金材料和涂層技術(shù)這兩種核心資源，這種現(xiàn)狀與現(xiàn)代切削技術(shù)發(fā)展的要求很不相稱，必須加以改變。我國(guó)是鎢資源大國(guó)，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)刀具材料有著得天獨(dú)厚的條件，發(fā)展先進(jìn)刀具材料，將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品優(yōu)勢(shì)、競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是中國(guó)工具工業(yè)的重任；創(chuàng)建不斷創(chuàng)新的刀具材料品牌應(yīng)成為中國(guó)工具工業(yè)的特色和強(qiáng)項(xiàng)，從而為發(fā)展我國(guó)甚至推進(jìn)世界切削技術(shù)的進(jìn)步發(fā)揮應(yīng)有的作用。 m8u=u4z("
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（3）在“對(duì)癥下藥”、系統(tǒng)優(yōu)化的觀念指導(dǎo)下，刀具新牌號(hào)、新產(chǎn)品的創(chuàng)新速度大大加快，為制造業(yè)不斷提供新的效率資源 u/#&0_
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