切削加工作為制造技術的主要基礎工藝,是汽車工業、航空航天工業、能源工業、軍事工業和新興的
模具工業、電子工業等部
門主要的加工技術,也是這些工業部門迅速發展的重要因素。盡管近凈成形技術、堆積成形技術是非常有前途的新工藝,但
切削加工作為制造技術主要基礎工藝的地位沒有改變,相反,切削技術進入了高速發展的新時期——現代切削技術階段。因此,認識和掌握現代切削技術的發展機制、了解其技術特征和發展動向,以及如何應用現代切削技術提高加工效率是當前機械加工業的重要課題。
1.現代切削技術的發展機制
切削加工成為一門專業技術始于19世紀末20世紀初,至今已走過了整整一個世紀的歷程。自切削技術問世后,發揮著重要作用,為工業發達國家的工業化及經濟發展做出了重要貢獻。盡管在此過程中,切削技術本身也取得了不小的進步,但是直至20世紀70年代,總體上并沒有超越傳統切削技術的范疇,其最突出的標志是刀具的開發及生產與刀具的使用及用戶基本上是相互分離的,沒有形成相互促進、共同發展的機制。
由于計算機、微電子等新興科學技術以及與切削技術緊密相關的材料科學的高速發展,切削技術隨著制造業和制造技術的發展也得到了快速發展,并進入了現代切削技術的新階段。與傳統切削技術相比,現代切削技術不僅體現為切削速度更快、加工效率更高,而且形成了新的發展機制,成為推動制造業和現代制造技術發展的重要技術因素。
在切削技術問世后相當長的一段時期內,有一個問題始終困擾著工具行業和刀具用戶,那就是,如果使用價格較貴的好刀具進行切削加工,雖然可以提高切削效率, 但會增加制造成本,用戶認為得不償失。因此,許多用戶舍不得花較多的錢買好的刀具,或者買了好刀后擔心刀具很快用壞,將刀具壽命定得很長。這些觀念和做法阻礙了刀具的更新、影響了刀具制造商開發新刀具的積極性,制約著切削效率的提高和切削技術的進步。
事實證明,使用好的刀具時,如果不注重提高切削效率而只是追求延長刀具壽命,對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。提高切削技術與為用戶和社會創造可觀效益的內在聯系,已被越來越多的刀具制造商和刀具用戶所認識和接受,并轉化為推動切削技術進步的強大動力,在短短20年左右的時間里,將切削技術推上了現代切削技術的新階段。
現代切削技術的發展機制可以概括為:一方面,提高切削效率而不是一味強調工具壽命帶來的實惠給予刀具制造商很大鼓舞,并據此確立了“創新工藝,創新刀具, 提高切削效率,為用戶服務”的全新經營理念,為切削這門傳統制造工藝技術注入了新的生命力,使刀具制造商成為發展現代切削技術的主力軍;另一方面,這一觀念也被越來越多的刀具用戶所接受,形成了“積極采用切削技術新成果,應用先進切削刀具提高加工效率,降低制造成本,提高企業競爭力”的新思維,使制造業對先進刀具的重視和需求達到了空前的程度,成為拉動切削技術快速發展的強大力量。這種“拉動”不是對切削技術發展的簡單加速,而是賦予了切削技術新的發展機制和動力,使其從與使用脫節的傳統切削技術過渡到面向用戶需求、與使用緊密結合的現代切削技術新階段。
2.現代切削技術的技術特征及發展動向
切削加工進入現代切削技術新階段,不僅反映在將切削技術的發展建立在刀具制造商與刀具用戶相互聯動的機制上,而且還在此基礎上表現出以下明顯的技術特征及發展動向。
(1)新的切削工藝全面突破傳統切削技術
高速、高效切削,硬切削,干切削等新工藝應用于汽車、航空、模具及裝備制造業等切削加工“大戶”,不僅成倍提高了加工效率,而且推動了產品開發和工藝革新。近年來,快速發展的模具工業可以說是與高效模具切削工藝一同成長,大型模具高速
銑削和淬硬模具銑削工藝改變了傳統的模具加工工藝,大大縮短了模具開發周期。
與此同時,傳統的車、銑、鉆等切削工藝的界限不斷被打破,出現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行
鉆孔和擴孔,減少了換刀時間, 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—車拉工藝、在復合
車削中心上以銑代車的銑車工藝、用硬質
合金螺紋銑刀代替硬質合金絲錐的螺紋高速加工工藝等等。此外,隨著各種
復合機床及“一臺
機床或一次裝夾完成全部加工”技術的發展,將進一步改變切削加工的傳統技術。
(2)刀具材料和涂層技術取得重大進展
新的切削工藝全面突破傳統切削技術首先應歸功于刀具材料的改進和涂層技術的發展。
刀具材料的發展反映在各種刀具材料性能的全面進步上,使切削加工各領域的加工效率全面提高。其中,特別要強調兩種刀具材料的進展,即超硬刀具材料PCD、CBN和硬質合金材料的進步。
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者,但由于其性脆,在問世后相當長一段時期內,其實用化進程緩慢。近年來,通過對PCD、CBN材料制造工藝、配方成分、組織粒度等因素的控制和調整,材料
韌性得到顯著改善,品種增多,應用領域擴大,使應用超硬刀具材料進行高速切削的希望變成了現實。
硬質合金作為刀具材料,也一直存在著硬度與韌性的矛盾。盡管多年來它在車削、銑削、孔加工等切削工序中的應用為全面提高加工效率發揮了重要作用,但其韌性差的缺陷并未得到顯著改善。如今,用超細顆粒硬質合金制造的整體硬質合金鉆頭、
立銑刀已得到普遍應用,切削速度比高速鋼刀具可提高數倍,從而使硬質合金真正成為應用面最廣、綜合性能最好的刀具材料。硬質合金材料的另一個重大進展是梯度硬質合金材料的開發,使涂層硬質合金刀片
基體的表層富鈷,提高了硬質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合金刀片的切削性能。
近10多年來,涂層技術取得重大進展。在CVD涂層領域,中溫CVD的TiCN及厚膜Al2O3涂層提高了刀片的
耐磨性和抗
裂紋擴展能力。
PVD涂層的發展尤為引人注目,不僅出現了TiAlN、AlTiN、AlCrN、TiSiN、Al2O3等耐磨涂層,還有MoS2、DLC、WC/C等各種潤滑涂層,以及梯度涂層、納米涂層等新的涂層結構,使涂層的性能大為提高。目前,涂層技術的發展勢頭方興未艾,以其功能多、效果好、開發快等優勢,成為當前提高刀具切削性能最有效的手段。
(3)刀具新牌號、新產品的創新速度大大加快
刀具作為一種工具,是制造系統中最具活力的工藝因素,處于不斷創新的過程中。在現代切削技術階段,刀具的發展有兩大特點:一是創新速度加快。兩年一屆的北京國際機床展(CIMT)已成為世界各國刀具制造商的“新產品發布會”,新的材料牌號、新的涂層產品、新的刀具(片)結構、新的刀柄及裝夾技術、新的加工方法等層出不窮。二是確立了系統優化的創新思路。在系統優化的基礎上,現在新開發一種涂層硬質合金牌號往往可比原有牌號提高切削效率20%以上,有的甚至可達50%以上。一種新的刀具產品能提供一種新的加工效果,或顯著提高加工效率,如近年來流行的大進給銑刀,每齒進給量達3.5～4.0mm/z,為一般銑刀的10倍;又如刮光車削刀片的進給量可提高一倍。
(4)現代切削技術的內涵擴大
切削加工進入現代切削技術新階段后,相應出現了許多新的相關技術,使切削技術的內涵擴大。例如,高速切削技術首先應用于旋轉刀具,主要是
銑削加工,早期曾把主軸轉速超過10000r/min作為高速切削的門檻,圍繞著這一目標,開發的與
加工中心相關的技術包括高速主軸、快速進給、高的加(減)速技術以及適合高速切削的
數控系統等;開發的與刀具相關的技術包括HSK刀柄、7∶24兩面接觸刀柄、高速旋轉刀具的安全技術和刀具動平衡技術。為了用整體硬質合金通用刀具進行高速加工,需要提高刀具裝夾的
精度和
剛性,先后開發了液壓夾頭、熱裝夾頭、力縮夾頭等新型刀具夾頭及刀具裝調技術。此外,為了提高刀具利用率, 降低刀具管理成本,還開發了刀具管理軟件、切削數據庫等配套技術,用現代信息技術提高切削加工的整體水平。
3.如何應用現代切削技術提高加工效率
當前,機械切削行業的發展形勢一派大好。那么,如何應用現代切削技術提高企業的加工效率呢?可以從以下幾方面入手:
(1)改善刀具材料性能、發展涂層技術
近幾年切削技術迅速發展的一個重要標志是刀具材料性能的不斷改善和涂層技術的快速進步,尤其是量大面廣的硬質合金材料及其車刀、銑刀可轉位刀片。各刀具公司新開發的硬質合金刀片牌號似雨后春筍,其品種遍及切削加工的各個領域。通常一種新牌號的推出可使切削效率提高20%～30%,有的甚至高達100%。因此全面審視企業長期使用的老材質,淘汰一部分老牌號,采用相應的新材質、新牌號,尤其是用涂層牌號代替非涂層牌號,對于提高加工效率可以收到立竿見影的效果。
(2)開發新的刀具結構
快速發展新的刀具結構,對提高加工效率具有重要的作用。如山特維克可樂滿新推出的CoroDrill880硬質合金可轉位淺孔鉆,由于在刀具(片)的結構上做了重大改進,與原來的淺孔鉆比較,進給速度或切削速度可提高將近一倍,加工效率可提高70%左右,并且可以獲得更好的
加工精度和表面質量。又如
哈爾濱汽輪機廠在生產國內首臺60萬kW超臨界汽輪機組時,遇到了大直徑深孔加工的難題,如果用傳統的孔加工刀具加工,每個孔要6.7h,便無法完成加工任務。后來該廠采用肯納金屬公司的一種復合鉆,每個孔的加工時間只需0.5h,減少加工時間約93%,原先40d(天)沒有完成的約200個深孔的加工任務,5d就全部完成了。可見企業應積極利用豐富的先進刀具資源提高加工效率或解決生產中遇到的加工難題,并以此為契機,不斷提高企業切削技術和刀具的應用水平。
(3)開發與采用新型刀具
近幾年工具工業為某些機械行業開發的新型刀具,具有高效或創新工藝的特點,對推動行業加工技術的進步起到重要作用。如為模具工業開發的插銑(鉆)刀、多功能銑刀、大進給銑刀、牛角銑刀等刀具,對提高模具加工效率、革新模具加工工藝發揮了十分重要的作用。因此,企業要及時了解和收集本行業刀具的最新進展,為我所用,使企業始終保持著先進的切削加工水平和領先的加工效率。
此外,切削技術有一部分共性的成果,如代替
焊接刀的可轉位刀具、刮光車刀片和帶前角的螺旋刃銑刀片等可轉位刀片、可代替通用高速鋼刀具的整體硬質合金鉆頭、立銑刀等刀具,這些刀具對提高量大面廣的車、銑、鉆工序的加工效率有普遍效果,并早已為生產實踐所證明。但是不可回避的事實是仍有相當多的企業因各種原因至今沒有充分采用這部分技術,沿用著早已落后的刀具,從而長期制約著企業的發展。企業應有計劃有步驟地采用通用的先進切削技術和刀具,迅速改變刀具的落后面貌。
4.結語
我國是一個切削技術相對落后的國家,現有的技術和產品已經滿足不了制造業重要工業部門對先進刀具的需求。因此,加快切削技術的發展,掌握現代切削的核心技術,對于我國建設制造強國和完成新型工業化的歷史任務,實現振興裝備制造業的目標,不僅具有重大的現實意義,而且日益緊迫。
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