切削加工作為制造技術(shù)的主要基礎(chǔ)工藝,是汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、能源工業(yè)、軍事工業(yè)和新興的
模具工業(yè)、電子工業(yè)等部
門主要的加工技術(shù),也是這些工業(yè)部門迅速發(fā)展的重要因素。盡管近凈成形技術(shù)、堆積成形技術(shù)是非常有前途的新工藝,但
切削加工作為制造技術(shù)主要基礎(chǔ)工藝的地位沒有改變,相反,切削技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展的新時(shí)期——現(xiàn)代切削技術(shù)階段。因此,認(rèn)識(shí)和掌握現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展機(jī)制、了解其技術(shù)特征和發(fā)展動(dòng)向,以及如何應(yīng)用現(xiàn)代切削技術(shù)提高加工效率是當(dāng)前機(jī)械加工業(yè)的重要課題。
1.現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展機(jī)制
切削加工成為一門專業(yè)技術(shù)始于19世紀(jì)末20世紀(jì)初,至今已走過了整整一個(gè)世紀(jì)的歷程。自切削技術(shù)問世后,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)展做出了重要貢獻(xiàn)。盡管在此過程中,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)70年代,總體上并沒有超越傳統(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,沒有形成相互促進(jìn)、共同發(fā)展的機(jī)制。
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)的高速發(fā)展,切削技術(shù)隨著制造業(yè)和制造技術(shù)的發(fā)展也得到了快速發(fā)展,并進(jìn)入了現(xiàn)代切削技術(shù)的新階段。與傳統(tǒng)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,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。
在切削技術(shù)問世后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi),有一個(gè)問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買好的刀具,或者買了好刀后擔(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。
事實(shí)證明,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。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。
現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展機(jī)制可以概括為:一方面,提高切削效率而不是一味強(qiáng)調(diào)工具壽命帶來的實(shí)惠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(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。
2.現(xiàn)代切削技術(shù)的技術(shù)特征及發(fā)展動(dòng)向
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)特征及發(fā)展動(dòng)向。
(1)新的切削工藝全面突破傳統(tǒng)切削技術(shù)
高速、高效切削,硬切削,干切削等新工藝應(yīng)用于汽車、航空、模具及裝備制造業(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)品開發(fā)和工藝革新。近年來,快速發(fā)展的模具工業(yè)可以說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,大大縮短了模具開發(fā)周期。
與此同時(shí),傳統(tǒng)的車、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—車?yán)に嚒⒃趶?fù)合
車削中心上以銑代車的銑車工藝、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。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)技術(shù)。
(2)刀具材料和涂層技術(shù)取得重大進(jìn)展
新的切削工藝全面突破傳統(tǒng)切削技術(shù)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。
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,通過對(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)。
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。盡管多年來它在車削、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。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。
近10多年來,涂層技術(shù)取得重大進(jìn)展。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。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。
(3)刀具新牌號(hào)、新產(chǎn)品的創(chuàng)新速度大大加快
刀具作為一種工具,是制造系統(tǒng)中最具活力的工藝因素,處于不斷創(chuàng)新的過程中。在現(xiàn)代切削技術(shù)階段,刀具的發(fā)展有兩大特點(diǎn):一是創(chuàng)新速度加快。兩年一屆的北京國(guó)際機(jī)床展(CIMT)已成為世界各國(guó)刀具制造商的“新產(chǎn)品發(fā)布會(huì)”,新的材料牌號(hào)、新的涂層產(chǎn)品、新的刀具(片)結(jié)構(gòu)、新的刀柄及裝夾技術(shù)、新的加工方法等層出不窮。二是確立了系統(tǒng)優(yōu)化的創(chuàng)新思路。在系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,現(xiàn)在新開發(fā)一種涂層硬質(zhì)合金牌號(hào)往往可比原有牌號(hào)提高切削效率20%以上,有的甚至可達(dá)50%以上。一種新的刀具產(chǎn)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(jìn)給銑刀,每齒進(jìn)給量達(dá)3.5～4.0mm/z,為一般銑刀的10倍;又如刮光車削刀片的進(jìn)給量可提高一倍。
(4)現(xiàn)代切削技術(shù)的內(nèi)涵擴(kuò)大
切削加工進(jìn)入現(xiàn)代切削技術(shù)新階段后,相應(yīng)出現(xiàn)了許多新的相關(guān)技術(shù),使切削技術(shù)的內(nèi)涵擴(kuò)大。例如,高速切削技術(shù)首先應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)刀具,主要是
銑削加工,早期曾把主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min作為高速切削的門檻,圍繞著這一目標(biāo),開發(fā)的與
加工中心相關(guān)的技術(shù)包括高速主軸、快速進(jìn)給、高的加(減)速技術(shù)以及適合高速切削的
數(shù)控系統(tǒng)等;開發(fā)的與刀具相關(guān)的技術(shù)包括HSK刀柄、7∶24兩面接觸刀柄、高速旋轉(zhuǎn)刀具的安全技術(shù)和刀具動(dòng)平衡技術(shù)。為了用整體硬質(zhì)合金通用刀具進(jìn)行高速加工,需要提高刀具裝夾的
精度和
剛性,先后開發(fā)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(diào)技術(shù)。此外,為了提高刀具利用率, 降低刀具管理成本,還開發(fā)了刀具管理軟件、切削數(shù)據(jù)庫等配套技術(shù),用現(xiàn)代信息技術(shù)提高切削加工的整體水平。
3.如何應(yīng)用現(xiàn)代切削技術(shù)提高加工效率
當(dāng)前,機(jī)械切削行業(yè)的發(fā)展形勢(shì)一派大好。那么,如何應(yīng)用現(xiàn)代切削技術(shù)提高企業(yè)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(fā)展涂層技術(shù)
近幾年切削技術(shù)迅速發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志是刀具材料性能的不斷改善和涂層技術(shù)的快速進(jìn)步,尤其是量大面廣的硬質(zhì)合金材料及其車刀、銑刀可轉(zhuǎn)位刀片。各刀具公司新開發(fā)的硬質(zhì)合金刀片牌號(hào)似雨后春筍,其品種遍及切削加工的各個(gè)領(lǐng)域。通常一種新牌號(hào)的推出可使切削效率提高20%～30%,有的甚至高達(dá)100%。因此全面審視企業(yè)長(zhǎng)期使用的老材質(zhì),淘汰一部分老牌號(hào),采用相應(yīng)的新材質(zhì)、新牌號(hào),尤其是用涂層牌號(hào)代替非涂層牌號(hào),對(duì)于提高加工效率可以收到立竿見影的效果。
(2)開發(fā)新的刀具結(jié)構(gòu)
快速發(fā)展新的刀具結(jié)構(gòu),對(duì)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(zhì)合金可轉(zhuǎn)位淺孔鉆,由于在刀具(片)的結(jié)構(gòu)上做了重大改進(jìn),與原來的淺孔鉆比較,進(jìn)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(zhì)量。又如
哈爾濱汽輪機(jī)廠在生產(chǎn)國(guó)內(nèi)首臺(tái)60萬kW超臨界汽輪機(jī)組時(shí),遇到了大直徑深孔加工的難題,如果用傳統(tǒng)的孔加工刀具加工,每個(gè)孔要6.7h,便無法完成加工任務(wù)。后來該廠采用肯納金屬公司的一種復(fù)合鉆,每個(gè)孔的加工時(shí)間只需0.5h,減少加工時(shí)間約93%,原先40d(天)沒有完成的約200個(gè)深孔的加工任務(wù),5d就全部完成了。可見企業(yè)應(yīng)積極利用豐富的先進(jìn)刀具資源提高加工效率或解決生產(chǎn)中遇到的加工難題,并以此為契機(jī),不斷提高企業(yè)切削技術(shù)和刀具的應(yīng)用水平。
(3)開發(fā)與采用新型刀具
近幾年工具工業(yè)為某些機(jī)械行業(yè)開發(fā)的新型刀具,具有高效或創(chuàng)新工藝的特點(diǎn),對(duì)推動(dòng)行業(yè)加工技術(shù)的進(jìn)步起到重要作用。如為模具工業(yè)開發(fā)的插銑(鉆)刀、多功能銑刀、大進(jìn)給銑刀、牛角銑刀等刀具,對(duì)提高模具加工效率、革新模具加工工藝發(fā)揮了十分重要的作用。因此,企業(yè)要及時(shí)了解和收集本行業(yè)刀具的最新進(jìn)展,為我所用,使企業(yè)始終保持著先進(jìn)的切削加工水平和領(lǐng)先的加工效率。
此外,切削技術(shù)有一部分共性的成果,如代替
焊接刀的可轉(zhuǎn)位刀具、刮光車刀片和帶前角的螺旋刃銑刀片等可轉(zhuǎn)位刀片、可代替通用高速鋼刀具的整體硬質(zhì)合金鉆頭、立銑刀等刀具,這些刀具對(duì)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(chǎn)實(shí)踐所證明。但是不可回避的事實(shí)是仍有相當(dāng)多的企業(yè)因各種原因至今沒有充分采用這部分技術(shù),沿用著早已落后的刀具,從而長(zhǎng)期制約著企業(yè)的發(fā)展。企業(yè)應(yīng)有計(jì)劃有步驟地采用通用的先進(jìn)切削技術(shù)和刀具,迅速改變刀具的落后面貌。
4.結(jié)語
我國(guó)是一個(gè)切削技術(shù)相對(duì)落后的國(guó)家,現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)滿足不了制造業(yè)重要工業(yè)部門對(duì)先進(jìn)刀具的需求。因此,加快切削技術(shù)的發(fā)展,掌握現(xiàn)代切削的核心技術(shù),對(duì)于我國(guó)建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)和完成新型工業(yè)化的歷史任務(wù),實(shí)現(xiàn)振興裝備制造業(yè)的目標(biāo),不僅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義,而且日益緊迫。
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