切削加工作为制造技术的主要基础工艺,是汽车工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门主要的加工技术,也是这些工业部门迅速发展的重要因素。
尽管近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺,但切削加工作为制造技术主要基础工艺的地位没有改变,相反,切削技术进入了高速发展的新时期——现代切削技术阶段。因此,认识和掌握现代切削技术的发展机制、了解其技术特征和发展动向,以及如何应用现代切削技术提高加工效率是当前机械加工业的重要课题。
1.现代切削技术的发展机制
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,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了重要贡献。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70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。
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高速发展,切削技术随着制造业和制造技术的发展也得到了快速发展,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,成为推动制造业和现代制造技术发展的重要技术因素。
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。
事实证明,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。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。
现代切削技术的发展机制可以概括为:一方面,提高切削效率而不是一味强调工具寿命带来的实惠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,这一观念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。
2.现代切削技术的技术特征及发展动向
切削加工进入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及发展动向。
(1)新的切削工艺全面突破传统切削技术
高速、高效切削,硬切削,干切削等新工艺应用于汽车、航空、模具及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。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。
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。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技术。
(2)刀具材料和涂层技术取得重大进展
新的切削工艺全面突破传统切削技术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。
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。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钴,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。
近10多年来,涂层技术取得重大进展。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TiAlN、AlTiN、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。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。
(3)刀具新牌号、新产品的创新速度大大加快
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、新的刀柄及装夹技术、新的加工方法等层出不穷。二是确立了系统优化的创新思路。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/z,为一般铣刀的10倍;又如刮光车削刀片的进给量可提高一倍。
(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后,相应出现了许多新的相关技术,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10000r/min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刀柄、7∶24两面接触刀柄、高速旋转刀具的安全技术和刀具动平衡技术。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。
3.如何应用现代切削技术提高加工效率
当前,机械切削行业的发展形势一派大好。那么,如何应用现代切削技术提高企业的加工效率呢?可以从以下几方面入手:
(1)改善刀具材料性能、发展涂层技术
近几年切削技术迅速发展的一个重要标志是刀具材料性能的不断改善和涂层技术的快速进步,尤其是量大面广的硬质合金材料及其车刀、铣刀可转位刀片。各刀具公司新开发的硬质合金刀片牌号似雨后春笋,其品种遍及切削加工的各个领域。通常一种新牌号的推出可使切削效率提高20%～30%,有的甚至高达100%。因此全面审视企业长期使用的老材质,淘汰一部分老牌号,采用相应的新材质、新牌号,尤其是用涂层牌号代替非涂层牌号,对于提高加工效率可以收到立竿见影的效果。
(2)开发新的刀具结构
快速发展新的刀具结构,对提高加工效率具有重要的作用。如山特维克可乐满新推出的CoroDrill880硬质合金可转位浅孔钻,由于在刀具(片)的结构上做了重大改进,与原来的浅孔钻比较,进给速度或切削速度可提高将近一倍,加工效率可提高70%左右,并且可以获得更好的加工精度和表面质量。又如哈尔滨汽轮机厂在生产国内首台60万kW超临界汽轮机组时,遇到了大直径深孔加工的难题,如果用传统的孔加工刀具加工,每个孔要6.7h,便无法完成加工任务。后来该厂采用肯纳金属公司的一种复合钻,每个孔的加工时间只需0.5h,减少加工时间约93%,原先40d(天)没有完成的约200个深孔的加工任务,5d就全部完成了。可见企业应积极利用丰富的先进刀具资源提高加工效率或解决生产中遇到的加工难题,并以此为契机,不断提高企业切削技术和刀具的应用水平。
(3)开发与采用新型刀具
近几年工具工业为某些机械行业开发的新型刀具,具有高效或创新工艺的特点,对推动行业加工技术的进步起到重要作用。如为模具工业开发的插铣(钻)刀、多功能铣刀、大进给铣刀、牛角铣刀等刀具,对提高模具加工效率、革新模具加工工艺发挥了十分重要的作用。因此,企业要及时了解和收集本行业刀具的最新进展,为我所用,使企业始终保持着先进的切削加工水平和领先的加工效率。
此外,切削技术有一部分共性的成果,如代替焊接刀的可转位刀具、刮光车刀片和带前角的螺旋刃铣刀片等可转位刀片、可代替通用高速钢刀具的整体硬质合金钻头、立铣刀等刀具,这些刀具对提高量大面广的车、铣、钻工序的加工效率有普遍效果,并早已为生产实践所证明。但是不可回避的事实是仍有相当多的企业因各种原因至今没有充分采用这部分技术,沿用着早已落后的刀具,从而长期制约着企业的发展。企业应有计划有步骤地采用通用的先进切削技术和刀具,迅速改变刀具的落后面貌。
4.结语
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。因此,加快切削技术的发展,掌握现代切削的核心技术,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。