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刀具材料,高速切削,切削速度,发动机制造业,铣削加工

最近几年来,随着我国经济的高速发展,对汽车的需求量延续增长,汽车及汽车零部件制造业已成为金切机床和工具行业最大、最重要的用户。发动机是汽车的心脏,其零件制造工艺水平普遍高于其它汽车零件。涂层刀具、陶瓷刀具、超硬刀具等先进刀具在发动机制造工艺中取得了广泛利用。我国的汽车生产线(特别是轿车生产线)大部份是从国外引进的,在投产时生产线上主要采取进口刀具,刀具切削用量也采取国外推荐值。这些刀具集新材料、新工艺、切削原理、表面处理等各项先进技术于1身,具有高性能、遐龄命、高可靠性的特点,基本上代表了现代刀具技术的先进水平。由于我国刀具生产企业长时间以来主要面向卡车、拖拉机等制造行业,相对轿车制造行业来讲,刀具技术水平较低。因此,国内刀具制造商要想参与国内、国际两个市场的竞争,提升企业的整体技术水平10分重要。

2、我国汽车发动机制造的技术发展趋势及刀具利用现状

2.1汽车发动机制造技术发展趋势

国内新投产的汽车发动机生产线在制造技术上有3个比较明显的趋势:

(1)高速化

实现高速切削加工的基本要求是:①使用能实现高速运转的机床主轴;②采取带强力夹头的高精度、高刚性HSK刀柄;③采取涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、CBN、PCD等先进刀具。

(2)柔性化

柔性化是发动机制造的发展趋势之1。在传统自动线的局部工位用CNC或加工中心来实现柔性加工的生产线称为柔性自动线(FTL),1般日本工厂使用较多。用专用加工中心构成的柔性制造系统则主要用于缸盖和缸体加工。从产量角度分析,可以到达从传统的FMS系统起步产量的年产5万件到传统自动线的产年20万件。

(3)高效力

从日本汽车制造业的情况来看,平均每5年切削效力提高28%,其中切削速度平均提高19%,进给量平均提高8%,而最近几年切削效力的提高幅度在30%以上。目前制造发动机主要零件的生产节拍已缩短到30~40秒,比10几年前缩短了50%以上。例如,用高速加工中心铣削加工灰铸铁材料的缸体,切削速度可到达V=700~1500m/min,刀具采取CBN刀片。铣削加工铝合金缸体、缸盖时,广泛采取PCD刀具,斟酌到高速回转时会产生很大的离心力,故刀体采取高强度铝合金材料制作。

总之,发动机制造业1个明显的走向就是采取高速加工技术来提高效力,缩短交货时间,下降生产本钱,提高市场竞争力。

2.2刀具利用现状

汽车工业是专用刀具利用最多的行业,也是衡量1个国家或1个刀具公司技术水平高低的标志。我国的汽车生产线(特别是轿车生产线)大部份是从国外引进的,而刀具主要是随装备1起进口的。目前,国内的汽车生产线有美国型、欧洲型和日韩型,和以欧洲装备为主的自主型。这样,在中国就活跃着5大刀具派系主流:1是山特系(包括山高),山特维克公司有着庞大而复杂的刀具分支,在中国市场销量最大;2是美国系,主要以肯纳、英格索尔、万耐特等为代表;3是欧洲系,主要以德国为主,包括MAPAL、Guehring、Widia、TITEX、瓦尔特等;4是日韩系,包括3菱、住友、东芝、OSG、黛杰、不2越、日立等,和韩国的Taegutec、KORLOY公司;5是以色列系,主要是ISCAR(伊斯卡)。这些公司几近填满了汽车刀具的市场空间。在1些大型汽车制造厂,国产化刀具可能只占总项目的10%左右,因此,进口刀具仍占有主导地位。

2.3目前存在的主要问题

国内刀具行业的整体状态是出发点低、起步晚,先进的数控刀具仅仅是随着最近几年来数控机床的发展才开始研产生产,因此数控刀具产品基础比较薄弱,发展速度缓慢,竞争力不强。国外刀具行业能大举抢滩中国市场的主要缘由是:国外刀具产品档次高、品种全、质量好;而且刀具是与机床紧密联系在1起的,国外机床常常选用在国外已配套使用的刀具;再加上国产刀具品种不全,在产品精加工、高性能切削和有特殊要求时也大多使用国外刀具。诸多因素的综合作用构成了国产刀具的被动局面。

实现刀具国产化的进程存在重重阻力,有着先天性的系统障碍。以轿车生产线为例,我国在引进轿车车型和数控自动生产线的初始阶段,常常其实不重视刀具的国内配套问题,没有及时提升国内轿车刀具的技术水平。引进生产线后,随之而来的专用刀具、工具品种规格繁多,工艺技术、专业化程度要求又很高,现有国产刀具的品种、质量、供货和服务能力均难以满足要求。而与此同时,配套完善、即装即用的几10个国外刀具品牌虎视眈眈,使得刀具国产化工作寸步难行,明显处于被动状态。

3、国内刀具制造商参与国际竞争的对策

从20世纪80年代开始,在世界制造业发展及制造技术进步的带动下,切削技术和刀具逐步步入了高速、高效、创新工艺的发展新阶段,切削加工效力成倍提高,为制造业的发展作出了重要贡献。高效的切削工艺和刀具已成为汽车制造业的基础工艺和关键技术。高速切削、干切削、硬切削等新的切削工艺正在改变传统的加工工艺,显现出强大的生命力。笔者认为,国内刀具制造商要参与国际竞争,最根本的前途就是提升企业的整体刀具技术水平。具体来讲要在以下3个方面下工夫。

3.1加快刀具新技术的研发

(1)全面提高以硬质合金为主的各种刀具材料性能

在现代刀具材料的发展中,硬质合金起着主导作用。另外,其它刀具材料的性能也得到了明显改良,扩大了各自的利用领域,构成了各种刀具材料既有独特优势、使用范围又相互替换补充的整体魄局。正是刀具材料的全面、迅速发展,为现今高速、高效金属切削加工奠定了基础。

硬质合金的性能不断改进,利用面不断扩大,成为切削加工的主要刀具材料,对推动切削效力的提高起到了重要作用。首先,细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发明显提高了硬质合金材料的强度和韧性,用它制造的整体硬质合金刀具(特别是量大面广的中小规格通用刀具如钻头、立铣刀、丝锥等)大量替换传统的高速钢刀具,使切削速度和加工效力大幅度提高,将量大面广的通用刀具带入了高速切削范畴。其次,硬质合金加压烧结等新工艺的开发和利用提高了硬质合金的内在质量,针对不同加工需求开发专用牌号的做法进1步提高了硬质合金的使用性能。开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金,作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料,提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和利用范围。

陶瓷和金属陶瓷刀具材料品种增多,强度和韧性提高,利用领域和加工范围不断扩大,可在钢材、铸铁的精加工、半精加工中替换硬质合金,提高了加工效力和产品质量。目前,此类刀具材料不但可用于单件、小批量生产,而且已利用于流水线的批量生产,由于价格较低,可作为干切削、硬切削的首选刀具。

PCD、CBN超硬刀具材料改性和制造工艺的改进,使其利用领域不断扩大。用CBN制造的缸孔镗刀已可用在自动生产线和铸铁、淬硬件的加工中,并从精加工领域扩大到半精加工领域,使切削加工效力大幅提高。铝合金是汽车工业广泛使用的重要材料,铝合金的高效加工是1项关键技术。目前,由于广泛利用各种高性能PCD刀具,使切削效力明显提高,最高切削速度已达7000m/min。产品已从车刀、面铣刀扩大到立铣刀、钻头、铰刀、成形刀具等。

(2)将涂层作为提高刀具性能的关键技术

刀具涂层技术最近几年来获得了重大进展,表面涂层已成为提高刀具性能的关键技术。化学气相沉积(CVD)依然是可转位刀片的主要涂层工艺,已开发出中温CVD、厚膜Al2O3、过渡层等新工艺,在改进基体材料性能的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性均得到明显提高。CVD金刚石涂层也获得了较大进展,提高了涂层表面光洁度,并进入实用阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理气相沉积(PVD)涂层技术的进展尤其引人注视,在涂层炉结构、工艺进程、自动控制技术等方面都获得了新进展,不但开发了适用于高速切削、干切削、硬切削的高耐热性涂层(如超级TiAlN)和综合性能更好的TiAlCN通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构涂层,大幅度提高了涂层的硬度和韧性。

PVD涂层技术的新进展显示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特优势,通过对涂层工艺参数的控制和对靶材、反应气体的调剂,可不断开发出新的高性能涂层,以满足加工多样性的需要。涂层技术将成为提高和改良刀具性能的捷径,有着10分广阔的利用前景。

(3)不断创新刀具结构

随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业、模具工业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具的延续发展。为汽车流水线开发的专用成套刀具突破了传统的按需供刀、“闭门造刀”的做法,成为革新加工工艺、提高加工效力、下降加工本钱的重要工艺因素,发挥侧重要的作用。

汽车工业的敏捷制造成为推动可转位刀具结构创新的强大动力,增进了多功能面铣刀、各种模块式立铣刀系统、大进给铣刀等高效加工刀具的不断出现。为满足高效加工铝合金构件的需要,开发出了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等先进刀具。

随着5轴联动数控工具磨床功能的完善及普及利用,使立铣刀、钻头等通用刀具的几何参数进1步多样化,改变了标准刀具参数“千篇1律”的传统格局,可适应不同的被加工材料和加工条件,切削性能也相应提高。1些创新的刀具结构还可产生新的切削效果,例如,不等螺旋角立铣刀与标准立铣刀相比,可有效遏制刀具的振动,提高加工表面光洁度,增大刀具的切削深度和进给速度;硬质合金丝锥及硬质合金罗纹铣刀的开发将罗纹加工效力提高到高速切削水平,特别是硬质合金罗纹铣刀,不但加工效力高,而且通用性好,可明显下降刀具费用。

3.2重视配套技术和刀具管理

切削加工配套技术(包括刀柄与机床主轴的联接方式、刀具在刀柄中的夹紧方式、刀具系统的平衡及刀具管理等)是随着切削加工技术的进步而逐步发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部份,并与切削技术和刀具保持着快速同步发展,不断改变着切削技术的内涵,推动切削技术进步。

随着切削技术的发展,工具行业正经历着经营机制的变革。面对日趋更新的生产模式和新的工件材料,刀具已不再是可以“1售了之”的简单商品,而是优化加工工序或生产线加工技术的重要工艺因素。刀具制造商必须能为用户提供成套加工技术,帮助用户实现提高加工效力和产品质量、下降制造本钱的目标,这已成为国外刀具制造商业务发展的方向和经营主旨。目前,刀具制造商通过各种情势的“为用户服务”、“提供解决方案”等经营模式,将工具行业带入1个更高的发展阶段。事实证明,国外刀具制造商的这类做法有益于制造业整体水平的不断提高,为用户带来更大的经济效益,势必遭到用户的欢迎。

刀具管理(ToolManagement)的发展方向是刀具总承包,行将1个工厂(车间)的所有刀具外包给1个公司进行整体管理,以适应各种加工的刀具需求,全面提供包括刀具的采购、库存管理、修磨、清洁调剂、配送等成套服务。根据瓦尔特公司提供的资料,刀具本钱仅占加工总本钱的3%左右,但投入生产中将会影响生产效力的20%~30%,因此,为了有效下降加工本钱,就应当适当增加刀具费用,采取高效刀具,强化刀具管理。这对提高生产企业的竞争力非常重要。

刀具管理的概念首先出现于美国,其核心是通过刀具外包到达以下目的:①减少早期投入(刀具重磨业务可以委外或由刀具管理供应商承当);②减少库存资金(刀具库存资金由刀具管理供应商承当);③减少管理本钱,使企业能将精力放在自己的核心业务上。在上世纪90年代末到本世纪初,刀具管理在美国和欧洲得以推行利用。由于在欧美市场上刀具供应商较为成熟,操作比较规范,刀具管理已逐步得到用户认可。

对美国或德国的用户,有大量成熟的刀具制造商在当地办厂,用户可以取得非常及时的服务,这对刀具管理业务的展开无疑提供了极大的便利。而在中国,刀具管理的发展仿佛显得有些缓慢,目前只是在汽车行业开始率先利用。由于目前国内的高级刀具市场仍以进口刀具为主体,因此在刀具供货、信息传递、生产周期、报关运输等方面均会对刀具管理构成障碍,由此引发的停产将是用户可以承受的底线;另外,有1种耽忧心理目前还没法排除,即用户对刀具管理供应商容易构成依赖,在下1轮选择中如果选中了另外一家新的刀具管理供应商,在交接期间将不可避免地出现混乱。这主要是由于作为刀具管理的用户本身还不够成熟,其次是中国市场可供选择的刀具管理供应商还太少。

3.3从基础做起,解决好加工典型零件的关键刀具

(1)曲轴的粗加工

由于发动机曲轴结构的特殊性,目前国内轿车曲轴生产线多为高速柔性生产线(FlexibleTransferLine,FTL),这类生产线的特点是不但可以加工同系列曲轴,而且还可加工变型产品、换代产品和新产品。

曲轴的金属加工工艺流程为:铣端面、定总长、钻质量中心孔、车大小端外圆→铣主轴颈及轴肩→铣连杆颈及轴肩→车拉主轴颈及沉槽→车拉连杆颈及沉槽→枪钻油孔→清洗→圆角滚压→法兰钻孔攻丝→精磨主轴颈(CBN)→精磨连杆颈(CBN)→斜切磨小端→斜切磨法兰端→车滚止推面、铣键槽→动平衡→砂带抛光主轴、连杆及法兰外径→清洗、冷却→检测分类。

对曲轴平衡块侧面需加工的情况,主轴颈加工应优先选用CNC内铣或CNC高速外铣,连杆颈的加工采取CNC高速外铣。如果毛坯是锻钢毛坯,CNC内铣更有益于断屑。不宜采取CNC车-车拉,由于平衡块侧面为断续车削,曲轴转速又很高(约1000r/m),因此崩刀现象将相当严重。

对曲轴平衡块侧面不需加工的情况,主轴颈加工选用CNC车-车拉比较公道,可取得较高加工精度。由于连杆颈轴线不在1条中心线上(如6拐曲轴),采取车-车拉加工则有1些麻烦,采取CNC高速外铣比较公道。

对轴颈有沉割槽的曲轴加工,CNC车-车拉工艺就体现出优越性。若轴向有沉割槽,CNC高速外铣和CNC内铣没法加工,而车-车拉能够加工。对以上加工方式,应采取独立双刀盘、模块化刀具系统等以实现柔性化加工。

(2)可转位面铣刀在现代汽车制造业中,平面铣削的利用极其普遍。

为了适应汽车工业的需要,工具制造厂商也推出了铣削铸铁及其它材料的铣刀和刀片系列。这些刀具、刀片使得加工效力和零件表面质量都得到了大幅度提高。

选用高硬度、高强度的刀具材料,再进行适当涂层,是延长刀具寿命的重要措施。同时,改进刀具几何形状也是增加刀具寿命的重要手段,对铸铁的铣削特别如此。在汽车制造业中,铸铁的铣削加工是1个重要课题。包括灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁在内的各种合金铸铁有着不同的加工特性,如灰铸铁含有网状硬组织,表现为脆性较大,加工时刀具易产生崩刃;球墨铸铁和蠕墨铸铁有1定塑性,可产生铁屑,但刀具切出时工件也会产生“翻边”,容易致使刀尖破坏。因此,对铣刀几何角度的优化改进10分重要。例如,传统的加工铸铁的铣刀带有负的轴向和径向前角(双负角铣刀),这类负几何角度使刀刃比较牢固。相反,正负角铣刀(正的轴向前角、负的径向前角)切削较安稳,可下降对机床的功率要求,更便于采取先进的刀具材料。

(3)孔加工刀具

在孔加工中,目前仍大量使用高速钢麻花钻,但各企业之间在孔加工精度和加工效力方面已逐步拉开差距。高速切削钻头的材料以陶瓷涂层硬质合金为主,如MAZAK公司和森精机制作所在加工铸铁时即采取了陶瓷涂层钻头。在加工铝合金等有色金属材料时,可采取金刚石涂层硬质合金钻头、DLC涂层硬质合金钻头或带金刚石烧结体刀齿的钻头。

在各种涂层钻头中,陶瓷涂层硬质合金钻头特别重视耐磨性、耐热性及润滑性,其涂层工艺也采取多层涂覆方式,如利用TiAlN、TiN、TiCN等复合氮化物构成复合涂层结构。钻头的切削正不断高速化,随着被加工材料的不同,切削速度已可分别到达200~300m/min。

新开发的SU、ST、SH整体硬质合金钻头系列优化的槽型结构与nc-TiAlN涂层相结合,重塑了整体硬质合金麻花钻的性能。较大的容屑空间和锋利的曲线刃带使排屑流畅,构成了独有的高刚性和高耐用度,特别合适大批量生产汽车零部件的高效加工。

目前,高精度孔、罗纹孔、螺栓孔等的加工正向高速切削方向发展。钻孔刀具的切削参数与球头立铣刀类似,也显现出高速、大进给的发展趋势。切削实践证明,提高切削速度有益于切屑形态的公道化和改良加工表面粗糙度;增大进给量则对断屑、排屑和延长刀具寿命非常有益。因此,今后钻孔刀具仍将沿着高速、大进给的方向不断发展。

4、结束语

最近几年来,我国工具行业面对国内国际市场的剧烈竞争,积极进行重点技术改造,引进国外先进技术和装备,全面提高企业的技术水平和制造能力,取得了长足进步。但是,必须苏醒地看到,国内工具企业在技术水平、生产工艺和制造装备等方面与国外同行相比还存在较大差距,生产的刀具产品在加工质量、使用寿命、可靠性、技术服务等方面还不能完全满足用户日趋增长的需求。因此,任重而道远,我们还有大量的工作要做,还有很长的路要走,我们还要加倍努力。

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