高效切削刀具在制造業(yè)中的應(yīng)用

　　【摘要】當前制造業(yè)發(fā)展的特點是競爭加劇，如何能不斷提高生產(chǎn)效率、降低制造成本，以具有競爭力的價格向客戶提供高質(zhì)量的產(chǎn)品，及時滿足用戶日益增長的需求，成為汽車制造業(yè)各企業(yè)共同關(guān)注的焦點。 
　　當前制造業(yè)發(fā)展的特點是競爭加劇，如何能不斷提高生產(chǎn)效率、降低制造成本，以具有競爭力的價格向客戶提供高質(zhì)量的產(chǎn)品，及時滿足用戶日益增長的需求，成為汽車制造業(yè)各企業(yè)共同關(guān)注的焦點。汽車生產(chǎn)的柔性化要求提高，要求能夠根據(jù)市場的需求及時推出新的產(chǎn)品或轉(zhuǎn)換新的型號生產(chǎn)，當市場對某種產(chǎn)品有需求時必須抓住機遇生產(chǎn)出足夠滿足市場需要的產(chǎn)品。汽車制造中有大量零部件需要進行切削加工，具有技術(shù)密集程度高、生產(chǎn)批量大、制造節(jié)拍快的特征，汽車制造業(yè)中使用的刀具不僅要求其切削性能好、工作壽命長，還要求其具有高度的穩(wěn)定性，同時還要具有很高的性能價格比，金屬切削和刀具技術(shù)作為機械加工工藝環(huán)節(jié)中*活躍的因素，成為提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量、降低制造成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。高速和大切削量快進給加工汽車及其零部件制造特別是新工廠、新項目的制造過程越來越多地向著高速加工的方向發(fā)展，越來越多地采用數(shù)控高速加工中心，很多加工中心機床的主軸轉(zhuǎn)速已可達數(shù)萬轉(zhuǎn)。同時快速進給也得到很大發(fā)展，配合高速加工，采用密齒銑刀，提高進給速度，如在鋁合金變速箱零件的加工中，有的面的銑削進給速度達15m/min以上，甚至可達18m/min以上。為了提高生產(chǎn)效率，在汽車零部件的加工中，減少或合并加工工序的趨勢也很明顯，例如取消半精加工，粗加工后直接進行精加工，粗鏜后直接精鏜，鉆孔后精鉸一次到位，面粗銑后一次精銑達到要求，在粗加工中盡可能多地切除加工余量，隨后的一次精加工直接保證加工尺寸和形狀、位置精度以及表面加工質(zhì)量，這就對機床和刀具都提出了很高的要求。新型硬質(zhì)合金刀具和超硬刀具廣泛使用面對高效加工的需要，刀具材料發(fā)生了很大變化，新型硬質(zhì)合金刀具和超硬刀具在當代汽車制造業(yè)中獲得了廣泛使用，尤其是在鉆削、鉸削、銑削、車削等加工中。新型硬質(zhì)合金刀具近年來發(fā)展很快，其具有高的硬度和良好的綜合切削性能，同時又具有合適的性能價格比，已在汽車制造業(yè)得到了應(yīng)用并取得了良好的效果。目前硬質(zhì)合金刀具正在發(fā)展新的配方，采用新的成形和燒結(jié)技術(shù)，向著采用納米技術(shù)和超細粉末、開發(fā)兼具高硬度和韌性的新型硬質(zhì)合金刀具的方向發(fā)展。同時超硬刀具在汽車制造業(yè)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，其中主要是CBN（立方氮化硼），PCD（聚晶金剛石）刀具和陶瓷刀具的應(yīng)用。如氣缸體缸孔的加工在半精鏜和精鏜工序中很多就采用了ＣＢＮ刀片，切削速度可達800m/min，刀具壽命也大為延長。ＰＣＤ刀具由于其極高的硬度，在加工鋁制工件及其他有色金屬及其合金時使用壽命極高，近年來隨著汽車制造業(yè)大量應(yīng)用輕型材料（如鋁合金、復(fù)合材料等），PCD刀具的應(yīng)用也大量增加。現(xiàn)在汽車發(fā)動機的汽缸體、汽缸蓋、變速箱的殼體、閥體、槽體、側(cè)蓋等零件很多都采用鋁合金材料，這些零件的加工中就大量采用了PCD刀具，取得很好的效果，一般每把刀的壽命都在幾千件工件左右，長的可達1.5萬至2萬件，如在變速箱殼體的某些工序加工中，將原來采用的硬質(zhì)合金鏜刀改為PCD刀具，刀具壽命甚至可從原來的3000件提高到數(shù)萬件，其經(jīng)濟效益是非常明顯的。另外，陶瓷刀具也是一種有發(fā)展前途的、目前正在汽車制造業(yè)不斷獲得應(yīng)用的刀具，由于其有很高的硬度同時又具有*競爭力的價格，在某些加工中，陶瓷刀具可用來代替CBN刀具， 如在一種直列四缸發(fā)動機鑄鐵缸體的缸蓋面的銑削加工中，將一種新型陶瓷刀具代替原來使用的CBN刀具就獲得了成功，刀具成本可降低35%以上。在鑄鐵缸體缸孔的粗鏜和半精鏜中，很多情況下都采用了陶瓷刀具，陶瓷刀具的主要缺點是其較脆，因此在連續(xù)切削的情況下優(yōu)點較明顯，另外也需避免刀具受到突然和局部的溫度變化而引起裂紋，因此一般都是進行干切削。 刀具涂層的開發(fā)和涂層刀具的應(yīng)用 由于汽車制造業(yè)中高效加工的苛刻工況，僅依賴于刀具材料的改進還是遠遠不能滿足需求的，表面工程技術(shù)、摩擦學技術(shù)及其涂層的應(yīng)用和發(fā)展，為提高刀具的切削性能和工作壽命作出了很大貢獻。 目前在汽車制造業(yè)所用刀具上采用較多的涂層有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出現(xiàn)的AlCrN涂層等等，在鉆頭、鉸刀、齒輪滾刀、絲錐上都獲得很好的應(yīng)用效果，汽車行業(yè)所用的硬質(zhì)合金刀具刀片大部分都進行了涂層，刀具壽命明顯提高，應(yīng)用涂層的刀具的基體材料范圍也很廣，包括高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等等，例如在使用陶瓷刀具對發(fā)動機氣缸體缸蓋結(jié)合面進行銑削的加工中，進行了涂層的刀具比未經(jīng)涂層的刀具，壽命可提高20%以上。而且隨著對刀具重磨要求的提高，越來越多的重磨后的刀具需要進行重新涂層，使涂層的應(yīng)用有了更廣闊的前景，同時如何使修磨后重新涂層的刀具達到原有新刀具的性能水平，還需要涂層廠家和涂層刀具用戶共同付出更大的努力。 目前汽車制造業(yè)越來越多的采用鋁合金材料，鋁件加工越來越多，但某些在鑄鐵和鋼件加工中應(yīng)用效果較好的涂層，在鋁件加工中不一定能取得好的效果，因此現(xiàn)在有的涂層企業(yè)開發(fā)出了某些更適合于鋁件加工的刀具用涂層，如*近就有氮鋁化鈦加碳化鎢的復(fù)合涂層，在鋁件上加工有較好的效果。覆有類金剛石涂層的刀具對于加工鋁件也有較好的效果，應(yīng)用在硬質(zhì)合金刀具上形成和覆蓋類金剛石涂層的方法，可使得具有復(fù)雜形狀、或開有斷屑槽的刀具也能具有某些金剛石刀具的加工性能。
　　目前刀具涂層的開發(fā)研究和在汽車制造業(yè)的應(yīng)用研究都有加速的趨勢，正向著納米級和多層化的方向發(fā)展，由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合性能的要求，因此涂層成份將趨于多元化、復(fù)合化；在復(fù)合涂層中，各單一成分涂層的厚度將越來越薄，層數(shù)也越來越多，有的已達400多層；涂層的研究和開發(fā)過程中將更注重切削摩擦學的應(yīng)用，切削摩擦學的理論和試驗及涂層評定方法將有利于新涂層的開發(fā)和應(yīng)用推廣，新涂層工藝將為滿足不同的切削加工要求，提供更具針對性的適用涂層． 復(fù)合刀具的發(fā)展及其標準化 在汽車制造業(yè)中為達到高效加工的目的，大量使用了組合式刀具和復(fù)合刀具，以簡化工序、減少刀具數(shù)量、減少換刀時間和降低加工節(jié)拍時間，現(xiàn)在，還出現(xiàn)了鉆孔和螺紋加工在一起的組合式刀具，這種復(fù)合刀具的前部用于鉆孔，緊接著是刀具的螺紋加工部分，在螺紋底孔被鉆出來后，該刀具即進行螺紋的銑削加工，僅用一把刀具即完成該孔的全部加工，已在發(fā)動機氣缸體上某些孔的加工中獲得應(yīng)用，以減少換刀的輔助時間，滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求。 由于組合式刀具的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)效率，但也增加了非標刀具的種類和數(shù)量，增加了對刀具管理的要求，特別是在刀具非正常消耗發(fā)生時，增加了快速獲得替代刀具的困難和影響生產(chǎn)線正常生產(chǎn)的風險。因此怎樣做到既能保證為獲得高的生產(chǎn)率而大量采用復(fù)合刀具，又能盡可能地使刀具實現(xiàn)標準化，就成為刀具制造業(yè)和汽車制造業(yè)需要共同關(guān)注和研究解決的問題，需要制定一些相關(guān)的標準，開發(fā)定向于平臺的刀具，建立一些標準的復(fù)合刀具結(jié)構(gòu)，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)合理的組合或者變換切削及功能模塊，并在這種復(fù)合刀具中盡可能地采用標準刀片，以快速價廉地制造各種專用刀具，這樣將會大大降低刀具制造、采購和庫存成本，縮短刀具供貨時間，并顯著提高出現(xiàn)刀具非正常消耗時的應(yīng)急能力和快速響應(yīng)能力。