展望我国切削加工与刀具技术的发展趋势

一、先进制造技术发展阶段与思考

1、当我们进入21世纪的时候,从世界范围观察,我们正处在先

进制造技术空前快速发展的时期。由于数控机床(NC)的问世,发展一系列数控加工技术,如加工中心(MC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、甚至出现了不同于传统机床的虚拟轴机床,和与机床同时相辅相成发展起来的高速加工新技术、新刀具、新工艺的紧密结合,使机械加工中的劳动强度大大降低,辅助时间大大缩短,产品质量和生产效率大大提高,成为制造业乃至全球经济的发展起到巨大的推动作用。制造技术正朝着高速、高效、柔性、复合、环保、网络的方向发展,现代切削技术是制造技术的主力军之一。

2、大力发展数控加工技术及装备,已成为世界各国政府的战略决策,用数控装备武装现代工业和改造传统工业也成为世界各国制造业发展方向。在90代后期如德、日、美、意四国的机床产值数控化率已达到51.75%以上。数控机床已成为当今制造技术的主要装备,数控加工技术成为先进制造技术的主流,开创着整个现代制造业的新时代。改革开放后,我国制造业的发展世界瞩目,机床总产量和技术水平已迈入世界第一方陈,机床的进口消费量近年已达世界之首,我国已跨入世界制造大国之列；但还不是制造强国,就我国目前制造业劳动生产率只相当于美国的1/23,日本的1/25,德国的1/18,与先进的工业国家相比,还存在着巨大的差距。

3．2002年和2003年,我国进口刀具的金额增长率高达61.21%和87.46%,说明国产刀具还难以满足制造业的发展需要.国产数控刀具无论在寿命,可靠性等方面都存在明显差距,还是在产品品种、性能和质量上都远远满足不了用户的要求,这直接严重影响数控机床效率的发挥。还有相当一部分生产企业还较普遍采用焊接式刀具,或几十年一贯制的老工艺方法,严重阻碍了生产力的提高,是值得我们认真思考和改进的。

二、高速加工(高速切削)发展的必然趋势

1、首先回顾百年来切削发展史:1900年当时的刀具材料为碳素工具钢,如果加工一根直径φ100mm,长500mm的碳钢轴件,需要100分钟才能完成,而在2000年,刀具材料为硬质合金涂层刀具和立方氮化硼刀具,加工上述同样一根轴,仅需要一分钟完成,切削效率提高100倍。切削加工(含磨削)不仅现在而在整个21世纪仍是机械制造业的主导加工方法,目前切削加工约占整个机械加工工作量的95%,据有关专家估计,21世纪的切削加工仍将占机械加工的90%以上。

2、提高切削效率首先要求机床不断更新换代,高速主轴采用陶瓷轴承,液体静压轴承、空气静压轴承、磁浮轴承后,其主轴转速可达10000-50000转／分；小型机床可达100000转／分。进给速度:滚珠丝杠可达40-60米／分,直线电机可达90-120米／分。可以看出辅助运动已达到了主运动的水平,为高速加工创造了最重要的保证条件。再加上刀具新材料、新工艺、新结构的不断研究创新,从而使切削加工进入了高速加工,即新一轮的高速与超高速切削发展新阶段,与50年前的高速切削水平有了一个质的飞跃。

3、目前国际上对高速加工尚无统一定义。有两种提法:一种是以切削速度在1000米/分以上称为高速加工。另一种从被加工材料和刀具材料两个方面考虑,即切削速度与进给速度高于常规值的5——10倍的加工方法称为高速加工。例如:铣削:CBN铣削铸铁、切削速度可达1000-2000米／分。PCD铣削铝合金、切削速度可达4000-7000米／分。车削:氮化硅陶瓷车削灰铸铁、切削速度可达500-700米／分。CBN车削淬火钢(HRC60),切削速度可达100-200米／分。CBN车削铸铁刹车盘,切削速度可达700-1000米／分。钻削:整体硬质合金钻头钻灰铸铁,切削速度可达100米／分。

4、高速加工的机理:早期有萨洛蒙“采用较高的切削速度”理论,在1931年曾获德国专利,文中指出:“在一定的切削速度(比常规加工高5-10倍)下,在切削刃处的切屑去除温度将会开始降低……这种高速加工将提高生产率。”对于钢铁这种温度降低程度较小,对于铝和其它非金属材料这种温度降低程度较高。实践证明:高速加工与常规加工相比,有许多突出的优点:①单位时间的材料切除率可增加3-6倍；②切削力可降低30%以上,尤其是径向切削力的大幅度减少,特别有利于薄壁细筋件(如航空、航天)的高速精密加工；③95-98%的切削热被切屑带走,工件可基本保持冷态；④高速加工时机床的激振频率特别高,远离“机床-刀具-夹具-工件”工艺系统的固有频率,切削平稳振动小,能加工出非常光洁、精密的零件,例如高速铣削高速车削常可达到磨削水平；⑤由于切屑是在瞬间被切离工件,工件表面的残余应力非常小,这对航空航天工业产品有特殊重要的意义。

5、高速加工是一个系统工程,不是一种简单的高切削速度加工。高速加工新工艺,包括:软切削、硬切削、干切削、大走刀切削等配套技术。其中硬切削(切淬硬钢件),干切削(无冷却液)为代表,国际上提出了绿色机械加工的新概念。传统机械加工主要有三个缺陷:①资源利用率不高；②对环境污染大；③损害人体健康。70年代以来,随着世界经济的发展,地球环境日趋恶化、据统计造成环境污染物有70%以上来自制造业,由于人们对环境意识的加强、对清洁生产和绿色制造提出了新的要求。美国和欧洲一些公司加工闸轮和印刷机零件,采用干切削加工铸件钢件都非常成功。总的发展趋势很快,但孔加工的干切削还是个瓶颈,不少专家学者花力气研究,采用空气射流冷却、液氮射流冷却、喷雾冷却等方法,初步取得了成效。

6、20世纪80年代以来,我国相继从德、美、法、日等国引进多条较先进的轿车数控生产自动线,使我国的轿车工业得到空前发展。较典型的是来自德国的一汽——大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线,处于国际20世纪90年代中期水平。其中应用了较实用的高速加工技术,其刀具材料的选用以超硬材料为主的高性能刀具材料,使铣削速度达2200米/分,钻与铰削速度达80-240米/分,车削速度达200米/分以上,拉削速度达10-25米/分,剃齿速度达170米/分。孔加工采用多刃复合刀具,并以铰挤削替代磨削和精密镗削,在一次往复走刀中完成外元、端面、内孔的精加工,刀具转速达3000转/分,走刀速度达1.5-3米/分,精度可达5-7级,表面粗糙度值达Ra0.7μm。从中可部分了解到世界高速加工技术的概貌和发展趋势。

三、充分认识刀具在切削加工中的重要性

1、在机械加工中,金属切削机床和刀具作为切削加工的基础工艺装备,刀具被称为机床的“牙齿”和“孪生兄弟“,无论是什么样的金属切削机床,都必须依靠这个“牙齿”才能发挥作用,刀具性能和质量直接影响到数百万台机床生产效率的高低和加工质量的好坏,直接影响到整个机械制造业的生产技术水平和经济效益。所以说:“企业的红利在刀刃上”,这是国外企业家的切身体会。古人云:“工欲善其事,必先利其器”,现代人说:“磨刀不误砍柴功”,“把劲使在刀刃上”,这些都是我国劳动人民在长期的生产实践活动中的经验总结。

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