高效切削刀具在制造业中的应用

(源自慧聪网)当前制造业发展的特点是竞争加剧,如何能不断提高生产效率、降低制造成本,以具有竞争力的价格向客户提供高质量的产品,及时满足用户日益增长的需求,成为汽车制造业各企业共同关注的焦点。汽车生产的柔性化要求提高,要求能够根据市场的需求及时推出新的产品或转换新的型号生产,当市场对某种产品有需求时必须抓住机遇生产出足够满足市场需要的产品。汽车制造中有大量零部件需要进行切削加工,具有技术密集程度高、生产批量大、制造节拍快的特征,汽车制造业中使用的刀具不仅要求其切削性能好、工作寿命长,还要求其具有高度的稳定性,同时还要具有很高的性能价格比,金属切削和刀具技术作为机械加工工艺环节中最活跃的因素,成为提高生产效率和加工质量、降低制造成本的关键技术之一。

高速和大切削量快进给加工汽车及其零部件制造特别是新工厂、新项目的制造过程越来越多地向着高速加工的方向发展,越来越多地采用数控高速加工中心,很多加工中心机床的主轴转速已可达数万转。同时快速进给也得到很大发展,配合高速加工,采用密齿铣刀,提高进给速度,如在铝合金变速箱零件的加工中,有的面的铣削进给速度达15m/min以上,甚至可达18m/min以上。为了提高生产效率,在汽车零部件的加工中,减少或合并加工工序的趋势也很明显,例如取消半精加工,粗加工后直接进行精加工,粗镗后直接精镗,钻孔后精铰一次到位,面粗铣后一次精铣达到要求,在粗加工中尽可能多地切除加工余量,随后的一次精加工直接保证加工尺寸和形状、位置精度以及表面加工质量,这就对机床和刀具都提出了很高的要求。新型硬质合金刀具和超硬刀具广泛使用面对高效加工的需要,刀具材料发生了很大变化,新型硬质合金刀具和超硬刀具在当代汽车制造业中获得了广泛使用,尤其是在钻削、铰削、铣削、车削等加工中。新型硬质合金刀具近年来发展很快,其具有高的硬度和良好的综合切削性能,同时又具有合适的性能价格比,已在汽车制造业得到了应用并取得了良好的效果。目前硬质合金刀具正在发展新的配方,采用新的成形和烧结技术,向着采用纳米技术和超细粉末、开发兼具高硬度和韧性的新型硬质合金刀具的方向发展。同时超硬刀具在汽车制造业获得了越来越广泛的应用,其中主要是CBN(立方氮化硼),PCD(聚晶金刚石)刀具和陶瓷刀具的应用。如气缸体缸孔的加工在半精镗和精镗工序中很多就采用了CBN刀片,切削速度可达800m/min,刀具寿命也大为延长。

PCD刀具由于其极高的硬度,在加工铝制工件及其他有色金属及其合金时使用寿命极高,近年来随着汽车制造业大量应用轻型材料(如铝合金、复合材料等),PCD刀具的应用也大量增加。现在汽车发动机的汽缸体、汽缸盖、变速箱的壳体、阀体、槽体、侧盖等零件很多都采用铝合金材料,这些零件的加工中就大量采用了PCD刀具,取得很好的效果,一般每把刀的寿命都在几千件工件左右,长的可达1.5万至2万件,如在变速箱壳体的某些工序加工中,将原来采用的硬质合金镗刀改为PCD刀具,刀具寿命甚至可从原来的3000件提高到数万件,其经济效益是非常明显的。另外,陶瓷刀具也是一种有发展前途的、目前正在汽车制造业不断获得应用的刀具,由于其有很高的硬度同时又具有极具竞争力的价格,在某些加工中,陶瓷刀具可用来代替CBN刀具,如在一种直列四缸发动机铸铁缸体的缸盖面的铣削加工中,将一种新型陶瓷刀具代替原来使用的CBN刀具就获得了成功,刀具成本可降低35%以上。在铸铁缸体缸孔的粗镗和半精镗中,很多情况下都采用了陶瓷刀具,陶瓷刀具的主要缺点是其较脆,因此在连续切削的情况下优点较明显,另外也需避免刀具受到突然和局部的温度变化而引起裂纹,因此一般都是进行干切削。

刀具涂层的开发和涂层刀具的应用由于汽车制造业中高效加工的苛刻工况,仅依赖于刀具材料的改进还是远远不能满足需求的,表面工程技术、摩擦学技术及其涂层的应用和发展,为提高刀具的切削性能和工作寿命作出了很大贡献。目前在汽车制造业所用刀具上采用较多的涂层有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出现的AlCrN涂层等等,在钻头、铰刀、齿轮滚刀、丝锥上都获得很好的应用效果,汽车行业所用的硬质合金刀具刀片大部分都进行了涂层,刀具寿命明显提高,应用涂层的刀具的基体材料范围也很广,包括高速钢、硬质合金、陶瓷等等,例如在使用陶瓷刀具对发动机气缸体缸盖结合面进行铣削的加工中,进行了涂层的刀具比未经涂层的刀具,寿命可提高20%以上。而且随着对刀具重磨要求的提高,越来越多的重磨后的刀具需要进行重新涂层,使涂层的应用有了更广阔的前景,同时如何使修磨后重新涂层的刀具达到原有新刀具的性能水平,还需要涂层厂家和涂层刀具用户共同付出更大的努力。目前汽车制造业越来越多的采用铝合金材料,铝件加工越来越多,但某些在铸铁和钢件加工中应用效果较好的涂层,在铝件加工中不一定能取得好的效果,因此现在有的涂层企业开发出了某些更适合于铝件加工的刀具用涂层,如最近就有氮铝化钛加碳化钨的复合涂层,在铝件上加工有较好的效果。覆有类金刚石涂层的刀具对于加工铝件也有较好的效果,应用在硬质合金刀具上形成和覆盖类金刚石涂层的方法,可使得具有复杂形状、或开有断屑槽的刀具也能具有某些金刚石刀具的加工性能。

目前刀具涂层的开发研究和在汽车制造业的应用研究都有加速的趋势,正向着纳米级和多层化的方向发展,由于单一涂层材料难以满足提高刀具综合性能的要求,因此涂层成份将趋于多元化、复合化；在复合涂层中,各单一成分涂层的厚度将越来越薄,层数也越来越多,有的已达400多层；涂层的研究和开发过程中将更注重切削摩擦学的应用,切削摩擦学的理论和试验及涂层评定方法将有利于新涂层的开发和应用推广,新涂层工艺将为满足不同的切削加工要求,提供更具针对性的适用涂层．

复合刀具的发展及其标准化在汽车制造业中为达到高效加工的目的,大量使用了组合式刀具和复合刀具,以简化工序、减少刀具数量、减少换刀时间和降低加工节拍时间,现在,还出现了钻孔和螺纹加工在一起的组合式刀具,这种复合刀具的前部用于钻孔,紧接着是刀具的螺纹加工部分,在螺纹底孔被钻出来后,该刀具即进行螺纹的铣削加工,仅用一把刀具即完成该孔的全部加工,已在发动机气缸体上某些孔的加工中获得应用,以减少换刀的辅助时间,满足生产节拍的要求。

由于组合式刀具的应用大大提高了生产效率,但也增加了非标刀具的种类和数量,增加了对刀具管理的要求,特别是在刀具非正常消耗发生时,增加了快速获得替代刀具的困难和影响生产线正常生产的风险。因此怎样做到既能保证为获得高的生产率而大量采用复合刀具,又能尽可能地使刀具实现标准化,就成为刀具制造业和汽车制造业需要共同关注和研究解决的问题,需要制定一些相关的标准,开发定向于平台的刀具,建立一些标准的复合刀具结构,根据生产任务合理的组合或者变换切削及功能模块,并在这种复合刀具中尽可能地采用标准刀片,以快速价廉地制造各种专用刀具,这样将会大大降低刀具制造、采购和库存成本,缩短刀具供货时间,并显著提高出现刀具非正常消耗时的应急能力和快速响应能力。

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