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桂育鹏：我的刀具创新方法与实践 |
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作者：北京鲲鹏翔工具研究所 桂育鹏 |
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我从事金属切削的生产和科研实践50余年，曾先后提出2300多项合理化建议，完成和实施500多项技术革新和创造发明，刀具创新占300多项。有多项获市科技成果奖，全国优秀新产品金龙奖，省市优质产品奖。其中有10项刀具技术获国家专利权，曾参加北京市和全国发明展览会，并荣获金、银、铜四块奖牌和证书。
有人问：“你搞了那么多的创造发明，有什么诀窍和方法?”，归纳起来，就是八个字：“刻苦、勤思、自信、拼搏”。我认为刀具创新最重要的三件事是：首先，学习现代切削加工基本理论和掌握最新信息；第二，学好用好辩证法、优选法、创造学；第三，紧密结合生产科研中的重点难点进行有效的创新实践。才能不断地提高自主创新开发能力，少走弯路多出成果。
下面就以我的切身实践体会，例举车削、铣削、孔加工的实例具体说明：
一、认识刀具创新和创新方法的重要性(辩证法+优选法+创造学)。
切削加工中机床与刀具这对矛盾，为什么要突出抓刀具创新?古人云：“工欲善其事，必先利其器。”大家知道老虎很厉害很有威力，就因为它有锋利的牙齿!刀具是机床的“牙齿”，先进的机床必须配置相应的先进刀具这个“牙齿”，才能发挥应有的作用和威力!刀具又是“牛鼻子”，往往抓住了刀具创新这个“牛鼻子”，生产上许许多多薄弱环节和技术关键才能迎刃而解。
近20年来，由于数控机床、数控系统、刀具材料，涂层技术有了很大发展，达到了新水平，加上刀具结构的不断创新，使切削加工进入了高速切削(高速加工)的新阶段，其主要特征是切削速度及进给量比常规提高5～10倍。目前我国已成为制造大国，但还不是制造强国。我国机械制造的高科技水平，加工工艺水平，平均劳动生产率还很低，高性能高精度刀具还大量进口等等，解决这个问题的根本途径是加快高素质创新人才的培养和提高行业的自主创新开发能力。
刀具创新最具有普遍意义的方法，就是用辨证法指导应用优选法和创造学改革刀具。如加工不同工件材料，机床条件，选择不同的刀具牌号，刀具几何角度(见表一、表二)，槽型，刀具结构，选择不同的切削用量、加工程序等等，优选法可以帮助我们快捷地找到合理的参数，达到立杆见影的效果。而创造学可以帮助我们找到更科学更合理的创新方案。只有提高对刀具重要性的认识，加大对刀具的投入和创新力度，才能有效的提高劳动生产率和企业的经济效益，国外企业家常说的：“企业的红利在刀刃上。”
二、75°大切深综合强力车刀(模仿技法+组合技法)
第一次尝到革新的甜头是在1952年，当时厂里推广高速切削法，推广苏联的科列索夫车刀。我使用的是一台皮带车床，人称“老牛车，老爷机床”，过去干活凭年青有力气，只知笨干，日久天长累得腰痛腿酸，还完不成任务。有一次，我偷偷地学磨了一把科列索夫车刀，在机床上一试，嘟!嘟!的震动很厉害，大伙把我围了起来，有人问：“这是什么刀?”，我说：“科列索夫车刀”，大家议论纷纷，“这哪是科列索夫车刀?简直是哆哩哆嗦夫车刀!”，“咱这八国联军时代的机床都跳起舞来了，还学先进呢!别费劲啦!”党支部书记过来给我解了围，他说：“失败是成功之母，有志者事竟成。”车间主任也对我说：“不能光知道傻干，还要动脑筋想办法呀!”。
以后我走路吃饭都在想：为什么不行?老师傅的一句话给我启发很大，他说：“你这科列索夫车刀还不如我这偏刀大翅好使呢!”在皮带车床上不震动又能吃大刀，而科列索夫车刀车刀主偏角小径向力大，前角小切削费力，但有修光刃刀尖强度高，加工表面质量好。我想为什么不能把这两种刀合在一起呢?!结果改成一把综合式大切深强力车刀(见图1)，既能吃大刀又能走刀快，切削过程平稳，使生产效率提高2～6倍，十天的活三天就完成了。以后在C620车床使用，其切深可达20～25毫米，进给量达0.15～0.25毫米。现在想起来，这把刀的改进过程，就是创造学的模仿技法和组合技法。
图1 75°大切深综合强力车刀
通过这次实践，使我认识到：学习任何先进经验不能生搬硬套，要结合我国的现有实际才能凑效。同时还要学会体、脑结合，苦、巧结合，要把刺耳的话，当成动力，坚定信心，一定会成功的。
三、高速梯形螺纹车刀(智力激励法)
1954年有一次组织参观苏联青年访华团的高速切削能手奇基列夫，他表演硬质合金刀具高速挑梯形螺纹丝扛，螺距6毫米，主轴转速开到了1200转/分，使我大吃一惊!我们都是老牛车十几转/分，用的是高速钢刀具，从来没见过这样高的速度，跟玩似的不到10分钟干1根。但刀子不断屑很不安全，我问：“能否使切屑断开?”他说：“最好的办法是用钩子钩铁屑。”当时厂里搞阀门丝杠的同工种竞赛，一班只干2根，丝杠长又有跟刀架，如刀子不断屑更不安全了，也无法工作。我决心突破这一关键，翻阅了很多书，磨了一把台阶式断屑槽的梯形螺纹车刀(见图2)，一试结果成功了，20分钟干1根(原来是4个小时干1根)。这件事使我悟出了学习别人的经验就像接力赛一样，接过棒子发挥自己的主动创造性，想办法超过对方。这个办法是在别人经验的启发下再创新，创造学上是属于智力激励法。
图2台阶式高速梯形螺纹车刀
50年代团市委和市总工会领导很重视，曾两次组织过“北京市先进刀具推广队”我都参加了，我第一次认识倪志福，他表演倪志福钻头，我表演高速挑梯形螺纹丝杠和高速强力大走刀切削。到北京起重机器厂推广时我看到汽车吊丝杠很多，我和厂里青年革新能手李昌安，荀志刚研究，用2000转/分干的很成功，凭着年青胆大手急眼快，表演起来很精彩，大伙看着很过瘾，不断地喊：“再来一次，再来一次”。非常受欢迎，大家学习的劲头很足，也交了不少朋友。1956年我第一次参加了全国劳模大会。
四、深锥孔加工(智力激励法+联想技法)：
1960年我国遇到自然灾害暂时困难，当时厂里试制印刷机用的铸板机的关键零件铅锅，其深锥孔加工技术不过关，形成“拦路虎”，有四年之久整机不能出厂。这项攻关任务交给了我，并组成了攻关小组。我们请教了当时厂里的苏联专家萨扎诺夫，问：“在苏联是如何加工的?”答：“我们还没有解决这个问题，是从德国进口的。”问：“能否组织大家攻关解决?”答：“我们都解决不了，你们还能够解决?”以后厂里又派一位工程师去德国，学做了一把螺旋锥铰刀铰孔，结果也没有达到图纸设计要求，以后苏联专家也撤走了。
现在“不靠天、不靠地、不靠神仙和皇帝”，只能靠我们自己的力量和志气啦!我们召开诸葛亮会，请大家出主意想办法，这实际上是创造学的智力激励法。深锥孔加工四道工序：钻孔(采用“风冷式内排屑深孔钻”见图3)、扩孔、镗锥孔、铰锥孔，关键在铰孔这道工序。有的说：“改铰刀强力吹风嘴，有的说“改铰刀结构和角度，有的说：改大头车磨锥孔，还有的说玩笑话：“砍的不如镟的园，铰的不如磨的光。”这个磨是珩磨，这句话对我启发很大，但珩磨深锥孔还没有先例，我和大家一样，走路、吃饭都在想攻关。
图3风冷式内排屑深孔钻
有一天我骑车到城里图书馆找资料，路过广渠门铁道爬坡时，边骑车边还在想攻关，突然路口落杆，火车一声长鸣，使我产生了创造灵感，这实际上是创造学的联想技法。斜坡绕地球旋转就是一个锥体，如果这个锥体上开三道槽，槽内装上滑块和油石，装进孔内，像火车皮沿火车道往复运动，锥体做旋转运动不就可以衍磨出锥孔表面吗?有了这个灵感心里特别高兴，我赶紧调转自行车跑回家，连夜绘出“深锥孔珩磨工具”图纸(见图4)，第二天一早跟大伙儿商量，齐动手加工珩磨工具零件改装专用珩磨机床，不到一周终于加工出合格的锥孔。
图4深锥孔珩磨工具
通过这次攻关成功，使我认识到，依靠集体的力量和智慧，没有战胜不了的困难，同时要善于集中群众的智慧，得到启发，从而找出解决办法。
五、45°粗精两用可转位面铣刀(组合技法)
1979年我参加了全国总工会组织的，以王崇伦为团长的“中国工人访日代表团”，在日本参观访问开阔了眼界，学到了许多先进经验。回国后结合国情搞出13种新型刀具，其中一种“45°粗精两用可转位面铣刀”，就是根据日本的两种铣刀组合而成的，在创造学上叫组合技法。粗齿主编角为45°，刀尖强度高可进行大走刀铣削，精齿刮光刀片刃倾角特别大，为30°～45°，有锯切作用，切削过程平稳，精齿结构为单齿可调式，首先微调刮光刃比粗齿的突出量为0.03～0.05毫米，再微调刮光刃的平行度，其制造工艺性好，调整方便。
在上海召开的“全国29个省市刀具交流会上进行表演，创造了当时国内走刀是1250～3200毫米/分(日本为1000～3000毫米/分)的新纪录。还有一次在福建省刀具交流活动中、加工福建三明工程机械厂的长齿条，使原来走刀量只有20毫米/分，提高到2000毫米/分，提高切削效率100倍!受到省委书记和厂领导的高度赞扬。工人对这把刀爱不释手，看他们最需要这把刀，我就送给了他们……。
以后又改进成大刃倾角三阶梯式精面铣刀，成为正式产品。
六、Ø800三面刃曲轴铣刀(等值交换法)
重庆汽车发动机厂，生产汽车发动机曲轴，曾在1962年引进德国一台专用的曲轴铣床，两把Ø800铣刀同时加工两个拐，6个拐只用20分钟就完成了，效率相当高。但是铣刀使用10年了，已失去原有的精度，无法修复，加上该厂产品更新换代改美国康明斯发动机，体积小，出力大，曲轴尺寸有变化，原来铣刀也不能使用。
该厂曾与德国厂家联系购买新刀，德国厂家表示：机床和刀具是配套的，买刀必须买机床，否则就不卖。该厂又在国内几个大工具厂求援，结果却因为铣刀精度高，结构复杂，无法承接。该厂厂长很着急希望我承接。我看到Ø800直径其端跳精度才0.02毫米，径跳0.03～0.05毫米，100个刀片都是机夹可转位结构的，确实很先进。我国的现在机床精度无法达到。我用了三个月的时间，搞出了10几种方案，最后请厂里选定，厂里选定配磨垫的方案，就是把刀体精度无法加工的难度转移到刀垫上，刀槽测出的精度误差用刀垫精度来补偿，从而保证了Ø800三面刃曲轴铣刀综合装配精度(见图8)。这个办法在创造学叫等值交换法。几年后铣刀精度失去时，只要更换新的配 磨垫即可恢复原有精度，这是德国铣刀无法做到的。
图8 配磨垫式三面刃曲轴铣刀
刀具验收会也是技术鉴定会，对我们的最大考验是，该厂提供的曲轴锻件加工余量大一倍，(美国曲轴余量3毫米，该厂曲轴余量6～7毫米)，已超出合同规定，在这种情况下，从该厂实际出发一次试刀成功!通过这次啃硬骨头，使我体会到：搞任何一种创新，都要在战略上藐视它，不被它吓倒；在战术上又重视它，搞几种方案分析对比。同时一定要按照国内的实际，走我们自己的路。
七、轴向微调式可转位面铣刀(希望点与缺点列举法)
我国可转位面铣刀是在1972年由当时国内几个工具生产厂家一起联合设计的，实际是仿制当时国际上比较先进的瑞典山持维克可乐满式结构，并于1985年正式列入国家标准。
对于这样一个先进的产品，而且列入国标，是否就完美无缺了呢？在我国多年应用及生产实践证明，该产品存在两个突出的问题：(1)铣刀没有轴向制动装置，在冲击性大的切削过程中，铣刀的刀片座容易发生轴向窜动，影响切削性能。(2)铣刀没有轴向微调装置，修光刃端跳精度较难达到国标要求。
图9 轴向微调式可转位面铣刀
为了搞出我国特色的轴向微调式可转位面铣刀(见图9)，我绞尽了脑汁，设计了一种带锥头的高刚性轴向微调制动装置，有效地克服了上述存在的缺点，经超国标标准切削试验证明，其微调精度高，制动性能可靠，结构简单，工艺性强，使该项产品精度和可靠性都不低于瑞典的产品水平。本产品申报专利，通过计算机国际联网查新，查近100篇专利及非专利交献，结论是未发现与本发明相同的结构，加上生产厂的努力，荣获了全国星火计划优秀产品银质奖和北京市优质产品称号，也荣获了北京第五届发明展览会的金牌奖。以后在此基础上搞出了能进行交错齿式大切深可转位面铣刀(见图10)。 
图10 交错齿式大切深可转位面铣刀
通过这项产品的创造过程，一方面说明国外先进产品并不是高不可攀，同时也说明采用创造学的缺点列举法和希望点列举法，使产品更新换代是非常实用和有效的。
八、阶梯小孔钻扩铰组合刀(同类组合法)
印刷机胶架、下规体、连板等零件有许多小孔加工，精度要求很高，其平行度、垂直度、孔距要求在0.02毫米以内，特别是阶梯小孔，过去单个孔分别钻、扩、铰，加上刀具刚性差，造成了阶梯各孔不同心，造成15%的废品率，50%的回用率，从工人、检查员到车间领导都很头痛，成为生产上多年存在的老大难问题。
经过分析研究找出问题的根源，不是机床精度问题，完全是由于钻、扩、铰刀具刚性不足，单个孔分别加工误差造成的。针对问题的根源，设计出阶梯钻头钻孔，硬质合金高刚性阶梯扩孔刀和阶梯铰刀，都是一次加工完成，这样不但保证了所有孔的同心度，零件合格率达到100%合格，而且减少了换刀的辅助时间，提高了生产效率1倍以上。
从上述刀具创新可以看出，采用创造学同类组合法，把阶梯大小不同直径的钻、扩、铰刀具，分别组合在一起加工，其中扩孔工序采用硬质合金阶梯扩孔刀，这些措施都保证了加工质量，同时提高了效率，办法虽简单，但解决了大问题。在创造学上称为同类组合法。
九、单刃浮动镗刀及喷环(信息联想法)
印刷机樯板孔的精度要求高，孔径Ø100～Ø300毫米，其公差范围+0.015毫米，内控标准+0.007毫米，从60年代至今一直采用双刃浮动镗刀，对刀具从未改动过一点，成了“佛爷眼珠”。近10年来，不断传来国外采用单刃铰刀的新产品，加上工具系统，价格昂贵得惊人，一个孔的刀具系统约40万人民币，如果樯板全部孔采用这种刀具，相当购买一台数控机床。
我一直在设想能否走出一条自己的创新路子来，把单刃铰刀的原理应用到浮动镗刀上来，经过有关领导的支持，设计出了一套单刃浮动镗刀和镗杆，并把复杂的内冷却系统改成外冷喷环，根据孔的大小，喷环嘴可以灵活的调整。经过研制和初步试验，孔的加工直径与刀的尺寸完全一致，刀具微调精确，外冷喷环使用方便，有一个车间已全部推广。这个创新过程称为信息联想法。
任何一项新的东西出现，不会完全尽善尽美，虽然取得初步成效，还有待于进一步改进完善。只要坚定信心，得到各方面的支持帮助，一定会取得最后成功。
十、可转位三面刃铣刀及装置(系统工程法)
印刷机有许多需要铣槽的零件，最早使用高速钢三面刃铣刀，后改成硬质合金焊接重磨式三面刃铣刀，效率很低才开几十转/分。只要有一个齿打刀，很快刀子就报废，工具费用大很头痛。后来买来一把山特维克可转位三面刃铣刀，价格太贵，没人敢用，在车间工具室放了2年多。我儿子是车间负责人，老加班，双休日也不休息。我说：“你们没忙在点子上，有好刀不用才是浪费，你应承担责任，工人就敢用了。”后来儿子说：“工人敢用了，外国刀也不行，涂层刀具需开800转/分，一试铣床刀杆挂架滑动轴承发烧了，产生激烈震动，您快来看看吧。”
到车间一看，不是外国铣刀不行，是人不行，只要人动脑筋，没有不行的。经研究进行了如下的系列改进：
·改铣床刀杆挂架滑动轴承为滚动轴承，用锥套锁紧刀杆消除间隙，再一试800转/分，外国刀切削平稳效率高。
·设计一把四刃(外国两刃)轴向微调式可转位三面刃铣刃，铣削效率和国外一样，槽的两侧面精度比外国刀要高。
·设计的铣刀和刀杆是端键结构(外国是轴键结构)，刀杆刚性好，扭矩大，径向跳动小，铣削更平稳了。
·参观人多了，切屑乱飞，在铣床滑轨上增加了一个活动网罩，保证了安全生产。
以上改进是一个系统工程，使生产效率提高了5倍，加工精度提高了，刀具费用是国外的1/10，安全生产了。大家一致称赞：“中国刀赛过了外国刀”。
十一、特密齿可转位陶瓷面铣刀(功能组合法)
改革开放以后，我国制造业有了突飞猛进的大发展，数控机床高效机床逐年增加，设备自动化程度高了，老工艺老刀具面临着必须更新换代。国内汽车行业引进多条生产线已展示出现代高速加工的新面貌。高速加工的新理念，既常规切削速度和进给量5～10倍，迫使人们去接受，如果还停留在原来的切削水平，不进则退，成为时代落后者。所以现代职工的思想理念，技术素质需要急待提高。
要达到高速加工的要求，普通硬质合金刀具越来越不能胜任了，采用涂层，陶瓷，立方氯化硼，金则石刀具是必然的趋势。刀具结构也必需要有新的创新突破。如高速加工用可转位面铣刀要考虑如下因素：
·刀片材料：多数为涂层和陶瓷刀片，个别选用立方氯化硼和金刚石刀片。
·刀体材料和淬火硬度比常规刀具要提高一个档次。
·刀具的端跳和径跳精度比常规标准要提高一个档次。
·刀具结构研制密齿，特密齿陶瓷面铣刀。在一个刀槽内实现刀片夹紧，定位，微调等，结构非常紧凑。创造学上叫功能组合法。
·刀具几何参数要适于大走刀切削。
·安全性采用动平衡和防飞设计结构。
经研制的几种密齿结构陶瓷面铣刀，切削速度400～1200米/分，走刀量都超过1000毫米/分。多种结构方案比较，还需继续探索改进。
十二、汽车刹车片成套可转位内外元车刀(类比法+优缺点列举法)
去年有机会到山东一个陶瓷刀片生产厂，顺便又看了七个汽车刹车片厂加工刹车片刀具的使用情况，我第一次看到国内高速加工的一个雏形。刹车片为HT250铸铁，大部分使用简易数控车床，可喜的是已摆脱使用普通硬质合金刀具切削速度100～200米/分的水平。全部采用涂层或陶瓷可转位车刀，使切削速度达到400～900米/分的水平。另一方面也有不足之处；大部分刀杆质量很差，还有不淬火的刀杆、刀槽接触面不平，有的只压一个螺钉。刀片刃口未经钝化有缺口，刀具寿命很低。这样恶劣的条件对陶瓷刀片很敏感，切削过程的振动很容易打刀，所以刀具浪费现象十分严重。
如何解决上述问题，更上一层楼呢?陶瓷刀片厂和刀具制造厂经协商合作，由我设计“汽车刹车片成套可转位内外元车刀”。刀具结构方案参照和吸收国内外较成熟的经验，具体措施是：
·采用“一紧双固”压拉式夹紧结构。
·采用竖截面高强度刀杆结构。
·内外元双刀片为一体的组合刀具。
·刀片刃口进行钝化处理。
经过精心研制和使用证明，已达到予期目的，为用户提供得心应手的刀具。凡通过现场调研类比分析和优缺点列举的技法，为用户着想满足用户需求设计的新产品，在创造学上一般采用较普遍。
十三、刀具刃口钝化技术(探微法)
近三年来我花了很多精力，潜心研究切削加工中普遍存在的刀具刃口钝化技术，这是一个还不被人们普遍重视而又十分重要的问题，它所以重要就在于：经钝化后的刀具有效提高刃口强度，提高刀具寿命和切削过程的稳定性。刀具刃口为什么要钝化?这要在刀具的微观世界里去探索，所以我给创造学起个名字叫“探微技法”；经普通砂轮或金刚石砂轮刃磨后的刀具刃口，确实存在程度不同的微观缺口(即微小崩刃与缺口)，前者用肉眼和普通放大镜观察到，后者用100倍(带0.01毫米刻线)显微放大镜能够观察到，其微观缺口一般在0.01～0.05毫米，严重者高达0.1毫米以上，在切削过程中刀具刃口微观缺极易扩展，加快刀具的磨损。
从国外引进数控机床和生产线所用刀具，其刃口全部经过钝化处理。有众多信息表明；刀具刃口钝化能有效延长刀具寿命200%或更多，大大降低刀具成本，给用户带来巨大经济效益。我国目前大量使用的可转位刀片，大多由中小厂刃磨，国内又没有适用的刀片刃口钝化机产品，而国外刀片刃口钝化机价格又十分昂贵(十至几十万美元一台)。因此未经钝化刀片寿命无法与国外刀具相比。如何缩小这个差距，解决刀片刃口钝化问题?研制一种小型可转位刀片刃口钝化机十分必要，更适合国情。
经一年多的时间，小型可转位刀片刃口钝化机(见图20)终于研制成功并投产，经有关厂家使用证明达到设计要求，性能可靠，效果良好。北人集团和山东华顺盟公司分别在硬质合金和陶瓷刀片生产使用，钝化后的刀具寿命平均提高0.2～1倍，个别提高1～3倍，其具体效果是和刀具刃口型式及钝化值和切削条件有直接影响。为了抛砖引玉引起国内同行的关注和研究，我和于启勋教授合作撰写“刀具刃口钝化技术的探讨”的论文，发表后引起很大反响和兴趣，该论文已正式入选《中国科技发展论坛·产业科技卷》。
以上讲了13个刀具创新方法与实践的体会，实践说明：重视刀具创新在切削加工中的重要作用，是攻克生产技术难关，提高生产率的重要途径。同时说明学好用好辩证法、优选法、创造学是刀具创新，少走弯路多出成果的有力武器。要改变我国切削加工的落后面貌，就要立志不断锤练自己成为刀具自主创新优秀人才，为实现小康社会目标做出自己的贡献。(end)
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(3/18/2007) |
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