发展和应用高效切削技术 提升加工制造水平

作者：山东大学 艾兴    来源：《工具展望》

欢迎访问e展厅 展厅 3 数控机床/铣床展厅 数控铣床, 摇臂铣床, 立式铣床, 转塔铣床, 炮塔铣床, ... 我国制造业经过半个世纪的艰苦努力，取得了长足的发展和进步，建立了门类齐全、具有相当规模和一定水平的工业生产体系，已成为我国经济发展重要的支柱产业。但是，虽然我国已是位居全球第四位的“制造大国”，但还远远不是“制造强国”。我们的自主创新能力不强，国际竞争力较弱，制造业的人均劳动生产率仅为美国的1/23，日本的1/25，德国的1/18。许多高端重大技术装备（尤其是其中的关键核心技术）主要依赖从国外进口。 国务院在“关于加速振兴装备制造业的若干意见”中指出：要以结构调整为主线，优化装备制造业的产品和产业结构，有计划、有重点地研究开发重大技术装备所需的关键共性制造技术、关键原材料及零部件，逐步提高装备的自主制造比例。切削加工技术正是制造业（特别是装备制造业）应用最广泛的关键共性制造技术。全世界每年消耗的加工费用约为1000亿美元，约有10%的金属被切成切屑。通过开发和应用先进加工技术，节约20%是完全可能的。发展毛坯精密成形和高效切（磨）削加工技术是提高加工制造水平最有效的途径。 一、切削加工制造领域面临的挑战 机械加工技术的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化。高速切削、高性能（大进给）切削、硬切削、干（准干）切削、复合切削等是最主要的高效率、高质量切削加工技术，在发达国家已成为切削加工的主流和发展方向。在国外，采用先进刀具材料加工铝合金时切削速度为2000～5000m/min（最高可达7500m/min）；加工铸铁时为800～1500m/min（最高可达2200m/min）；加工钢时为350～700m/min；加工钛合金时为100～400m/min；加工镍基合金时为60～150m/min。车削加工的每转进给量达4mm/r，铣削加工的每齿进给量达4mm/z，钻孔、攻丝、滚齿等的切削速度也大幅度提高。 近20年来，我国的汽车、航空、模具、动力机械、纺织机械、工程机械等行业购置了一大批进口和国产的数控机床与加工中心，其主轴转速在7000～8000r/min（一部分达到12000～30000r/min），工进速度为5～10m/min。这些行业已不同程度地采用了高速切削、大进给切削、硬切削和干（准干）切削等高效切削技术，在汽车和飞机制造业还部分采用了由高速加工中心组成的生产线。加工铝合金的切削速度为1000～2000m/min（有的更高）；加工铸铁为500～1000m/min；加工钢为300～500m/min；用陶瓷刀具和CBN刀具加工淬硬钢（50～65HRC）为100～200m/min。个别具有国内领先水平的汽车制造厂高速钢涂层刀具的使用率达85%，可转位刀具的使用率达75%以上。先进切削技术的应用提高了加工效率和表面质量，加快了新产品开发，取得了很好的经济效益和社会效益。 但是，目前国内切削加工技术的总体水平仍然很低，传统的切削加工方式尚未得到根本转变。国内刀具材料的使用情况表明，立铣刀、钻头、丝锥、滚刀等复杂刀具基本上仍沿用普通高速钢材料（如高速钢滚刀占到94%，硬质合金滚动仅占6%，且主要是未涂层滚刀）；车刀、镗刀、面铣刀的刀片材质主要为普通的YG、YT硬质合金；涂层刀具的比例约为15%（发达国家涂层刀具比例为60%～70%以上）；陶瓷刀具、CBN刀具、金刚石刀具的使用率也很低。调查发现，国内数控机床和加工中心的使用效率普遍较低。例如，某飞机制造企业在主轴转速24000r/min的龙门式加工中心上加工大型机身整体铝合金件时，多年来一直使用φ20～32mm高速钢立铣刀（未涂层）以6000～7000r/min的转速进行加工；某纺织机械厂在多台主轴转速6000～7000r/min的立式加工中心上加工铸铁工件时，长年使用高速钢立铣刀以2000～3000r/min的转速进行加工，加工效率很低。调查还发现，国内不少企业常常把加工中心当作一般数控机床使用，加工时不用刀库，转换工序或在同一工序中加工另一个工件时，仍采用人工换刀。调查表明，国内加工中心开动率平均仅为58.7%（国外一般在70%～80%以上）。 总之，使用普通刀具的传统切削加工目前仍是国内切削加工技术的主流。就切削速度而言，铸铁、钢件的端铣和镗孔加工（包括涂层刀具）为80～250m/min，钻孔（高速钢）加工为20～50m/min，攻丝加工为6～10m/min，滚齿加工为25～50m/min。更为严峻的事实是，虽然国内已有一批工具企业从生产传统的标准高速钢刀具发展到以生产硬质合金刀具为主，使国产高效切削刀具在国内开始占有一席之地，但在整个国内高效切削刀具市场上，国产刀具的占有率仍然只有10%左右。除个别刀具国产化工作开展较好的企业外，国内大部分轿车生产企业几乎所有的刀具全部依靠进口（国外有名的刀具制造商几乎都在国内设有工厂或代理商）。国内高效刀具生产现状与国外先进水平的差距甚至比在数控机床方面的差距更大。 国内制造业尤其是装备制造业新产品开发能力弱、周期长，市场竞争能力差的原因比较复杂，但归根结底，主要是对坚持自主创新，发展先进制造技术，提高研究开发新产品的能力和加工制造水平的重大意义认识不清，科技投入不足。不少企业领导比较重视购买先进设备，而忽视先进制造工艺的研发和应用，认为我国劳动力便宜，加工制造效率不是大问题，生产任务紧张时大多采用工人加班加点及增添设备的措施来应付，而很少着眼于研究开发和推广应用先进加工制造技术，充分发挥设备潜力，大力提高生产效率。 面对制造业全球化、市场化、信息化和绿色化的挑战以及我国切削加工行业存在的问题，坚持自主创新与引进技术相结合，发展和应用先进制造技术，大力提高开发及制造新产品的能力和水平，是我国做强制造业（特别是装备制造业）的必由之路。 二、高速切削加工技术的发展和应用 在切削加工领域，加工时间包括切削时间和非切削辅助时间（如装夹工件、换刀等）。为了减少切削时间，必须大力发展和推广应用高速切削、大进给高性能切削和硬切削等高效切削加工技术；为了缩短非切削辅助时间，应发展复合切削加工（包括多功能复合加工机床）、工件快速自动装卸和自动换刀技术等，以减少工件装卸和刀具换刀的次数与时间。 1．高速切削加工的理论基础及特点 （1）高速切削加工的速度范围 一般主轴转速在6000r/min以上可称为高速切削。 （2）高速切削加工的理论基础 高速（超高速）切削是一种在切削过程能量应用中高硬度的刀具（切削部分）对工件的作用导致其表面层产生高应变率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦学行为形成热力耦合不均匀强应力场的制造工艺。高速切削技术研究的主要目标是最大可能的材料切除率和可能的刀具最佳寿命、可能的最高加工表面质量以及系统在可能的最好稳定条件下可使最大应用能量达到最大切削效率。因此，高速切削变形理论和高速切削摩擦学是高速切削加工技术研究的两个基本科学问题。 （3）高速切削加工的突出特点 ①随着切削速度的提高，切削力降低；②随着切削速度的提高，切屑带走的热量逐渐增多，传到刀具和工件上的热量逐渐减少，因此，虽然切削温度在开始阶段升高很快，但达到一定切削速度后，升温逐渐缓慢，甚至很少升高；③随着切削速度的提高，加工表面粗糙度有所降低。 2．高速切削刀具的磨损 （1）高速切削刀具的失效机理 高速切削刀具的失效不是最大等效应力造成的，而是在二维热力耦合不均匀强应力场作用下引起裂纹扩展造成的后期疲劳破损。 （2）高速切削刀具的磨损机理 高速切削刀具的主要磨损机理为热－力学磨损（磨粒磨损、粘结磨损）和热－化学磨损（扩散、溶解、氧化等）。 （3）高速切削刀具前后刀面的磨损形貌 3．高速切削刀具材料 高速切削系统包括刀具、工件和机床，其中刀具材料起着决定性作用。在高速切削中，刀具损坏机理是合理应用刀具材料的理论基础，而刀具与工件材料的力学、物理和化学性能则是合理应用刀具材料的依据。 （1）高速切削的主要刀具材料 主要的高速切削刀具材料包括：①金刚石：以PCD为主。②立方氮化硼（PCBN）。③陶瓷刀具：Al2O3基陶瓷刀具和Si3N4基陶瓷刀具。④TiC（N）基硬质合金（金属陶瓷）。⑤涂层刀具：基体材料：高性能高速钢，WC基、TiC（N）基硬质合金，陶瓷等。复合涂层：TiN，TiB2，TiAlN（≤800℃），AlTiN（≤900℃），TiAlCN，CrN，CBC（DLC类金刚石涂层），AlCrN（3200HV，1100℃，更适合铣削、滚削加工），TiSiN（适合硬切削），CrSiN（具有润滑性，适合铝、不锈钢等粘性材料的加工），TiAlN纳米涂层（3300HV，900℃），MoS2软涂层，WS2。⑥超细晶粒硬质合金：粒度0.2～0.5mm，适合加工铝合金；粒度0.6～0.8mm，适合加工钢铁及其合金；添加TaC、NbC等。⑦粉末冶金高速钢（PM HSS）和高性能高速钢（HSS-E）。 （2）高速切削刀具材料的性能特点 ①力学性能 硬度：PCD＞PCBN＞Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷＞TiC（N）基硬质合金＞WC基超细晶粒硬质合金＞HSS。 抗弯强度：HSS＞WC基超细晶粒硬质合金＞TiC（N）基硬质合金＞Si3N4基陶瓷＞Al2O3基陶瓷＞PCD＞PCBN。 断裂韧性：HSS＞WC基超细晶粒硬质合金＞TiC（N）基硬质合金＞PCBN＞PCD＞Si3N4基陶瓷＞Al2O3基陶瓷。 耐磨性：PCD＞PCBN＞Al2O3基陶瓷＞Si3N4基陶瓷＞TiC（N）基硬质合金>WC基超细晶粒硬质合金＞HSS。 ②物理性能 耐热性：PCBN（1400～1500℃）＞陶瓷（1100～1200℃）＞TiC（N）基硬质合金（900～1100℃）＞WC基超细晶粒硬质合金（800～900℃）＞PCD（700～800℃）＞HSS（600～700℃）。 导热系数：PCD＞PCBN＞WC基超细晶粒硬质合金＞TiC（N）基硬质合金＞HSS＞Si3N4基陶瓷＞Al2O3基陶瓷。 热胀系数：HSS＞WC基超细晶粒硬质合金＞TiC（N）基硬质合金＞Al2O3基陶瓷＞PCBN＞Si3N4基陶瓷＞PCD。 抗热震性：HSS＞WC基超细晶粒硬质合金＞Si3N4基陶瓷＞PCBN＞PCD＞TiC（N）基硬质合金＞Al2O3基陶瓷。 ③化学性能 抗粘结温度（与钢）：PCBN＞陶瓷＞硬质合金＞HSS。 抗粘结温度（与镍基合金）：陶瓷＞PCBN＞硬质合金＞PCD＞HSS。 抗氧化温度：陶瓷＞PCBN＞硬质合金＞PCD＞HSS。 扩散强度（对钢铁）：PCD＞SiC＞Si3N4基陶瓷＞PCBN＞Al2O3基陶瓷（Si3N4基陶瓷加工钢时不如Al2O3基陶瓷）。 扩散强度（对钛）：Al2O3基陶瓷＞PCBN＞SiC＞Si3N4基陶瓷＞PCD。 陶瓷材料在铁中溶解度（1323℃）：SiC＞TiC＞TiN＞Al2O3＞ZrO2。 切削钢（未淬硬）时的溶解度（1027℃）：SiC＞Si3N4基陶瓷＞PCD＞WC基硬质合金＞PCBN＞TiN＞TiC＞Al2O3基陶瓷＞ZrO2（PCBN不宜加工铁素体和45HRC以下钢件）。 （3）高速切削刀具材料的合理选用 ①加工铝合金：首选金刚石。复杂刀具可选用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具。 ②加工钢、铸铁及其合金：Al2O3基陶瓷适合软、硬高速切削；PCBN适合45～65HRC以上高硬钢的高速切削；Si3N4基陶瓷和PCBN更适合铸铁及其合金的高速切削，但不宜用于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细晶粒硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC（N）基硬质合金（尤其是整体复杂刀具）适合高速切削钢和铸铁。 ③加工超级合金：增韧补强（如SiC晶须增韧）的Al2O3基、Si3N4基陶瓷以及Sialon陶瓷；PCBN刀具可以100～200m/min的切削速度加工；超细晶粒硬质合金及其涂层刀具（特别是复杂刀具）。 ④加工钛合金：WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液可获得较好加工效果。 （4）高速切削刀具材料的研发体系 高速切削刀具材料的研究开发理论体系以刀具材料的切削可靠性为基础，融切削学与刀具材料学于一体，为刀具新材料的研究开发提供了理论指导。 4．高速切削刀具的结构优化和创新 以刀具的可靠性、安全性、高效率、长寿命为目标，在结构参数、几何形状、可转位刀具的刀体材料和装夹结构等方面进行结构优化和创新。例如，在安全性方面，可转位面铣刀在高速切削时会因旋转离心力造成刀片夹紧、螺钉破坏和刀体变形，影响切削性能和安全性，因此立装铣刀结构优于平装铣刀，铝合金刀体优于钢制刀体。又如混合刀齿的面铣刀和大进给切削的立铣刀均因考虑结构优化问题。 5．高速切削加工的刀柄系统 高速切削加工常用的刀柄系统有单面接触的BT系统（刀柄锥度7∶24）和双面接触的HSK系统（刀柄锥度1∶10）等。目前以HSK刀柄应用较为普遍。 BT40刀柄联接的最佳转数范围为0～12000r/min，在12000～15000r/min转速范围内仍可使用，在15000r/min以上由于精度降低将无法使用。HSK-63A刀柄的最佳转速范围为0～30000r/min，超过这个范围精度会有所降低。此外，日本大昭和公司的双面接触7∶24刀柄（BIG PLUS）可用于高速、高效切削加工，并能与现有的7∶24刀柄兼容。其它如Kennametal、Sandvik、Nikken等公司的高速刀柄各有其特点。 6．高速切削刀具的动平衡 旋转刀具系统在高速切削（6000r/min以上）时必须保持平衡，要求平衡品质G≤2.5（mm/s），以保证加工安全。 三、高速硬切削加工技术 高速硬切削是高速切削加工技术的一个重要应用领域，在汽车、航空航天、模具制造等行业的应用日益广泛。高速硬切削对刀具材料的硬度、耐热性、化学稳定性和导热性均有较高要求，可以根据不同的工件材料选用PCBN、陶瓷等刀具进行硬车、硬镗、硬铣等切削加工，通过“切”代“磨”，大幅度提高加工效率，缩短加工时间。 四、高效复合加工技术 高度集中（复合）的加工理念已成为制造业新的发展趋势。为了提高加工效率和加工质量，可以通过一次安装工件，用复合刀具进行多工序复合加工；也可以在同一台机床上同时进行多工序或多面体加工，从而大大减少装卸工件和换刀等非切削辅助时间。例如，日本最新开发的Integrex200－Ⅲ数控机床具有车削、铣削、斜面铣削、滚齿、磨削、激光热处理以及叶面、偏心零件加工等多种功能，一台机床就相当于一个“小车间”。德国DMG公司生产的DMU系列加工中心可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制，通过一次装夹完成5个加工面的五轴联动加工。 五、结束语 针对我国制造业尤其是装备制造业存在的自主创新能力弱、制造技术水平落后、对外技术依存度高的严峻局面，“十一五”规划提出了加快发展装备制造业的战略目标和指导方针，为此，国务院颁发了“关于加速振兴装备制造业的若干意见”。切削加工技术作为装备制造业的关键共性技术，表现加快发展步伐。高效加工技术在发达国家已成为加工技术的主流，发展和应用这项技术是振兴装备制造业的必由之路。我国在高速数控机床、高效切削技术基础理论及刀具技术方面已有一定的基础，只要我们转变观念，抓住振兴装备制造业的大好机遇，勇敢地迎接挑战，坚持自主创新与引进消化相结合，大力发展和推广应用先进技术，完善和壮大现代机床工具工业体系，经过若干年的努力，一定可以实现建设制造业强国的宏伟目标。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/25/2007)