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高速、高效、环保：现代刀具切削加工技术的发展趋势 |
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作者：南京航空航天大学 何宁 来源：雅式工业专网 |
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（一）中国制造业快速发展和重点用户行业对刀具的需求
从世界范围观察中国制造业的发展，相关国家近些年制造业的平均增速如图1所示。
图1：相关国家制造业的近年增速对比图（纵坐标为年平均增速百分比）
由此图可以看出，中国制造业近年发展迅速。对刀具行业来说，这意味极大的市场。而在这种背景下，中国低水平的制造成本是公认的事实。从劳动生产率看，有统计资料表明，中国和德、美、日等发达国家相比，大约差距3-5倍。
如此大的市场，低水平的劳动生产率，再加上制造技术的不断进步和发展，对刀具行业来说，既是机遇，更是挑战。市场对刀具的需求，不仅是量的增长，更重要的是质的提高。从用户行业看，有七大行业对刀具的需求量最为显着。
其一是发电设备制造业。在全球能源供应逐日紧张，石油价格持续上涨等背景下，对发电设备的需求已越来越明显。在发电设备制造过程中，仅花在刀具部分的成本，就非常可观。
模具制造业也是刀具用量最大的行业之一。在模具制造过程中，成型模、热作模、冷作模、塑模等几乎所有环节中，都需要用到刀具。此外，汽车、高速列车、一般机械制造业、以及近年来逐渐扩大用量的木材加工业，都已成为刀具行业的主要用户。
航空航天业是最传统的、也是最为重要的刀具应用领域。在该行业中，刀具一般用来切削飞机结构件。这些结构件一般体积较大，过去大量采用铝合金。随钛合金、复合材料应用领域的扩大，对刀具加工的要求也越来越高。
作为国家重点扶持工业之一，近年来，政府已投入大量资金用於航空航天业大型客机的研发。这些研发是方方面面的，我们抽出与刀具有关的方面来分析，重研讨结构件材料的使用。从最新的波音787机身可以看出，过去大量采用铝合金直接覆盖的方法已逐渐被舍弃，取而代之的是复合材料的直接铺设和缠绕。此外，钛合金的用量也在增加。与过去相比，新的方法可大大降低飞机重量，节省燃油和能耗，对大型客机来说，这一点尤其重要。 表1：波音飞机近年材料用量发展对比
 钛合金是公认的难加工材料。只需要铺设和缠绕的复合材料看似不需要很大的加工量，但是对加工质量的要求却越来越高。对刀具行业来说，这都是不小的挑战。
除了机身结构件外，对飞机发动机的加工也是一个难点。发动机一般采用难加工材料制成，形状复杂，需要切槽钻孔、叶片加工等工序，对刀具的实际切削效果要求非常高。此外，为满足飞机结构件的高质量要求，一般情况下都选用整体件来加工，但是事实上90%以上的材料都将被切除掉。加工量大，对加工效率要求极高。
（二）切削加工技术的发展趋势
从刀具发展历程看，从十九世纪末到二十世纪中期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪50年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。二十世纪70年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。
刀具材料的选择是切削加工成功的基础。与硬质合金相比，PCD刀具速度可达4000 m/min，而硬质合金只有其1/4。从寿命上看，PCD刀具一般能提高20倍。从加工出的表面质量看，PCD的效果比硬质合金要好30%-40%。此外，CBN（立化氮化硼）超硬材料刀具和表面涂层刀具的发展对推动切削加工技术的进步也功不可没。
100多年来，刀具的切削速度不断提高，带来了加工效率的变化，进一步带来了加工范围的拓展。切削加工发展的最大标志，就是高速切削加工（high speed cutting，简称HSC）的发展。
一个高速切削加工系统所涉及的方面很多。仅从加工过程上看，传统的切削加工，一个被加工工件如模具，需要经过毛坯退火—粗加工—精加工—淬火—EDM 准备—电火花加工—特别的精加工—人工抛光等程序。而高速加工仅需要毛坯的淬火— 粗加工—半精加工—精加工以及超精加工等环节，从步骤上来说，就减少了三个，加工时间比传统加工方法缩短30%-50%左右；在加工小尺寸部件时，这种优势尤其明显。更有甚者，过去某些企业制作复杂的模具，基本上都需要3、4个月才能交付使用，采用高速切削加工後，只需要半个月便可完成。
一个高速切削加工系统，由刀具和技术两部分组成。与刀具相关的因素有刀具材料的选择、刀具系统的组成结构、刀具需加工的边缘形状。而与技术密切相关的是CAD/CAM系统的选择、刀具加工路径的规划、切削参数的设置以及冷却与润滑环节。
自高速切削普及以来，从1950年至2000年的半个世纪内，加工效率提高了4-5倍。当然，需要提到的是，高速切削一般是由其加工物件来定义其“高速”的范围。
刀具在全部加工成本中所占比重并不大。我们以汽车业某制造过程为例来分析：机床等设备投资占总成本35%；设备工作时的能耗占7%；企业的正常运营成本占27%；冷却及润滑成本占17%；直接人工占9% ；刀具占4%。无独有偶，机床加工铝合金工件的批量生产成本中，冷却及润滑占16%；刀具4%；其他加工成本占80%。可以看出，刀具在整个成本中，仅占了极小的一部分。但是，不可忽视的是，这4%成本的刀具，却可能影响到10%-15%的整体加工效率。
对刀具来说，最关键的因素有三个，成本、寿命、效率。有实验表明，若刀具成本降低30%，整体成本大约降低1%；若提高50%的刀具寿命，整体成本大约降低1%；但是，若尽可能的优化切削参数，提高20%的刀具加工效率，那麽，每一个工件整体成本能降低15%以上。
当然，要全面提高机床的生产效率，不仅应通过高速切削减少工件的切削加工时间，还需大力压缩加工辅助时间（含机床调整、程序运行检查、空行程、起制动空运转、工件上下料和装夹、换刀等时间）、待机时间和故障停机时间，因为在多品种小批量生产条件下，机床的有效切削时间一般只占其全部工时的25%-35%。可见，除高速切削外，如何更加有效的加工，是制造业面临的重要课题之一。
目前，绿色加工技术已成为全球的热点，这个绿色，包括了经济、环保、高效。从环保角度看，一方面是高速高效加工带来能耗的降低，另一方面，冷却液与润滑液的选择是非常关键。如上所述，冷却液的成本在整体成本中所占比例颇高，达到16%左右。润滑与冷却的效果与整体的加工效率也非常相关，尤其是对难加工材料，如钛合金，切削到一定程度後，必须进行适当的冷却。随高速切削的发展，冷却液浇注时，刀具经常出现热裂的情况，导致刀具寿命降低，这一点需要改进。
总之，在加工技术中，高精度、高效率、低成本、环保，及结果的可预见性，都将是明显的趋势。这个可预见性，是指加工结果必须是可预测的、可控制的，而不是随机的。这就要求操作者对加工技术有更深的理解。
（三）对现代制造方式的探讨
何谓现代制造？首先是硬件方面的现代，这包括先进的机床、数控加工系统、先进刀具的使用；在软件方面，一是冷却及润滑技术及条件的改进，二是切削参数的优化（即加工技术的优化）。我国航空航天业，政府投资购进了大量国际先进设备，但是发现仍然不能实现很好的高效加工。经过反覆实验，发现是软件方面需要做出改进。可见，现代制造不仅仅需要投资大量先进仪器设备，更应该在知识及先进技术方面更好地武装。
切削参数方面的调整，在不同企业有不同做法，是见仁见智的事情，这里就不再赘述。从刀具本身来说，最重要的，是提高刀具的使用寿命。如上所述，刀具使用寿命与冷却润滑的条件与方式息息相关。高速切削同时促进了绿色的冷却/润滑技术。这里介绍一项关於冷却润滑的新技术。如果把氮气加上冷的油雾润滑（10°C以下），可提高刀具寿命10倍。同时，可提高加工效率，减少污染，提高表面加工质量。特别适合难加工材料，如钛合金的加工。
加工时产生的偏差，直接影响工件的切削加工质量。导致加工偏差的因素很多，比如工件内应力的分布（INNER STRESS），工件的安装与夹紧，工件结构复杂程度，刀具变形程度，机床的精度、刚度与热特性，工件受力变形，工件热变形等。
举例来说，在对飞机部件进行高速高效高精加工，以实现薄壁整体式结构时，为避免发生加工偏差，最重要的是保证低切削力，低热偏差，及更高的材料移动率。对应零件的刚度施以相应的铣削力，也是加工时需要注意的关键问题。
综上所述，中国制造业正面临一个超大市场需求，同时低劳动力成本，低生产率水平，技术的不断进步，都给我们带来了机遇和挑战。不可否认，高质量、高效率、低成本以及环保都是现代制造的趋势。同时，提高生产效率也就意味经济上的更多考虑。要实现现代制造，需要在硬件和软件上同时下功夫，这包括投资先进的机床、数控加工、先进的刀具，也包括切削参数的优化、冷却及润滑条件的改进。 (end)
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(8/26/2008) |
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