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切削加工系统工程在汽车制造中的应用 |
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作者：上海通用汽车有限公司 达世亮 来源：雅式工业专网 |
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为什麽说汽车制造业中，切削加工的重要性和复杂性极为突出？这是因为，大量的多种类零件需要进行精密、高速、高效加工；汽车生产自身大批量、严格按照节拍进行流水生产的特点；与此同时，激烈的巿场竞争也进一步加剧了对汽车生产柔性化和切削加工制造成本控制的要求。
近年来，可以看到汽车制造过程中的切削加工发生了很大变化并获得全新发展，出现了不少新工艺、新方法。
比如，曲轴加工采用车–车拉、外铣或内铣；连杆加工采用涨断工艺；凸轮轴加工采用装配式凸轮轴然後直接磨削成形的工艺方法；气缸体主轴承孔、连杆大头孔加工采用绞珩工艺等。生产过程中，大量采用数控加工中心机床组建的柔性加工綫，切削速度和进给量等切削参数普遍大幅提高，制造过程加速向着高速、高效加工的方向发展，创新的刀具结构、全新的刀具材料和新型的表面涂层被不断采用，等等。而且，对生产过程和加工质量的稳定性要求也更为严苛，对制造成本的控制亦趋紧。
所有这一切，都对切削加工提出了新挑战。
切削加工是一个系统问题
在高精密、高速、高效率的大规模汽车制造切削加工生产中，有时会发生种种异常情况，包括工件加工尺寸超差；位置度不符合要求；加工的表面形貌不理想；刀具崩刃、折断、异常磨损、刀具寿命短和刀具成本居高不下，等等。而这些问题需要在尽可能短的时间内获得解决，否则将给汽车制造的正常生产带来很大影响。
1.只是因为刀具出了问题？
实际工作中，不少人往往有一种习惯性思维，切削加工中一旦出现异常，就认为是刀具出了问题，大量的工作和解决措施也多围绕着刀具进行，其结果却是花了很多精力和时间，原因仍不甚明了，问题得不到彻底解决。
其实，切削加工特别是高效加工是一个系统问题，刀具只是这个系统中的一个环节。在切削加工中，所加工的工件毛坯、设备、刀具、夹具、切削液等共同组成了一个系统，切削加工的问题是这个系统中多个因素和变量综合作用之下的产物。
而且，对於不少企业而言，这个“系统”可能并不仅仅表现为一道工序或一台设备，而是整条生产綫；而刀具自身又是其中的一个子系统，包括刀具结构、几何形状、刀体材料、切削刃材料、刀具涂层等等多个方面。
上述所有的因素综合在一起，影响和决定着产品的尺寸、形状、位置、表面形貌、加工精度等，而整个系统中的任何一个因素发生变化，都会对系统的输出即加工质量、加工效率和加工成本发生影响。
举个很好理解的例子，在过去，人们虽然已经感觉到切削液对切削加工有作用，但往往也只是将其作为生产加工中的一般辅助材料来处理。但现在的生产实践却告诉人们，作为整个切削加工系统之一环的切削液已经重要到如此的程度，以至於如果切削液选择不合适或是管理不当甚至会造成生产无法正常进行，刀具不能正常使用。
又比如，铣削加工出来的工件表面质量达不到要求，更换多家刀具供应商的不同改进的铣刀也仍是达不到要求，最终更换机床主轴後，所加工的工件质量达到了要求，发现问题的真正根源并不在刀具，而是系统中的其它因素发生了问题。
2.广义上的“切削加工系统”
机床主轴的跳动，加工过程中的振动，刀具的动平衡，切削液的品种、浓度、压力和流量，刀具的预调整，以及切削参数的匹配等等，都会对切削加工的结果产生重大影响，而影响切削加工结果的原因远远不止这些。
为了提高切削加工效率，近年来高效切削获得了广泛应用，可是需要注意的是，对於汽车制造业的切削加工来说，真正的高效加工追求的不仅仅是单台机床的高切削效率，还要求实现整条生产綫的高切削效率，也即追求整个系统的高效率。这就需要合理地安排工艺、合适的机床设备和高效刀具，科学的管理和完善的过程控制体系以及快速、可靠的刀具供应物流体系等。
站在这个高度看，切削加工这个系统就更大，它不仅是被加工工件和加工装置、加工介质组成的物质系统；还包括刀具的寿命控制、刃磨、调整、采购供应管理、成本核算和控制等组成的管理系统；切削参数设定和调刀与修磨规范等组成的技术系统；切削数据库和刀具管理软件等组成的信息系统等等。
切削加工系统的构成
1.组成要素
包括机床、夹具、刀具、切削液、被加工工件、操作者，等等。
2.各个子系统
包括工艺系统、切削摩擦学系统、刀具系统、机床系统、夹具系统、刀具管理系统、切削质量控制系统，等等。
3.输入
包括待加工的工件毛坯，各项加工要求等。这 要注意的是，工件毛坯是系统的输入，可是它进入切削加工系统後，又成为切削加工系统中的一个部分，对切削加工系统中的其他变量和切削加工系统输出产生影响。
4.输出
即加工完成的产品，实现的加工结果，如加工质量、加工效率、加工成本等。
5.反馈和控制
测量和控制形成了输出对输入的影响（如图1），这是一种反馈。反馈有正反馈也有负反馈，输出对输入响应的误差，通过合适的反馈可得到及时纠正，使输出向输入要求的中心值收敛，否则输出就会愈加偏离目标值，出现成批的加工不合格品。
图1 切削加工系统的反馈与控制
切削加工系统工程的发展和应用
切削加工既然是个系统问题，就只能用系统的观点和方法来分析和处理。系统工程是近三十年发展起来的一门新兴的综合学科，重在运用系统观点和系统方法处理复杂的工程、科研和生产任务。鉴於系统工程的理论和方法本身也处在研究和发展过程中，而将其应用於切削加工领域，就更有很多问题要回答和解决，需要发展新的理论和新方法，进行不断的探索和努力。
切削加工系统工程归属於系统工程这门大的学科，但又是针对切削加工过程应用所形成的一个专门分支学科，因而很多方法将是切削加工领域所特有的。为使切削加工真正成为高效加工，不仅要进行理论探讨，更要立足切削加工要达到的目的、实现大批量且柔性化的高效加工这个角度来进行分析和应用，因此，观念和方法的创新必不可少。
不论是从事工艺规划和设计、现场技术支持和生产管理，抑或从事刀具设计、刀具制造、刀具销售、刀具应用，还是分析解决与刀具有关的切削加工问题，都必须从系统的观点出发予以分析和解决。这要求我们具备切削加工系统工程的知识，了解该系统中的各个子系统，应用系统工程的方法获得切削加工问题的整体解决方案。
应用系统方法分析和解决切削加工问题
通过运用系统工程，能够将有限的人力、物力、财力资源运用到正确的方向，解决切削加工中的难题。
1.认识切削加工的系统特徵
①系统的整体性：切削加工是一个完整的系统，因此在解决问题时必须建立系统的概念，考虑其整体性。
②系统的相关性：切削加工系统是一个多变量多输入的系统，其内在各部分紧密相连并有交互作用，需要在综合考虑的基础上分析和解决切削加工问题。
③系统的动态性：不能静止地看问题，而需进行动态分析。
注重各子系统的接口和联系，深入理解各子系统并遵循其运行的客观规律，努力使系统处於受控状态。
2.始终持有系统的观点
①刚性：指机床、夹具、工件和刀具整个系统的刚性，而非孤立的机床本身的刚性。
②跳动：是刀具装在主轴上的跳动，而不仅是刀具本身的跳动；是机床运动过程中的动态跳动，而不仅仅是机床停止过程中的静态跳动。
③高效加工：强调整条生产綫的高效，而不仅是单个工序或单台设备的高效。
④制造成本：亦是系统的综合成本，在相同口径和条件下进行的比较，是从总体和长远权衡的成本。
3.区分影响系统变化的普通原因和特殊原因
切削加工系统作为一个动态系统，其中一直在发生着各种变化，从系统工程的观点看，影响其变化的原因可分为普通原因和特殊原因。普通原因是系统中固有的随机变化的因素，而特殊原因不是系统所固有的，但会引起系统输出的明显变化。
从刀具寿命随时间变动的示意图可见（图2），刀具寿命原来在某个平均值附近发生上下波动，引起这种微小波动的原因是系统普通原因，但是如果一段时间後刀具寿命突然变短或变长，这就必然存在某种特殊原因。
图2 刀具寿命随时间变动的示意图
这时，就必须将这种特殊原因找出来并采取相应措施，或者是使刀具寿命恢复到原有程度，或是发现了某种有利因素，则应设法将其巩固下来，成为系统中的固有因素，从而延长刀具寿命、降低刀具成本。
4.重视切削液对切削加工系统的影响
①切削液在机械加工中的应用非常普遍，但其具有的润滑、冷却等多种功效对於切削加工的重要性则并非广为人知。
②认识切削摩擦学系统的摩擦学特性，认识选择正确的润滑方式、润滑方法和润滑介质的重要性。
③在切削加工的工艺过程控制中，必须将切削液及其润滑方式包括切削液品种、浓度、清洁度、PH值、流量、压力等作为过程控制参数严加控制，这样才能确保获得要求的切削加工性能和加工质量及高的生产效率。
5.根据切削摩擦学应用好导条式刀具
带导条刀具充分利用了摩擦学原理，将其巧妙地应用於精密孔加工的镗削和铰削刀具上。
在理想的工作情况下，刀具导条并不真正与工件已加工表面直接接触，真正起作用的是刀具导条与工件已加工表面之间的一层油膜。而这层油膜能否形成，其油膜刚度如何，是这种带导条刀具工作成功的关键。所以，这种刀具的导条结构设计和制造有很多特殊要求，对切削液的要求也很高。
6.刀具表面涂层的应用具有系统条件
一般认为，涂层应用在刀具表面将有利於延长刀具寿命或提高加工效率，不理想的情况下也仅是涂层不起作用而已。但实际上，刀具表面涂层的应用是有系统条件的，也即要求加工某种材料的、一定的刀具基体材料和一定的表面涂层需与一定的切削参数等工作条件相匹配，如选择不当，则有可能产生负面作用。
7.掌握切削摩擦学系统的配副性
刀具材料、刀具表面涂层在切削摩擦过程中存在一个与被加工工件材料的摩擦学系统的配副性问题，需要基於切削摩擦学解决不同种类工件材料与刀具材料以及表面涂层材料之间的适配性问题，以选择合适的刀具材料以及相应的表面涂层。
制造成本的系统控制
1.关注工艺规划设计中一次性投资与长期性制造费用之间的关系
①注意将制造费用中的设备折旧、人力成本和公用动力、刀具、设备维修及备件、化学品消耗等运营费用联系起来统一考虑和分析处理问题。
②刀具费用的高低与新刀具、新工艺、新技术、新材料的采用紧密相关，与刀具的采购、物流、调整、修磨、刀具质量控制、刀具优化及刀具管理等多方面紧密相联。
2.高度重视项目规划投资阶段的刀具方面工作
①近年来的工作实践和国内外的经验都表明，一把价值几万元的刀具有可能影响一台价值几百万元的设备的效率的发挥。
②注意一次性设备和刀具投资与长期性刀具消耗费用之间的关系。有的项目可能在项目规划时节约了设备投资，却采用了昂贵刀具或不合理的切削参数，造成刀具寿命短以及长期的刀具消耗成本过高，需要综合权衡。
③工艺规划阶段对刀具的设计和安排在很大程度上决定了生产阶段的制造成本和刀具费用。
3.处理好几项重要关系
①设备的选用与刀具的选用之间的关系；②当前设计与长远考虑之间的关系；③规划产量与真实产量波动之间的关系；④减少设备数量或投资与工艺合理性之间的关系；⑤切削用量加大与可能的刀具寿命缩短之间的关系；⑥设备投资节省与刀具费用增加之间的关系；⑦柔性化程度与加工效率之间的关系。
4.工艺方案需适应系统条件
采用怎样的工艺方法、设备、刀具等与产量及其变动情况紧密相关。从切削加工系统工程的观点看，不能简单地说采用加工中心机床好、还是采用专机好，或者是采用某种设备组合好，关键要看所组成的系统的综合情况，以及其是否适应周围环境条件，因为在某种情况下好的工艺方案在另一种情况下有可能不适合。
重要的是，对这种相互变化的情况及其相互关系进行分析研究，以此指导工艺规划和设计。
5.项目规划阶段对刀具耐用度和使用成本的控制
需要设法探索的是，如何在项目的规划设计阶段就对刀具的设计选用加以更有效的管理和控制，并向设备供应商和刀具供应商提出项目投产後对刀具耐用度和有关使用成本的基本要求，对投产後将发生的刀具费用和制造成本在项目的规划阶段就有预测和控制。这将大幅提高新项目实施後的技术经济效益。
结语
切削加工是一个复杂的大系统，要实现真正的高效加工就必须运用系统的观点和系统的方法。也正因为此，我们不能将切削加工系统中的问题孤立地、静止地、分割开来地看待和处理，而是需要打破专业的界限，关注到切削加工系统中的多个复杂要素和变量。
一方面，我们要了解各子系统本身的专业特点；另一方面，还需要寻找和发现各子系统之间的相互联系和相互作用、各子系统内部各因素之间的相互联系和相互作用，了解它们的交互作用对系统输出的影响，掌握某些变量之间相互制约的关系。
可以想象，现代汽车制造的发展不断带来新课题，出现更多的难加工材料，要求更高的加工质量和加工效率、以及更具竞争力的加工成本。面对这些挑战，系统工程方法的应用将提供有效途径和科学方法，从而获得切削加工方案和切削刀具性能的全面优化，让切削加工中出现的新问题迎刃而解，实现理想的切削加工系统输出。
上述种种都将有助於持续创新，增强企业的核心竞争力。
编者按：本文选自作者编着的《汽车制造切削加工系统工程及应用》一书。(end)
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(2/1/2010) |
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