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2007-07-26 11:33 |
高效切削技術(shù)提升加工制造水平
山東大學(xué) 艾興 來源：《工具展望》 xim'TVwvC
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我國制造業(yè)經(jīng)過半個世紀的艱苦努力，取得了長足的發(fā)展和進步，建立了門類齊全、具有相當規(guī)模和一定水平的工業(yè)生產(chǎn)體系，已成為我國經(jīng)濟發(fā)展重要的支柱產(chǎn)業(yè)。但是，雖然我國已是位居全球第四位的“制造大國”，但還遠遠不是“制造強國”。我們的自主創(chuàng)新能力不強，國際競爭力較弱，制造業(yè)的人均勞動生產(chǎn)率僅為美國的1/23，日本的1/25，德國的1/18。許多高端重大技術(shù)裝備（尤其是其中的關(guān)鍵核心技術(shù)）主要依賴從國外進口。 lf-1;6nyk"
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國務(wù)院在“關(guān)于加速振興裝備制造業(yè)的若干意見”中指出：要以結(jié)構(gòu)調(diào)整為主線，優(yōu)化裝備制造業(yè)的產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，有計劃、有重點地研究開發(fā)重大技術(shù)裝備所需的關(guān)鍵共性制造技術(shù)、關(guān)鍵原材料及零部件，逐步提高裝備的自主制造比例。切削加工技術(shù)正是制造業(yè)（特別是裝備制造業(yè)）應(yīng)用最廣泛的關(guān)鍵共性制造技術(shù)。全世界每年消耗的加工費用約為1000億美元，約有10%的金屬被切成切屑。通過開發(fā)和應(yīng)用先進加工技術(shù)，節(jié)約20%是完全可能的。發(fā)展毛坯精密成形和高效切（磨）削加工技術(shù)是提高加工制造水平最有效的途徑。 K !g!tA$
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一、切削加工制造領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn) Z4KY VHD,
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機械加工技術(shù)的發(fā)展趨勢是高效率、高精度、高柔性和綠色化。高速切削、高性能（大進給）切削、硬切削、干（準干）切削、復(fù)合切削等是最主要的高效率、高質(zhì)量切削加工技術(shù)，在發(fā)達國家已成為切削加工的主流和發(fā)展方向。在國外，采用先進刀具材料加工鋁合金時切削速度為2000～5000m/min（最高可達7500m/min）；加工鑄鐵時為800～1500m/min（最高可達2200m/min）；加工鋼時為350～700m/min；加工鈦合金時為100～400m/min；加工鎳基合金時為60～150m/min。車削加工的每轉(zhuǎn)進給量達4mm/r，銑削加工的每齒進給量達4mm/z，鉆孔、攻絲、滾齒等的切削速度也大幅度提高。 > &tmdE
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近20年來，我國的汽車、航空、模具、動力機械、紡織機械、工程機械等行業(yè)購置了一大批進口和國產(chǎn)的數(shù)控機床與加工中心，其主軸轉(zhuǎn)速在7000～8000r/min（一部分達到12000～30000r/min），工進速度為5～10m/min。這些行業(yè)已不同程度地采用了高速切削、大進給切削、硬切削和干（準干）切削等高效切削技術(shù)，在汽車和飛機制造業(yè)還部分采用了由高速加工中心組成的生產(chǎn)線。加工鋁合金的切削速度為1000～2000m/min（有的更高）；加工鑄鐵為500～1000m/min；加工鋼為300～500m/min；用陶瓷刀具和CBN刀具加工淬硬鋼（50～65HRC）為100～200m/min。個別具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的汽車制造廠高速鋼涂層刀具的使用率達85%，可轉(zhuǎn)位刀具的使用率達75%以上。先進切削技術(shù)的應(yīng)用提高了加工效率和表面質(zhì)量，加快了新產(chǎn)品開發(fā)，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。 4sMA'fG
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但是，目前國內(nèi)切削加工技術(shù)的總體水平仍然很低，傳統(tǒng)的切削加工方式尚未得到根本轉(zhuǎn)變。國內(nèi)刀具材料的使用情況表明，立銑刀、鉆頭、絲錐、滾刀等復(fù)雜刀具基本上仍沿用普通高速鋼材料（如高速鋼滾刀占到94%，硬質(zhì)合金滾動僅占6%，且主要是未涂層滾刀）；車刀、鏜刀、面銑刀的刀片材質(zhì)主要為普通的YG、YT硬質(zhì)合金；涂層刀具的比例約為15%（發(fā)達國家涂層刀具比例為60%～70%以上）；陶瓷刀具、CBN刀具、金剛石刀具的使用率也很低。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)數(shù)控機床和加工中心的使用效率普遍較低。例如，某飛機制造企業(yè)在主軸轉(zhuǎn)速24000r/min的龍門式加工中心上加工大型機身整體鋁合金件時，多年來一直使用φ20～32mm高速鋼立銑刀（未涂層）以6000～7000r/min的轉(zhuǎn)速進行加工；某紡織機械廠在多臺主軸轉(zhuǎn)速6000～7000r/min的立式加工中心上加工鑄鐵工件時，長年使用高速鋼立銑刀以2000～3000r/min的轉(zhuǎn)速進行加工，加工效率很低。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)不少企業(yè)常常把加工中心當作一般數(shù)控機床使用，加工時不用刀庫，轉(zhuǎn)換工序或在同一工序中加工另一個工件時，仍采用人工換刀。調(diào)查表明，國內(nèi)加工中心開動率平均僅為58.7%（國外一般在70%～80%以上）。 4z6kFQgu
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總之，使用普通刀具的傳統(tǒng)切削加工目前仍是國內(nèi)切削加工技術(shù)的主流。就切削速度而言，鑄鐵、鋼件的端銑和鏜孔加工（包括涂層刀具）為80～250m/min，鉆孔（高速鋼）加工為20～50m/min，攻絲加工為6～10m/min，滾齒加工為25～50m/min。更為嚴峻的事實是，雖然國內(nèi)已有一批工具企業(yè)從生產(chǎn)傳統(tǒng)的標準高速鋼刀具發(fā)展到以生產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具為主，使國產(chǎn)高效切削刀具在國內(nèi)開始占有一席之地，但在整個國內(nèi)高效切削刀具市場上，國產(chǎn)刀具的占有率仍然只有10%左右。除個別刀具國產(chǎn)化工作開展較好的企業(yè)外，國內(nèi)大部分轎車生產(chǎn)企業(yè)幾乎所有的刀具全部依靠進口（國外有名的刀具制造商幾乎都在國內(nèi)設(shè)有工廠或代理商）。國內(nèi)高效刀具生產(chǎn)現(xiàn)狀與國外先進水平的差距甚至比在數(shù)控機床方面的差距更大。 F}MjZZj(U=
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國內(nèi)制造業(yè)尤其是裝備制造業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)能力弱、周期長，市場競爭能力差的原因比較復(fù)雜，但歸根結(jié)底，主要是對堅持自主創(chuàng)新，發(fā)展先進制造技術(shù)，提高研究開發(fā)新產(chǎn)品的能力和加工制造水平的重大意義認識不清，科技投入不足。不少企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)比較重視購買先進設(shè)備，而忽視先進制造工藝的研發(fā)和應(yīng)用，認為我國勞動力便宜，加工制造效率不是大問題，生產(chǎn)任務(wù)緊張時大多采用工人加班加點及增添設(shè)備的措施來應(yīng)付，而很少著眼于研究開發(fā)和推廣應(yīng)用先進加工制造技術(shù)，充分發(fā)揮設(shè)備潛力，大力提高生產(chǎn)效率。 C( wZj O?N
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面對制造業(yè)全球化、市場化、信息化和綠色化的挑戰(zhàn)以及我國切削加工行業(yè)存在的問題，堅持自主創(chuàng)新與引進技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展和應(yīng)用先進制造技術(shù)，大力提高開發(fā)及制造新產(chǎn)品的能力和水平，是我國做強制造業(yè)（特別是裝備制造業(yè)）的必由之路。 a!guZUg6
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二、高速切削加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 [+; >u|
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在切削加工領(lǐng)域，加工時間包括切削時間和非切削輔助時間（如裝夾工件、換刀等）。為了減少切削時間，必須大力發(fā)展和推廣應(yīng)用高速切削、大進給高性能切削和硬切削等高效切削加工技術(shù)；為了縮短非切削輔助時間，應(yīng)發(fā)展復(fù)合切削加工（包括多功能復(fù)合加工機床）、工件快速自動裝卸和自動換刀技術(shù)等，以減少工件裝卸和刀具換刀的次數(shù)與時間。 l_$ le
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1．高速切削加工的理論基礎(chǔ)及特點 %^pm~ck!
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（1）高速切削加工的速度范圍 `?=Y^+*!-
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一般主軸轉(zhuǎn)速在6000r/min以上可稱為高速切削。 \&BT#8ELG
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（2）高速切削加工的理論基礎(chǔ) SR>(GQ,m0;
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高速（超高速）切削是一種在切削過程能量應(yīng)用中高硬度的刀具（切削部分）對工件的作用導(dǎo)致其表面層產(chǎn)生高應(yīng)變率的高速切削變形和刀具與工件之間的高速切削摩擦學(xué)行為形成熱力耦合不均勻強應(yīng)力場的制造工藝。高速切削技術(shù)研究的主要目標是最大可能的材料切除率和可能的刀具最佳壽命、可能的最高加工表面質(zhì)量以及系統(tǒng)在可能的最好穩(wěn)定條件下可使最大應(yīng)用能量達到最大切削效率。因此，高速切削變形理論和高速切削摩擦學(xué)是高速切削加工技術(shù)研究的兩個基本科學(xué)問題。 _ kEU=)Xe
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（3）高速切削加工的突出特點 ^i[bo3
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①隨著切削速度的提高，切削力降低；②隨著切削速度的提高，切屑帶走的熱量逐漸增多，傳到刀具和工件上的熱量逐漸減少，因此，雖然切削溫度在開始階段升高很快，但達到一定切削速度后，升溫逐漸緩慢，甚至很少升高；③隨著切削速度的提高，加工表面粗糙度有所降低。 R+r;V
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