高速切削 高效切削与高效加工

——兼谈切削理念的三次进步

        制造业是国民经济的支柱产业。现在中国已经成为世界加工场，可是我国制造业的人均劳动生产率与美、欧、日等工业发达国家和地区相比还有很大的差距，只为欧、美、日等发达地区和国家的二十分之一左右。根据中国机床工业年鉴提供的数据，我国工具行业2004年全员劳动生产率为人民币39,366元，人均利润6,750元。远低于国外工具企业上百万元人民币的年人均劳动生产率。刀具和切削技术落后是机械制造业劳动生率低下的重要原因之一。为了把我国从制造大国变成制造强国，中国刀协从中国切削工作者的历史责任的高度提出了“发展切削技术、建设制造强国”的宏伟目标。
        
        当前切削刀具及相关技术的发展日新月异，近年来在数控技术和刀具技术的共同推动下切削加工进入了高速切削的阶段。近年刀具材料和涂层技术有了很大的发展，如PCD、CBN超硬刀具和陶瓷刀具的使用范围不断扩大，作为当前高速切削主力军的涂层硬质合金刀具的切削性能大幅提高等。近二十年来切削速度提高了5至10倍，生产效率提高了50%至一倍。高速切削有一个特点，就是当切削速度上升到一定程度时由于材料软化等原因随着切削速度的增加切削力反而下降，同时由于切屑带走了大部分热量甚至工件的温升也会减小。不过受刀具材料性能限制后一现象目前只在用PCD刀具加工铝合金和软质材料中才能观察到。高速切削还适用于硬切削、干切削和重切削，是提高切削效率的有效手段。
        
        现代加工中刀具费用一般只占制造成本的3~4%，但它对总制造成本的影响却要大得多。计划经济时代机械加工企业从控制加工成本出发制订刀具消耗定额进行成本控制，我们也曾提到有些企业高效率的进口设备上使用低性能的焊接刀具，不能发挥设备性能反而造成更大浪费的事实。有人计算过生产效率提高20%，制造成本降低15%，现在多数企业都算过这笔帐了，加大刀具投入用高速切削提高生产效率以降低总生产成本，是切削理念的一次进步。
        
        先进刀具有三大技术基础：材料、涂层和结构创新。高速切削刀具主要依赖的是刀具材料和涂层技术的进步。高速切削可提高切削效率但不是唯一的手段。刀具的结构创新也是提高切削效率的有效手段。例如Iscar公司的大走刀量铣刀每齿走刀量达到3.5mm，Seco公司的复合孔加工刀具一次走刀就能完成钻、镗孔和端面倒角等。曲轴加工的工艺进步更具有说服力，曲轴车拉刀的发明成十倍地提高了曲轴加工效率。现在又出现了效率更高的曲轴高速铣刀，一次走刀就可完成七个主轴颈的加工。东风汽车公司量刃具厂已经成功地为国内汽车厂开发了曲轴车拉刀和高速铣刀并成功用于生产。上世纪八九十年代成都工具研究所在涂层、材料的单项技术都不占优势的情况下，凭借自主知识产权的刀具设计和工艺技术，加上涂层、材料和刀具结构创新技术的综合运用，在高强度石油管螺纹刀具上实现了对国外知名企业的一次成功超越。还有许多例子都说明刀具结构创新往往更能有效地提高切削效率。要提高切削效率不能只盯着用最好的（也常常是最贵的）刀具来进行高速切削。在目前我们刀具材料和涂层技术与国外还有较大差距的情况下，注重刀具的结构创新往往是提高切削效率的更有效和更可行的手段。采用包括高速切削和刀具结构创新在内的各种手段实现高速切削，是切削理念的又一次进步。

        运用先进刀具提高切削效率后又常常突显出两类新问题：一是切削效率提高的效果被大量的非切削时间所大大冲淡，二是在加工设备不太先进的情况下先进刀具的费用不堪重负。日本MARZAK公司说他们的
加工中心只有百分之三十的时间在为公司创造效益。东方汽轮机厂进口瑞士加工中心上自动记录的切削时间也只有30%左右。切削技术在不断发展，人们的认识在不断深化：在提高加工效率的努力中只靠高性能的刀具是远远不够的，通过切削应用技术提高切削生产效率的潜力还很大。

        

        切削过程十分复杂，加上切削过程受大量随机因素的影响很难简单地用一些公式和定理准确地描述。但金属切削作为一门传统技术是有其自身规律并可以把握的，关键是要用好用活切削技术解决实际问题。配合中国刀协20工程我们请工具行业资深专家赵炳桢研究院编写了“刀具应用技术基础”教材。我们的目标是为企业培训了解现代化切削技术的基础知识和最新发展，懂得切削应用技术的基本理念并能够运用以上技术和思路解决实际问题的人才——我们称之为切削工程师和新一代的刀具大王。 nextpage

         

        前面说过要进一步提高切削加工效率只靠先进刀具是不够的。我们还应该掌握和运用与切削过程相关的技术，全面提高生产效率。

        

        今年5月在厦门举行的2005中国刀协工作会议上，东方汽轮机厂介绍了综合运用切削应用技术，全面提高切削加工效率的经验。今年厂里努力推广先进刀具，仅推广可转位刀具就提高生产效率30%。进而他们又在刀具结构创新上下功夫，于株洲钻石切削刀具股份有限公司合作开发先进刀具，还对老式设备进行改造以使用先进刀具来提高生产效率。最近他们又对全厂工艺配置进行了优化、加强管理、进行网络编程和切削过程的计算机模拟等手段进一步提高生产效率。用王政总工艺师的话说是“向另外70%的时间要效益”。减少非切削时间的手段还很多，比如机外调刀、快速换刀、随机测量、多工位加工、设置装卸工位、采购可靠性高的设备减少维修停机时间等等。

        

        既要采用先进刀具，同时还要通过管理和应用相关技术优化整个加工过程，实现高效加工是最近切削理念的第三个进步。

        

        使用先进刀具还应注意与加工设备的合理“匹配” 。我们曾提到好设备上用焊接刀具是不匹配，而在普通设备上一味追求用最好（也常常是最贵）的刀具同样不合理，不少加工企业已发出进口刀具价格不堪重负的呼声。怎么办？我们的建议是：进行刀具结构创新，改善刀具使用条件，合理选用刀具材料和涂层，不要只盯着“最好的”（最贵的）刀具，提高生产效率部只有高性能刀具和高速切削一条道。经过多年的建设和技术改造，一批国有、副分之和民营刀具企业已开发出系列性能优良的硬质合金材料和涂层刀具，可以供加工企业按照具体情况合理地选用。再则刀具结构创新和工艺方式的改革，还有管理手段和相关技术同样是提高生产效率的有效手段。说得更明确一点就是不要只盯着用最好的刀具这一条道，当前更要重视切削应用技术向70%的时间要效率。

        

        现在国内轿车生产、模具制造、航空航天等领域还大量使用进口刀具。我国在材料、涂层的基础技术和刀具结构创新上与国外还有较大差距，赶超世界先进水平还任重道远。但如果只看到这一点而忽视切削应用技术这个重要领域，无形中就夸大了我们在切削技术上与国外的差距。我们要在基础技术和应用技术并举，当前应该从切削应用技术入手，在刀具结构创新上下功夫，学会用好引进和自行开发的涂层技术和先进刀具材料技术，综合运用技术和管理手段提高加工效率，加快赶超世界先进水平。

        

        切削工具性能的提高为高效高速加工发展提供了可能性

        

        如果需要达到高效高速加工，切削工具是另外一个重要的因素。当前切削工具材料的发展，对加工的需要创造了比较好的条件，除了高速钢、硬质合金以外，陶瓷、金属陶瓷、超硬材料的发展起到了重要的作用。特别是陶瓷、超硬材料，对高效高速加工的发展提供了有力的支持。更值得提及的是，1955年美国GE公司用高温、高压合成超硬材料取得成功，促使切削领域发生了重大变化。在这个基础上，很快出现了PCD、PCBN，为难加工材料的切削、干切削、硬切削、超精密切削等的加工创造了条件。

        

        在切削加工的另一个方面，就是表面技术在切削工具上的应用，PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)不断推陈出新，由单层发展成多层、千层、复合涂层，现在又发展成纳米涂层；涂层的材料，从TiN发展为Al2O3、TiC、ZrO2、等，根据加工的要求，为提高耐高温的性能，又发展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等。为了减少摩擦力，采用软涂层，如沉积MoS2，又如德国Guehring公司采用的Molyglide，这种涂层就是以MoS2为主的，它能减少切削中的摩擦系数。当然这要根据被加工件的特点，分别地应用在所需的加工上。现在涂层技术又发展到了超硬涂层(类金刚石、金刚石、立方氮化硼)，更使切削加工的范围拓宽。特别值得提到的是薄膜涂层发展成为厚膜，它不同于天然金刚石，具有各向同性，现在已经在国内外得到应用，部分取代了天然金刚石。现在也已经解决了大颗粒单晶金刚石的合成技术，这些变化对我国的影响非常深远，我国已经是世界合成金刚石产量最多的国家，这有利于我国发展高效加工技术。

        

        为了适应高效高速加工，辅助工具也是十分重要的手段，例如原来的组合夹具在机械加工中心的应用中，为了提高其强度，已经从槽系发展成为孔系。目前比较典型的是EROWA和3R组合工具的应用，已经从电加工，发展到机械加工中心上，不仅加快了节奏，更重要的是达到了高精度，这些工具从原来的模具电加工发展到了切削加工领域。在带柄的切削工具方面所需的刀柄，也在配合高效率、高精度切削加工的过程中发展了新型的结构，例如液压的、塑料的，现在又广泛采用热装的刀柄，其夹紧的精度明显提高，达到2～3μm。现在这种装置已经成熟，例如德国的ZOLLER公司已经将这样的装置直接安装在对刀仪上，说明此项技术又向前推进了一步。工具的进步为高效加工提供了有力的支持。