重视刀具应用技术 提高金属切削水平

    摘  要：本文对应用切削技术提高加工效率进行系统论述，从组织机构、推广应用工作体系、等方面阐述了提高刀具应用水平的措施。

    1、前言

    中国刀协在第一届先进切削技术高层论坛确立了“发展切削技术、建设制造强国”的奋斗目标，并于次年在全国刀协工作会议上提出了“以提高效率为中心、开展中国刀协20工程”的号召。时经三年，我国机械行业在研发和推广应用先进高效刀具，解决加工难题，提高切削效率和降低制造成本等方面取得了非凡的成效。东方汽轮机厂作为我国电力设备龙头企业之一，在产值产能上也有较大的提升。04年产值近30亿，05年产值逾60亿，而今年工厂产值产量又将实现历史性突破。这几年工厂有什么不同呢？——那就是优化生产管理，提升加工能力。

    2、应用高效刀具是提高生产效率不可代替的手段

    近年东方汽轮机厂为适应高速发展的需要，引进大量先进数控金切设备，包括增建叶片加工中心、建立汽轮机中小件数控设备机群、添置超大规格重型数控设备，在三年左右时间设备总投资逾二十亿。金切设备的更新为先进高效刀具的广泛应用起到了极大的推动作用。

    同时，工厂也非常重视先进刀具的应用，特别是在数控加工中提倡采用先进高效刀具提高机床产能。在数控加工的带动下，许多普通机床也大量应用了先进适用的刀具，加工效率也得到了较大提高，比如用普通机床加工汽轮机隔板，在采用了可转位数控刀具后切削效率提高了50%以上，返修率降低1倍。在汽封圈和转子的普通车削加工中90%采用了可转位刀具（包括自主开发的高效专用刀具），加工效率和质量都有较大程度的提高。在螺纹攻丝中推广应用一锥成高效丝锥，螺孔加工效率提高4倍以上，刀具费用降低70%。目前先进高效刀具已在工厂汽轮机零件金属切削加工中广泛应用，小到一个螺栓，大到加工汽轮机转子、汽缸，这些先进适用的刀具在生产中发挥了重要作用。在关键数控设备、关键工序加工中以进口刀具为主，在普通加工工序及一般数控设备优先选用国产数控刀具。数控刀具占总费用的比例由2003年的1.2%提高到05年的2%。而05年在职工人数略有下降的情况下，生产总值比03年提高了一倍。实践告诉我们，仅仅依靠先进设备提高金切效率是不够的，一定要加大高效刀具的应用。

    3、开展系统性工作，提高刀具应用水平

    有了先进高效刀具在手，并不意味着提高产品的加工效率就得到了保障。刀具应用合理性由机床、工件和人等因素决定。作为一个系统工程，要正确认识刀具、机床、工件、人四个因素的相互关系，最大限度提高加工效率和质量，降低生产成本。

    目前刀具产品跨入一个高速发展时期，许多知名刀具品牌仅隔两年左右就推出升级换代的产品，为刀具用户提供了丰富的市场资源。新的刀具产品如何有效地适应各种复杂切削加工状态的需要，不仅是对刀具厂商产品性能的又一次提升，也是刀具用户企业降本增效十分重要的环节。开展刀具创新和应用的系统性研究，最大限度发挥刀具切削性能对供求双方都有着重要的意义。

    工厂在全面推进数控刀具应用之初就充分认识到，刀具配置及选用的合理与否将直接影响产品的加工效率和质量，并在全厂上下达成了共识。工厂为此建立相关制度对新刀具进行规范性切削试验，为刀具的合理应用储备技术参数。充分发挥先进高效刀具的作用，需从刀具的选择配置到现场使用的全过程给予高度重视，并组织专业人员进行系统性研究。

    3.1  加强刀具系统研究，合理配置先进刀具

    高性能数控机床是现代制造业不可缺少的硬件设施，不过“好马配好鞍”是经久不变的真理。一台汽轮机包括十余万个零件的不同加工要求，在刀具配置方面要分析零件结构特点和各车间加工模式，既要满足各车间的生产要求又要考虑全厂内的互补性和统一性，在满足切削效率和产品质量的前提下，降低刀具费用，提高刀具系统的性价比。

    在设计刀具配置方案时，要深入研究加工产品工艺性、机床-工件工艺系统条件以及当前生产中刀具应用情况。

    第一，分析机床结构、功能技术条件，合理匹配机床刀具系统。

    仔细分析了机床结构技术参数和生产中刀具应用情况，合理配置刀具系统。用最少的费用达到刀具与机床的最佳匹配。

    第二，明确机床加工对象及要求。

    机床生产任务是配刀工作的前提，在满足生产要求的条件下达到最经济的刀具配置。

    如果机床加工产品是单一的或批量性生产模式，要强调刀具的专用性，例如可配置组合刀具，以提高刀具的切削效率；如果机床生产任务复杂，产品变化大，须强调刀具的多功能性，例如可配置多功能刀具或模块化刀具系统，尽量减少停机时间，提高机床机动性。

    第三，研究工件材料和工艺特点

    按最新切削材料分组标准，工件材料被分为P、M、K、H、S、N六类，不同分类材料需用相应的切削刀具牌号，汽轮机零件材料类型复杂，对刀具材料牌号的选择有更多的要求，工厂对此进行了长期的切削研究，本文不作专门阐述。

    另外工件的结构刚性、被加工面的间断性及不对称性、复杂箱体类工件被加工面的位置结构等特点对刀具选配也有相应要求。在选择标准产品不能满足加工要求时，或者标准产品配置较复杂时可适当设计专用刀具。

    第四、科学利用现有资源，重视刀具配置的系统性

    刀具配置不是一个孤立的技术工作，应充分考虑刀具应用现状，以提高刀具系统的通用性，降低刀具配置费用，便于刀具管理。如果重新配置一套新的刀具系统，可能会增加大量的刀具费用。请看下面例子，工厂在为11台新引进的大型数控镗铣床配刀时，预算刀具费用约3000余万。后来经充分分析现有刀具资源，并考虑刀具系统的通用性，总的刀具配置仅1000多万。节约刀具配置费用60%。

    第五、优先选用国产品牌，共助民族工业腾飞

    随着我国机械制造业的腾飞，国内工具厂的产品水平也有了较大的提升，株硬、成量集团等一些国内知名工具制造企业在引进先进设备和工艺技术的基础上，加大了产品研发力度，近几年生产出了许多具有国际水平的刀具产品，我厂在普通车削和铣削加工中国产刀具的应用呈上升趋势。05年工厂国产工具约2000万，是上年度的两倍多。

    3.2  重视现场服务，促进刀具的合理使用

    产品生产是一个动态过程，切削刀具现场应用情况复杂，刀具应用的合理性与工件材料情况、工件结构状态、机床条件、加工质量要求、生产进度要求、职工技术素质等许多因素有关密切关系，在加工中要不断调整刀具使用参数或更换刀具才能达到理想效果。因此，从技术准备、新刀具切削试验、刀具配置、刀具采购、刀具预调与管理、刀具应用的整个过程，须对每个环节的信息作出正确的反馈及处理。这是刀具推广工作中不可忽视的工作内容之一。特别是刀具的现场应用情况，相关人员都要及时地准确掌握。对刀具使用方法的问题给予及时纠正，对刀具选择上的问题给予及时更换。比如，车间在加工一个高温合金件时，操作工仍按常规材料的方法切削，结果一个班消耗了40片刀片，而仅加工出几个工件，车间向技术部门反映刀具选择存在问题，要求更换刀具，但刀具工程师到现场了解到实际情况后，对其加工方法进行纠正，结果一个班就完成了几十件加工任务，刀片消耗仅10片。类似刀具应用方面的问题在生产中随时都可能发生，工艺技术人员、刀具工程师、作为主力军，随时都要在生产现场进行指导和服务。

    3.3  加强刀具应用技术的针对性岗位培训

    知识爆炸时代，产品技术更新周期越来越短，以刀具产品为例，从硬质合金刀具产生到可转位刀具产品问世，经历了二十余年时间，到二十一世纪，几乎每过两、三年就会有全新刀具产品问世。作为刀具用户企业，需要及时掌握最新的刀具产品信息和最新的切削加工理念。这些工作不仅仅是工艺技术人员或刀具工程师的事，相关管理人员，技术主管、机床操作工，甚至相关行政领导也需要一定程度上的学习，了解先进刀具对提高生产效率、降低生产成本的作用。刀具应用技术的培训教育应是一项长抓不懈的工作，“请进来、派出去、开展专项技术培训”是提高企业刀具应用技术水平不可缺少的方针。

    为了提高工厂各方面对先进高效工具的认识，工厂每年都会有计划地组织20次以上的各种形式的工具技术讲座与培训，培训方式包括：

    第一、定期组织的切削工具和手动工具应用技术培训；

    第二、难加工材料及特种加工工艺等专项加工技术培训；

    第三、数控编程与刀具应用技术培训；

    第四、针对各工种机床操作人员组织专项刀具应用培训；

    第五、针对加工中的技术质量问题组织相关人员进行交流；

    第六、先进工具现场演示与应用技术交流；

    第七、切削加工技能比赛。

    4、做好前期刀具技术工作，提高新产品开发效率

    4.1  加强刀具应用技术研究，优化产品加工切削参数

    技术创新是“科学发展观”的重要内容之一。在工厂“四电并举”（火电、气电、核电、风电）的创新战略实施过程中，新材料、新结构对我们的加工水平提出新的考验。新的加工难题解决的好坏将直接影响新产品的研发周期和产品制造质量。加工工艺上的问题必须在生产之前给予解决。比如，工厂在短短的五年时间，因新产品的开发工作，新增加了十余种加工难度较高的金属材料和许多特殊的工件结构，用现有的刀具和加工工艺方法是难以完成的。据统计，高温合金、高强度不锈钢等新的难加工材料牌号近二十种，工厂为此组织了大量的人力进行了前期专项技术攻关工作。

    4.1.1  数控化改造和新的高效刀具应用，打破了传统的切削加工方式，在新的加工条件下，需根据机床、刀具、材料的变化进行切削研究，优化切削参数。在汽轮机叶片加工中心投入使用初期加工某叶片需要20小时以上，经过改进数控程序和优化刀具切削参数，在机床、刀具、工件不变的条件下，该叶片加工时间缩短到10小时以内。

    4.1.2  根据工厂新产品研发战略，展开对难加工材料或其它新材料切削性能的研究。针对大功率、高参数汽轮机、燃机的研发规划，组织材料及工艺研究部门，对高温合金、高强度不锈钢等材料进行切削性能试验研究，在新产品投产之前基本掌握切削加工性能，推动新产品生产的顺利进行。

    4.1.3  加强切削加工的冷却与润滑技术研究，工厂设有专职岗位，研究切削液应用技术，近期工厂又投资研究低温风冷切削技术，经初步试验，已取得不错的效果。

    4.1.4  积极开展刀具国产化工作，推动民族刀具工业的发展。根据产品特点联合国内刀具企业开发先进刀具。如在转子复杂型面的加工中与国内企业合作开发了一系列切槽刀具，还自行研发了高精度枞树型铣刀，为工厂节约大量刀具费用。

    工厂正在论证建立新的工艺切削试验研究室，对切削技术开展专门研究。通过前期技术研究，基本掌握产品材料和结构的加工性能，优化切削参数，获取第一手资料，用以指导新产品、新材料的切削加工。

    4.2  新刀具应用试验

    高的生产效率是建立在技术不断推陈出新的基础上的。制造企业要加强对新的刀具产品的关注，并对其进行切削试验和生产应用试验，结合自身的产品特点在生产过程中切实有效地推广新型高效的切削刀具。这是推进工厂切削水平和刀具管理的一个重要环节。

    在一个车间使用效果好的刀具及使用方法，也要向其它车间推广应用，逐渐淘汰不适应的切削刀具。

    5、建立健全新技术推广体系，促进切削技术水平持续提高

    5.1  建立推广工作体系，保障新技术推广工作顺利开展

    5.1.1  工厂领导高度重视，将其作为工厂日常技术工作。总工程师高度关注先进高效工具的使用情况，对高效工具推广年度工作总结进行审阅，对所取得的推广成果给予肯定。

    5.1.2  副总工程师、总工艺师直接主抓技术推广工作，安排具体推广任务，检查技术推广日常工作情况。生产分厂与工艺技术处室有兼职新技术推广人员，分管领导抓本部门的技术推广工作。

    5.1.3  制造技术处下设技术推广职能组，专职负责全厂范围组织、实施、协调并落实各项推广工作。专职技术推广员由副主任工程师、高级工程师、工程师各一名组成，均为从事刀具技术工作多年的技术人员，技术力量较强，经验丰富。

    5.1.4  以技术推广组为归口部门，建立工厂技术推广网，均由各生产技术部门的技术人员组成。推广网成员作为工厂新技术推广工作骨干，在全厂范围开展以高效切削技术为主的新技术推广应用工作。

    5.1.5  从资金上给予支持，保证新技术推广工作的顺利开展。包括设立专项资金保证推广工作所需费用；建立新产品试制费，针对工艺改进与研究工作采购小批高效工具，为生产作好技术储备。

    5.1.6  技术推广工作采取项目管理制度专人负责组织实施。推广项目的提出包括：产品研发有关的新工艺；技术准备、工艺改进项目；生产现场临时提出的问题；进口刀具国产化。

    5.1.7  技术推广工作与工厂合建成果、工艺试验成果、科协金桥工程、科研成果等厂内成果评定相结合给予奖励。对较重大的刀具技术成果奖励金额高达万元以上。

    5.2  调查研究，收集刀具应用信息，提高工厂刀具应用总体水平

    刀具应用是一项实践性很强的技术，工厂要组织相关人员深入生产准确了解刀具应用实际情况，同时也要收集厂外有关刀具产品及其相关信息，为切削加工中类似加工问题的有效解决提供快捷措施。

    组织刀具专业技术人才，对新的刀具产品进行应用试验，掌握刀具市场新产品信息，有针对地推广先进适用刀具。

    对生产中的先进刀具或其它新技术应用成果进行汇总，总结经验促进刀具应用水平的提高。

    组织专业刀具技术员深入现场，指导操作工正确应用数控刀具，对生产中出现的切削技术难题及时给予解决办法。

    5.3  跟踪服务，推广先进刀具和应用经验

    刀具应用水平与各车间生产条件和职工技能有一定关系，各车间在刀具应用方面也会有一定的差异和各自的侧重点，要作到工厂总体水平的提高，需在调查研究基础上加强刀具服务，一是根据车间特点和加工难题推广先进适用的刀具，二是将某车间成功的应用经验推广到其它车间，促进各车间刀具应用技术协调发展、共同进步。

    6、更新刀具的应用理念，促进工厂快速发展

    刀具费用仅占企业生产成本的1—5%，按3%的刀具费用计算，刀具费用下降30%也仅降低总生产成本的0.1%，不过刀具费用下降将牺牲产品加工效率。根据对工厂近两年刀具应用情况的统计分析，在生产成本中增加1%的刀具费用，可提高生产效率20%以上，而机床运行成本等生产成本可降低15%。因此刀具费用的适当增加，不仅不会增加工厂的综合成本，反而会大大增加生产效率和工厂的总体赢利能力。这些数据充分证明了先进切削刀具对提高生产能力的重要作用。我国机加工行业的刀具费用一般在总成本的1%左右，与国外相比切削水平还处在较低的层次。刀具推广还有较大的提高空间。

    综上所述，应用先进高效刀具提高生产效率降低生产成本是企业上下都应引起重视的理念。我们的体会是：

    6.1  切削技术进步依赖于先进刀具和机床这两个轮子。在提高职工技术素质前提下，使两者达到最佳匹配，制造企业才能从切削技术的进步获得最大经济效益；

    6.2  跟踪刀具新产品发展的方向，尽可能采用新的刀具产品，达到不断提高产品生产效率的目的。

    6.3  加强刀具应用信息管理和切削技术服务，重视工厂切削技术的协调发展，促进刀具应用总体水平的的提高。

    6.4  重视高效加工技术的研究和推广。实践证明，机床、刀具的纯切削时间仅占机床总运行时间的30—50%。实现高效加工是一个系统技术问题，刀具的制造商和刀具用户应从刀具系统创新、切削参数优化、工艺流程优化、数控程序优化、减少换刀时间和工件装卸时间等方面进行系统研究。最终达到减少停机时间、提高加工效率的目的。