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制造業中切削與加工
閱讀：1711 發布時間：2010-3-3制造業是國民經濟的支柱產業。現在中國已經成為世界加工場，可是我國制造業的人均勞動生產率與美、歐、日等工業發達國家和地區相比還有很大的差距，只為歐、美、日等發達地區和國家的二十分之一左右。根據中國機床工業年鑒提供的數據，我國工具行業2004年全員勞動生產率為人民幣39,366元，人均利潤6,750元。遠低于國外工具企業上百萬元人民幣的年人均勞動生產率。刀具和切削技術落后是機械制造業勞動生率低下的重要原因之一。為了把我國從制造大國變成制造強國，中國刀協從中國切削工作者的歷史責任的高度提出了“發展切削技術、建設制造強國”的宏偉目標。
當前切削刀具及相關技術的發展日新月異，近年來在數控技術和刀具技術的共同推動下切削加工進入了高速切削的階段。近年刀具材料和涂層技術有了很大的發展，如PCD、CBN超硬刀具和陶瓷刀具的使用范圍不斷擴大，作為當前高速切削主力軍的涂層硬質合金刀具的切削性能大幅提高等。近二十年來切削速度提高了5至10倍，生產效率提高了50%至一倍。高速切削有一個特點，就是當切削速度上升到一定程度時由于材料軟化等原因隨著切削速度的增加切削力反而下降，同時由于切屑帶走了大部分熱量甚至工件的溫升也會減小。不過受刀具材料性能限制后一現象目前只在用PCD刀具加工鋁合金和軟質材料中才能觀察到。高速切削還適用于硬切削、干切削和重切削，是提高切削效率的有效手段。
現代加工中刀具費用一般只占制造成本的3~4%，但它對總制造成本的影響卻要大得多。計劃經濟時代機械加工企業從控制加工成本出發制訂刀具消耗定額進行成本控制，我們也曾提到有些企業率的進口設備上使用低性能的焊接刀具，不能發揮設備性能反而造成更大浪費的事實。有人計算過生產效率提高20%，制造成本降低15%，現在多數企業都算過這筆帳了，加大刀具投入用高速切削提高生產效率以降低總生產成本，是切削理念的一次進步。
*刀具有三大技術基礎：材料、涂層和結構創新。高速切削刀具主要依賴的是刀具材料和涂層技術的進步。高速切削可提高切削效率但不是*的手段。刀具的結構創新也是提高切削效率的有效手段。例如Iscar公司的大走刀量銑刀每齒走刀量達到3.5mm，Seco公司的復合孔加工刀具一次走刀就能完成鉆、鏜孔和端面倒角等。曲軸加工的工藝進步更具有說服力，曲軸車拉刀的發明成十倍地提高了曲軸加工效率。現在又出現了效率更高的曲軸高速銑刀，一次走刀就可完成七個主軸頸的加工。東風汽車公司量刃具廠已經成功地為國內汽車廠開發了曲軸車拉刀和高速銑刀并成功用于生產。上世紀八九十年代成都工具研究所在涂層、材料的單項技術都不占優勢的情況下，憑借自主知識產權的刀具設計和工藝技術，加上涂層、材料和刀具結構創新技術的綜合運用，在高強度石油管螺紋刀具上實現了對國外企業的一次成功超越。還有許多例子都說明刀具結構創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著用的（也常常是zui貴的）刀具來進行高速切削。在目前我們刀具材料和涂層技術與國外還有較大差距的情況下，注重刀具的結構創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結構創新在內的各種手段實現高速切削，是切削理念的又一次進步。
運用*刀具提高切削效率后又常常突顯出兩類新問題：一是切削效率提高的效果被大量的非切削時間所大大沖淡，二是在加工設備不太*的情況下*刀具的費用不堪重負。日本MARZAK公司說他們的加工中心只有百分之三十的時間在為公司創造效益。東方汽輪機廠進口瑞士加工中心上自動記錄的切削時間也只有30%左右。切削技術在不斷發展，人們的認識在不斷深化：在提高加工效率的努力中只靠高性能的刀具是遠遠不夠的，通過切削應用技術提高切削生產效率的潛力還很大。
切削過程十分復雜，加上切削過程受大量隨機因素的影響很難簡單地用一些公式和定理準確地描述。但金屬切削作為一門傳統技術是有其自身規律并可以把握的，關鍵是要用好用活切削技術解決實際問題。配合中國刀協20工程我們請工具行業資深專家趙炳楨研究院編寫了“刀具應用技術基礎”教材。我們的目標是為企業培訓了解現代化切削技術的基礎知識和發展，懂得切削應用技術的基本理念并能夠運用以上技術和思路解決實際問題的人才------我們稱之為切削工程師和新一代的刀具大王。
前面說過要進一步提高切削加工效率只靠*刀具是不夠的。我們還應該掌握和運用與切削過程相關的技術，全面提高生產效率。
2005年5月在廈門舉行的2005中國刀協工作會議上，東方汽輪機廠介紹了綜合運用切削應用技術，全面提高切削加工效率的經驗。今年廠里努力推廣*刀具，僅推廣可轉位刀具就提高生產效率30%。進而他們又在刀具結構創新上下功夫，于株洲鉆石切削刀具股份有限公司合作開發*刀具，還對老式設備進行改造以使用*刀具來提高生產效率。zui近他們又對全廠工藝配置進行了優化、加強管理、進行網絡編程和切削過程的計算機模擬等手段進一步提高生產效率。用王政總工藝師的話說是“向另外70%的時間要效益”。減少非切削時間的手段還很多，比如機外調刀、快速換刀、隨機測量、多工位加工、設置裝卸工位、采購可靠性高的設備減少維修停機時間等等。
既要采用*刀具，同時還要通過管理和應用相關技術優化整個加工過程，實現加工是zui近切削理念的第三個進步。
使用*刀具還應注意與加工設備的合理“匹配”。我們曾提到好設備上用焊接刀具是不匹配，而在普通設備上一味追求用（也常常是zui貴）的刀具同樣不合理，不少加工企業已發出進口刀具價格不堪重負的呼聲。怎么辦？我們的建議是：進行刀具結構創新，改善刀具使用條件，合理選用刀具材料和涂層，不要只盯著“的”（zui貴的）刀具，提高生產效率部只有高性能刀具和高速切削一條道。經過多年的建設和技術改造，一批國有、副分之和民營刀具企業已開發出系列性能優良的硬質合金材料和涂層刀具，可以供加工企業按照具體情況合理地選用。再則刀具結構創新和工藝方式的改革，還有管理手段和相關技術同樣是提高生產效率的有效手段。說得更明確一點就是不要只盯著用的刀具這一條道，當前更要重視切削應用技術向70%的時間要效率。
現在國內轎車生產、模具制造、航空航天等領域還大量使用進口刀具。我國在材料、涂層的基礎技術和刀具結構創新上與國外還有較大差距，趕超*水平還任重道遠。但如果只看到這一點而忽視切削應用技術這個重要領域，無形中就夸大了我們在切削技術上與國外的差距。我們要在基礎技術和應用技術并舉，當前應該從切削應用技術入手，在刀具結構創新上下功夫，學會用好引進和自行開發的涂層技術和*刀具材料技術，綜合運用技術和管理手段提高加工效率，加快趕超*水平。
切削工具性能的提高為高速加工發展提供了可能性
如果需要達到高速加工，切削工具是另外一個重要的因素。當前切削工具材料的發展，對加工的需要創造了比較好的條件，除了高速鋼、硬質合金以外，陶瓷、金屬陶瓷、超硬材料的發展起到了重要的作用。特別是陶瓷、超硬材料，對高速加工的發展提供了有力的支持。更值得提及的是，1955年美國GE公司用高溫、高壓合成超硬材料取得成功，促使切削領域發生了重大變化。在這個基礎上，很快出現了PCD、PCBN，為難加工材料的切削、干切削、硬切削、超精密切削等的加工創造了條件。
在切削加工的另一個方面，就是表面技術在切削工具上的應用，PVD（物理氣相沉積）、CVD（化學氣相沉積）不斷推陳出新，由單層發展成多層、千層、復合涂層，現在又發展成納米涂層；涂層的材料，從TiN發展為Al2O3、TiC、ZrO2、等，根據加工的要求，為提高耐高溫的性能，又發展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等。為了減少摩擦力，采用軟涂層，如沉積MoS2，又如德國Guehring公司采用的Molyglide，這種涂層就是以MoS2為主的，它能減少切削中的摩擦系數。當然這要根據被加工件的特點，分別地應用在所需的加工上。現在涂層技術又發展到了超硬涂層（類金剛石、金剛石、立方氮化硼），更使切削加工的范圍拓寬。特別值得提到的是薄膜涂層發展成為厚膜，它不同于天然金剛石，具有各向同性，現在已經在國內外得到應用，部分取代了天然金剛石。現在也已經解決了大顆粒單晶金剛石的合成技術，這些變化對我國的影響非常深遠，我國已經是世界合成金剛石產量zui多的國家，這有利于我國發展加工技術。
為了適應高速加工，輔助工具也是十分重要的手段，例如原來的組合夾具在機械加工中心的應用中，為了提高其強度，已經從槽系發展成為孔系。目前比較典型的是EROWA和3R組合工具的應用，已經從電加工，發展到機械加工中心上，不僅加快了節奏，更重要的是達到了高精度，這些工具從原來的模具電加工發展到了切削加工領域。在帶柄的切削工具方面所需的刀柄，也在配合率、高精度切削加工的過程中發展了新型的結構，例如液壓的、塑料的，現在又廣泛采用熱裝的刀柄，其夾緊的精度明顯提高，達到2～3μm。現在這種裝置已經成熟，例如德國的ZOLLER公司已經將這樣的裝置直接安裝在對刀儀上，說明此項技術又向前推進了一步。工具的進步為加工提供了有力的支持。