汽车工业切削与刀具技术现状 |
上海通用汽车有限公司 达世亮高工 |
一、汽车工业快速发展对刀具的需求 |
| 近年来中国汽车制造业发展异常迅速，国内各大汽车集团都在加大投资，不少民营企业也加入了汽车或其零部件制造的行列，世界各大汽车公司及著名的汽车零部件厂商几乎都已来到中国，或是合资或是独资，都设法加入在中国制造汽车及其零部件的热潮，与汽车制造特别是汽车所需的发动机、变速箱、传动轴、车桥等零部件制造相关的机械加工及金属切削工作量激增，从而对与机械加工和金属切削紧密相关的刀具的需求不断上升，同时也出现了很多新的要求。当前汽车工业发展的特点是竞争加剧，对客户满意度的要求进一步提高，要求能够根据市场的需求及时推出新的产品或转换新的型号生产，生产的柔性化要求提高，当市场对某种产品有需求时必须抓隹机遇生产出足够满足市场需要的产品，生产量的增长可能是陡增的，要求为生产作支持的刀具也必须适应这种要求和变化，能够及时地提供并在数量和质量上保证满足生产的需要。汽车零部件制造的质量要求也在不断提高，无论是加工精度、形位要求还是表面质量要求都有了新的提高，同时为了满足新的产品量控制的要求，要求对所生产的产品有很好的追溯性，也就是对产品制造的全过程进行控制并当发现产品有质量问题时能清楚地了解在哪个环节出的问题以及受到影响的产品有多少以及发生在什么地方，要求对产品制造过程中的重要影响因素刀具进行完善的控制和追溯，刀具方面必须能能对生产现场的问题作出及时快速的响应，提供有力高效的技术支持，并能控制和追溯刀具的制造过程。面对激烈的市场竞争，汽车工业正在全面实行精益生产，同时要求不断降低刀具成本，对刀具物流、库存等的要求也提高了。与此同时，由于环境保护、健康和职业卫生等方面标准和要求的提高，汽车工业对这些方面的考虑和控制也更多了，对金属切削及刀具就有了新的更高的要求。所有这一切都要求切削及刀具行业不断开发新技术、新材料、新工艺及新的管理方法，以适应汽车制造过程中不断出现的新技术、新材料和新工艺及新的管理体系。 |
二、向柔性化和高速加工发展 |
| 为适应市场变化的需求，汽车产品及其零部件更新变化越来越快，过去大量采用的专机或刚性自动线由于其不便更换生产品种或改造费用昂贵，已不能适应这种快速变化的市场需求，所以现在汽车零部件加工的生产线已越来越多地采用柔性生产线，或柔性加工设备与专机结合组成的加工生产线，特别是在新的项目中更是倾向于采用柔性加工线，大量采用加工中心，在一条生产线上可生产不同规格的零件以满足不同的产品生产的需要，而且在产品更新换代时仅需改变加工程序及相关的刀具、夹具就可很方便地转换为新的生产线，工序的调整和改进、刀具的增加和减少也很方便。在车间平面布置方面，尽量使车间地面保持完整，已很少开挖为集中冷却而设置的地沟，机床等设备可很方便地安装及根据需要移动到新的位置，组成新的生产线。如上海通用汽车有限公司在建厂以来的几年中已根据需要多次移动机床，减少能力高的生产线的设备，用于新项目的生产，或增加能力相对薄弱的生产线的设备，以最大限度地利用设备能力，以极高的柔性快速地满足市场的需要，与此相适应的就要求刀具能适应这种高度柔性化的生产及快速变化的生产产量和生产品种，数控机床和加工中心用刀具因而获得了极大的市场和高速发展，也引起了越来越多的企业和研究单位不断投入巨大的人力物力进行切削新技术和新刀具的研究和开发。 由于汽车及其零部件的生产量大、品种多，节拍时间短，尽管采用了柔性生产线，但节拍要求仍需满足，故提高切削参数，采用高速切削就成为必然，而加工中心设备的采用也为同时实现柔性和高效率生产提供了可能。汽车及其零部件制造特别是新工厂、新项目的制造过程正向着高速加工的方向发展，越来越多地采用数控高速加工中心，很多加工中心机床的主轴转速已可达数万转，如钻镗铝质汽缸盖的进排气导管底孔、座圈底孔的刀具转速不少在一万转以上，线速度可达1500米/分左右，有的面的铣削线速度可达4000m/min，半精镗、精镗铸铁汽缸体缸孔的刀具转速也已达3000转，线速度可达800多米/分，上海通用汽车有限公司的1．6L发动机铸铁缸体加工中不少面的铣削线速度都已达到了1000m/min以上. 同时高性能切削也获得很大发展，一次切削切除相当大的余量，特别是在粗加工中大余量切削，切削效率提高，减少切削工序，在某些工位的加工中将半精加工和精加工合并， 与此相适应，刀具及切削技术也出现了很多新的变化。 |
三、超硬刀具获得广泛应用 |
| 刀具材料发生了很大变化，CBN（立方氮化硼），PCD（聚晶金刚石）、陶瓷刀具等超硬刀具获得了广泛应用。PCD刀具由于其极高的硬度，在加工铝制工件及其他有色金属及其合金时使用寿命极高，近年来随着汽车制造业大量应用轻型材料（如铝合金、复合材料、塑料等），PCD刀具的应用也大量增加。现在汽车发动机的汽缸体、汽缸盖、变速箱的壳体、阀体、槽体、侧盖等零件很多都采用铝件，这些零件的加工中就大量采用了PCD刀具，取得很好的效果，一般每把刀的寿命都在加工几千件工件左右，长的可达1.5至2万件。 CBN刀片的特点是，硬度极高仅次于金刚石，特别是其红硬性好，在1000多度的高温下仍能保持其硬度和良好的切削性能，适应了高速切削的需要，也满足了一些高硬度难加工零件的加工需要、在发动机缸体等铸铁类零件和气门阀座等粉末冶金零件的加工中获得了较好的应用效果。如气缸体缸孔的加工在半精镗和精镗工序中很多就采用了CBN刀片，切削速度可达800m/min，刀具寿命是硬质合金刀具的一倍以上，在气缸体的缸盖结合面的加工中，CBN铣刀切削线速度可达1200m/min以上，高的甚至可以达到2000m/min，进给速度可达1000－2000mm/min。 目前已有汽车零部件制造厂为降低一次性设备投资，减少生产线中的设备数量，同时又希望保证生产节拍，就采用具有高速加工能力的加工中心，显著地提高切削用量，同时采用适合这种高速切削的CBN刀具，如在直列四缸发动机缸体的加工中，几乎所有各个面的铣削都采用了CBN刀具，尽管CBN刀具价格较贵，但如考虑到其对于加工效率的提高和在投资成本上的节约，总的算起来还是很经济的。上海通用汽车公司在变速箱壳体的加工中，将一把原来采用的硬质合金镗刀改为PCD刀具，刀具寿命从原来的3000件提高到7万件，其经济效益是非常明显的． CBN刀具可用于加工淬硬工件，因而可以实现以车代磨，如大宇汽车公司就在变速箱输入输出轴的加工中，用CBN刀具进行轴上槽的车加工，代替了原来要用成型砂轮进行的磨削加工。 作为高硬材料刀具中的又一种刀具，陶瓷刀具也是一种值得关注和正在不断扩大应用领域的刀具，陶瓷刀具过去存在的脆性正在得到改进，现在已有了增韧型的陶瓷刀具，可应用于铸铁工件的粗加工，如在发动机气缸体缸孔的粗加工中，不论是V型6缸发动机还是直列四缸发动机都采用了陶瓷刀具进行缸孔的粗加工，显著提高了加工效率，其镗孔切削线速度可达700m/min至800m/min。 |
四、涂层技术和涂层刀具不断发展 |
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伴随表面工程和摩擦学的发展，涂层技术在近十多年来获得了突飞猛进的发展，技术和设备都越来越成熟，在刀具上的应用也越来越广泛，成效明显，并且有越来越多的新型涂层开发出来。 目前在汽车工业所用刀具上采用较多的涂层有TiN， TiC、TiCN、TiAlN, ZrCN等等，在钻头、铰刀、齿轮滚刀、丝锥上都获得很好的应用效果，刀具寿命明显提高。现在汽车行业所用的硬质合金刀具中几乎７５％的刀具进行了涂层，而且随着对刀具重磨要求的提高，越来越多的重磨后的刀具需要进行重新涂层，使涂层的应用有了更广阔的前景，同时如何使修磨后重新涂层的刀具达到原有新刀具的性能水平，还需要涂层厂家和涂层刀具用户共同付出更大的努力．由于单一涂层材料难以满足提高刀具综合性能的要求，因此涂成份将趋于多元化、复合化；在复合涂层中，各单一成分涂层的厚度将越来越薄，并逐步趋于纳米化；涂层工工艺将为满足不同的切削加工要求，更具针对性．目前涂层行业还在做更多的工作，以进一步改进各类涂层的性能，如把多弧工艺和溅射工艺组合起来，优化涂层的结构，开发多层涂层以提高韧性和结合力，添加其它合金元素如铬、锆、钒、硼、铪以及硅等以进一步提高韧性硬度和化学稳定性等各方面性能，同时努力开发纳米多层涂层。 涂层领域新近的发展是将金刚石薄膜用CVD等方法将其涂覆于硬质合金刀具上，使具有复杂形状、或开有断屑槽的刀具也能具有金刚石刀具的性能。另外现在也在尝试将如MoS2这样的软涂层应用至刀具上，以改善切削过程中的润滑状态，提高金属切削的性能。 |
五、新型刀柄和刀具夹持技术的应用 |
| 与数控机床的应用和高速加工的发展相适应，切削过程中很多问题都要从高速的角度重新加以考虑，如刀具和刀柄的连接、刀柄和机床主轴的连接、快速换刀问题、切削系统的振动问题以及相应的刀具系统的动平衡问题，由此各种新型刀柄和刀具夹持技术也迅速发展起来。 目前在汽车工业中用得比较多的有德国的HSK系列刀柄，HSK刀柄是一种新型的高速锥型刀柄，其接口采用了锥面和端面同时定位的过定位方式，消除了轴向定位误差，刀柄为中空，锥体长度较短，有利于加工中心换刀轻型化及高速化，有比较高的重复安装精度，刀柄与主轴间由扩张爪锁紧，在高速转动产生的离心力作用下，刀柄能牢固锁紧，在高速加工中心上应用很普遍． CAPTO刀柄也是一种新型的刀柄，这种刀柄不是圆锥型，而是三角体锥，其棱为圆弧型，锥度为1:20的空心短锥结构，也同样实现锥面与端面同时接触定位，锥型多角体结构可实现两个方向都无滑动的转矩传递，不再需要传动键，有利于动平衡，这种刀柄不易变形，磨损小，因而具有始终如一的位置精度。 另外在高速加工中应用的刀柄还有美国的KM系列刀柄、日本的BIG-PLUS刀柄等．但在汽车工业生产所使用的加工中心机床上大多还是采用了HSK刀柄。 在刀具的夹持技术方面，热套刀柄是近几年新发展起来的一门技术，其特点是具有液压刀柄相当的精度或更高，但价格比液压刀柄便宜得多，只是如要调整刀具长度，需要有专门的热套刀具调刀仪，但如果在生产中采用的热套刀具批量大，在经济上就很值得，同时也有可能提高刀具寿命，现在已有奇瑞汽车、神龙汽车等公司在新项目中采用这种热套刀柄。 |
六、切削摩擦学的提出及其在金属切削加工中的应用 |
| 金属切削理论的发展已有了很多年的历史，摩擦学自从六十年代产生这门学科和技术以来也有了不少年的发展，但摩擦学界的研究大多集中在一般运动副的摩擦、磨损及润滑的研究和相应的摩擦学技术的开发上，对刀具与工件所组成的这样一对特殊摩擦副及在切削过程中所发生的各种摩擦学现象、摩擦学特性以及相应的摩擦学解决方法还研究不多。而金属切削理论中虽然经常谈到切削过程中所发生的摩擦和润滑，也不可避免地要谈到刀具的磨损，却也很少利用当代摩擦学发展已积累起来的理论和技术，因此有必要提出切削摩擦学这样的概念，将摩擦学理论和金属切削理论结合起来，建立适应切削过程这样特殊的摩擦过程的切削摩擦学理论，通过实践进行验证，并反过来指导生产和金属切削加工问题的解决和刀具的优化。 事实上刀具和被加工的工件组成了一对摩擦副，其中的润滑介质或切削过程中形成的各种产物组成了一个摩擦学系统，在金属切削过程中，这个系统发生着剧烈的摩擦，发生希望得到的工件上的摩擦磨损效应，也产生不希望的刀具的磨损，而这个系统的影响因素有设备、夹具、工件材料、润滑介质、润滑方式、刀具材料、刀具几何参数、切削参数等等。 切削液在机械加工中的应用是非常普遍的，但其具有的润滑、冷却等多种功效对于切削加工的重要性并不是所有的人都了解的，最近我们曾在一种铝质直列四缸发动机缸盖的加工中遇到过这样一个问题，该工件的液压挺柱孔的加工采用带导条的PCD铰刀，采用水基乳化液，有人在换液时将一种表面上类似的另一种牌号的乳化液用到了该工序，结果加工出来的工件表面粗糙度一下子完全变差，超出图纸规定的要求，无论如何改进刀具的刃磨或调整方法，或改变不同的切削参数，就是不能加工出合格产品，于是不得不将该工序切削液又换回原来的切削液，令人很惊讶的是工件表面光洁度马上变好，完全符合图纸要求，为了得到试验结果的高的置信度，又接着继续试验了一次，再将那前一次试验效果不好的切削液换入机床，同样发现完全加工不出合格零件，于是在这道工序只能使用原来一直在使用的那种切削液，再一次证明了试验结果的正确性，也说明了摩擦学系统的配副性、正确的润滑介质和润滑方法的重要性。所以在金属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，这样才能确保受控的切削加工性能和好的加工质量及高的生产效率。 控制和改善刀具的润滑和冷却条件，还有利于切屑的排出，降低由于切屑与工件已加工表面或刀具表面的摩擦，由此减少可能产生的产品表面质量问题的风险，还能防止由此造成的刀具破损或断裂。有过这样的实例，发动机缸体长油孔的加工，原来采用的是麻花钻，经常发生钻头折断，造成经常更换刀具的停机损失，还会由此造成工件报废，将该钻头改成带内冷却孔的直槽钻后，由于冷却条件大为改善，切屑能顺利排出，钻头发生折断的情况就很少发生，既提高了生产率又降低了刀具成本。 由于对资源和环境保护的关注及对操作者健康保护的要求不断提高，如何减少润滑液的消耗和降低由于润滑液挥发到空气中所造成的对操作者健康的影响，已日益成为一个关注的焦点，人们正在思考和研究是否能尽量少用切削液或干脆不用切削液，于是一种利用油雾润滑进行切削的方法出现了，干切削又被重新重视起来，德国和美国的一些大学、研究所和企业开展了这方面的研究和试验，不少企业已开始了这方面的应用探索，如在发动机曲轴长油孔的加工中就突破带内冷钻头在钻削过程中采用冷却液进行冷却和润滑的传统做法，而采用了喷油雾和压缩空气的方法达到润滑、冷却和排除切屑的多种功效。当采用了这些新的方法后，切削摩擦学系统的摩擦学特性会有很多新的变化，产生对刀具的新的要求，其规律值得我们去进一步探讨。 根据切削摩擦学的理论，我们可以更好地研究刀具几何角度、刀具材料对刀具寿命和被加工件表面形貌的影响，研究并开发出适合具体切削摩擦学系统的新型涂层或找到已有涂层的最佳适用工况条件和适用的切削参数，对切削加工过程实施更有效的控制。 |
七、刀具业的挑战和快速发展 |
| 随着中国汽车制造业的高速发展，国内刀具行业也异常活跃，蓬勃发展，国内外的刀具公司都看中了中国这个大市场，国际上著名的刀具和刀辅具公司及其产品几乎都进入了中国，如瑞典的Sadvik携旗下Coroman， Titex，Walter，等公司，德国的Mapal，Leitz，Guhring，以色列的Iscar，日本的OSG，大昭和等，美国的Valinite，Ingosoll，等。这些外国刀具公司在刚进入中国时，对中国刀具市场的发展估计并不足，有的仅是委托中国代理商销售一部分刀具，售后服务等工作还未能有力跟上，逐渐地他们认识到这个市场的重要性，开始在中国设立办事处，并进而在中国进行直接销售，原来实行的单一代理方式也开始变化，近二年更有了新的本质的变化：很多国外刀具公司开始在中国设厂，直接在中国当地制造刀具、提供各种服务，如山高公司在上海设立了制造工厂，山特维克在廊坊设立了工厂，住友电气在天津设立了工厂，肯纳、欧士机等在上海都设有工厂，蓝帜公司最近在南京新扩建了其工厂，增加了刀具制造和刃磨设备，格林公司在上海的具有珩磨刀具制造和修磨功能的工厂也即将正式开业。这样的做法其好处是明显的，首先是可以对市场反应迅速，了解客户的需求并及时作出响应，供货时间缩短，其次是可以利用中国的劳动力成本优势，其制造的刀具不仅供应中国客户，也出口至世界各地，设在中国的工厂成为其具有同样质量、同样性能而制造成本却低得多的国际著名品牌刀具的生产基地。刀具制造和服务的本土化，使得供应商更靠近最终用户，更好地提供对用户的现场支持。刀具的销售和供应决不仅是将刀具销售给客户或将刀具送到用户现场就行了，刀具的售后服务和现场技术支持有时显得更为重要。特别是因生产现场有时会因各种原因发生刀具的非正常耗进而引起对刀具的紧急需求，此时能否对用户的需求作出及时快速的响应，并帮助用户分析问题的原因，提出解决问题的方法和措施，并设法采取某些特殊手段在尽可能短的时间内提供合适的刀具或刀辅具，保持生产线的正常运转，将直接影响到客户的满意度和能否建立和保持长期的合作伙伴关系。同时绝大部分刀具供应商也已认识到帮助用户降低刀具成本和提高用户员工对刀具技术的了解使用水平的重要性，因此近一二年来，不少刀具供应商由不断举办各种技术讲座和到用户处进行培训，进一步发展到在中国的一些重要城市设立培训中心和刀具修磨中心，如山特维克在上海设立了名为效率中心的设备齐全的很大的培训中心（培训车间200平方米，多个培训教室面积达一八○平方米）是其全球第19个效率中心，蒂泰克斯也在上海设立了修磨中心，而日本的名古屋刀具公司则早就看中中国国内巨大的对刀具快速制造的需求，很早就在上海设厂，专门制造和修磨各种客户需求的特殊刀具，其特点是反应快，不管批量大小，且能及时到现场进行直接技术支持。另外舒伯哈特公司也同样在上海设立了修磨工厂，专门进行超硬刀具如金刚石刀具和CBN刀具的加工和修磨工作，其业务量也很大，帮助不少客户解决了超硬刀具的修磨工作。阿诺公司在苏州、钴领公司在常州都设立了工厂，为客户进行各种刀具刃磨的工作，并提供上收门集旧刀与送刃磨后的刀具到现场的服务。与此同时为刀具进行涂层的专门的涂层公司也来到中国设厂，一方面为其原配套的刀具制造商进行刀具涂层，一方面为有刀具涂层需要的刀具最终用户进行刀具涂层，为修磨过后的刀具或需要优化的刀具进行涂层。这方面已有Balzars、Cemecon等公司在苏州等地设厂并已提供采用当前最先进技术进行涂层的服务，所提供的涂层刀具经过试验有的已获得很好的效果。 与此同时国内的刀具制造企业和销售企业也在快速发展，获得了长足的进步。株州钻石刀具公司现已发展成为刀具制造设备完善、能向国内各大汽车制造企业提供多种整体式硬质合金刀具和不同规格的硬质合金刀片的刀具制造企业。自贡硬质合金有限责任公司是世界硬质合金和钨钼制品生产大型企业，拥有从钨钼冶炼到硬质合金制品、工具的完整生产体系，集多年硬质合金生产经验和技术优势，利用当今世界一流的硬质合金生产设备和工艺，成系列地为客户提供各种车、镗、铣、钻等加工用的可转位刀片及其配套工具。 成都工具研究所一直从事精密切削刀具的共性技术研究及其高新技术产品的生产与销售，其科研产品的产业化生产基地成都工研科技股分有限公司生产的各种型号的硬质合金可转位刀片等刀具，已批量向国内外用户供货。 但目前国产刀具不足的方面是质量还不够稳定，往往有的批次寿命很好，完全不亚于进口刀具，但有时寿命又特别低，这样对于汽车行业的加工来说很难进行生产控制，因汽车行业基本上都是大批量生产，流水作业，节拍和生产率有严格要求，所以一般实行的都是强制换刀，如果质量水平不稳定就很难进行控制，或者不得不将刀具设定寿命缩短，这样将会加大刀具成本，也会带来由于频繁换刀所带来的生产效率的损失。 随着汽车市场日益激烈的竞争，汽车生产的成本必须不断下降，相应地要求刀具成本也必须下降，降低方法之一就是实现刀具供应的当地化，由此既能降低成本又能缩短供货时间，这就给众多的刀具企业提供了很好的机会，同时也将会是一场巨大的挑战。 |
八、结语 |
| 汽车工业正在继续高速发展，高质量、高效率、低成本的生产成为市场竟争的基本要求，新产品、新技术、新工艺、新材料不断出现，与此相应的对切削技术和刀具也不断提出了新的要求。目前对于切削加工中的表面光洁度要求比以前更高，因而对抛光工序及其使用的抛光带、抛光石要求比以前更高，对去毛刺这样的工序也提出了新的质量标准，使人们更为重视表面清理及其所用去毛刺的毛刷等并不起眼的刀具的重视；CBN砂轮的大量使用，又使昂贵的砂轮的修整次数及其对砂轮工作寿命的影响成为关注的课题；曲轴加工用车车拉刀具和外铣刀具需要更好地实现本土化；为适应高速加工的发展，切削系统的振动、刀具的动平衡及相应的刀具动平衡设备也成为解决生产中加工问题时的重要考虑因素；对刀具修磨技术及刀具修磨质量的控制成为各汽车制造厂和刀具供应厂家共同关注的问题；刀具新材料，涂层技术更是一直成为各刀具厂家的研究开发热点，也是汽车制造企业进行刀具优化和刀具试验最多的项目。汽车制造发展到今天，对刀具供应商的要求已不是简单的供应刀具或刀具买卖关系，现在要求的是能提供切削加工整体解决方案，并能提供及时有效的现场技术支持。由此，近年来，一种刀具管理的新模式即刀具外包管理也正在汽车行业应用和作进一步的探索，充分发挥社会化大分工的作用，让掌握刀具技术和刀具管理的专业企业来进行刀具的采购。调整。修磨。现场技术支持。问题解决和刀具优化，形成与汽车制造企业的一种合作伙伴关系，以达到双赢的目的。 对于汽车制造企业和刀具制造。服务企业来说，面临着极大的挑战，也将会获得前所未有的发展机遇。我们相信，汽车制造企业和刀具企业都将会很好地迎接这场挑战，从而发展到更高的层次。 |
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