汽车工业切削与刀具技术现状(1)

汽车工业切削与刀具技术现状1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。2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1500m/min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300转，线速度可达800m/min，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。3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4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。4涂层技术和涂层刀具不断发展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。5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。6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