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汽車零部件加工對刀具的新挑戰(zhàn)

機床資料 2008年04月11日 14:02:20來源： 457

汽車零部件生產(chǎn)在總體上是一個典型的大批量生產(chǎn)模式，制造成本成為零部件生產(chǎn)商考慮的一個重要環(huán)節(jié)。目前，一方面是國外汽車零部件廠商紛紛登陸中國，搶占中國汽車零部件市場，從而導(dǎo)致一些國內(nèi)汽車零部件廠商倍感壓力；另一方面是汽車制造的批量越來越小，產(chǎn)品生命周期越來越短，產(chǎn)品的更新越來越快；還有一方面就是在不斷提高汽車環(huán)保要求的同時，對汽車制造過程的綠色無污染或少污染的要求也在不斷提高。

基于上述這些因素的影響，與零部件制造密切相關(guān)的刀具也面臨著各種挑戰(zhàn)。

1 零部件材料的變化

汽車零部件正在朝著輕量化的方向發(fā)展。研究表明，一輛轎車的質(zhì)量若能減少10%，則其燃油經(jīng)濟性可提高3%～4%，同時汽車的排放也會降低。為此，各國的汽車制造廠家為了使發(fā)動機輕量化、高速化、高功率化，并且有較高的耐久性，各種質(zhì)量輕、強度高的材料在汽車零部件中的應(yīng)用越來越廣泛。鋁合金的發(fā)動機缸體已經(jīng)成為汽車輕量化的，蠕墨鑄鐵、超級合金等也在汽車制造中占據(jù)一席之地。這些都對刀具提出了新的挑戰(zhàn)。

未涂層鉆頭：12個孔	CCDia涂層鉆頭：90個孔
圖1 CCDia加工30%硅鋁合金
a）老虎刀片	b）KY3500
圖2 鑄鐵加工刀片

應(yīng)對鋁合金，尤其是高硅鋁合金的應(yīng)用，金剛石刀具的應(yīng)用越來越多。這里所說的金剛石刀具，既包括焊有金剛石片的刀具，也包括金剛石涂層的刀具。德國賽利公司提供的一種商品名為CCDia的納米結(jié)構(gòu)金剛石涂層，就對高硅鋁合金的加工提供了一個的解決方案。而肯納金屬也推出了一種不含粘結(jié)劑的純金剛石涂層產(chǎn)品KD1405，也是為了解決類似的加工高硅鋁合金的刀具耐磨性問題。

蠕墨鑄鐵（CGI）是近期在汽車零部件制造中用到的一種新型鑄鐵材料。蠕墨鑄鐵中的石墨呈珊瑚或蠕蟲狀，其金相結(jié)構(gòu)不會如灰鑄鐵一樣，會在加工中使應(yīng)力增大和產(chǎn)生斷裂線，而且不會像球墨鑄鐵那樣，造成導(dǎo)熱率的損失。這種特性使蠕墨鑄鐵成為一種制造發(fā)動機高強度部件的材料。其加工特性介于球鐵延展性與灰鑄鐵脆性之間，切屑為部分斷裂。CGI的導(dǎo)熱率為灰鑄鐵的78%，這會加大刀具的熱磨損效應(yīng)；CGI的延展性好，抗拉強度和疲勞強度約為灰鑄鐵的兩倍，這會使其更易產(chǎn)生毛刺。德國瓦爾特公司為鑄鐵加工研發(fā)了所謂的“老虎刀片”Tiger"Tec技術(shù)，并在后來將這一技術(shù)擴展到鋼件、不銹鋼、難加工材料等多個領(lǐng)域。老虎刀片標(biāo)志性的雙色涂層，針對前后刀面的不同加工特點使用不同的涂層，改善了對蠕墨鑄鐵的加工。山特維克可樂滿的GC1020則有一層鈦鋁氮化物的物理涂層，能在較硬的刀片基底和應(yīng)對不同加工性能所需的韌性之間達到必要的平衡，從而改善蠕墨鑄鐵的加工?？霞{則在鑄鐵加工中除推出如KC9315等涂層硬質(zhì)合金刀片外，還推進使用氮化硅陶瓷刀片如純氮化硅的KY3500以適應(yīng)更高的加工速度。

2 加工高速化

為了降低加工成本，提高加工效率成為許多汽車零部件廠商關(guān)注的一個重點。而在提高加工效率的措施中，zui容易想到的，也許就是加工速度的提高。我在2006年參加《工具技術(shù)》、《機械工人》對肯納金屬的金屬加工解決方案集團副總裁伯納德•諾斯的采訪時，諾斯介紹說，在5年前肯納推出其用于鋼件加工的涂層硬質(zhì)合號KC9110時，客戶應(yīng)用這種牌號的平均切削速度約為250m/min，而現(xiàn)在已經(jīng)達到平均320m/min。

加工的高速化帶來對刀具更為嚴酷的要求。為了適應(yīng)這種要求，刀具廠商采用了各種措施?？霞{介紹說，他們已經(jīng)突破了過去CVD涂層20mm的極限，現(xiàn)在已經(jīng)可以達到30mm。這是改善涂層與基體結(jié)合力、改善多層涂層的層間結(jié)合力、改善表層涂層與工件的接觸等多種技術(shù)的結(jié)果。

圖3 山高刀具的多層氧化鋁涂層

圖4 伊斯卡的風(fēng)火輪銑刀

圖5 山高的MF5槽形

山高刀具則發(fā)表了他們研究和改善涂層晶核形成的成果。山高刀具認為，*化的成核作用使得磨損性能顯著提高，而且這些種類的a-Al2O3層通常由相對較小的、表現(xiàn)為無孔隙度的無缺陷顆粒組成。<1 0 1 4>結(jié)構(gòu)的a-Al2O3層表現(xiàn)出*的耐磨性。山高新的a基Al2O3鍍層DurAtomic"的制造水平達到原子級。結(jié)果使機械和熱特性*目前生產(chǎn)的Al2O3的能力。與傳統(tǒng)生產(chǎn)的Al2O3相比，DurAtomic"鍍層表現(xiàn)出更高的耐久性/韌性、杰出的耐熱/耐磨性、化學(xué)惰性，并因此減少有關(guān)積屑瘤形成的傾向。

隨著切削速度和加工效率的提高，降低切削力和切削熱成為刀具改進的又一個方向。例如伊斯卡的風(fēng)火輪銑刀，該銑刀的刀片為鋸齒狀切削刃，在加工中相互交疊，這種科學(xué)的刀具結(jié)構(gòu)使加工更加。這樣的銑刀在加工中的刀具穩(wěn)定性高，切屑被加工為更細小的切屑，而且切削力小，因此所需機床功率也低。

3 近凈尺寸

隨著毛坯的制造精度越來越高，汽車零部件的毛坯的形狀和精度越來越接近于zui后的成品尺寸，這就是所謂的“近凈尺寸”（所謂NNS，Near Net Shape）。實現(xiàn)了“近凈尺寸”的毛坯，不同于傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)的產(chǎn)品，這些毛坯具有的外形、高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度，加工余量非常小。這種毛坯的近凈尺寸化，給加工工藝帶來了一系列的影響，而對刀具來說就是需要小的切削力和鋒利的切削刃。

近年來，許多刀具商推出了比以往更適合小余量加工的刀具，其主要特點是刀具更為鋒利，刀具材料的耐磨性更好。在兼顧刃口強度的同時盡可能地提高刀具鋒利性成為共同的選擇。例如山高刀具推出的MF5斷屑槽型就是一款針對近凈尺寸加工的刀具產(chǎn)品。它采用了一種新的敞開式設(shè)計，它有一個半鋒利的切削刃，倒棱被分成兩段，分別是+5°和+10°，這些分段在寬度方向遞增，而同時正角變得更?。榱饲猩钶^大時有更好的強度），前角是17°。這種半鋒利設(shè)計的切削刃在加工時可以降低切削力，同時又比傳統(tǒng)“全鋒利”刀片的強度更高。

a）細顆粒硬質(zhì)合金KC635M 刀具壽命：25min	b）超細顆粒硬質(zhì)合金KC637M 刀具壽命：70min/td>
圖6 加工3淬硬鋼HRC62磨損對比

如果其它條件不變，刀尖的鋒利往往會帶來刃口韌性的下降。隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，我們可以通過其它方式加以彌補，從而更好地兼顧刀具的耐磨性和韌性。在這樣一個時刻，刀具材料的細顆粒化又成為我們的選擇之一，雖然細顆粒化的刀具價格可能會比現(xiàn)有技術(shù)的刀具價格更高。肯納金屬的一份材料說明，在銑削62HRC的淬硬材料時，細顆粒硬質(zhì)合金KC635M加工25min的刀具磨損與超細顆粒硬質(zhì)合金KC637M加工70min的刀具磨損相當(dāng)，說明在加工硬材料方面，超細顆粒硬質(zhì)合金KC637M的耐磨性比細顆粒硬質(zhì)合金KC635M高將近3倍。

4 干加工

干加工和微量潤滑技術(shù)，是汽車零部件加工的又一個挑戰(zhàn)。包括汽車制造在內(nèi)的現(xiàn)代制造業(yè)除了快速制造和柔性化制造以外，綠色制造也越來越受到各方面的普遍重視。因為作為社會的一份子，我們必須將“可持續(xù)發(fā)展”作為我們的一個戰(zhàn)略方針。可持續(xù)發(fā)展的理想以四個坐標(biāo)為出發(fā)點：世代公平、生活質(zhì)量、社會團結(jié)以及責(zé)任。

“生活質(zhì)量”要求具有完好的環(huán)境、好的學(xué)校以及安全并提供多種多樣文化生活的城市，而在“世代公平”方面，節(jié)約使用天然資源屬于zui重要的任務(wù)之一。而長期以來我們?yōu)楦纳萍庸べ|(zhì)量、延長刀具壽命而大量使用的各種切削液，卻有不少存在著污染環(huán)境、損害操作者的健康、增加制造成本的弊端。西方國家已經(jīng)實施的環(huán)保法規(guī)和我國人大已在制訂“清潔生產(chǎn)促進法草案”，以及標(biāo)準化組織制訂的ISO14000環(huán)境管理系列認證都要求我們認真對待這一問題。這使得維護、記錄存檔和遵循現(xiàn)行和計劃的規(guī)定所產(chǎn)生的成本正迫使切削液的價格迅速上漲，一些大型工廠支付從幾萬到幾十萬的資金來維護切削液、安裝和使用合適的附件和油霧收集器、處理切屑、碎屑和用過的切削液，切削液所產(chǎn)生的費用已十分可觀。

在干加工時，由于在切削過程中缺少了冷卻潤滑液的潤滑、冷卻和沖屑作用，會導(dǎo)刀具與工件間的摩擦增大、切削濕度升高、粘結(jié)加劇和切屑堵塞，從而造成刀具壽命、加工精度和切削效率的下降。為克服由于缺少了冷卻潤滑液而造成的困難，需要通過開發(fā)和應(yīng)用耐熱的硬刀具材料，合適的刀具幾何形狀和微量潤滑材料及其供給裝置，以及通過采用適合于干切削的機床和選擇相應(yīng)的切削參數(shù)來解決，確保干切削過程的可靠進行。目前，干切削刀具的主要材料有超細顆粒硬質(zhì)合金、聚晶金剛石、立方氮化硼、SiC晶須增韌陶瓷及納米晶粒陶瓷等。

圖7 TITEX-PLUS高性能鉆

山特維克蒂泰克斯以低切削力、低摩擦和確保排屑為設(shè)計原則，為干切削加工開發(fā)了不少刀具，ALPHA 22型深孔鉆就是其中的一種。它的特殊的40°螺旋角UFL輪廓使其具有較大的前角，并通過較窄的鉆心和較強的倒錐實現(xiàn)比較低的摩擦，還具有特別的槽形輪廓，可以很好地排屑，并可以保證低摩擦切屑流動。同時它通過采用帶有較高鈷含量的微晶粒硬質(zhì)合金，在使用過程中還可以提供較高的可靠性。

雖然可以期望在將來使用*干切削加工，但是要*干切削，則在刀具壽命、加工精度、表面粗糙度等方面，還有許多必須克服的問題，所以可以預(yù)料，根據(jù)當(dāng)前的現(xiàn)狀而轉(zhuǎn)換使用不影響環(huán)境的切削液，研究切削液的適量化、微量化以及給油定點化等。現(xiàn)在在許多應(yīng)用場合，我們把微量的高潤滑切削液噴到刀刃上，通過具有高潤滑性的切削液和正確供給和微量切削液的給油裝置的組合，構(gòu)成被微量潤滑的半干式切削加工。通過使用微量潤滑技術(shù)，我們在切削加工中對切削液的使用量，已經(jīng)從過去的每分鐘幾升減小到目前的每小時幾毫升，不足傳統(tǒng)切削液使用量的萬分之一。因此，不再需要切削油的防*、濃度管理，工件的清洗由于切削油的消耗量很少而可以簡易化，而由于切屑的干燥，使收集、處理或再熔煉都變得容易。

5 柔性化

近些年來，由于科學(xué)技術(shù)的不斷進步和人們消費需求的不斷異化，包括汽車產(chǎn)品在內(nèi)的各類產(chǎn)品的壽命周期縮短了，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快了。這種形勢正在迫使許多生產(chǎn)企業(yè)走上多品種、小批量的生產(chǎn)方式，以適應(yīng)市場需求的多變性及提高本企業(yè)產(chǎn)品的*。這就對為少品種大批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)、開辟道路的標(biāo)準化活動提出了挑戰(zhàn)。對于現(xiàn)代汽車制造的柔性化要求，機床行業(yè)通過可重構(gòu)機床等方式，夾具行業(yè)通過組合夾具等方式，油品行業(yè)通過添加劑等方式來進行應(yīng)對，而刀具行業(yè)也必須對這一生產(chǎn)趨勢作出自己的應(yīng)對，我認為其中非常重要的一個就是刀具的模塊化設(shè)計和模塊化制造。我們可以將屬于同一功能單元的、安裝于同一些部件（或模塊）上的一組模塊，應(yīng)具有相同的結(jié)合要素（包括相同的安裝與聯(lián)結(jié)形式），以保證性能、用途和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的模塊，在組合成產(chǎn)品時具有互換性。這樣，當(dāng)汽車制造廠的工件結(jié)構(gòu)、尺寸、材料有了一些改變之后，我們就有可能通過更換新的模塊，組合成符合新功能要求的刀具，以解決汽車制造者的變化了的需求。

如圖8是德國瓦爾特公司的一種模塊式銑刀，原來就可以通過配用不同的刀墊和刀片構(gòu)成各種前角、各種主偏角的一系列銑刀，提供極多的組合，形成千姿百態(tài)的刀具，為制造廠快速適應(yīng)市場變化，開發(fā)制造新產(chǎn)品提供了一種技術(shù)上的可能性。這樣的模塊式刀具系統(tǒng)可用于各種自動化程度不同的場合，應(yīng)用范圍可從普通銑床、銑床到復(fù)雜的數(shù)控加工中心和柔性生產(chǎn)線。與當(dāng)前使用的其它刀具相比，該系統(tǒng)的可變性非常強。近年來隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，各種新的刀片型式、刀片種類甚至切削理念倍開發(fā)出來，他們也推出了相應(yīng)的新模塊，使該系統(tǒng)的用戶可以僅通過更換模塊就可以使用新的刀具技術(shù)，也減少了用戶的投資，加快了使用新技術(shù)的步伐。

圖8 瓦爾特F2010模塊式銑刀

圖9 模塊式曲軸高速外銑

刀具模塊化技術(shù)在銑削上應(yīng)用開始得較早，這些年車削、鉆孔、鉸孔等各個領(lǐng)域的刀具模塊化技術(shù)也有了長足的進步。如山特維克可樂滿和瓦爾特提供的Capto車刀，肯納金屬提供的KM車刀，在工業(yè)發(fā)達國家的應(yīng)用已經(jīng)開始普及?，F(xiàn)在，國外刀具商紛紛把刀具模塊化的概念推廣到一些現(xiàn)代汽車制造業(yè)的刀具方面，為多品種小批量現(xiàn)代汽車制造提供了一種經(jīng)濟化的選擇。因為汽車行業(yè)不同于普通機械加工業(yè)，許多工序必須使用刀具制造。如發(fā)動機的曲軸，不管是曲軸內(nèi)銑、車車拉還是曲軸高速外銑，所用刀具都是的。這些刀具的刀體制造復(fù)雜，價格也比較昂貴。但是，如果汽車產(chǎn)品的變型要牽涉曲軸曲拐或頰平面的尺寸，都有可能導(dǎo)致必須使用新的刀體來進行曲軸的加工，這就會影響汽車廠的產(chǎn)品開發(fā)周期和制造成本，zui終影響汽車制造廠的競爭能力。因此，刀具廠商應(yīng)該致力于開發(fā)柔性化的曲軸制造刀具（如圖9），與汽車制造廠一起盡一切可能縮短開發(fā)周期，降低制造成本。

a）CAPTO系統(tǒng)	b）KM系統(tǒng)
圖10 典型的模塊式工具系統(tǒng)

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