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2008-05-23 10:46:56 人氣(580) | 回應(0) | 推薦(0) | 收藏(0) 上一篇 | 下一篇

切削加工和刀具技術的現狀與發展www.tool-tool.com

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摘要:對國際先進製造技術研討會(ISAMT』2001)暨中國高校切削與先進製造技術研究會第七屆年會的有關論文進行了綜合評述,分析了國內切削加工和刀具技術的現狀,並對今後的發展策略提出了建議。

1 引言
國際先進製造技術研討會(ISAMT』2001)暨中國高校切削與先進製造技術研究會第七屆年會於2001年10月在南京舉行。大會共徵集到論文200多篇,其中關於切削技術方面的論文33篇,刀具與刀具材料方面的論文32篇,論文內容涉及製造領域中現代切削技術的新發展、刀具新材料和新結構、切削機理實驗研究以及計算機技術在切削與刀具領域的開發與應用等。現對會議宣讀和交流論文中的相關內容作一綜合評述。


2 現代切削技術的發展
20世紀90年代以來,激烈的市場競爭推動以機械製造技術為先導的先進製造技術以前所未有的速度和廣度向前發展。高生產率和高質量是先進製造技術追求的兩大目標。高速切削、精密和超精密切削是當前切削技術的重要發展方向,已成為切削加工的主流技術。


高速切削技術
高速切削的主要內容包括高速軟切削、高速硬切削、高速干切削、大進給切削等。高速切削是一個相對概念,對其切削速度範圍的界定目前國內外專家尚未達成共識。通常認為高速加工時的切削速度比常規切削速度高5~10倍以上。


中國工程院院士艾興教授在所作「高速切削刀具材料的發展及其合理應用」主題報告中指出,在高速切削時,隨著切削速度的提高,切削力減小,切削溫度的增加漸趨緩慢,生產效率和加工質量提高,從而可降低製造成本,縮短產品開發週期。高速切削大致可使切削力減小15%~30%,表面質量提高1~2級,切削速度和進給速度提高15%~20%,製造成本降低10%~15%。高速切削現已廣泛應用於航空、航天、汽車、摩托車、模具、機床等工業中對鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金、高溫耐熱合金、碳纖維增強塑料等複合材料的加工中,其中以鋁合金和鑄鐵的高速加工最為普遍。

目前高速加工各種材料的切削速度:普通鋼和鑄鐵為 500~2000m/min(鑽、鉸削100~400m/min,攻絲100m/min,滾齒300~600m/min),淬硬鋼(35~65HRC)為 100~400m/min,結構鋁合金為3000~4000m/min,高硅鋁合金為500~1500m/min,鎳基、鈷基、鐵基和鈦合金等超級合金為 90~500m/min。高速加工追求的切削速度目標為:銑削加工:鋁及其合金為10000m/min,鑄鐵為5000m/min,普通鋼為 2500m/min;鑽削加工(機床主軸轉速):鋁及其合金為30000r/min,鑄鐵為20000r/min,普通鋼為10000r/min。大進給目標:進給速度Vf=20~50m/min,每齒進給量fz=1.0~1.5mm/z。


高速切削技術不只是切削速度的提高,它的發展主要取決於刀具技術(包括刀具材料、塗層刀具結構、刀柄和裝夾系統、刃磨和動平衡、檢測和監控系統等)和高速機床技術(包括電主軸、直線電機進給系統、數控與伺服系統、軸承及潤滑、刀庫等)的進步,而正確選用刀具與機床經常起著決定性作用。德國 Darmstadt工業大學H.Schulz教授在「高速切削機床」一文中詳盡介紹了選用高速機床時應注意的問題,給與會代表很大啟發。


隨著環境保護法律法規的嚴格實施,作為綠色製造工藝的干切削日益受到人們的高度重視。據國外企業統計,在集中冷卻加工系統中,切削液占加工總成本的14% ~16%,刀具成本僅佔2%~4%。據測算,如果20%的切削加工採用干式加工,製造總成本可降低1.6%。因此,干切削是未來切削加工的發展方向。目前倡導的干切削並不是簡單地去掉原有工藝中的切削液,也不是消極地通過降低切削參數來保證刀具使用壽命,而需要採用耐熱性更好的新型刀具材料及塗層,設計合理的刀具結構與幾何參數,選擇最佳切削速度,形成新的工藝條件。干切削是實現清潔高效加工的新工藝,是製造技術向高速切削髮展總趨勢的組成部分,也是隨著人類社會進步和生產力發展而出現的新型切削方式,它的推廣應用推動著刀具材料、塗層技術、機床結構、加工條件和刀具結構技術的不斷發展。目前,干切削技術在車削、鏜削和銑削上的應用日益廣泛,在鑽削、拉削和滾齒方面也有重大突破。

上海大眾汽車有限公司、上海交通大學、哈爾濱理工大學、哈爾濱工業大學等單位在「干切削及其應用」等有關論文中詳細介紹了干切削的機理和實施該工藝的途徑,以及採用激光輔助加工干切削、使用最少量潤滑液(MQL)的准干切削 (Near Dry Cutting)、用壓縮空氣冷風切削以及採用氮氣進行干切削等加工方法。


精密和超精密切削
發展尖端技術、國防工業 和微電子工業都離不開通過精密和超精密加工製造的精密零件和產品。通常將加工精度在0.1~1μm,加工表面粗糙度在 Ra0.02~0.1μm的加工稱為精密加工;而將加工精度高於0.1μm,加工表面粗糙度小於Ra0.01μm的加工稱為超精密加工。超精密加工可達到納米(nm)級水平。該領域主要包含三個分支:①精密和超精密切削加工;②精密和超精密磨削加工;③精密電子束和離子束等特種加工。


用金剛石刀具實施超精密切削已由過去只能加工銅、鋁及其合金等有色金屬,擴展到加工塑料、陶瓷和複合材料。為了切除極薄切屑,要求金剛石刀具切削刃的刃口半徑p極小,經精密研磨的單晶天然金剛石刀具的刃口半徑p<0.05~0.1μm,研磨質量高的甚至可達幾個nm,可實現納米級切削。> 45HRC)和冷硬鑄鐵等硬材料、以車代磨等加工領域跨入到銑削加工領域。該刀具已在上海通用汽車公司(SGM)新建的發動機柔性生產線上使用,取得了良好效果。該刀具銑削髮動機缸體平面時,切削速度高達2000m/min,刀具壽命為普通PCBN刀具的4倍。Seco Tools公司還推出了結構新穎、具有冷卻通道、可更換硬質合金頭部的鑽頭,其頭部有三種不同幾何形狀,P型硬質合金刀頭適用於切削鋼,K型硬質合金刀頭適於切削鑄鐵,而刀刃銳利的M型刀頭適於鑽削高強度鋼和耐腐蝕鋼。


本次會議對傳統刀具和高效刀具的設計、製造及使用也進行了技術交流。如廣東韶關 學院設計的徑向錯位量較大(為每轉進給量的2~3倍)的單組階梯式可轉位面銑刀、燕山大學研製的可加工硬度55HRC以上大內齒輪(模數m=12mm,齒數z=97)的負前角刮削硬質合金球形滾刀、西安交通大學設計的前角可控的等螺旋角錐形立銑刀、山西太原理工大學設計的齒向開槽的新型插齒刀等,在結構上都有一定特點與創新,用於生產中均取得了較好效果。


電鍍金剛石鉸刀加工出的孔具有尺寸分散度小、幾何形狀精度高(可達2μm)、表面粗糙度值小(5 切削機理的研究與刀具CAD
為促進高速切削、精密和超精密切削技術的發展,本次會議上交流了許多有關切削機理及其實驗研究方面的論文。


南京航空航天大學對高溫合金、鈦合金、不銹鋼等難加工材料的高速切削進行了系統試驗研究,發現切削變形為集中剪切滑移,且滑移區很窄,形成鋸齒狀不連續切屑,其變形機理完全不同於連續性切屑。為此,作者根據最小能量原理,利用集中剪切滑移的臨界條件,推導出集中剪切滑移條件下的切削方程式,為進一步發展高速切削工藝技術建立了理論基礎。


山東大學探討了高速切削時工件材料與刀具材料的匹配、切削方式、刀具幾何參數、切削參數、振動和切削液等因素對已加工表面粗糙度的影響,為高速切削加工時切削參數的選擇和表面質量的控制提供了依據。


哈爾濱理工大學、哈爾濱工業大學等對PCBN刀具干切削不同硬度的GCr15軸承鋼的切削力、切削溫度、已加工表面完整性等進行了切削試驗研究,發現存在區分普通切削與硬態切削的臨界硬度,並得出GCr15軸承鋼的臨界硬度為50HRC。在臨界硬度附近進行切削時,刀具磨損嚴重,加工表面質量最差。
上海水產大學建立了「工程材料切削加工性的人工神經網絡綜合評判模型」,各評價指標的權值是從足夠多的訓練樣本中提出的,避免了人為確定權值和隸屬函數的主觀性,使評價結果更具客觀性和可比性。


大連理工大學建立了球頭銑刀銑削的計算機預報模型,並進行了數值仿真研究,對改進銑刀設計、優化切削用量和監控切削參數均有現實意義。


Jr.S.Prakash等學者在會上介紹的「微型硬質合金銑刀切削時刀具壽命的預報模型」,J.Wang等人介紹的「斜角切削時允許後刀面磨損的切削預報模型」等均與實驗結果相吻合,為精密切削和微量切削提供了理論依據。


CAD/CAM技術的應用可保證刀具設計和製造的高效率和高質量,本次會議上也有不少這方面的論文。例如,焦作工學院在AutoCAD2000平台上開發了一種「成形車刀CAD」軟件,對成形車刀的智能設計、參數化繪圖具有重要意義。


此外,還有許多關於刀具幾何參數、切削用量和工藝過程優化、切削液、切削數據庫(如北京第一機床廠在CIMS環境下建立的網絡數據庫)、振動切削等內容的論文也在會上進行了交流。


6 差距與建議
雖然近十年來我國工具工業有了長足進步,切削技術迅速提高,但與國外先進水平相比仍有巨大差距。據專家分析,我國切削加工及刀具技術的水平與工業發達國家相比大致要落後15~20年。近年來國內轎車工業引進了幾條具有國際20世紀90年代水平的生產線,但所用工具的國內供給率只能達到20%的低水平。為改變這種狀況,我國工具行業需要加速進口刀具國產化的步伐,必須更新經營理念,從主要向用戶「賣刀具」轉到為用戶「提供成套切削技術,解決具體加工問題」的經營方向上來。要根據自身產品的專業優勢,精通相應的切削工藝,不斷創新開發新產品。

用戶行業則應增大刀具費用的投入,充分利用刀具在提高效率、降低成本、縮短Intranet/Extranet,實現最大程度的資源(如切削數據庫)共享。建議有關部門將產、學、研各部門的科研力量組織起來,集中優勢,一方面積極引進國外先進刀具製造技術,提高刀具產品水平,加快刀具產品(尤其是數控刀具產品)的國產化步伐;另一方面應結合生產實際,系統地推廣使用各種先進刀具和先進切削技術。我們相信,通過正確的政策引導和企業的有序競爭,完全有可能使我國的切削加工與刀具技術趕上國外先進水平,並做到有所發展與創新。

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