金屬切削加工技術(shù)的發(fā)展情況分析
2014-11-20 14:44:30點(diǎn)擊:
從刀具發(fā)展歷程看,從十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期,刀具材料以高速鋼為主要代表;1927年德國首先研制出硬質(zhì)合金刀具材料并獲得廣泛應(yīng)用;二十世紀(jì)50年代,瑞典和美國分別合成出人造金剛石,切削刀具從此步入以超硬材料為代表的時(shí)期。二十世紀(jì)70年代,人們利用高壓合成技術(shù)合成了聚晶金剛石(PCD),解決了天然金剛石數(shù)量稀少、價(jià)格昂貴的問題,使金剛石刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個(gè)領(lǐng)域。
刀具材料的選擇是切削加工成功的基礎(chǔ)。與硬質(zhì)合金相比,PCD刀具速度可達(dá)4000m/min,而硬質(zhì)合金只有其1/4。從壽命上看,PCD刀具一般能提高20倍。從加工出的表面質(zhì)量看,PCD的效果比硬質(zhì)合金要好30%-40%。此外,CBN(立化氮化硼)超硬材料刀具和表面涂層刀具的發(fā)展對(duì)推動(dòng)切削加工技術(shù)的進(jìn)步也功不可沒。
100多年來,刀具的切削速度不斷提高,帶來了加工效率的變化,進(jìn)一步帶來了加工范圍的拓展。切削加工發(fā)展的最大標(biāo)志,就是高速切削加工(highspeedcutting,簡稱HSC)的發(fā)展。
一個(gè)高速切削加工系統(tǒng)所涉及的方面很多。僅從加工過程上看,傳統(tǒng)的切削加工,一個(gè)被加工工件如模具,需要經(jīng)過毛坯退火—粗加工—精加工—淬火—EDM準(zhǔn)備—電火花加工—特別的精加工—人工拋光等程序。而高速加工僅需要毛坯的淬火—粗加工—半精加工—精加工以及超精加工等環(huán)節(jié),從步驟上來說,就減少了三個(gè),加工時(shí)間比傳統(tǒng)加工方法縮短30%-50%左右;在加工小尺寸部件時(shí),這種優(yōu)勢尤其明顯。更有甚者,過去某些企業(yè)制作復(fù)雜的模具,基本上都需要3、4個(gè)月才能交付使用,采用高速切削加工後,只需要半個(gè)月便可完成。
一個(gè)高速切削加工系統(tǒng),由刀具和技術(shù)兩部分組成。與刀具相關(guān)的因素有刀具材料的選擇、刀具系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、刀具需加工的邊緣形狀。而與技術(shù)密切相關(guān)的是CAD/CAM系統(tǒng)的選擇、刀具加工路徑的規(guī)劃、切削參數(shù)的設(shè)置以及冷卻與潤滑環(huán)節(jié)。
自高速切削普及以來,從1950年至2000年的半個(gè)世紀(jì)內(nèi),加工效率提高了4-5倍。當(dāng)然,需要提到的是,高速切削一般是由其加工物件來定義其“高速”的范圍。
刀具在全部加工成本中所占比重并不大。我們以汽車業(yè)某制造過程為例來分析:機(jī)床等設(shè)備投資占總成本35%;設(shè)備工作時(shí)的能耗占7%;企業(yè)的正常運(yùn)營成本占27%;冷卻及潤滑成本占17%;直接人工占9%;刀具占4%。無獨(dú)有偶,機(jī)床加工鋁合金工件的批量生產(chǎn)成本中,冷卻及潤滑占16%;刀具4%;其他加工成本占80%?梢钥闯觯毒咴谡麄(gè)成本中,僅占了極小的一部分。但是,不可忽視的是,這4%成本的刀具,卻可能影響到10%-15%的整體加工效率。
對(duì)刀具來說,最關(guān)鍵的因素有三個(gè),成本、壽命、效率。有實(shí)驗(yàn)表明,若刀具成本降低30%,整體成本大約降低1%;若提高50%的刀具壽命,整體成本大約降低1%;但是,若盡可能的優(yōu)化切削參數(shù),提高20%的刀具加工效率,那麼,每一個(gè)工件整體成本能降低15%以上。
當(dāng)然,要全面提高機(jī)床的生產(chǎn)效率,不僅應(yīng)通過高速切削減少工件的切削加工時(shí)間,還需大力壓縮加工輔助時(shí)間(含機(jī)床調(diào)整、程序運(yùn)行檢查、空行程、起制動(dòng)空運(yùn)轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾、換刀等時(shí)間)、待機(jī)時(shí)間和故障停機(jī)時(shí)間,因?yàn)樵诙嗥贩N小批量生產(chǎn)條件下,機(jī)床的有效切削時(shí)間一般只占其全部工時(shí)的25%-35%?梢姡咚偾邢魍,如何更加有效的加工,是制造業(yè)面臨的重要課題之一。
目前,綠色加工技術(shù)已成為全球的熱點(diǎn),這個(gè)綠色,包括了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效。從環(huán)保角度看,一方面是高速高效加工帶來能耗的降低,另一方面,冷卻液與潤滑液的選擇是非常關(guān)鍵。如上所述,冷卻液的成本在整體成本中所占比例頗高,達(dá)到16%左右。潤滑與冷卻的效果與整體的加工效率也非常相關(guān),尤其是對(duì)難加工材料,如鈦合金,切削到一定程度後,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。隨高速切削的發(fā)展,冷卻液澆注時(shí),刀具經(jīng)常出現(xiàn)熱裂的情況,導(dǎo)致刀具壽命降低,這一點(diǎn)需要改進(jìn)。
總之,在加工技術(shù)中,高精度、高效率、低成本、環(huán)保,及結(jié)果的可預(yù)見性,都將是明顯的趨勢。這個(gè)可預(yù)見性,是指加工結(jié)果必須是可預(yù)測的、可控制的,而不是隨機(jī)的。這就要求操作者對(duì)加工技術(shù)有更深的理解。(文章來源:中國設(shè)備網(wǎng))
刀具材料的選擇是切削加工成功的基礎(chǔ)。與硬質(zhì)合金相比,PCD刀具速度可達(dá)4000m/min,而硬質(zhì)合金只有其1/4。從壽命上看,PCD刀具一般能提高20倍。從加工出的表面質(zhì)量看,PCD的效果比硬質(zhì)合金要好30%-40%。此外,CBN(立化氮化硼)超硬材料刀具和表面涂層刀具的發(fā)展對(duì)推動(dòng)切削加工技術(shù)的進(jìn)步也功不可沒。
100多年來,刀具的切削速度不斷提高,帶來了加工效率的變化,進(jìn)一步帶來了加工范圍的拓展。切削加工發(fā)展的最大標(biāo)志,就是高速切削加工(highspeedcutting,簡稱HSC)的發(fā)展。
一個(gè)高速切削加工系統(tǒng)所涉及的方面很多。僅從加工過程上看,傳統(tǒng)的切削加工,一個(gè)被加工工件如模具,需要經(jīng)過毛坯退火—粗加工—精加工—淬火—EDM準(zhǔn)備—電火花加工—特別的精加工—人工拋光等程序。而高速加工僅需要毛坯的淬火—粗加工—半精加工—精加工以及超精加工等環(huán)節(jié),從步驟上來說,就減少了三個(gè),加工時(shí)間比傳統(tǒng)加工方法縮短30%-50%左右;在加工小尺寸部件時(shí),這種優(yōu)勢尤其明顯。更有甚者,過去某些企業(yè)制作復(fù)雜的模具,基本上都需要3、4個(gè)月才能交付使用,采用高速切削加工後,只需要半個(gè)月便可完成。
一個(gè)高速切削加工系統(tǒng),由刀具和技術(shù)兩部分組成。與刀具相關(guān)的因素有刀具材料的選擇、刀具系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、刀具需加工的邊緣形狀。而與技術(shù)密切相關(guān)的是CAD/CAM系統(tǒng)的選擇、刀具加工路徑的規(guī)劃、切削參數(shù)的設(shè)置以及冷卻與潤滑環(huán)節(jié)。
自高速切削普及以來,從1950年至2000年的半個(gè)世紀(jì)內(nèi),加工效率提高了4-5倍。當(dāng)然,需要提到的是,高速切削一般是由其加工物件來定義其“高速”的范圍。
刀具在全部加工成本中所占比重并不大。我們以汽車業(yè)某制造過程為例來分析:機(jī)床等設(shè)備投資占總成本35%;設(shè)備工作時(shí)的能耗占7%;企業(yè)的正常運(yùn)營成本占27%;冷卻及潤滑成本占17%;直接人工占9%;刀具占4%。無獨(dú)有偶,機(jī)床加工鋁合金工件的批量生產(chǎn)成本中,冷卻及潤滑占16%;刀具4%;其他加工成本占80%?梢钥闯觯毒咴谡麄(gè)成本中,僅占了極小的一部分。但是,不可忽視的是,這4%成本的刀具,卻可能影響到10%-15%的整體加工效率。
對(duì)刀具來說,最關(guān)鍵的因素有三個(gè),成本、壽命、效率。有實(shí)驗(yàn)表明,若刀具成本降低30%,整體成本大約降低1%;若提高50%的刀具壽命,整體成本大約降低1%;但是,若盡可能的優(yōu)化切削參數(shù),提高20%的刀具加工效率,那麼,每一個(gè)工件整體成本能降低15%以上。
當(dāng)然,要全面提高機(jī)床的生產(chǎn)效率,不僅應(yīng)通過高速切削減少工件的切削加工時(shí)間,還需大力壓縮加工輔助時(shí)間(含機(jī)床調(diào)整、程序運(yùn)行檢查、空行程、起制動(dòng)空運(yùn)轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾、換刀等時(shí)間)、待機(jī)時(shí)間和故障停機(jī)時(shí)間,因?yàn)樵诙嗥贩N小批量生產(chǎn)條件下,機(jī)床的有效切削時(shí)間一般只占其全部工時(shí)的25%-35%?梢姡咚偾邢魍,如何更加有效的加工,是制造業(yè)面臨的重要課題之一。
目前,綠色加工技術(shù)已成為全球的熱點(diǎn),這個(gè)綠色,包括了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效。從環(huán)保角度看,一方面是高速高效加工帶來能耗的降低,另一方面,冷卻液與潤滑液的選擇是非常關(guān)鍵。如上所述,冷卻液的成本在整體成本中所占比例頗高,達(dá)到16%左右。潤滑與冷卻的效果與整體的加工效率也非常相關(guān),尤其是對(duì)難加工材料,如鈦合金,切削到一定程度後,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。隨高速切削的發(fā)展,冷卻液澆注時(shí),刀具經(jīng)常出現(xiàn)熱裂的情況,導(dǎo)致刀具壽命降低,這一點(diǎn)需要改進(jìn)。
總之,在加工技術(shù)中,高精度、高效率、低成本、環(huán)保,及結(jié)果的可預(yù)見性,都將是明顯的趨勢。這個(gè)可預(yù)見性,是指加工結(jié)果必須是可預(yù)測的、可控制的,而不是隨機(jī)的。這就要求操作者對(duì)加工技術(shù)有更深的理解。(文章來源:中國設(shè)備網(wǎng))
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