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从轧钢刀具发展看金属切削加工技术的发展趋势漫谈

作者: 来源: 日期:2012-12-09 19:09:18 人气:2540
 

         从轧钢刀具发展历程看,从十九世纪末到二十世纪中期,轧钢刀具材料以高速钢为主要代表;1927年德国首先研制出硬质合金轧钢刀具材料并获得广泛应用;二十世纪50年代,瑞典和美国分别合成出人造金刚石,切削轧钢刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。二十世纪70年代,人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石(PCD),解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题,使金刚石轧钢刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。

  轧钢刀具材料的选择是切削加工成功的基础。与硬质合金相比,PCD轧钢刀具速度可达4000m/min,而硬质合金只有其1/4。从寿命上看,PCD轧钢刀具一般能提高20倍。从加工出的表面质量看,PCD的效果比硬质合金要好30%-40%。此外,CBN(立化氮化硼)超硬材料轧钢刀具和表面涂层轧钢刀具的发展对推动切削加工技术的进步也功不可没。

  100多年来,轧钢刀具的切削速度不断提高,带来了加工效率的变化,进一步带来了加工范围的拓展。切削加工发展的最大标志,就是高速切削加工(highspeedcutting,简称HSC)的发展。

  一个高速切削加工系统所涉及的方面很多。仅从加工过程上看,传统的切削加工,一个被加工工件如模具,需要经过毛坯退火—粗加工—精加工—淬火— EDM准备—电火花加工—特别的精加工—人工抛光等程序。而高速加工仅需要毛坯的淬火—粗加工—半精加工—精加工以及超精加工等环节,从步骤上来说,就减少了三个,加工时间比传统加工方法缩短30%-50%左右;在加工小尺寸部件时,这种优势尤其明显。更有甚者,过去某些企业制作复杂的模具,基本上都需要 3、4个月才能交付使用,采用高速切削加工後,只需要半个月便可完成。

  一个高速切削加工系统,由轧钢刀具和技术两部分组成。与轧钢刀具相关的因素有轧钢刀具材料的选择、轧钢刀具系统的组成结构、轧钢刀具需加工的边缘形状。而与技术密切相关的是CAD/CAM系统的选择、轧钢刀具加工路径的规划、切削参数的设置以及冷却与润滑环节。

  自高速切削普及以来,从1950年至2000年的半个世纪内,加工效率提高了4-5倍。当然,需要提到的是,高速切削一般是由其加工物件来定义其“高速”的范围。

  轧钢刀具在全部加工成本中所占比重并不大。我们以汽车业某制造过程为例来分析:机床等设备投资占总成本35%;设备工作时的能耗占7%;企业的正常运营成本占27%;冷却及润滑成本占17%;直接人工占9%;轧钢刀具占4%。无独有偶,机床加工铝合金工件的批量生产成本中,冷却及润滑占16%;轧钢刀具 4%;其他加工成本占80%。可以看出,轧钢刀具在整个成本中,仅占了极小的一部分。但是,不可忽视的是,这4%成本的轧钢刀具,却可能影响到10%-15%的整体加工效率。

  对轧钢刀具来说,最关键的因素有三个,成本、寿命、效率。有实验表明,若轧钢刀具成本降低30%,整体成本大约降低1%;若提高50%的轧钢刀具寿命,整体成本大约降低1%;但是,若尽可能的优化切削参数,提高20%的轧钢刀具加工效率,那麽,每一个工件整体成本能降低15%以上。当然,要全面提高机床的生产效率,不仅应通过高速切削减少工件的切削加工时间,还需大力压缩加工辅助时间(含机床调整、程序运行检查、空行程、起制动空运转、工件上下料和装夹、换轧钢刀等时间)、待机时间和故障停机时间,因为在多品种小批量生产条件下,机床的有效切削时间一般只占其全部工时的25%-35%。可见,除高速切削外,如何更加有效的加工,是制造业面临的重要课题之一。

  目前,绿色加工技术已成为全球的热点,这个绿色,包括了经济、环保、高效。从环保角度看,一方面是高速高效加工带来能耗的降低,另一方面,冷却液与润滑液的选择是非常关键。如上所述,冷却液的成本在整体成本中所占比例颇高,达到16%左右。润滑与冷却的效果与整体的加工效率也非常相关,尤其是对难加工材料,如钛合金,切削到一定程度後,必须进行适当的冷却。随高速切削的发展,冷却液浇注时,轧钢刀具经常出现热裂的情况,导致轧钢刀具寿命降低,这一点需要改进。

  总之,在加工技术中,高精度、高效率、低成本、环保,及结果的可预见性,都将是明显的趋势。这个可预见性,是指轧钢刀加工结果必须是可预测的、可控制的,而不是随机的。这就要求操作者对加工技术有更深的理解。

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