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現代刀具切削加工技術的重要發展趨勢
信息來源:連云港騰翼機械有限公司     添加時間: 2012-08-09    訪問:2057
一、中國制造業快速發展和重點用戶行業對刀具的需求
從世界范圍觀察中國制造業的發展可以看出,中國制造業近年發展迅速。對刀具行業來說,這意味極大的市場。而在這種背景下,中國低水平的制造成本是公認的事實。從勞動生產率看,有統計資料表明,中國和德、美、日等發達國家相比,大約差距3~5倍。
如此大的市場,低水平的勞動生產率,再加上制造技術的不斷進步和發展,對刀具行業來說,既是機遇,更是挑戰。市場對刀具的需求,不僅是量的增長,更重要的是質的提高。從用戶行業看,有七大行業對刀具的需求量最為顯著。
其一是發電設備制造業。在全球能源供應逐日緊張,石油價格持續上漲等背景下,對發電設備的需求已越來越明顯。在發電設備制造過程中,僅花在刀具部分的成本就非?捎^。模具制造業也是刀具用量最大的行業之一。在模具制造過程中,成型模、熱作模、冷作模、塑模等幾乎所有環節中都需要用到刀具。此外,汽車、高速列車、一般機械制造業、以及近年來逐漸擴大用量的木材加工業都已成為刀具行業的主要用戶。
航空航天業是最傳統也是最為重要的刀具應用領域。在該行業中,刀具一般用來切削飛機結構件。這些結構件一般體積較大,過去大量采用鋁合金。隨著鈦合金、復合材料應用領域的擴大,對刀具加工的要求也越來越高。作為國家重點扶持工業之一,近年來,政府已投入大量資金用于航空航天業大型客機的研發。這些研發是方方面面的,我們抽出與刀具有關的方面來分析,著重研討結構件材料的使用。
從最新的波音787機身可以看出,過去大量采用鋁合金直接覆蓋的方法已逐漸被舍棄,取而代之的是復合材料的直接鋪設和纏繞。此外,鈦合金的用量也在增加。與過去相比,新的方法可大大降低飛機重量,節省燃油和能耗,對大型客機來說,這一點尤其重要。
鈦合金是公認的難加工材料。只需要鋪設和纏繞的復合材料看似不需要很大的加工量,但是對加工質量的要求卻越來越高。對刀具行業來說,這都是不小的挑戰。
除了機身結構件外,對飛機發動機的加工也是一個難點。發動機一般采用難加工材料制成,形狀復雜,需要切槽鉆孔、葉片加工等工序,對刀具的實際切削效果要求非常高。此外,為滿足飛機結構件的高質量要求,一般情況下都選用整體毛坯來加工,90%以上的材料都將被切除掉,由于加工量大,因此對加工效率要求極高。
二、切削加工技術的發展趨勢
從刀具發展歷程看,從十九世紀末到二十世紀中期,刀具材料以高速鋼為主要代表;1927年德國首先研制出硬質合金刀具材料并獲得廣泛應用;二十世紀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期。二十世紀70年代,人們利用高壓合成技術合成了聚晶金剛石(PCD),解決了天然金剛石數量稀少、價格昂貴的問題,使金剛石刀具的應用范圍擴展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個領域。
刀具材料的選擇是切削加工成功的基礎。與硬質合金相比,PCD刀具速度可達4000m/min,而硬質合金只有其1/4。從壽命上看,PCD刀具一般能提高20倍。從加工出的表面質量看,PCD的效果比硬質合金要好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展對推動切削加工技術的進步也功不可沒。
一百多年來,刀具的切削速度不斷提高,帶來了加工效率的變化,進一步帶來了加工范圍的拓展。切削加工發展的最大標志,就是高速切削加工(high speed cutting,簡稱HSC)的發展。一個高速切削加工系統所涉及的方面很多。僅從加工過程上看,傳統的切削加工,一個被加工工件(如模具),需要經過毛坯退火—粗加工—精加工—淬火—EDM準備—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淬火—粗加工—半精加工—精加工以及超精加工等環節,從步驟上來說就減少了三個,加工時間比傳統加工方法縮短30%~50%左右;在加工小尺寸部件時,這種優勢尤其明顯。更有甚者,過去某些企業制作復雜的模具,基本上都需要3、4個月才能交付使用,采用高速切削加工后,只需要半個月便可完成。
一個高速切削加工系統,由刀具和技術兩部分組成。與刀具相關的因素有刀具材料的選擇、刀具系統的組成結構、刀具需加工的邊緣形狀。而與技術密切相關的是CAD/CAM系統的選擇、刀具加工路徑的規劃、切削參數的設置以及冷卻與潤滑環節。
自高速切削普及以來,從1950年至2000年的半個世紀內,加工效率提高了4~5倍。當然,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。我們以汽車業某制造過程為例來分析:機床等設備投資占總成本35%,設備工作時的能耗占7%,企業的正常運營成本占27%,冷卻及潤滑成本占17%,直接人工占9%,刀具占4%。無獨有偶,機床加工鋁合金工件的批量生產成本中,冷卻及潤滑占16%,刀具4%,其他加工成本占80%?梢钥闯,刀具在整個成本中,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! Φ毒邅碚f,最關鍵的因素有三個:成本、壽命、效率。有實驗表明,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,若盡可能的優化切削參數,提高20%的刀具加工效率,那么,每一個工件整體成本能降低15%以上。
當然,要全面提高機床的生產效率,不僅應通過高速切削減少工件的切削加工時間,還需大力壓縮加工輔助時間(含機床調整、程序運行檢查、空行程、起制動空運轉、工件上下料和裝夾、換刀等時間)、待機時間和故障停機時間,因為在多品種小批量生產條件下,機床的有效切削時間一般只占其全部工時的 25%~35%?梢,除高速切削外,如何更加有效的加工,是制造業面臨的重要課題之一。
目前,綠色加工技術已成為全球的熱點,這個綠色,包括了經濟、環保、高效。從環保角度看,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鍵。如上所述,冷卻液的成本在整體成本中所占比例頗高,達到16%左右。潤滑與冷卻的效果與整體的加工效率也非常相關,尤其是對難加工材料,如鈦合金,切削到一定程度后,必須進行適當的冷卻。隨高速切削的發展,冷卻液澆注時,刀具經常出現熱裂的情況,導致刀具壽命降低,這一點需要改進。
總之,在加工技術中,高精度、高效率、低成本、環保,及結果的可預見性,都將是明顯的趨勢。這個可預見性,是指加工結果必須是可預測的、可控制的,而不是隨機的。這就要求操作者對加工技術有更深的理解。
三、對現代制造方式的探討
何謂現代制造?首先是硬件方面的現代,這包括先進的機床、數控加工系統、先進刀具的使用;在軟件方面,一是冷卻及潤滑技術及條件的改進,二是切削參數的優化(即加工技術的優化)。我國航空航天業,政府投資購進了大量國際先進設備,但是發現仍然不能實現很好的高效加工。經過反復實驗,發現是軟件方面需要做出改進?梢,現代制造不僅僅需要投資大量的先進儀器設備,更應該在知識及先進技術方面更好地進行武裝。
切削參數方面的調整,在不同企業有不同做法,是見仁見智的事情,這里就不再贅述。從刀具本身來說,最重要的,是提高刀具的使用壽命。如上所述,刀具使用壽命與冷卻潤滑的條件與方式息息相關。高速切削同時促進了綠色的冷卻/潤滑技術。這里介紹一項關于冷卻潤滑的新技術。如果把氮氣加上冷的油霧潤滑(10°C以下),可提高刀具壽命10倍。同時,可提高加工效率,減少污染,提高表面加工質量。特別適合難加工材料,如鈦合金的加工。
加工時產生的偏差,直接影響工件的切削加工質量。導致加工偏差的因素很多,比如工件內應力的分布、工件的安裝與夾緊、工件結構復雜程度、刀具變形程度、機床的精度、剛度與熱特性、工件受力變形、工件熱變形等。
舉例來說,在對飛機部件進行高速高效高精加工,以實現薄壁整體式結構時,為避免發生加工偏差,最重要的是保證低切削力,低熱偏差,及更高的材料移動率。對應零件的剛度施以相應的銑削力,也是加工時需要注意的關鍵問題! 【C上所述,中國制造業正面臨一個超大市場需求,同時低勞動力成本,低生產率水平,技術的不斷進步,都給我們帶來了機遇和挑戰。不可否認,高質量、高效率、低成本以及環保都是現代制造的趨勢。同時,提高生產效率也就意味經濟上的更多考慮。要實現現代制造,需要在硬件和軟件上同時下功夫,這包括投資先進的機床、數控加工、先進的刀具,也包括切削參數的優化、冷卻及潤滑條件的改進。
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