現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用
切削加工作為制造技術(shù)的主要基礎(chǔ)工藝，是汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、能源工業(yè)、軍事工業(yè)和新興的模具工業(yè)、電子工業(yè)等部門主要的加工技術(shù)，也是這些工業(yè)部門迅速發(fā)展的重要因素。
盡管近凈成形技術(shù)、堆積成形技術(shù)是非常有前途的新工藝，但切削加工作為制造技術(shù)主要基礎(chǔ)工藝的地位沒有改變，相反，切削技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展的新時期——現(xiàn)代 切削技術(shù)階段。因此，認(rèn)識和掌握現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展機(jī)制、了解其技術(shù)特征和發(fā)展動向，以及如何應(yīng)用現(xiàn)代切削技術(shù)提高加工效率是當(dāng)前機(jī)械加工業(yè)的重要課題。
現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展機(jī)制
切削加工成為一門專業(yè)技術(shù)始于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，至今已走過了整整一個世紀(jì)的歷程。 自切削技術(shù)問世后，發(fā)揮著重要作用，為工業(yè)發(fā)達(dá)國家的工業(yè)化及經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。盡管在此過程中，切削技術(shù)本身也取得了不小的進(jìn)步，但是直至20世 紀(jì)70年代，總體上并沒有超越傳統(tǒng)切削技術(shù)的范疇，其最突出的標(biāo)志是刀具的開發(fā)及生產(chǎn)與刀具的使用及用戶基本上是相互分離的，沒有形成相互促進(jìn)、共同發(fā)展 的機(jī)制。
由于計(jì)算機(jī)、微電子等新興科學(xué)技術(shù)以及與切削技術(shù)緊密相關(guān)的材料科學(xué)的高速發(fā)展，切削技術(shù)隨著制造業(yè)和制造技術(shù)的發(fā)展也得到了 快速發(fā)展，并進(jìn)入了現(xiàn)代切削技術(shù)的新階段。與傳統(tǒng)切削技術(shù)相比，現(xiàn)代切削技術(shù)不僅體現(xiàn)為切削速度更快、加工效率更高，而且形成了新的發(fā)展機(jī)制，成為推動制 造業(yè)和現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)因素。
在切削技術(shù)問世后相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，有一個問題始終困擾著工具行業(yè)和刀具用戶，那就是，如果 使用價格較貴的好刀具進(jìn)行切削加工，雖然可以提高切削效率，但會增加制造成本，用戶認(rèn)為得不償失。因此，許多用戶舍不得花較多的錢買好的刀具，或者買了好 刀后擔(dān)心刀具很快用壞，將刀具壽命定得很長。這些觀念和做法阻礙了刀具的更新、影響了刀具制造商開發(fā)新刀具的積極性，制約著切削效率的提高和切削技術(shù)的進(jìn) 步。
事實(shí)證明，使用好的刀具時，如果不注重提高切削效率而只是追求延長刀具壽命，對于降低制造成本只能收到十分有限的效果，甚至可能適 得其反。提高切削技術(shù)與為用戶和社會創(chuàng)造可觀效益的內(nèi)在聯(lián)系，已被越來越多的刀具制造商和刀具用戶所認(rèn)識和接受，并轉(zhuǎn)化為推動切削技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)大動力，在 短短20年左右的時間里，將切削技術(shù)推上了現(xiàn)代切削技術(shù)的新階段。
現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展機(jī)制可以概括為：一方面，提高切削效率而不是一味強(qiáng) 調(diào)工具壽命帶來的實(shí)惠給予刀具制造商很大鼓舞，并據(jù)此確立了“創(chuàng)新工藝，創(chuàng)新刀具，提高切削效率，為用戶服務(wù)”的全新經(jīng)營理念，為切削這門傳統(tǒng)制造工藝技 術(shù)注入了新的生命力，使刀具制造商成為發(fā)展現(xiàn)代切削技術(shù)的主力軍；另一方面，這一觀念也被越來越多的刀具用戶所接受，形成了“積極采用切削技術(shù)新成果，應(yīng) 用先進(jìn)切削刀具提高加工效率，降低制造成本，提高企業(yè)競爭力”的新思維，使制造業(yè)對先進(jìn)刀具的重視和需求達(dá)到了空前的程度，成為拉動切削技術(shù)快速發(fā)展的強(qiáng) 大力量。這種“拉動”不是對切削技術(shù)發(fā)展的簡單加速，而是賦予了切削技術(shù)新的發(fā)展機(jī)制和動力，使其從與使用脫節(jié)的傳統(tǒng)切削技術(shù)過渡到面向用戶需求、與使用 緊密結(jié)合的現(xiàn)代切削技術(shù)新階段。
現(xiàn)代切削技術(shù)的技術(shù)特征及發(fā)展動向
切削加工進(jìn)入現(xiàn)代切削技術(shù)新階段，不僅反映在將切削技術(shù)的發(fā)展建立在刀具制造商與刀具用戶相互聯(lián)動的機(jī)制上，而且還在此基礎(chǔ)上表現(xiàn)出以下明顯的技術(shù)特征及發(fā)展動向。
（1）新的切削工藝全面突破傳統(tǒng)切削技術(shù)
高速、高效切削，硬切削，干切削等新工藝應(yīng)用于汽車、航空、模具及裝備制造業(yè)等切削加工“大戶”，不僅成倍提高了加工效率，而且推動了產(chǎn)品開發(fā)和工藝革新。 近年來，快速發(fā)展的模具工業(yè)可以說是與高效模具切削工藝一同成長，大型模具高速銑削和淬硬模具銑削工藝改變了傳統(tǒng)的模具加工工藝，大大縮短了模具開發(fā)周期。
與此同時，傳統(tǒng)的車、銑、鉆等切削工藝的界限不斷被打破，出現(xiàn)了一些新的切削加工方法。如新推出的銑刀可作為孔加工刀具進(jìn)行鉆孔和 擴(kuò)孔，減少了換刀時間，提高了加工效率；又如能高效去除模腔金屬的插銑刀、加工曲軸的車—車?yán)に嚒⒃趶?fù)合車削中心上以銑代車的銑車工藝、用硬質(zhì)合金螺紋 銑刀代替硬質(zhì)合金絲錐的螺紋高速加工工藝等等。此外，隨著各種復(fù)合機(jī)床及“一臺機(jī)床或一次裝夾完成全部加工”技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步改變切削加工的傳統(tǒng)技術(shù)。
（2）刀具材料和涂層技術(shù)取得重大進(jìn)展
新的切削工藝全面突破傳統(tǒng)切削技術(shù)首先應(yīng)歸功于刀具材料的改進(jìn)和涂層技術(shù)的發(fā)展。
刀具材料的發(fā)展反映在各種刀具材料性能的全面進(jìn)步上，使切削加工各領(lǐng)域的加工效率全面提高。其中，特別要強(qiáng)調(diào)兩種刀具材料的進(jìn)展，即超硬刀具材料PCD、CBN和硬質(zhì)合金材料的進(jìn)步。
PCD、 CBN材料具有高硬度和特別好的耐磨性，曾被寄希望于成為高速切削的推動者，但由于其性脆，在問世后相當(dāng)長一段時期內(nèi)，其實(shí)用化進(jìn)程緩慢。近年來，通過對 PCD、CBN材料制造工藝、配方成分、組織粒度等因素的控制和調(diào)整，材料韌性得到顯著改善，品種增多，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，使應(yīng)用超硬刀具材料進(jìn)行高速切削的 希望變成了現(xiàn)實(shí)。
硬質(zhì)合金作為刀具材料，也一直存在著硬度與韌性的矛盾。盡管多年來它在車削、銑削、孔加工等切削工序中的應(yīng)用為全面提 高加工效率發(fā)揮了重要作用，但其韌性差的缺陷并未得到顯著改善。如今，用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金制造的整體硬質(zhì)合金鉆頭、立銑刀已得到普遍應(yīng)用，切削速度比高速 鋼刀具可提高數(shù)倍，從而使硬質(zhì)合金真正成為應(yīng)用面最廣、綜合性能最好的刀具材料。硬質(zhì)合金材料的另一個重大進(jìn)展是梯度硬質(zhì)合金材料的開發(fā)，使涂層硬質(zhì)合金 刀片基體的表層富鈷，提高了硬質(zhì)合金刀片刃口的韌性，不僅減少了崩刃，而且可以采用抗塑性變形好的基體材料，提高了刀片的承載能力，顯著改善了涂層硬質(zhì)合 金刀片的切削性能。
近10多年來，涂層技術(shù)取得重大進(jìn)展。在CVD涂層領(lǐng)域，中溫CVD的TICN及厚膜AL2O3涂層提高了刀片的耐磨 性和抗裂紋擴(kuò)展能力。PVD涂層的發(fā)展尤為引人注目，不僅出現(xiàn)了TIALN、ALTIN、ALCRN、TISIN、AL2O3等耐磨涂層，還有MOS2、 DLC、WC／C等各種潤滑涂層，以及梯度涂層、納米涂層等新的涂層結(jié)構(gòu)，使涂層的性能大為提高。目前，涂層技術(shù)的發(fā)展勢頭方興未艾，以其功能多、效果 好、開發(fā)快等優(yōu)勢，成為當(dāng)前提高刀具切削性能最有效的手段。
刀具新牌號、新產(chǎn)品的創(chuàng)新速度大大加快
刀具作為一種工具，是制造系統(tǒng)中最具活力的工藝因素，處于不斷創(chuàng)新的過程中。
在現(xiàn)代切削技術(shù)階段，刀具的發(fā)展有兩大特點(diǎn)：一是創(chuàng)新速度加快。兩年一屆的北京國際機(jī)床展（CIMT）已成為世界各國刀具制造商的“新產(chǎn)品發(fā)布會”，新的材 料牌號、新的涂層產(chǎn)品、新的刀具（片）結(jié)構(gòu)、新的刀柄及裝夾技術(shù)、新的加工方法等層出不窮。二是確立了系統(tǒng)優(yōu)化的創(chuàng)新思路。在系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在新開 發(fā)一種涂層硬質(zhì)合金牌號往往可比原有牌號提高切削效率20％以上，有的甚至可達(dá)50％以上。一種新的刀具產(chǎn)品能提供一種新的加工效果，或顯著提高加工效 率，如近年來流行的大進(jìn)給銑刀，每齒進(jìn)給量達(dá)3.5～4.0MM／Z，為一般銑刀的10倍；又如刮光車削刀片的進(jìn)給量可提高一倍。
現(xiàn)代切削技術(shù)的內(nèi)涵擴(kuò)大
切削加工進(jìn)入現(xiàn)代切削技術(shù)新階段后，相應(yīng)出現(xiàn)了許多新的相關(guān)技術(shù)，使切削技術(shù)的內(nèi)涵擴(kuò)大。例如，高速切削技術(shù)首先應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)刀具，主要是銑削加工，早期曾把 主軸轉(zhuǎn)速超過10000R／MIN作為高速切削的門檻，圍繞著這一目標(biāo)，開發(fā)的與加工中心相關(guān)的技術(shù)包括高速主軸、快速進(jìn)給、高的加（減）速技術(shù)以及適合 高速切削的數(shù)控系統(tǒng)等；開發(fā)的與刀具相關(guān)的技術(shù)包括HSK刀柄、7∶24兩面接觸刀柄、高速旋轉(zhuǎn)刀具的安全技術(shù)和刀具動平衡技術(shù)。為了用整體硬質(zhì)合金通用 刀具進(jìn)行高速加工，需要提高刀具裝夾的精度和剛性，先后開發(fā)了液壓夾頭、熱裝夾頭、力縮夾頭等新型刀具夾頭及刀具裝調(diào)技術(shù)。此外，為了提高刀具利用率，降 低刀具管理成本，還開發(fā)了刀具管理軟件、切削數(shù)據(jù)庫等配套技術(shù)，用現(xiàn)代信息技術(shù)提高切削加工的整體水平。
如何應(yīng)用現(xiàn)代切削技術(shù)提高加工效率
當(dāng)前，機(jī)械切削行業(yè)的發(fā)展形勢一派大好。那么，如何應(yīng)用現(xiàn)代切削技術(shù)提高企業(yè)的加工效率呢？可以從以下幾方面入手：
（1） 改善刀具材料性能、發(fā)展涂層技術(shù)
近幾年切削技術(shù)迅速發(fā)展的一個重要標(biāo)志是刀具材料性能的不斷改善和涂層技術(shù)的快速進(jìn)步，尤其是量大面廣的硬質(zhì)合金材料及其車刀、銑刀可轉(zhuǎn)位刀片。各刀具公司 新開發(fā)的硬質(zhì)合金刀片牌號似雨后春筍，其品種遍及切削加工的各個領(lǐng)域。通常一種新牌號的推出可使切削效率提高20％～30％，有的甚至高達(dá)100％。因此 全面審視企業(yè)長期使用的老材質(zhì)，淘汰一部分老牌號，采用相應(yīng)的新材質(zhì)、新牌號，尤其是用涂層牌號代替非涂層牌號，對于提高加工效率可以收到立竿見影的效果。
（2） 開發(fā)新的刀具結(jié)構(gòu)
快速發(fā)展新的刀具結(jié)構(gòu)，對提高加工效率具有重要的作用。如山特維克可樂滿新推出的 CORODRILL880硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位淺孔鉆，由于在刀具（片）的結(jié)構(gòu)上做了重大改進(jìn)，與原來的淺孔鉆比較，進(jìn)給速度或切削速度可提高將近一倍，加工效 率可提高70％左右，并且可以獲得更好的加工精度和表面質(zhì)量。又如哈爾濱汽輪機(jī)廠在生產(chǎn)國內(nèi)首臺60萬KW超臨界汽輪機(jī)組時，遇到了大直徑深孔加工的難 題，如果用傳統(tǒng)的孔加工刀具加工，每個孔要6.7H，便無法完成加工任務(wù)。后來該廠采用肯納金屬公司的一種復(fù)合鉆，每個孔的加工時間只需0.5H，減少加 工時間約93％，原先40D（天）沒有完成的約200個深孔的加工任務(wù)，5D就全部完成了。可見企業(yè)應(yīng)積極利用豐富的先進(jìn)刀具資源提高加工效率或解決生產(chǎn) 中遇到的加工難題，并以此為契機(jī)，不斷提高企業(yè)切削技術(shù)和刀具的應(yīng)用水平。
（3） 開發(fā)與采用新型刀具
近幾年工具工業(yè) 為某些機(jī)械行業(yè)開發(fā)的新型刀具，具有高效或創(chuàng)新工藝的特點(diǎn)，對推動行業(yè)加工技術(shù)的進(jìn)步起到重要作用。如為模具工業(yè)開發(fā)的插銑（鉆）刀、多功能銑刀、大進(jìn)給 銑刀、牛角銑刀等刀具，對提高模具加工效率、革新模具加工工藝發(fā)揮了十分重要的作用。因此，企業(yè)要及時了解和收集本行業(yè)刀具的最新進(jìn)展，為我所用，使企業(yè) 始終保持著先進(jìn)的切削加工水平和領(lǐng)先的加工效率。
此外，切削技術(shù)有一部分共性的成果，如代替焊接刀的可轉(zhuǎn)位刀具、刮光車刀片和帶前角的 螺旋刃銑刀片等可轉(zhuǎn)位刀片、可代替通用高速鋼刀具的整體硬質(zhì)合金鉆頭、立銑刀等刀具，這些刀具對提高量大面廣的車、銑、鉆工序的加工效率有普遍效果，并早 已為生產(chǎn)實(shí)踐所證明。但是不可回避的事實(shí)是仍有相當(dāng)多的企業(yè)因各種原因至今沒有充分采用這部分技術(shù)，沿用著早已落后的刀具，從而長期制約著企業(yè)的發(fā)展。企 業(yè)應(yīng)有計(jì)劃有步驟地采用通用的先進(jìn)切削技術(shù)和刀具，迅速改變刀具的落后面貌。 我國是一個切削技術(shù)相對落后的國家，現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng) 滿足不了制造業(yè)重要工業(yè)部門對先進(jìn)刀具的需求。因此，加快切削技術(shù)的發(fā)展，掌握現(xiàn)代切削的核心技術(shù)，對于我國建設(shè)制造強(qiáng)國和完成新型工業(yè)化的歷史任務(wù)，實(shí) 現(xiàn)振興裝備制造業(yè)的目標(biāo)，不僅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，而且日益緊迫。
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