汽车零部件加工对刀具的新挑战

HEATS · 发表于 2010-9-12 10:12:09

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　　汽车零部件生产在总体上是一个典型的大批量生产模式，制造成本成为零部件生产商考虑的一个重要环节。目前，一方面是国外汽车零部件厂商纷纷登陆中国，抢占中国汽车零部件市场，从而导致一些国内汽车零部件厂商倍感压力；另一方面是汽车制造的批量越来越小，产品生命周期越来越短，产品的更新越来越快；还有一方面就是在不断提高汽车环保要求的同时，对汽车制造过程的绿色无污染或少污染的要求也在不断提高。

　　基于上述这些因素的影响，与零部件制造密切相关的刀具也面临着各种挑战。

　　1.零部件材料的变化

　　汽车零部件正在朝着轻量化的方向发展。研究表明，一辆轿车的质量若能减少10%，则其燃油经济性可提高3%～4%，同时汽车的排放也会降低。为此，各国的汽车制造厂家为了使发动机轻量化、高速化、高功率化，并且有较高的耐久性，各种质量轻、强度高的材料在汽车零部件中的应用越来越广泛。铝合金的发动机缸体已经成为汽车轻量化的首选，蠕墨铸铁、超级合金等也在汽车制造中占据一席之地。这些都对刀具提出了新的挑战。

　　应对铝合金，尤其是高硅铝合金的应用，金刚石刀具的应用越来越多。这里所说的金刚石刀具，既包括焊有金刚石片的刀具，也包括金刚石涂层刀具。德国赛利公司提供的一种商品名为CCDia的纳米结构金刚石涂层，就对高硅铝合金的加工提供了一个优秀的解决方案。而肯纳金属也推出了一种不含粘结剂的纯金刚石涂层产品KD1405，也是为了解决类似的加工高硅铝合金的刀具耐磨性问题。

　　蠕墨铸铁(CGI)是近期在汽车零部件制造中用到的一种新型铸铁材料。蠕墨铸铁中的石墨呈珊瑚或蠕虫状，其金相结构不会像灰铸铁一样，会在加工中使应力增大和产生断裂线，而且不会像球墨铸铁那样，造成导热率的损失。这种特性使蠕墨铸铁成为一种制造发动机高强度部件的材料。其加工特性介于球铁延展性与灰铸铁脆性之间，切屑为部分断裂。CGI的导热率为灰铸铁的78%，这会加大刀具的热磨损效应；CGI的延展性好，抗拉强度和疲劳强度约为灰铸铁的两倍，这会使其更易产生毛刺。德国瓦尔特公司为铸铁加工研发了所谓的“老虎刀片”Tiger·Tec技术，并在后来将这一技术扩展到钢件、不锈钢、难加工材料等多个领域。老虎刀片标志性的双色涂层，针对前后刀面的不同加工特点使用不同的涂层，改善了对蠕墨铸铁的加工。山特维克可乐满的GC1020则有一层钛铝氮化物的物理涂层，能在较硬的刀片基底和应对不同加工性能所需的韧性之间达到必要的平衡，从而改善蠕墨铸铁的加工。

　　肯纳则在铸铁加工中除推出如KC9315等涂层硬质合金刀片外，还推进使用氮化硅陶瓷刀片如纯氮化硅的KY3500以适应更高的加工速度。

　　2.加工高速化

　　为了降低加工成本，提高加工效率成为许多汽车零部件厂商关注的一个重点。而在提高加工效率的措施中，最容易想到的，也许就是加工速度的提高。笔者在2006年对肯纳金属的金属加工解决方案集团副总裁伯纳德·诺斯的采访时，诺斯先生介绍说，在5年前肯纳推出其用于钢件加工的涂层硬质合金牌号KC9110时，客户应用这种牌号的平均切削速度约为250m/min，而现在已经达到平均320m/min。

　　加工的高速化带来对刀具更为严酷的要求。为了适应这种要求，刀具厂商采用了各种措施。肯纳介绍说，他们已经突破了过去CVD涂层20μm的极限，现在已经可以达到30μm。这是改善涂层与基体结合力、改善多层涂层的层间结合力、改善表层涂层与工件的接触等多种技术的结果。

　　山高刀具则发表了他们研究和改善涂层晶核形成的成果。山高刀具认为，最优化的成核作用使得磨损性能显著提高，而且这些种类的α-Al2O3层通常由相对较小的、表现为无孔隙度的无缺陷颗粒组成。[1 0 1 4]结构的α-Al2O3层表现出最佳的耐磨性。山高新的α基Al2O3镀层DurAtomic的制造水平达到原子级。结果使机械和热特性超过所有目前生产的Al2O3的能力。与传统生产的Al2O3相比，DurAtomic镀层表现出更高的耐久性/韧性、杰出的耐热/耐磨性、化学惰性，并因此减少有关积屑瘤形成的倾向。

　　随着切削速度和加工效率的提高，降低切削力和切削热成为刀具改进的又一个方向。例如伊斯卡的风火轮铣刀，该铣刀的刀片为锯齿状切削刃，在加工中相互交叠，这种科学的刀具结构使加工更加高效。这样的铣刀在加工中的刀具稳定性高，切屑被加工为更细小的切屑，而且切削力小，因此所需机床功率也低。

　　3.近净尺寸

　　随着毛坯的制造精度越来越高，汽车零部件的毛坯的形状和精度越来越接近于最后的成品尺寸，这就是所谓的“近净尺寸”(NNS，Near Net Shape)。实现了“近净尺寸”的毛坯，不同于传统的毛坯成形技术的产品，这些毛坯具有精确的外形、高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度，加工余量非常小。这种毛坯的近净尺寸化，给加工工艺带来了一系列的影响，而对刀具来说就是需要小的切削力和锋利的切削刃。

　　近年来，许多刀具商推出了比以往更适合小余量加工的刀具，其主要特点是刀具更为锋利，刀具材料的耐磨性更好。在兼顾刃口强度的同时尽可能地提高刀具锋利性成为共同的选择。例如山高刀具推出的MF5断屑槽型就是一款针对近净尺寸加工的刀具产品。它采用了一种新的敞开式设计，它有一个半锋利的切削刃，倒棱被分成两段，分别是+5°和+10°，这些分段在宽度方向递增，而同时正角变得更小(为了切深较大时有更好的强度)，前角是17°。这种半锋利设计的切削刃在加工时可以降低切削力，同时又比传统“全锋利”刀片的强度更高。

　　如果其他条件不变，刀尖的锋利往往会带来刃口韧性的下降。随着刀具技术的发展，我们可以通过其它方式加以弥补，从而更好地兼顾刀具的耐磨性和韧性。在这样一个时刻，刀具材料的细颗粒化又成为我们的选择之一，虽然细颗粒化的刀具价格可能会比现有技术的刀具价格更高。肯纳金属的一份材料说明，在铣削62HRC的淬硬材料时，细颗粒硬质合金KC635M加工25min的刀具磨损与超细颗粒硬质合金KC637M加工70min的刀具磨损相当，说明在加工硬材料方面，超细颗粒硬质合金KC637M的耐磨性比细颗粒硬质合金KC635M高将近3倍。

　　4.干加工

　　干加工和微量润滑技术，是汽车零部件加工的又一个挑战。包括汽车制造在内的现代制造业除了快速制造和柔性化制造以外，绿色制造也越来越受到各方面的普遍重视。因为作为社会的一份子，我们必须将“可持续发展”作为我们的一个战略方针。可持续发展的理想以四个坐标为出发点：世代公“生活质量”要求具有完好的环境、好的学校以及安全并提供多种多样文化生活的城市，而在“世代公平”方面，节约使用天然资源属于最重要的任务之一。而长期以来我们为改善加工质量、延长刀具寿命而大量使用的各种切削液，却有不少存在着污染环境、损害操作者的健康、增加制造成本的弊端。西方国家已经实施的环保法规和我国人大已在制订“清洁生产促进法草案”，以及国际标准化组织制订的ISO14000环境管理系列认证都要求我们认真对待这一问题。这使得维护、记录存档和遵循现行和计划的规定所产生的成本正迫使切削液的价格迅速上涨，一些大型工厂支付从几万到几十万的资金来维护切削液、安装和使用合适的附件和油雾收集器、处理切屑、碎屑和用过的切削液，切削液所产生的费用已十分可观。

　　在干加工时，由于在切削过程中缺少了冷却润滑液的润滑、冷却和冲屑作用，会导刀具与工件间的摩擦增大、切削湿度升高、粘结加剧和切屑堵塞，从而造成刀具寿命、加工精度和切削效率的下降。为克服由于缺少了冷却润滑液而造成的困难，需要通过开发和应用耐热的硬刀具材料，合适的刀具几何形状和微量润滑材料及其供给装置，以及通过采用适合于干切削的机床和选择相应的切削参数来解决，确保干切削过程的可靠进行。

　　山特维克蒂泰克斯以低切削力、低摩擦和确保排屑为设计原则，为干切削加工开发了不少刀具，ALPHA 22型深孔钻就是其中的一种。它的特殊的40°螺旋角UFL轮廓使其具有较大的前角，并通过较窄的钻心和较强的倒锥实现比较低的摩擦，还具有特别的槽形轮廓，可以很好地排屑，并可以保证低摩擦切屑流动。同时它通过采用带有较高钴含量的微晶粒硬质合金，在使用过程中还可以提供较高的可靠性。

　　虽然可以期望在将来使用完全干切削加工，但是要完全干切削，则在刀具寿命、加工精度、表面粗糙度等方面，还有许多必须克服的问题，所以可以预料，根据当前的现状而转换使用不影响环境的切削液，研究切削液的适量化、微量化以及给油定点化等。现在在许多应用场合，我们把微量的高润滑切削液喷到刀刃上，通过具有高润滑性的切削液和正确供给和微量切削液的给油装置的组合，构成被微量润滑的半干式切削加工。通过使用微量润滑技术，我们在切削加工中对切削液的使用量，已经从过去的每分钟几升减小到目前的每小时几毫升，不足传统切削液使用量的万分之一。因此，不再需要切削油的防腐败、浓度管理，工件的清洗由于切削油的消耗量很少而可以简易化，而由于切屑的干燥，使收集、处理或再熔炼都变得容易。

　　5.柔性化

　　近些年来，由于科学技术的不断进步和人们消费需求的不断异化，包括汽车产品在内的各类产品的寿命周期缩短了，产品更新换代的速度加快了。这种形势正在迫使许多生产企业走上多品种、小批量的生产方式，以适应市场需求的多变性及提高本企业产品的市场占有率。这就对为少品种大批量生产奠定基础、开辟道路的标准化活动提出了挑战。对于现代汽车制造的柔性化要求，机床行业通过可重构机床等方式，夹具行业通过组合夹具等方式，油品行业通过添加剂等方式来进行应对，而刀具行业也必须对这一生产趋势作出自己的应对，我认为其中非常重要的一个就是刀具的模块化设计和模块化制造。我们可以将属于同一功能单元的、安装于同一些部件(或模块)上的一组模块，应具有相同的结合要素(包括相同的安装与联结形式)，以保证性能、用途和内部结构不同的模块，在组合成产品时具有互换性。

　　德国瓦尔特公司的一种模块式铣刀，原来就可以通过配用不同的刀垫和刀片构成各种前角、各种主偏角的一系列铣刀，提供极多的组合，形成千姿百态的刀具，为制造厂快速适应市场变化，开发制造新产品提供了一种技术上的可能性。这样的模块式刀具系统可用于各种自动化程度不同的场合，应用范围可从普通铣床、专用铣床到复杂的数控加工中心和柔性生产线。与当前使用的其它刀具相比，该系统的可变性非常强。近年来随着刀具技术的发展，各种新的刀片型式、刀片种类甚至切削理念倍开发出来，他们也推出了相应的新模块，使该系统的用户可以仅通过更换模块就可以使用新的刀具技术，也减少了用户的投资，加快了使用新技术的步伐。

　　刀具模块化技术在铣削上应用开始得较早，这些年车削、钻孔、铰孔等各个领域的刀具模块化技术也有了长足的进步。现在，国外刀具商纷纷把刀具模块化的概念推广到一些现代汽车制造业的专用刀具方面，为多品种小批量现代汽车制造提供了一种经济化的选择。因为汽车行业不同于普通机械加工业，许多工序必须使用专用刀具制造。如发动机的曲轴，不管是曲轴内铣、车车拉还是曲轴高速外铣，所用刀具都是专用的。这些刀具的刀体制造复杂，价格也比较昂贵。但是，如果汽车产品的变型要牵涉曲轴曲拐或颊平面的尺寸，都有可能导致必须使用新的刀体来进行曲轴的加工，这就会影响汽车厂的产品开发周期和制造成本，最终影响汽车制造厂的竞争能力。因此，刀具厂商应该致力于开发柔性化的曲轴制造专用刀具，与汽车制造厂一起尽一切可能缩短开发周期，降低制造成本。

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