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基于上述這些因素的影響，與零部件制造密切相關(guān)的刀具也面臨著各種挑戰(zhàn)。
1 零部件材料的變化
汽車零部件正在朝著輕量化的方向發(fā)展。研究表明，一輛轎車的質(zhì)量若能減少10%，則其燃油經(jīng)濟(jì)性可提高3%～4%，同時(shí)汽車的排放也會(huì)降低。為此，各國(guó)的汽車制造廠家為了使發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、高速化、高功率化，并且有較高的耐久性，各種質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的材料在汽車零部件中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。鋁合金的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體已經(jīng)成為汽車輕量化的首選，蠕墨鑄鐵、超級(jí)合金等也在汽車制造中占據(jù)一席之地。這些都對(duì)刀具提出了新的挑戰(zhàn)。
應(yīng)對(duì)鋁合金，尤其是高硅鋁合金的應(yīng)用，金剛石刀具的應(yīng)用越來(lái)越多。這里所說(shuō)的金剛石刀具，既包括焊有金剛石片的刀具，也包括金剛石涂層的刀具。德國(guó)賽利公司提供的一種商品名為CCDia的納米結(jié)構(gòu)金剛石涂層，就對(duì)高硅鋁合金的加工提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。而肯納金屬也推出了一種不含粘結(jié)劑的純金剛石涂層產(chǎn)品KD1405，也是為了解決類似的加工高硅鋁合金的刀具耐磨性問(wèn)題。
蠕墨鑄鐵(CGI)是近期在汽車零部件制造中用到的一種新型鑄鐵材料。蠕墨鑄鐵中的石墨呈珊瑚或蠕蟲(chóng)狀，其金相結(jié)構(gòu)不會(huì)如灰鑄鐵一樣，會(huì)在加工中使應(yīng)力增大和產(chǎn)生斷裂線，而且不會(huì)像球墨鑄鐵那樣，造成導(dǎo)熱率的損失。這種特性使蠕墨鑄鐵成為一種制造發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度部件的材料。其加工特性介于球鐵延展性與灰鑄鐵脆性之間，切屑為部分?jǐn)嗔?。CGI的導(dǎo)熱率為灰鑄鐵的78%，這會(huì)加大刀具的熱磨損效應(yīng)；CGI的延展性好，抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度約為灰鑄鐵的兩倍，這會(huì)使其更易產(chǎn)生毛刺。德國(guó)瓦爾特公司為鑄鐵加工研發(fā)了所謂的“老虎刀片”Tiger"Tec技術(shù)，并在后來(lái)將這一技術(shù)擴(kuò)展到鋼件、不銹鋼、難加工材料等多個(gè)領(lǐng)域。老虎刀片標(biāo)志性的雙色涂層，針對(duì)前后刀面的不同加工特點(diǎn)使用不同的涂層，改善了對(duì)蠕墨鑄鐵的加工。山特維克可樂(lè)滿的GC1020則有一層鈦鋁氮化物的物理涂層，能在較硬的刀片基底和應(yīng)對(duì)不同加工性能所需的韌性之間達(dá)到必要的平衡，從而改善蠕墨鑄鐵的加工。肯納則在鑄鐵加工中除推出如KC9315等涂層硬質(zhì)合金刀片外，還推進(jìn)使用氮化硅陶瓷刀片如純氮化硅的KY3500以適應(yīng)更高的加工速度。
2 加工高速化
為了降低加工成本，提高加工效率成為許多汽車零部件廠商關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。而在提高加工效率的措施中，最容易想到的，也許就是加工速度的提高。我在2006年參加《工具技術(shù)》、《機(jī)械工人》對(duì)肯納金屬的金屬加工解決方案集團(tuán)副總裁伯納德•諾斯的采訪時(shí)，諾斯先生介紹說(shuō)，在5年前肯納推出其用于鋼件加工的涂層硬質(zhì)合金牌號(hào)KC9110時(shí)，客戶應(yīng)用這種牌號(hào)的平均切削速度約為250m/min，而現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到平均320m/min。
加工的高速化帶來(lái)對(duì)刀具更為嚴(yán)酷的要求。為了適應(yīng)這種要求，刀具廠商采用了各種措施?？霞{介紹說(shuō)，他們已經(jīng)突破了過(guò)去CVD涂層20mm的極限，現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到30mm。這是改善涂層與基體結(jié)合力、改善多層涂層的層間結(jié)合力、改善表層涂層與工件的接觸等多種技術(shù)的結(jié)果。
山高刀具則發(fā)表了他們研究和改善涂層晶核形成的成果。山高刀具認(rèn)為，最優(yōu)化的成核作用使得磨損性能顯著提高，而且這些種類的a-Al2O3層通常由相對(duì)較小的、表現(xiàn)為無(wú)孔隙度的無(wú)缺陷顆粒組成。<1 0 1 4>結(jié)構(gòu)的a-Al2O3層表現(xiàn)出最佳的耐磨性。山高新的a基Al2O3鍍層DurAtomic"的制造水平達(dá)到原子級(jí)。結(jié)果使機(jī)械和熱特性超過(guò)所有目前生產(chǎn)的Al2O3的能力。與傳統(tǒng)生產(chǎn)的Al2O3相比，DurAtomic"鍍層表現(xiàn)出更高的耐久性/韌性、杰出的耐熱/耐磨性、化學(xué)惰性，并因此減少有關(guān)積屑瘤形成的傾向。
隨著切削速度和加工效率的提高，降低切削力和切削熱成為刀具改進(jìn)的又一個(gè)方向。例如伊斯卡的風(fēng)火輪銑刀，該銑刀的刀片為鋸齒狀切削刃，在加工中相互交疊，這種科學(xué)的刀具結(jié)構(gòu)使加工更加高效。這樣的銑刀在加工中的刀具穩(wěn)定性高，切屑被加工為更細(xì)小的切屑，而且切削力小，因此所需機(jī)床功率也低。
3 近凈尺寸
隨著毛坯的制造精度越來(lái)越高，汽車零部件的毛坯的形狀和精度越來(lái)越接近于最后的成品尺寸，這就是所謂的“近凈尺寸”(所謂NNS，Near Net Shape)。實(shí)現(xiàn)了“近凈尺寸”的毛坯，不同于傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)的產(chǎn)品，這些毛坯具有精確的外形、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。這種毛坯的近凈尺寸化，給加工工藝帶來(lái)了一系列的影響，而對(duì)刀具來(lái)說(shuō)就是需要小的切削力和鋒利的切削刃。
近年來(lái)，許多刀具商推出了比以往更適合小余量加工的刀具，其主要特點(diǎn)是刀具更為鋒利，刀具材料的耐磨性更好。在兼顧刃口強(qiáng)度的同時(shí)盡可能地提高刀具鋒利性成為共同的選擇。例如山高刀具推出的MF5斷屑槽型就是一款針對(duì)近凈尺寸加工的刀具產(chǎn)品。它采用了一種新的敞開(kāi)式設(shè)計(jì)，它有一個(gè)半鋒利的切削刃，倒棱被分成兩段，分別是+5°和+10°，這些分段在寬度方向遞增，而同時(shí)正角變得更小(為了切深較大時(shí)有更好的強(qiáng)度)，前角是17°。這種半鋒利設(shè)計(jì)的切削刃在加工時(shí)可以降低切削力，同時(shí)又比傳統(tǒng)“全鋒利”刀片的強(qiáng)度更高。
如果其它條件不變，刀尖的鋒利往往會(huì)帶來(lái)刃口韌性的下降。隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，我們可以通過(guò)其它方式加以彌補(bǔ)，從而更好地兼顧刀具的耐磨性和韌性。在這樣一個(gè)時(shí)刻，刀具材料的細(xì)顆?；殖蔀槲覀兊倪x擇之一，雖然細(xì)顆?；牡毒邇r(jià)格可能會(huì)比現(xiàn)有技術(shù)的刀具價(jià)格更高?？霞{金屬的一份材料說(shuō)明，在銑削62HRC的淬硬材料時(shí)，細(xì)顆粒硬質(zhì)合金KC635M加工25min的刀具磨損與超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金KC637M加工70min的刀具磨損相當(dāng)，說(shuō)明在加工硬材料方面，超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金KC637M的耐磨性比細(xì)顆粒硬質(zhì)合金KC635M高將近3倍。
4 干加工
干加工和微量潤(rùn)滑技術(shù)，是汽車零部件加工的又一個(gè)挑戰(zhàn)。包括汽車制造在內(nèi)的現(xiàn)代制造業(yè)除了快速制造和柔性化制造以外，綠色制造也越來(lái)越受到各方面的普遍重視。因?yàn)樽鳛樯鐣?huì)的一份子，我們必須將“可持續(xù)發(fā)展”作為我們的一個(gè)戰(zhàn)略方針?？沙掷m(xù)發(fā)展的理想以四個(gè)坐標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)：世代公平、生活質(zhì)量、社會(huì)團(tuán)結(jié)以及國(guó)際責(zé)任。
“生活質(zhì)量”要求具有完好的環(huán)境、好的學(xué)校以及安全并提供多種多樣文化生活的城市，而在“世代公平”方面，節(jié)約使用天然資源屬于最重要的任務(wù)之一。而長(zhǎng)期以來(lái)我們?yōu)楦纳萍庸べ|(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命而大量使用的各種切削液，卻有不少存在著污染環(huán)境、損害操作者的健康、增加制造成本的弊端。西方國(guó)家已經(jīng)實(shí)施的環(huán)保法規(guī)和我國(guó)人大已在制訂“清潔生產(chǎn)促進(jìn)法草案”，以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂的ISO14000環(huán)境管理系列認(rèn)證都要求我們認(rèn)真對(duì)待這一問(wèn)題。這使得維護(hù)、記錄存檔和遵循現(xiàn)行和計(jì)劃的規(guī)定所產(chǎn)生的成本正迫使切削液的價(jià)格迅速上漲，一些大型工廠支付從幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)的資金來(lái)維護(hù)切削液、安裝和使用合適的附件和油霧收集器、處理切屑、碎屑和用過(guò)的切削液，切削液所產(chǎn)生的費(fèi)用已十分可觀。
在干加工時(shí)，由于在切削過(guò)程中缺少了冷卻潤(rùn)滑液的潤(rùn)滑、冷卻和沖屑作用，會(huì)導(dǎo)刀具與工件間的摩擦增大、切削濕度升高、粘結(jié)加劇和切屑堵塞，從而造成刀具壽命、加工精度和切削效率的下降。為克服由于缺少了冷卻潤(rùn)滑液而造成的困難，需要通過(guò)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用耐熱的硬刀具材料，合適的刀具幾何形狀和微量潤(rùn)滑材料及其供給裝置，以及通過(guò)采用適合于干切削的機(jī)床和選擇相應(yīng)的切削參數(shù)來(lái)解決，確保干切削過(guò)程的可靠進(jìn)行。目前，干切削刀具的主要材料有超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、聚晶金剛石、立方氮化硼、SiC晶須增韌陶瓷及納米晶粒陶瓷等。
山特維克蒂泰克斯以低切削力、低摩擦和確保排屑為設(shè)計(jì)原則，為干切削加工開(kāi)發(fā)了不少刀具，ALPHA 22型深孔鉆就是其中的一種。它的特殊的40°螺旋角UFL輪廓使其具有較大的前角，并通過(guò)較窄的鉆心和較強(qiáng)的倒錐實(shí)現(xiàn)比較低的摩擦，還具有特別的槽形輪廓，可以很好地排屑，并可以保證低摩擦切屑流動(dòng)。同時(shí)它通過(guò)采用帶有較高鈷含量的微晶粒硬質(zhì)合金，在使用過(guò)程中還可以提供較高的可靠性。
雖然可以期望在將來(lái)使用完全干切削加工，但是要完全干切削，則在刀具壽命、加工精度、表面粗糙度等方面，還有許多必須克服的問(wèn)題，所以可以預(yù)料，根據(jù)當(dāng)前的現(xiàn)狀而轉(zhuǎn)換使用不影響環(huán)境的切削液，研究切削液的適量化、微量化以及給油定點(diǎn)化等?，F(xiàn)在在許多應(yīng)用場(chǎng)合，我們把微量的高潤(rùn)滑切削液噴到刀刃上，通過(guò)具有高潤(rùn)滑性的切削液和正確供給和微量切削液的給油裝置的組合，構(gòu)成被微量潤(rùn)滑的半干式切削加工。通過(guò)使用微量潤(rùn)滑技術(shù)，我們?cè)谇邢骷庸ぶ袑?duì)切削液的使用量，已經(jīng)從過(guò)去的每分鐘幾升減小到目前的每小時(shí)幾毫升，不足傳統(tǒng)切削液使用量的萬(wàn)分之一。因此，不再需要切削油的防腐敗、濃度管理，工件的清洗由于切削油的消耗量很少而可以簡(jiǎn)易化，而由于切屑的干燥，使收集、處理或再熔煉都變得容易。
5 柔性化
近些年來(lái)，由于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們消費(fèi)需求的不斷異化，包括汽車產(chǎn)品在內(nèi)的各類產(chǎn)品的壽命周期縮短了，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快了。這種形勢(shì)正在迫使許多生產(chǎn)企業(yè)走上多品種、小批量的生產(chǎn)方式，以適應(yīng)市場(chǎng)需求的多變性及提高本企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率。這就對(duì)為少品種大批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)、開(kāi)辟道路的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)提出了挑戰(zhàn)。對(duì)于現(xiàn)代汽車制造的柔性化要求，機(jī)床行業(yè)通過(guò)可重構(gòu)機(jī)床等方式，夾具行業(yè)通過(guò)組合夾具等方式，油品行業(yè)通過(guò)添加劑等方式來(lái)進(jìn)行應(yīng)對(duì)，而刀具行業(yè)也必須對(duì)這一生產(chǎn)趨勢(shì)作出自己的應(yīng)對(duì)，我認(rèn)為其中非常重要的一個(gè)就是刀具的模塊化設(shè)計(jì)和模塊化制造。我們可以將屬于同一功能單元的、安裝于同一些部件(或模塊)上的一組模塊，應(yīng)具有相同的結(jié)合要素(包括相同的安裝與聯(lián)結(jié)形式)，以保證性能、用途和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的模塊，在組合成產(chǎn)品時(shí)具有互換性。這樣，當(dāng)汽車制造廠的工件結(jié)構(gòu)、尺寸、材料有了一些改變之后，我們就有可能通過(guò)更換新的模塊，組合成符合新功能要求的刀具，以解決汽車制造者的變化了的需求。
原來(lái)就可以通過(guò)配用不同的刀墊和刀片構(gòu)成各種前角、各種主偏角的一系列銑刀，提供極多的組合，形成千姿百態(tài)的刀具，為制造廠快速適應(yīng)市場(chǎng)變化，開(kāi)發(fā)制造新產(chǎn)品提供了一種技術(shù)上的可能性。這樣的模塊式刀具系統(tǒng)可用于各種自動(dòng)化程度不同的場(chǎng)合，應(yīng)用范圍可從普通銑床、專用銑床到復(fù)雜的數(shù)控加工中心和柔性生產(chǎn)線。與當(dāng)前使用的其它刀具相比，該系統(tǒng)的可變性非常強(qiáng)。近年來(lái)隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，各種新的刀片型式、刀片種類甚至切削理念倍開(kāi)發(fā)出來(lái)，他們也推出了相應(yīng)的新模塊，使該系統(tǒng)的用戶可以僅通過(guò)更換模塊就可以使用新的刀具技術(shù)，也減少了用戶的投資，加快了使用新技術(shù)的步伐。
刀具模塊化技術(shù)在銑削上應(yīng)用開(kāi)始得較早，這些年車削、鉆孔、鉸孔等各個(gè)領(lǐng)域的刀具模塊化技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。如山特維克可樂(lè)滿和瓦爾特提供的Capto車刀，肯納金屬提供的KM車刀，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始普及?，F(xiàn)在，國(guó)外刀具商紛紛把刀具模塊化的概念推廣到一些現(xiàn)代汽車制造業(yè)的專用刀具方面，為多品種小批量現(xiàn)代汽車制造提供了一種經(jīng)濟(jì)化的選擇。因?yàn)槠囆袠I(yè)不同于普通機(jī)械加工業(yè)，許多工序必須使用專用刀具制造。如發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，不管是曲軸內(nèi)銑、車車?yán)€是曲軸高速外銑，所用刀具都是專用的。這些刀具的刀體制造復(fù)雜，價(jià)格也比較昂貴。但是，如果汽車產(chǎn)品的變型要牽涉曲軸曲拐或頰平面的尺寸，都有可能導(dǎo)致必須使用新的刀體來(lái)進(jìn)行曲軸的加工，這就會(huì)影響汽車廠的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和制造成本，最終影響汽車制造廠的競(jìng)爭(zhēng)能力。因此，刀具廠商應(yīng)該致力于開(kāi)發(fā)柔性化的曲軸制造專用刀具，與汽車制造廠一起盡一切可能縮短開(kāi)發(fā)周期，降低制造成本。
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