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切削加工技术系统和刀具应用技术三要素


   从20世纪八十年代开始,在信息技术等高新技术的带动下,机械加工技术进入了“高速、高效、智能、复合、环保”的发展新阶段,出现了高速(效)切削、近净成形、柔性化加工、五轴加工、复合加工机床、网络制造、绿色制造等新的制造技术及装备,为制造业开发新产品、提高加工效率和加工质量、降低制造成本、缩短交货周期、保护生态环境、降低能源和资源消耗发挥了重要的作用。在上述新加工工艺及装备中,切削加工的新技术及刀具的进展尤为突出,已成为当今先进制造技术十分重要的基础工艺之一,也是金属加工企业开发新产品、新工艺、应用新材料和建立创新体系不可缺少的关键技术。
  
  随着现代切削技术的发展,刀具应用技术发挥着越来越重要的作用。一把刀具最终能否为用户创造效益,不仅在于当初创新的设计和精心的制作,而且最后要靠符合加工条件的正确使用。目前,刀具制造商正是通过向用户提供配套的刀具应用技术,满足用户提高加工效率、降低制造成本和提高加工质量的需要,或开发新产品、应用新材料的需要,并实现对用户的创新服务。因此,刀具应用技术已成为刀具制造商的核心技术之一,越来越受到重视。对于刀具用户企业,提高刀具的使用技术不仅可以发挥企业现有的切削加工潜力,提高加工效率,而且可为今后开发新产品和新工艺打下基础。
  
  金属切削加工是一个多因素的复杂过程,使刀具的应用技术包含着很广泛的内容。本讲座通过对切削加工过程的分析,抓住构成并影响切削过程的主要因素,作为刀具应用技术共性基础内容加以探讨,希望能对刀具的正确使用有所帮助。
  
  切削过程发生在刀具与工件相互作用的切削区,工件材料经过切削区以后转变为切屑,沿前刀面排出。切削区的放大图给出了刀具与工件相互作用的细节。切削时,工件上需要切除的材料层,进入变形区,在刀具前刀面的作用下,发生变形和晶格的滑移,并沿着假想的滑移面OA产生剪切,变成切屑排出。排出时,切屑底面的新鲜金属表面与前刀面在OB段产生剧烈的摩擦,形成了前刀面摩擦区。而从刀尖下滑过的已加工表面,因材料的回弹作用与后刀面在OC段产生摩擦,形成了后刀面摩擦区。刀具就这样在变形区和摩擦区的力和热的共同作用下工作着。
  
  车刀的典型磨损图,表示了刀尖周围各部位的磨损形貌,对其它刀具也具有代表性。图4是车刀在力和热的作用下出现的各种磨损、破损的形貌和原因,采取有效措施减缓磨损或防止破损是贯穿于刀具应用技术的主线。
  
  齿轮的速度已达到150~180m/min或更高,粉末冶金高速钢丝锥在灰铸铁上加工螺纹的切削速度达到65m/min;第二,与硬质合金相比,高速钢的强度高、韧性好,是制造复杂刀具和钻孔刀具的首选材料,据统计,全世界33%的铣刀、95%的丝锥、51%的麻花钻、81%的齿轮刀具、86%的拉刀和95%的锯片是用高速钢制造的。其中又有70%的齿轮刀具、50%的拉刀、20%的立铣刀和10%的丝锥用粉末高速钢制造;第三,高速钢刀具刃口锋利、切削轻快、切削中工件不易产生加工硬化,在不锈钢、镍基合金和钛合金一类材料的加工中有其优势。我们在切削这一类难加工材料时,不应局限于硬质合金的圈子,也可试用前角大、刃口锋利的高速钢车、铣刀具。
    
  目前高速钢刀具约占世界刀具销售总量的35%。世界刀具消费市场按产品销售去向统计,通用机械和汽车制造约各占35%,航空航天约占10%,其中不乏高速钢刀具。曾在波音公司工作的美国朋友和外贸公司的老总给我传递了这样的信息:飞机制造中要使用大量高速钢麻花钻,如果某种麻花钻能在载重汽车的弹簧钢板上钻7~8个孔就可能被波音公司接受。
  
  中国现在是世界高速钢和高速钢刀具生产大国,高速钢和高速钢刀具(主要是麻花钻)的产量和出口量都是世界第一。2006年上工、江苏天工、江苏飞达、哈量和成量的高速钢切削工具麻花钻产品还同获中国名牌产品荣誉称号,纷纷打进了欧、美工业切削工具市场,表明中国的高速钢切削工具无论在产业规模和产品质量上都有了很大的进步。
  
  经济学家预计中国经济的快速增长和制造业的高速发展至少还将持续10年,这些为切削工具行业提供了空前的机遇和挑战。目前高速钢刀具约占国内刀具总量的75%,但粉末冶金高速钢材料和一些高档高速钢刀具还大量依赖进口。我们要大力发展高速钢切削工具,包括开发新的高速钢牌号特别是粉末高速钢,开发更多更好的高速钢刀具并努力提高应用水平。相信经过全体切削工作者的共同努力,通过对刀具材料、刀具结构、制造工艺和应用技术上全方位的创新,一定能把中国高速钢切削工具的开发和应用水平提到一个新的高度,为振兴中国的切削技术做出实实在在的贡献。

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