金屬切削加工技術的發展趨勢漫談

   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年德國首先研製出硬質合金刀具材料並獲得廣泛應用；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範圍擴展到航空、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塗層刀具的發展對推動切削加工技術的進步也功不可沒。

　　100多年來，刀具的切削速度不斷提高，帶來了加工效率的變化，進一步帶來了加工範圍的拓展。切削加工發展的最大標誌，就是高速切削加工（highspeedcutting，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的淬火—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，過去某些企業製作複雜的模具，基本上都需要3、4個月才能交付使用，採用高速切削加工後，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」的範圍。

　　刀具在全部加工成本中所占比重並不大。我們以汽車業某製造過程為例來分析：工具機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，工具機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%。可以看出，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。

　　對刀具來說，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，若儘可能的優化切削參數，提高20%的刀具加工效率，那麽，每一個工件整體成本能降低15%以上。當然，要全面提高工具機的生產效率，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（含工具機調整、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，工具機的有效切削時間一般只占其全部工時的25%-35%。可見，除高速切削外，如何更加有效的加工，是製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，切削到一定程度後，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。

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