本刊記者/Reporter 余捷/YU Jie
4月的北京春意盎然、生機勃勃,倍受業(yè)內人士矚目的金屬切削領域的一大盛事——2011中國國際刀具技術研討會,在京順利召開。本次研討會由中工聯(lián)創(chuàng)國際裝備制造研究中心(CERC)、瓦爾特(無錫)有限公司、德國世媒公關咨詢有限公司聯(lián)合中國機床工具工業(yè)協(xié)會工具分會、中國刀協(xié)與先進制造技術研究分會、全國高校金屬切削原理與刀具研討會、上海大學先進工藝與刀具技術研究所等國內4家頂級學術機構共同舉辦。本刊作為獨家平面媒體支持,全程記錄了此次中國刀具界的盛會。
眾所周知,刀具在工業(yè)中所占比重不大,但其地位卻不容忽視,一個國家刀具技術的發(fā)展水平,從某種意義上影響了該國家的工業(yè)發(fā)展水平。在CIMT2011即將到來之際,國內金屬切削領域的頂級專家、領導和世界著名機床和刀具生產企業(yè)齊聚一堂,共商盛事,有著特殊的意義。出席本次會議的嘉賓有中國人民解放軍總參通訊部楊千里部長,中國齒輪專業(yè)協(xié)會王聲堂名譽會長,原國務院重大技術辦董必欽副主任,中國機床工具工業(yè)協(xié)會超硬材料分會李志宏秘書長,國家發(fā)改委國際合作中心邢國鈞研究員,長沙機床有限責任公司李曉呈副總裁等等。瓦爾特亞太區(qū)總裁Jean-Paul Dissous先生,瓦爾特全球研發(fā)部總監(jiān)Juergen Daub先生,瓦爾特大中華區(qū)總經理Per Tornell先生,瓦爾特大中華區(qū)市場總監(jiān)王青女士,瓦爾特大中華區(qū)市場經理孫歡先生,瓦爾特汽車行業(yè)技術總監(jiān) Ulrich Kasperzack先生,瓦爾特能源行業(yè)產品經理Markus Wetli先生,瓦爾特大中華區(qū)產品經理李宏先生等瓦爾特有限公司的刀具同仁們也出席了本次會議。
——中國機床工具工業(yè)協(xié)會名譽理事長 梁訓暄先生
大會首先由中國機床工具工業(yè)協(xié)會名譽理事長、中國機床行業(yè)的權威梁訓暄先生致辭。2011年中國經濟將會繼續(xù)保持穩(wěn)定快速的增長,而且今年我國十二個五年計劃順利開局,裝備工業(yè)保持著持續(xù)快速的發(fā)展,更可喜的是我國機床工具工業(yè)的市場消費量已經超出德國、日本、美國3個機床消費大國,高居世界第一位。機床與工具是實現(xiàn)裝備制造最基本的組成,采用高性能、高效率、低成本的刀具來滿足制造業(yè)的需求,是擺在我們面前的重要使命。近年來,大量的新材料和材料處理新技術、新型的工具結構以及新性能的刀具等銷售和服務方式不斷發(fā)展、不斷創(chuàng)新,成為全球工具市場關注的焦點。在這樣一個背景下,刀具領域非常需要一個聚集行業(yè)專家、企業(yè)家、技術工程師的這么一個平臺,來就行業(yè)發(fā)展現(xiàn)況進行交流,對行業(yè)的熱點問題進行討論,這樣一個集高端性、前沿性和國際性為一體的2011中國國際刀具技術研討會舉行就十分必要而且恰逢其時。這樣一個高質量的平臺在有關同仁的共同努力下,一定能為裝備制造業(yè)做出更大的貢獻。最后預祝此次研討會圓滿成功。
中國機床工具工業(yè)協(xié)會名譽理事長 梁訓暄先生
——北京理工大學于啟勛教授
北京理工大學 于啟勛教授
現(xiàn)代刀具材料主要有高速鋼、硬質合金、陶瓷、超硬材料(立方氮化硼CBN、金剛石)等,其中每一類又分為很多種。其中高速鋼和硬質合金的使用量在90%以上。目前中國生產高速鋼5~6萬噸,占全世界的1/4~1/3;中國生產硬質合金1.5萬噸,占全世界的1/4。中國刀具材料的生產數(shù)量世界第一,但是質量屬于二流水平。于啟勛教授在報告中預期,在本世紀刀具和刀具材料的技術含量、質量水平和品種數(shù)量等方面都將有較大的發(fā)展,加工對象的新要求推動了刀具材料的新發(fā)展,科學技術的進步使刀具材料的發(fā)展成為可能,但同時刀具材料的發(fā)展必定受原料資源的制約。
工件與刀具二者交替發(fā)展,相互促進,工件不斷對刀具提出新要求,刀具的性能必須提高以適應工件的要求。高強度超高強度鋼多用于火炮、穿甲彈、飛機起落架等有關民用產品,要求加工效率高、加工中切削力大、切削濕度高、硬質化合物較多,需要使用高性能鋼、粉末冶金高速鋼、表面涂層高速鋼、表面涂層硬質合金、金屬陶瓷、氧化鋁基陶瓷或PCBN等高性能的刀具材料;用于工具、模具、軸承和耐磨件等的淬硬鋼,需要使用氧化鋁和氮化硅基陶瓷、H類硬質合金、PCBN等刀具材料;對于塑性與韌性特別大、加工變形與硬化嚴重、導熱性差的高錳鋼,應重點發(fā)展復合陶瓷、PCBN等刀具材料;加工強度高,塑性大,切削力大,切削溫度高,與工件中的成分易產生親和、粘接、擴散的高溫合金,應重點發(fā)展粉末冶金高速鋼、S類硬質合金、TiAlN涂層硬質合金、PCBN等刀具材料;加工切削變形與導熱系數(shù)特別小、切削硬化嚴重的鈦合金,應重點發(fā)展S類硬質合金、PCD金剛石等刀具材料;加工纖維增強型和顆粒增強型的復合材料,應重點發(fā)展PCBN、PCD等刀具材料。
刀具材料發(fā)展的目標是使其具有更高的硬度和高耐磨性,同時還應具備更好的韌性和強度。刀具性能的提升可通過以下途徑:改進和尋求如二元碳化物、氧化物、氮化物和多元化合物等刀具材料的新組分;添加某些元素或者化合物;采用熱壓工藝;發(fā)展PVD、CVD等表面涂層工藝;細化晶粒。
于教授最后對于刀具未來發(fā)展的方向做了系統(tǒng)的總結:刀具材料發(fā)展要適應加工對象的需要,特別要適應難加工材料的加工需要;刀具材料發(fā)展不斷對制造工藝提出新要求,化學組分和制造工藝科技的進步推動刀具材料新發(fā)展;刀具材料的發(fā)展必須考慮資源的儲有量,應優(yōu)先發(fā)展節(jié)約貴重資源的刀具材料。
——瓦爾特公司能源行業(yè)產品經理 Markus Wetli先生
能源產業(yè)正面臨著不斷轉變的需求,更快、更清潔和更精確是瓦爾特一直追求的目標。Markus Wetli先生詳細介紹了瓦爾特在生產汽輪機轉子、殼體、發(fā)電機轉子以及葉片方面的解決方案。
汽輪機轉子主要需要加工聯(lián)軸節(jié)孔、T型槽、直槽、彎曲槽以及平衡孔等。運用瓦爾特的技術進行結合面深孔加工,原先完全是手動換刀的方法,采用的新方法僅有10%的時間是用于手動操作,其他都是自動化生產,降低了50%的加工時間。使用Modco刀具進行深孔加工,瓦爾特的方案為運用運動刀具,用冷卻液驅動的反向端面加工的刀柄大于等于采用30 bar的冷卻液壓力。Markus Wetli先生還介紹了瓦爾特TB5460-5890704刀具的特點:具有很高的效率;由數(shù)控系統(tǒng)自動控制;使用標準帶內冷數(shù)控機床,而不是投資新的機床;安全性高;使用標準刀片。
發(fā)電機轉子主要需加工聯(lián)軸節(jié)孔、主/小下線槽、鳩尾孔、減振槽、平衡、下支撐槽、帽蓋鎖緊槽以及慣性槽等。而葉片從毛坯加工到葉片成品,主要需要加工區(qū)域為葉冠、葉冠過渡區(qū)、葉型、壓力面、負壓面、葉跟過渡區(qū)、葉跟以及鎖緊面等。瓦爾特能夠為以上部件的加工提供完整而可行的解決方案。
瓦爾特公司能源行業(yè)產品經理 Markus Wetli先生
——北京航空航天大學 陳五一教授
減輕重量是飛機設計永恒的主題,而采用高強度材料和結構是減輕重量的主要措施。航空發(fā)動機工作在數(shù)百至上千K的溫度,旋轉速度上萬轉每分,零件即要求要輕又能在高溫下承受極端載荷,所以航空發(fā)動機零件的特點為:大量采用耐高溫、高強度的難加工和極難加工材料,以承受高溫和極端載荷;工作在高溫、大應力、動載荷條件下,對零件表面質量有極高要求,零件表面粗糙度、加工殘余應力、組織和缺陷對零件壽命極其重要。
飛機結構中的難加工材料主要有鈦合金、復合材料和超高強度鋼。加工鈦合金由于回彈嚴重,因而刀具的后角要大,至少要大于15°,前角不能過大,以保證刃口強度;同時應采用大螺旋角銑刀;切削液選用含極壓添加劑的油基切削液,加工時高壓(100 bar)噴射冷卻液可成倍提高刀具的耐用度。
北京航空航天大學 陳五一教授
高強度鋼切削加工特性為:切削力大,在同等的切削條件下,比切45號鋼的單位切削力大1.17~1.49倍;切削溫度高,導熱系數(shù)低,僅為45號鋼的60%,切削功耗大,切削溫度比切削45號鋼時要高100℃左右,刀具磨損快;由于超高強度鋼具有良好的塑性和韌性,所以切削時切屑不易折斷,切屑常纏繞在工件和刀具上,影響切削的順利進行;切削高強度鋼所用刀具要求刃部強度高,硬質合金刀前角為-2°~-4°,陶瓷和CBN的為-10°左右;刀尖圓弧半徑粗加工時為1~2 mm,精加工時為0.5~0.8 mm。
碳纖維復合材料的切削加工特點為:碳纖維硬度達HV600以上,接近高速鋼硬成磨料磨損;加工過程沒有強烈塑性變形,切削溫度低,不會發(fā)生粘接磨損、擴散磨損;材質各向異性,纖維向強度高,纖維間、層間強度低,易于發(fā)生撕裂、分層等特有的加工質量問題;切削加工產生大量有害粉塵,需要加以防護。在刀具的選擇上,一般采用K類硬質合金刀具,最佳刀具是金剛石刀具,刃口保持鋒利,可切斷纖維,而不是擠斷。
陳五一教授還介紹了刀具快速篩選的技術,同時還提出了下階段需要開展的工作:進一步開展超高強度鋼、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金、鑄造鈦合金等難加工材料的刀具篩選;進一步進行鉆、鉸、拉、攻絲等其他加工工藝的刀具篩選工作;進一步改善篩選方法,提高置信度,基于已有的篩選理論,擴大切削用量取值范圍,更全面地評價被選刀具。
——瓦爾特公司汽車行業(yè)技術總監(jiān) Ulrich Kasperzack先生
用于鑄鐵粗精銑的平面銑刀F4045的特點為:七邊形刀片的平面銑刀;主偏角45°;刀片有14個刃,可有效降低單件成本;密齒鑄鐵銑削,具有更高的進給速度;楔塊夾緊刀片,能夠快速更換刀片,具有穩(wěn)定的刀片鎖緊;使用螺釘改進了的操作,具有更高的鎖緊/松開力矩;堅硬的鍍鎳表面,抗磨損和抗腐蝕能力更強,改進了排屑。該銑刀主要被汽車制造商運用于缸體的制造中的粗銑燃燒室面,工件材料為GH190B,運用此銑刀后刀具壽命提高了45%(從1 100個工件提升到1 600個),單件成本降低25%;噪聲更低了;換刀次數(shù)也得到減少。用該銑刀精銑材料為GG25的4缸缸體的后端面,刀具壽命提高了130%(從1 300個工件提升到3 000個),降低了24%的刀具成本;每年換刀次數(shù)從385次降低到167次;由于刀片有14個刃而減少了刀片庫存量。
瓦爾特公司汽車行業(yè)技術總監(jiān)Ulrich Kasperzack先生
用于數(shù)控機床可自動補償?shù)腒am-Set鏜刀的特點為:缸孔鏜削可達10 μm的圓柱度;可補償?shù)镀p;無需外置拉桿或補償單元;尺寸調整低于5 μm;最低可在4 bar的壓縮空氣壓力下工作;PCD inserts可在采用CBN或PCD刀片時進行高速加工。分別比較采用Modco Z=3、Modco Z=3+1以及Modco Z=4+4的加工結果,最終可知當采用Modco Z=4+4時,可獲得最好的質量,具有最高的工藝可靠性并且首件工件質量能夠得到保證;刀具壽命更長;能有效減少加工時間、換刀時間以及調刀時間;具有更高的機床可利用率。
數(shù)控機床上曲軸孔精加工要求:在標準數(shù)控加工中心上精鏜曲軸孔;在夾具上不使用襯套;工藝與傳統(tǒng)的直線鏜桿相似,而不是帶導向條的鉸刀;在同一工序完成精加工止推面。加工導向孔的刀具半精加工和精加工孔徑#1,采用冷卻液驅動,半精鏜和精鏜并有自動補償。加工曲軸孔的刀具使用引導孔作為導向支撐,半精鏜和精鏜孔徑#2~#5,有8個冷卻液驅動的刀夾,無需襯套并可進行在線直徑調節(jié)。加工精加工止推面的刀具使用引導孔作為導向支撐而無需襯套,采用冷卻液驅動刀夾運動,具有可擴張的導向條。數(shù)控機床進行曲軸孔精加工的優(yōu)點是:擁有靈活的生產線,無需專機,可有效降低項目的資金投入;精加工燃燒室面、缸孔和曲軸孔都可在一臺標準加工中心上、在一次裝夾的條件下完成加工,并且有極好的工件質量。
——哈爾濱工業(yè)大學 韓榮第教授
哈爾濱工業(yè)大學 韓榮第教授
工件材料根據(jù)其物理力學性能可歸納為:高硬度、脆性大材料(如淬硬鋼、金屬基復合材料、精細陶瓷等);高強度材料(如高溫合金、高強度及超高強度鋼等);加工硬化嚴重的材料(如奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金、高錳鋼等);化學活性大的材料(如鈦合金、鋯合金等);導熱性差的材料(如不銹鋼、高溫合金、鈦合金、Ni-Ti形狀記憶合金、金屬間化合物等);高熔點材料(熔點高于1 700℃的鎳、鉬、鉭、鈮、鋯及其合金)。根據(jù)切削加工特點可分為:切削力大的材料;切削溫度高的材料;刀具磨損嚴重、刀具壽命短的材料;加工表面粗糙度大、精度難達到的材料;切屑難處理的材料等。
選擇合適的刀具材料是決定高效加工的關鍵:刀具材料的性能直接影響工件材料能否實現(xiàn)高效切削加工,即刀具材料選擇合適與否是解決難加工材料高效切削加工的關鍵所在;注意在物理化學性能方面與工件材料間的合理匹配;解決刀具的刃磨問題。
刀具合理幾何參數(shù)的選擇是重點:保證切削刃有足夠強度和散熱性能;根據(jù)加工的工件材料自己設計以滿足合理幾何角度的要求;通過切削試驗,確定合理的前角。鈦合金因其彈性恢復大、導熱性能差,攻絲非常困難,因此選用Kr=5°~7°30′的修正齒絲錐;鎳基高溫合金強度高、加工硬化嚴重,攻絲很困難,用標準絲錐手動和機動攻絲根本不可能,用Kr=2°30′的修正齒絲錐則可解決其攻絲難題;高強度超高超強度鋼的強度太高、扭矩太大,攻絲十分困難,Kr=3°30′的修正齒絲錐可勝任其攻絲;奧氏體不銹鋼的伸長率大(達60%)、沖擊韌性大、切屑粘不易折斷,攻絲困難,Kr=7°30′、γr=10°的修正齒絲錐可解決其攻絲難題。
合理切削用量的選擇是主線:當?shù)毒卟牧?、刀具結構、刀具幾何參數(shù)確定后,切削用量選擇得合理與否就決定了加工效率和成本的高低,因此難加工材料高效加工必須始終以切削用量為主線來選用刀具材料、幾何參數(shù)及冷卻潤滑等途徑;常用普通結構材料可直接按“切削用量手冊”或按經驗選??;難加工材料無成熟數(shù)據(jù)可參考,需通過切削實驗確定。
——瓦爾特大中華區(qū)產品經理 李宏先生
瓦爾特大中華區(qū)產品經理李宏先生
瓦爾特大中華區(qū)產品經理李宏主要介紹了瓦爾特3大類產品:(1)車削類產品,包括PVD涂層的WSM材質車削刀片、設計獨特的IS0車削刀片槽型NMT、G15XX系列的多功能切槽刀具;(2)整體式鉆頭、絲錐及銑刀產品,包括XD70深孔鉆、X-treme DM微鉆、SC合金絲錐、微型螺紋孔加工銑刀和微型球頭銑刀;(3)可轉位刀片銑削類產品,包括F4045高效經濟型面銑刀、F4030高性能高進給銑刀和F4050鋁合金刀體高效加工面銑刀。李宏經理著重介紹了XD70深孔鉆、X-treme鉆頭以及F4050鋁合金刀體高效加工面銑刀。
瓦爾特-蒂泰克斯(Walter Titex)XD鉆頭的直徑范圍是3~20 mm,該款刀具為帶內冷卻系統(tǒng)的高效整體硬質合金鉆頭,即使鉆孔深度達到7xd也無需退刀。擁有TFT和XPL兩種刀具頭涂層。刀身拋光的排屑槽有效保證了加工過程中的可靠排屑,從而確保了加工質量。新的整體硬質合金鉆頭可以結合乳劑和油使用,能為加工IS0工件材料組的P、K、N級材料應用提供有效的解決方案。由于該鉆頭在加工斜向出口和橫向鉆孔時的性能優(yōu)越,可廣泛適用于通用機械行業(yè)、液壓工業(yè)和汽車行業(yè)。該鉆頭擁有4個刃帶,確保了最高質量的鉆孔,并且與單刃槍鉆相比生產效率提高了10倍。由于其在鉆孔時無需退刀,該鉆頭可在鉆深較大時確保鉆孔工藝的可靠性。
瓦爾特-蒂泰克斯(Walter Titex)X-treme整體硬質合金鉆頭帶內冷卻系統(tǒng),幾乎適用于所有IS0工件材料組加工,可廣泛運用于機械行業(yè)、模具行業(yè)、汽車行業(yè)和能源行業(yè)。該刀具產品可在斜向出口和橫向鉆孔時使用,在加工斜面和凸面時很具優(yōu)勢:優(yōu)化的4個刃帶不僅可用在5°以下的斜向入口平面上,也可用在45°以下的斜向鉆孔出口上以及帶橫鉆孔的工作,確保最高的鉆孔質量。直徑范圍3~25 mm。整體硬質合金鉆頭X-treme由于帶有XPL涂層而擁有最高的切削參數(shù)和刀刃壽命,可結合乳劑和油使用。本著“為客戶提高生產效率”的原則,相較于傳統(tǒng)在低進給量及低速工作狀態(tài)下使用的鉆頭,瓦爾特-蒂泰克斯(Walter Titex)推出的這款鉆頭可在進給速度達809 mm/min時使用,從而提高50%的生產效率。
瓦爾特推出的 Walter PCD F4050型銑刀特點為:刀具的高強度鋁基體帶有硬質氧化表面,旋轉力矩較低。該款刀具軸向(同軸度)調整簡單,可精確到級;刀具的標準產品直徑范圍為80~200 mm,刀具的夾緊螺釘帶內冷系統(tǒng),切深可至4 mm;在加工過程中,能利用平衡微調將刀具調整到最高平衡等級。無論是面銑還是臺階銑,F(xiàn)4050型銑刀均配有帶釬焊PCD塊、由高強度鋼支撐的刀座,可多次修磨。擁有這些技術特點的瓦爾特PCD F4050型銑刀能夠在使用過程中承受高速度切削,加上其調整方式簡短,使用者能夠減少加工前的準備時間,從而大大縮短鋁材的加工時間。
——上海大學 王永國博士
我國正逐漸由第一制造大國向制造強國轉變。近些年國家高度重視裝備制造業(yè)的發(fā)展,并設立了“高等數(shù)控機床與基礎制造裝備”重大專項,2009年撥款328億元人民幣,2010年撥款300億元人民幣,主要用于汽車、船舶、大飛機、高鐵、軌道交通、能源等行業(yè)。我國汽車、機床刀具行業(yè)市場廣闊、發(fā)展空間巨大,已經連續(xù)6年機床消費量全球第一(2010年為284.8億美元),汽車產銷量全球第一(2010為1 800萬輛)。
我國所用的機床先進,但是制造工藝和刀具總體水平卻比較落后,究其原因主要為:高校無專門工藝、刀具方面的課程;與國外刀具公司相比,國內公司缺乏整體解決方案的能力和高端產品;大量低端刀具產品占有大部分市場份額;汽車發(fā)動機行業(yè)國外刀具占80%的份額。
中國機床刀具現(xiàn)狀:中高端刀具市場被國外刀具公司占領,這些刀具的技術附加值和利潤率遠遠高于低端刀具;國內刀具公司主要在低端刀具市場,主要靠價格競爭;國外刀具公司往往為客戶提供解決方案,捎帶銷售刀具產品;國內刀具公司基本不具備提供解決方案的能力,單純銷售產品;由于國內刀具公司發(fā)展?jié)摿σ约按龅纫蛩兀毒呷瞬胖饕性趪獾毒吖尽?/p>
王永國博士同時還介紹汽車發(fā)動機用的PCD/CBN面銑刀、加工曲軸和凸輪軸孔和端面的帶有微調單元和滑動機構的刀具、焊接PCD刀具以及帶導條的鉸刀等在汽車制造業(yè)中起到重要作用的刀具。其中焊接PCD刀具具有可以得到Ra 0.63 mm甚至更嘉的表面粗糙度;組合銑、鉆、鏜、鉸等工序,總體上減少了工序;超長刀具壽命,無形中減少刀具更換時間和頻率;避免由于刀具調整等影響質量等特點。對于PCD刀具,影響最大材料去除的因素是切屑能否順利排出,在排屑良好的情況下可選用較大進給率。
上海大學 王永國博士
——長沙機床有限責任公司/天津大學 李嘉教授
中國已成為最大的汽車制造和消費國,大量汽車品牌進入中國,按照與國外汽車制造商要求配套,但是現(xiàn)有工藝方法主要是沿齒線進給,切削主要從齒線方向排出,此類方法無法滿足配套要求,必須采用新的工藝方法。
新的切制齒輪的方法被為剮齒:改變切屑流動方向;刀刃逐點切削,從毛坯上切除一小條材料,形成很小的溝槽;刀具沿齒線進行若干次切削,在齒坯上切出輪齒;切削具有“剜”和“削”的雙重效應,且切削量非常小,需經過千萬次高速切削才能完成整個齒面加工;過程類似我國古代的酷刑凌遲,即經過千刀萬剮,在毛坯上切削出齒形。這種新型的加工方法應用前景廣闊,可適用于各種內齒、外齒加工,干式切削,高速率加工,替代滾齒+剃齒或插齒+剃齒的工藝鏈并可以運用到復合加工機床上。
在新工藝發(fā)展的前期,可以借用插齒刀設計理論,然后進行局部改進,其弊端是刀具壽命短、生產成本高等,因此需要在今后繼續(xù)開展優(yōu)化工作:更加深入地研究剮齒原理;進行剮齒刀設計理論與方法的研究;機床設計亟待優(yōu)化;工藝試驗刻不容緩(包括刀具材料和涂層);同步運動控制特性研究有待深入。
長沙機床有限責任公司/天津大學 李嘉教授
2011中國國際刀具技術研討會最終在全場專家與嘉賓無間的互動中緩緩落下帷幕,但是一場有關于刀具技術全新的變革也許才剛剛臨近。隨著機床工具行業(yè)的持續(xù)發(fā)展,刀具的重要性越來越為人們所關注,“高檔數(shù)控機床與基礎裝備制造”科技重大專項中更是有眾多項目與其緊密相關。感謝瓦爾特,給我們帶來如此一場意義非凡的刀具盛會,同時2011中國國際刀具技術研討會的成功召開,也必將對我國刀具行業(yè)的發(fā)展起到不可忽視的推動作用,從而助力于“十二五”期間中國機床工具行業(yè)的發(fā)展。