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现代切削技术的发展机制及技术特征

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-02-27  浏览次数:1871
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  从20世纪明年代开始,切削技术在工业发达国家获得了快速发展,至20世纪末对世纪初进人了以高速切削、高效切削为主要技术特征的“现代切削技术”新阶段。回顾历史,切削加工成为一门专业技术始于19世纪末20世纪初,至今已走过了整整一个世纪的历程。自切削技术问世后,就一直作为制造技术的基础工艺,发挥着重要作用,为工业发达国家的工业化及经济发展做出过重要贡献。尽管在此过程中,切削技术本身也取得了不小的进步,但是直至20世纪六七十年代,总体上并没有超越传统切削技术的范畴,其最突出的标志是刀具的开发及生产与刀具的使用及用户基本上是相互分离的,没有形成相互促进、共同发展的机制。

  进入20世纪后半叶以来,由于计算机、微电子等新兴科学技术以及与切削技术紧密相关的材料科学的快速发展,切削技术随着制造业的发展和制造技术的进步也得到了快速发展,并进入了现代切削技术的新阶段。与传统的切削技术相比,现代切削技术不仅体现为切削速度更快、加工效率更高,而且形成了新的发展机制和模式,显现出新的技术特点,成为推动制造业和现代制造技术发展的重要技术因素。

  因此,认识和掌握现代切削技术的发展机制和模式及其技术特点,有利于加快我国切削技术的发展。

  现代切削技术的发展机制

  在切削技术问世后相当长的一段时期内,有一个问题始终困扰着工具行业和刀具用户,那就是,如果使用价格较贵的好刀具进行切削加工,虽然可以提高切削效率,但会增加制造成本,用户认为得不偿失。因此,许多用户舍不得花较多的钱买好的刀具,或者买了好刀后担心刀具很快用坏,将刀具寿命定得很长。这些观念和做法阻碍了刀具的更新,影响了刀具制造商开发新刀具的积极性,制约着切削效率的提高和切削技术的进步。

  图1 制造成本模型

  一个制造经济学的成本模型(见图1)揭示了应用好的刀具与降低制造成本之间的内在关系。这一模型将零件制造成本分解为刀具费用、一般管理费用(与加工相关的间接费用)和加工费用(机床使用费、工人工资等),其中刀具费用只占3%~4%,一般管理费用占25%左右,而加工费用会高达70%。

  根据这一成本比例,可得出以下结论:如果消极地追求降低刀具费用,其结果只能降低零件制造成本中很少的百分数,例如降低刀具费用50%,零件制造成本也只能下降约2.5%,且末考虑因使用廉价刀具而增加停机时间或降低切削用量可能增加的成本费用。如果使用好的刀具,虽然刀具费用可能增加,但由于可以提高切削速度或进给量--譬如提高20%--则可使占零件制造成本70%的加工费用下降10%以上,大大高于由节省刀具费用所产生的2.5%的效益。目前在切削行业较为通行的说法是:提高切削速度或进给速度15%~20%,可以降低制造成本10%~15%。许多成本分析案例还表明,尽管好的刀具价格较贵,但由于提高了加工效率,分摊到每一工件上的刀具费用不但没有增加,甚至有所减少。

  该成本分析模型还告诉我们,使用好的刀具时,如果不注重提高切削效率而只是追求延长刀具寿命,对于降低制造成本只能收到十分有限的效果,甚至可能适得其反。

  瑞典山特维克公司根据类似的制造成本分析模型及美国制造业的规模作出了以下预测:如果美国制造业推广应用性能更好的刀具,使切削速度普遍提高20%,那么每年可节省加工费用150亿美元。美国每年消耗刀具费用约30亿美元,如果为此而增加三分之一的刀具投入,也仅多花费10亿美元,然而却可产生150亿美元的效益。由此可见,切削刀具的创新可起到“四两拨千斤”的功效。

  根据我国的情况,中国机械工业金属切削刀具技术协会于2004年提出在全国开展“中国刀协20工程”,旨在通过人才培训、现代切削技术及先进刀具的推广,通过切削行业“产、学、研、用”的共同努力,将我国机械加工的切削效率提高20%。如果为此我国的刀具费用需要翻一番,约需增加刀具费用100亿元人民币,而通过提高切削效率20%,全国则可节省加工费用800~1000亿元人民币。现在已有少数企业的案例证明,通过努力,提高切削效率20%甚至更多是完全可能的。

  目前,上述模型和一系列数字、案例所揭示的提高切削技术与为用户和社会创造可观效益的内在联系,已被越来越多的刀具制造商和刀具用户所认识和接受,并转化为推动切削技术进步的强大动力,在短短20年左右的时间里,将切削技术推上了现代切削技术的新阶段。

  现在的情况是:一方面,上述成本模型给予刀具制造商很大鼓舞,并据此确立了“创新工艺,创新刀具,提高切削效率,为用户服务”的全新经营理念,为切削这门传统制造工艺技术注入了新的生命力,使刀具制造商成为发展现代切削技术的主力军;另一方面,这一成本模型也被越来越多的刀具用户所接受,形成了“积极采用切削技术新成果,应用先进切削刀具提高加工效率,降低制造成本,提高企业竞争力”的新思维,使制造业对先进刀具的重视和需求达到了空前的程度,成为拉动切削技术快速发展的强大力量。这种“拉动”不是对切削技术发展的简单加速,而是赋予了切削技术新的发展机制和动力,使其从与使用脱节的传统切削技术过渡到面向用户需求、与使用紧密结合的现代切削技术新阶段。

  现代切削技术的技术特征

  切削加工进人现代切削技术新阶段,不仅反映在将切削技术的发展建立在刀具制造商与刀具用户相互联动的机制上,而且还在此基础上表现出以下明显的技术特征。

  1.高速切削、高效切削、硬切削、干切削等新的切削工艺全面突破了传统切削技术在提高加工效率方面遇到的技术障碍,从整体上改变了切削加工面貌

  这些新工艺应用于汽车、航空、模具、装备制造业等切削加工“大户”,不仅成倍提高了加工效率,而且推动了产品开发和工艺革新。例如,航空制造业出现铝合金构件高速铣削工艺后,使飞机大型结构件不必再用组件进行装配,而可以用整体薄壁铝合金构件替代,不但减轻了构件重量,增加了构件强度和刚性,而且提高了加工质量,降低了制造成本。以大批量生产为特点的汽车工业更是研发和应用切削新工艺的先锋,开发了许多加工发动机、变速箱等主要零部件的高效新工艺,使生产节拍时间大大缩短。近年来,快速发展的模具工业可以说是与高效模具切削工艺一同成长,大型模具高速铣削和淬硬模具铣削工艺改变了传统的模具加工工艺,大大缩短了模具开发周期,为适应模具工业快速发展的需要,已形成了专门面向模具加工的“模具刀具”新系列,成为现代切削刀具中发展最快的门类。

  图2 淬硬钢的切削加工

  与此同时,传统的车、铣、钻等切削工艺的界限不断被打破,出现了一些新的切削加工方法。如新推出的铣刀可作为孔加工刀具进行钻孔和扩孔,减少了换刀时间,提高了加工效率;又如能高效去除模腔金属的插铣刀、加工曲轴的车- 车拉工艺、在复合车削中心上以铣代车的铣车工艺、用硬质合金螺纹铣刀代替硬质合金丝锥的螺纹高速加工工艺等等。切削工艺不断推陈出新,呈现出蓬勃生机,开拓着制造技术的新领域。

  此外,随着各种复合机床及“一台机床或一次装夹完成全部加工”技术的发展,将进一步改变切削加工的传统概念。

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