正確定義刀具壽命尤為重要

　　上汽集團乘用車公司發動機廠主任工程師，副教授吳抗美在《影響高速切削過程的一些因素》報告中說，在現代發動機廠中經常使用的高速刀具有PCDCBN刀具也有粉末冶金高速鋼和硬質合金刀具，絕大多數刀具都是內冷刀具；高速切削過程中一些舉足輕重的因素往往決定高速加工的可行性、經濟性和穩定性，如切削液的選用、壓力、濃度、溫度等等；工件的結構工藝性；刀具刃口的幾何形狀以及刀片的裝夾優化等等。

　　目前為止國內對于高速切削的大多數研究都聚焦在實驗室的切削實驗和高速切削的機理研究，而現實是高速切削在大多數大型汽車發動機加工行業內應用相當普及，世界一流的具有精密高剛度的電主軸的臥式加工中心或者專機，高效恒溫的冷卻潤滑液噴射壓力高達70巴，先進的裝夾系統和更可靠刀具系統以及維護這一切的專業隊伍，與國外同行相比毫不遜色。而實際應用中更多地考慮的問題往往是高速切削過程伴生的一些問題，對于企業來說穩定可靠高效地實現大規模生產的重大課題是如何經濟可靠的控制高速切削過程。

　　一般地講來高速切削的條件常常是超硬刀具、高效的切削液、高剛度的加工系統；實際上往往遇到許多干擾因素，比如零件的結構工藝性、切削液的壓力和濃度、刀刃的抗沖擊強度、夾具的夾緊剛度等等。

　　吳教授認為以下幾方面會影響以下幾方面會影響高速切削：其一，零件的結構工藝性：實際應用中高速切削要求切削過程精確平穩地進行，消除切削過程中的沖擊，這種沖擊可能來自于鑄件表面的硬質點但更多的是工件幾何表面的不連續性，特別是對于那些沒有經過鈍化的金剛石刀具的鋒利切削刃極易破損，此外還要考慮減小切削過程的應力集中，加工面的易加工性等等；1.保證可靠的連續切削，防止出現切削斷續；對于高速切削過程中的PCD刀具，加工表面的斷續導致刀刃瞬間沖擊破損。CBN刀具切入時工件的尖角導致刀刃局部應力集中加劇刀具的局部磨損和破損。復合刀具的切削工藝性，考慮各個刀刃切削狀態相互影響。其二，刀刃的幾何參數和過小的粗糙度處理。其三，潤滑液壓力和濃度：高速切削中潤滑液的作用常常是舉足輕重的，重視不同的加工方式的潤滑液濃度和壓力是必要的。其四，機床主軸穩定性：多采取連續的加工速度避免在工作中變速，并選用動態剛性更好的設備主軸。

　　吳教授認為高速切除了大大提高加工效率和穩定的加工質量，同時也是經濟可行的，實際上現代發動機廠在刀具使用方面大多數刀具壽命都是受控的，根據加工零件的要求(或者SPC的控制線要求)制定的刀具控制壽命一般遠離刀具的快速磨損階段，當刀具到達規定壽命就會被撤換下來。(按：與過去的加工方式比較，大多數撤換下來的刀具基本上完好無損)PCD刀具的價格可能是普通硬質合金刀具的10倍以上，但合理使用的高速刀具壽命往往遠大于硬質合金刀具。

　　“正確定義刀具壽命對于現代發動機加工企業是非常重要的技術工作，而目前為止的刀具壽命規定大多數約定俗成—根據實際使用條件來確定，其中被冤殺的刀具往往不在少數；原因包括：對于一些加工精度較高的表面，PCD刀具的初期磨損導致被加工工件尺寸精度、位置精度超差；由于工件材質、機床設備、冷卻系統等等因素不穩定，導致刀具的早期崩刃大大降低刀具壽命的預期；由于刀具材料、幾何角度不穩定導致加工壽命預期降低；由于缺乏一套科學制定刀具壽命的方法和原則。

　　高速切削在航空中的應用

　　上海交通大學機械與動力工程學院教授，博士生導師，陳明博士在《高速切削技術在航空典型零件加工中應用》談到，航空結構件：結構整體化是新一代大型客機的發展趨勢，已經成為現代先進大型飛機設計制造領域的一個重要標志。航空整體結構件具有形狀復雜，材料去除率大的特征，大多為弱剛性薄壁結構。“航空鋁合金用量減少，鈦合金和復合材料用量增加。航空鋁合金整體結構件在飛機結構中依然占及其重要的地位，并且隨著新型鋁合金的開發，對加工工藝提出更高的要求。”陳教授說，高速切削技術是航空整體薄壁零件實現高效精密加工的唯一工藝，成為航空制造領域核心關鍵技術。

　　高速切削技術以高切速、大進給為主要特征，并且能大幅度降低切削力；切削熱大部分由切屑帶走從而降低溫度；較高的主軸轉速使得刀具的激振頻率避開薄壁結構工藝系統的振動頻率范圍，避免振動。“高速加工特別適合整體薄壁零件的加工，同時，高效數控工裝系統在也航空件加工中被廣泛應用”，陳教授認為，航空發動機的輕量化、整體化、新型冷卻結構制造技術正在向低成本、高效率方向發展；新材料構件制造技術出現較大突破；新工藝技術成為現代航空發動機發展的重大關鍵制造技術，并得到廣泛應用。

　　制造業未來趨勢：高效，節能，綠色

　　同濟大學現代制造研究所名譽所長，教授，博士生導師張曙在《高效加工的現狀及趨勢》的報告中指出，高效加工在某種程度上可以涵蓋高速加工，雖一字之差，高速加工卻不等于高效加工。高速加工是通過高切削速度來加以體現，主要目的是提高加工效率和表面質量。而高效加工包括更加廣泛的技術、經濟和社會內涵。“從不同的視角去看，高效加工關注重點也有所不同。”張教授強調。

　　張教授從三個視角為我們指引了制造企業的未來之路——技術視角：聚焦高效率。高效率是指該系統單位時間內的材料切除體積或加工的零件數量，即切削過程的效率，而非僅僅是切削速度。環境視角：聚焦高能效。順應發展低碳經濟的潮流，實現單位產出的能耗最小和廢棄物最少，資源利用最有效。經濟視角：聚焦高效益。是指社會和經濟綜合效益最高，而非僅僅是加工的成本或利潤。

　　談到聚焦高能效——高能效機床的愿景時，張教授表示應該從產品的整個生命周期審視，力求逐步實現：機床零部件由再生材料制造(循環、節能)；機床重量和體積減少40%以上(省材、節能)；能源消耗減少30~40%(減輕移動部件質量、提高傳動效率、降低空轉功率等節能措施)；使用過程的廢棄物減少50~60%(減排)；報廢機床的材料100%可回收(循環、減排)。“輕量化方面，新材料的加工值得關注”，張教授說，采用碳素纖維、工程陶瓷和夾心材料制造機床移動部件，可以減少重量，從而降低慣性力的負面影響以及驅動所需的功率。采用天然花崗石或人造花崗石(樹脂混凝土)制造機床床身等非移動部件，可以提高機床的動態性能和熱穩定性。

　　“減重節能、動態補償，這是一種全新的機床節能的概念：大幅度減少機床移動部件的重量，既節省材料；又可降低機床使用時的驅動功率(能源消耗)”。張教授介紹說，傳統的理念是：只有足夠的剛度才能保證加工精度，提高剛度就必然要增加機床部件的重量。而保證剛度和減少重量難道誓不兩立？而分析表明：機床重量的80%是用于“保證”機床的剛度，而只有20%用于滿足機床運動學的需要；因此機床結構優化的空間很大。

　　張教授又詳細介紹了聚焦高效益——MQL(微量潤滑)，他說，通常在切削加工中需要切削液(冷卻潤滑液)。切削液的采購、存貯、使用和廢棄處置需要專門的技術和物流系統，費用很高，大約占加工成本10%~15%。同時，冷卻液的使用與處置不當會對環境造成污染，甚至對人的健康造成危害。隨著對環保的重視，處置切削液的維護成本和廢棄費用不斷上升。

　　目前花費在冷卻的總費用已經是刀具費用的2~3倍，采用微量潤滑MQL或干切削，正作為節省成本和節能減排的措施替代某些濕切削加工過程。MQL能幫助加工企業降低成本、提高刀具壽命、加工效率及加工精度。

　　“數控機床的發展趨勢不僅是高速化，高速加工最終目標是提高生產效率和加工質量，與高效加工是一致的。高效加工除了提高加工效率外，還關注能源利用效率，以應對歐盟即將出臺的機床能效指令。”張教授說，目前機床用于切削的功率僅占總功率的25%，驅動、輔助裝置和損耗卻占75%，節能或提高能效大有可為。提高機床能效的主要途徑是：采用新結構和新材料減輕部件重量達到節能，而采用干切削和MQL可實現節能減排。