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現(xiàn)代金屬切削技術對銑刀生產模式的影響
- 發(fā)布日期：17-03-14 17:11
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從 20 世紀 80 年代開始，金屬切削技術在工業(yè)發(fā)達國家獲得了快速發(fā)展，至 20 世紀末 21 世紀初進入了以高速加削、高效切削為主要技術特征的“現(xiàn)代切削技術”新階段?；仡櫄v史，切削加工成為一門專業(yè)技術始于 19 世紀末 20 世紀初，至今已走過了整整一個世紀的歷程。切削技術自問世后，就一直作為制造技術的基礎工藝發(fā)揮著重要作用，為工業(yè)發(fā)達國家的工業(yè)化及經濟發(fā)展做出過重要貢獻。盡管在此過程中，切削技術本身也取得了不小的進步，但是直至 20 世紀六七十年代，總體上并沒有超越傳統(tǒng)切削技術的范疇，其最突出的標志是銑刀的開發(fā)及生產，與銑刀的使用及用戶基本上時相互分離的，沒有形成相互促進、共同發(fā)展的機制。
進入 20 世紀后半頁以來，由于計算機、微電子等新興科學技術以及與切削技術緊密相關的材料科學的快速發(fā)展，切削技術隨著制造業(yè)的發(fā)展和制造技術的進步也得到了快速發(fā)展，并進入了現(xiàn)代切削技術的新階段。與傳統(tǒng)的切削技術相比，現(xiàn)代切削技術不僅體現(xiàn)為切削速度更快、加工效率更高，而且形成了新的發(fā)展機制和模式，顯現(xiàn)出新的技術特點，成為推動制造業(yè)和現(xiàn)代制造技術發(fā)展的重要技術因素。
1、現(xiàn)代切削技術的發(fā)展機制
在切削技術問世后相當長的一段時期內，有一個問題始終困擾著工具行業(yè)和銑刀用戶，即如果使用價格較貴的好銑刀進行切削價格，雖然可以提高切削效率，但會增加制造成本，用戶認為那得不償失。因此，許多用戶舍不得花較多的錢買好的銑刀，或者買了好刀后擔心銑刀很快用壞，將銑刀壽命定得很長。這些觀念和做法阻礙了銑刀的更新，影響了銑刀制造商開發(fā)新銑刀的積極性，制約著切削效率的提高和切削技術的進步。
一個制造經濟學的成本模型揭示了應用好的銑刀與降低制造成本之間的內在關系。這一模型將零件制造成本分解為可變成本（銑刀、材料）和固定成本（管理、勞動力、機床使用）兩部分。
零件的制造成本劃分如下：
以上表格中列出的這些數字以百分比的方式表示每個零件的平均成本。可以看出，切削銑刀的成本只占總成本的 3% ，折以為這銑刀壽命或價格方面的改善，只能提供很小的節(jié)省，這些數字還說明了銑刀的哪些方面具有更大的節(jié)省潛力。
根據這一成本比例，可得出以下結論：如果消極地追求降低銑刀費用，其結果只能是降低零件制造成本中很少的百分數，例如降低銑刀費用 50% ，零件制造成本也只能下降約 2% ，且未考慮因使用廉價銑刀而增加的停機時間或降低切削用量可能增加的成本費用。如果使用好的銑刀，雖然銑刀費用可能增加，但由于可以提高切削速度或進給量——譬如提高 20% ——則可使占零件制造成本 70% 以上的加工費用下降 10% 以上，大大高于由節(jié)省銑刀費用所產生的 2% 的效益。目前在切削行業(yè)較為通行的說法是：提高切削速度或進給速度 15%～20% ，可以降低制造成本 10%～15% 。許多成本分析案例還表明，盡管好的銑刀價格較貴，但由于提高了加工效率，分攤到每一工件上的銑刀費用不但沒有增加反而會有所減少。
該成本分析模型還表明，在使用好的銑刀是，如果不注重提高切削效率而只是追求延長銑刀壽命，對于降低制造成本只能收到十分有限的效果，甚至可能適得其反。
2、現(xiàn)代切削技術的技術特征
切削加工進入現(xiàn)代切削技術新階段，不僅反映在將切削技術的發(fā)展建立在銑刀制造商與銑刀用戶相互聯(lián)動的機制上，而且還在此基礎上表現(xiàn)出以下明顯的技術特征：
（1）高速切削、高效切削、硬切削、干切削、等新的切削工藝全面突破了傳統(tǒng)切削技術再提高加工效率方面遇到的技術障礙，從整體上改變了切削加工的面貌。
這些新工藝應用于汽車、航空、模具、裝備制造業(yè)等切削加工“大戶”，不僅成倍地提高了加工效率，而且推動了產品開發(fā)和工藝革新。例如，航空制造業(yè)出現(xiàn)鋁合金構件高速銑削工藝后，是飛機大型結構件不必再用組件進行裝配，而可以用整體薄壁鋁合金構件替代，不但減輕了構件重量，增加了構件強度和剛性，而且提高了加工質量，降低了制造成本。以大批量生產為特點的汽車工業(yè)更是研發(fā)和應用切削新工藝的先鋒，開發(fā)了許多加工發(fā)動機、變速箱等主要零部件的高效新工藝，使生產時間大大縮短。近年來，快速發(fā)展的模具工業(yè)可以說是與高效模具切削工藝一同成長，大型模具高速銑削和淬硬模具銑削工藝改變了傳統(tǒng)的模具加工工藝，大大縮短了模具開發(fā)周期，而且為適應模具工業(yè)快速發(fā)展的需要，已形成了專門面向模具加工的“模具銑刀”新系列，成為現(xiàn)代切削銑刀重發(fā)展最快的門類。
與此同時，傳統(tǒng)的車、銑、鉆、等切削工藝的界限不斷被打破，出現(xiàn)了一些新的切削加工方法。如新推出的銑刀可作為孔加工銑刀進行鉆孔和擴孔，減少了換刀時間，提高了加工效率；又如能高效去除模腔金屬的插銑刀、加工曲軸的車拉工藝、在復合車削中心上以銑代車的銑車工藝、用硬質合金螺紋銑刀代替硬質合金機絲錐的螺紋高速加工工藝等。切削工藝不斷推陳出新，呈現(xiàn)出蓬勃生機，開拓者制造技術的新領域。
此外，隨著各種復合機床及“一臺機床或一次裝夾完成全部加工”技術的發(fā)展，一些復合銑刀的提供也越來越多，將近一步改變切削加工的傳統(tǒng)概念。
（2）銑刀材料和涂層技術取得了重大進展，為現(xiàn)代切削技術的誕生奠定了重要物質基礎。
硬質合金、陶瓷、PCD、CBN 等超硬銑刀材料性能的全面進步，以及涂層技術的發(fā)展使得高速切削、高效切削、硬切削、干切削等先進的切削技術得以實用化，使切削加工各領域的價格效率全面提高。
可以說，新型銑刀材料（尤其是硬質合金）和涂層技術的重大進展是構成現(xiàn)代切削技術的重要物質基礎，并且是支持現(xiàn)代切削技術持續(xù)發(fā)展的核心技術，對切削技術的發(fā)展起著主要推動作用。目前，世界上著名工具企業(yè)的成長和發(fā)展無不建立在這兩項核心技術的基礎之上。認識到這一點對于規(guī)劃我國工具工業(yè)的發(fā)展方向具有重要意義。目前我國只有個別銑刀制造商擁有硬質合金材料和涂層技術這兩種核心資源，這種現(xiàn)狀與現(xiàn)代切削技術發(fā)展的要求很不相稱，必須加以改變。我國是鎢資源大國，開發(fā)生產銑刀材料有著得天獨厚的條件，發(fā)展先進銑刀材料，將資源優(yōu)勢轉變?yōu)楫a品優(yōu)勢、競爭優(yōu)勢，是中國工具工業(yè)的重任；創(chuàng)建自主的銑刀材料品牌應成為中國工具工業(yè)的特色和強項，從而為發(fā)展我國乃至推進世界切削技術的進步發(fā)揮應有的作用。
（3）在“量體裁衣、系統(tǒng)優(yōu)化”的思想指導下，銑刀新牌號、新產品的創(chuàng)新速度大大加快，為制造業(yè)不斷提供新的效率資源。
銑刀作為一種工具，是制造系統(tǒng)中最具活力的工藝因素，處于不斷創(chuàng)新的過程中。在現(xiàn)代切削技術階段，銑刀的發(fā)展有兩大特點：①創(chuàng)新速度加快。新的材料牌號、新的涂層產品、新的銑刀（片）結果、新的銑刀柄及裝夾技術、新的加工方法等層出不窮。這些新產品或者提高切削速度，降低制造成本，或者提高加工質量，各具特色。②系統(tǒng)優(yōu)化創(chuàng)新。切削加工因為不同的加工零件、性質多變的工件材料及具體的加工條件而千差萬別，呈現(xiàn)出多樣性和復雜性。要取得好的加工結果，應該采用最適合具體加工對象的銑刀。對銑刀材料、涂層和刀片槽形、幾何參數或結構進行系統(tǒng)優(yōu)化的基礎上，現(xiàn)在新開發(fā)的一種涂層硬質合金牌號往往可比原有牌號提高切削效率 20% 以上，有的甚至可達 50% 以上。一種新的銑刀產品能提供一種新的加工效果，或顯著提高加工效率。數控磨削技術的廣泛利用，使復合銑刀的制造變得更加靈活、快捷，多功能復合銑刀可以減少換刀時間，提高機床利用率。有的銑刀具有減小切削力、抑止切削振動、有利于排屑等功能，可產生延長銑刀壽命、提高加工質量的效果。這些建立在新的切削原理與制造技術基礎上優(yōu)化開發(fā)的新產品具有強大的生命力。
數控萬能工具磨床的廣泛應用，使銑刀的生產與提供融入到機械制造企業(yè)的工藝過程中，使企業(yè)在銑刀的研發(fā)上具有了自主創(chuàng)新的能力。銑刀開發(fā)、生產、供應與用戶直接融合成為一體，可以快速幫助具體生產對象找到加工問題的解決方案、開發(fā)新工藝等，全面提高了企業(yè)的工作效率和加工能力。利用數控工具磨床進行銑刀的創(chuàng)新與開發(fā)，不僅可使企業(yè)能夠充分享用優(yōu)良的技術資源，同時也使先進銑刀的開發(fā)獲得了取之不竭的創(chuàng)新源泉，加快自主創(chuàng)新的步伐。
（4）現(xiàn)代切削技術的內涵擴大。切削加工進入現(xiàn)代切削技術新階段以后，相應出現(xiàn)了許多新的相關技術，并成為現(xiàn)代切削技術不可缺少的組成部分，使切削技術的內涵擴大。高速切削技術的發(fā)展就要求開發(fā)與高速加工中心相關的技術，包括高速主軸、快速進給、高的加（減）速技術以及適合高速切削的數控系統(tǒng)等；開發(fā)與高速銑刀相關的技術包括 HSK（空心短錐柄）刀柄、7：24 兩面接觸刀柄、高速旋轉銑刀的安全技術（包括銑刀的結構、安全認證、安全使用等）和銑刀動平衡技術（包括可調平衡的銑刀和刀柄、銑刀動平衡規(guī)范、動平衡測試儀器等）。建立在數控磨削基礎上的銑刀開發(fā)也要考慮這方面的要求，在銑刀設計方面要考慮結果的對稱性、動平衡過程，甚至要考慮銑刀與動平衡液壓夾頭、熱裝夾頭、力縮夾頭等新型刀具夾頭及刀具裝調技術的銜接。
此外，為了提高銑刀利用率、降低銑刀管理成本，針對本企業(yè)的工藝要求特點，開發(fā)刀具管理軟件、相應的切削數據庫等配套技術，用現(xiàn)代信息技術提高切削加工的整體水平，形成本企業(yè)銑刀的配套開發(fā)優(yōu)勢，使銑刀的技術提升保持與使數控工具磨床發(fā)揮出應有的功能。
進入 20 世紀后半頁以來，由于計算機、微電子等新興科學技術以及與切削技術緊密相關的材料科學的快速發(fā)展，切削技術隨著制造業(yè)的發(fā)展和制造技術的進步也得到了快速發(fā)展，并進入了現(xiàn)代切削技術的新階段。與傳統(tǒng)的切削技術相比，現(xiàn)代切削技術不僅體現(xiàn)為切削速度更快、加工效率更高，而且形成了新的發(fā)展機制和模式，顯現(xiàn)出新的技術特點，成為推動制造業(yè)和現(xiàn)代制造技術發(fā)展的重要技術因素。
1、現(xiàn)代切削技術的發(fā)展機制
在切削技術問世后相當長的一段時期內，有一個問題始終困擾著工具行業(yè)和銑刀用戶，即如果使用價格較貴的好銑刀進行切削價格，雖然可以提高切削效率，但會增加制造成本，用戶認為那得不償失。因此，許多用戶舍不得花較多的錢買好的銑刀，或者買了好刀后擔心銑刀很快用壞，將銑刀壽命定得很長。這些觀念和做法阻礙了銑刀的更新，影響了銑刀制造商開發(fā)新銑刀的積極性，制約著切削效率的提高和切削技術的進步。
一個制造經濟學的成本模型揭示了應用好的銑刀與降低制造成本之間的內在關系。這一模型將零件制造成本分解為可變成本（銑刀、材料）和固定成本（管理、勞動力、機床使用）兩部分。
零件的制造成本劃分如下：
|
可變成本 （僅在生產中發(fā)生的成本） |
切削銑刀 | 3% |
| 工件材料 | 17% | |
|
固定成本 （所有時間都發(fā)生的成本） |
機械 | 27% |
| 勞動力 | 31% | |
| 廠房和管理 | 22% |
以上表格中列出的這些數字以百分比的方式表示每個零件的平均成本。可以看出，切削銑刀的成本只占總成本的 3% ，折以為這銑刀壽命或價格方面的改善，只能提供很小的節(jié)省，這些數字還說明了銑刀的哪些方面具有更大的節(jié)省潛力。
根據這一成本比例，可得出以下結論：如果消極地追求降低銑刀費用，其結果只能是降低零件制造成本中很少的百分數，例如降低銑刀費用 50% ，零件制造成本也只能下降約 2% ，且未考慮因使用廉價銑刀而增加的停機時間或降低切削用量可能增加的成本費用。如果使用好的銑刀，雖然銑刀費用可能增加，但由于可以提高切削速度或進給量——譬如提高 20% ——則可使占零件制造成本 70% 以上的加工費用下降 10% 以上，大大高于由節(jié)省銑刀費用所產生的 2% 的效益。目前在切削行業(yè)較為通行的說法是：提高切削速度或進給速度 15%～20% ，可以降低制造成本 10%～15% 。許多成本分析案例還表明，盡管好的銑刀價格較貴，但由于提高了加工效率，分攤到每一工件上的銑刀費用不但沒有增加反而會有所減少。
該成本分析模型還表明，在使用好的銑刀是，如果不注重提高切削效率而只是追求延長銑刀壽命，對于降低制造成本只能收到十分有限的效果，甚至可能適得其反。
2、現(xiàn)代切削技術的技術特征
切削加工進入現(xiàn)代切削技術新階段，不僅反映在將切削技術的發(fā)展建立在銑刀制造商與銑刀用戶相互聯(lián)動的機制上，而且還在此基礎上表現(xiàn)出以下明顯的技術特征：
（1）高速切削、高效切削、硬切削、干切削、等新的切削工藝全面突破了傳統(tǒng)切削技術再提高加工效率方面遇到的技術障礙，從整體上改變了切削加工的面貌。
這些新工藝應用于汽車、航空、模具、裝備制造業(yè)等切削加工“大戶”，不僅成倍地提高了加工效率，而且推動了產品開發(fā)和工藝革新。例如，航空制造業(yè)出現(xiàn)鋁合金構件高速銑削工藝后，是飛機大型結構件不必再用組件進行裝配，而可以用整體薄壁鋁合金構件替代，不但減輕了構件重量，增加了構件強度和剛性，而且提高了加工質量，降低了制造成本。以大批量生產為特點的汽車工業(yè)更是研發(fā)和應用切削新工藝的先鋒，開發(fā)了許多加工發(fā)動機、變速箱等主要零部件的高效新工藝，使生產時間大大縮短。近年來，快速發(fā)展的模具工業(yè)可以說是與高效模具切削工藝一同成長，大型模具高速銑削和淬硬模具銑削工藝改變了傳統(tǒng)的模具加工工藝，大大縮短了模具開發(fā)周期，而且為適應模具工業(yè)快速發(fā)展的需要，已形成了專門面向模具加工的“模具銑刀”新系列，成為現(xiàn)代切削銑刀重發(fā)展最快的門類。
與此同時，傳統(tǒng)的車、銑、鉆、等切削工藝的界限不斷被打破，出現(xiàn)了一些新的切削加工方法。如新推出的銑刀可作為孔加工銑刀進行鉆孔和擴孔，減少了換刀時間，提高了加工效率；又如能高效去除模腔金屬的插銑刀、加工曲軸的車拉工藝、在復合車削中心上以銑代車的銑車工藝、用硬質合金螺紋銑刀代替硬質合金機絲錐的螺紋高速加工工藝等。切削工藝不斷推陳出新，呈現(xiàn)出蓬勃生機，開拓者制造技術的新領域。
此外，隨著各種復合機床及“一臺機床或一次裝夾完成全部加工”技術的發(fā)展，一些復合銑刀的提供也越來越多，將近一步改變切削加工的傳統(tǒng)概念。
（2）銑刀材料和涂層技術取得了重大進展，為現(xiàn)代切削技術的誕生奠定了重要物質基礎。
硬質合金、陶瓷、PCD、CBN 等超硬銑刀材料性能的全面進步，以及涂層技術的發(fā)展使得高速切削、高效切削、硬切削、干切削等先進的切削技術得以實用化，使切削加工各領域的價格效率全面提高。
可以說，新型銑刀材料（尤其是硬質合金）和涂層技術的重大進展是構成現(xiàn)代切削技術的重要物質基礎，并且是支持現(xiàn)代切削技術持續(xù)發(fā)展的核心技術，對切削技術的發(fā)展起著主要推動作用。目前，世界上著名工具企業(yè)的成長和發(fā)展無不建立在這兩項核心技術的基礎之上。認識到這一點對于規(guī)劃我國工具工業(yè)的發(fā)展方向具有重要意義。目前我國只有個別銑刀制造商擁有硬質合金材料和涂層技術這兩種核心資源，這種現(xiàn)狀與現(xiàn)代切削技術發(fā)展的要求很不相稱，必須加以改變。我國是鎢資源大國，開發(fā)生產銑刀材料有著得天獨厚的條件，發(fā)展先進銑刀材料，將資源優(yōu)勢轉變?yōu)楫a品優(yōu)勢、競爭優(yōu)勢，是中國工具工業(yè)的重任；創(chuàng)建自主的銑刀材料品牌應成為中國工具工業(yè)的特色和強項，從而為發(fā)展我國乃至推進世界切削技術的進步發(fā)揮應有的作用。
（3）在“量體裁衣、系統(tǒng)優(yōu)化”的思想指導下，銑刀新牌號、新產品的創(chuàng)新速度大大加快，為制造業(yè)不斷提供新的效率資源。
銑刀作為一種工具，是制造系統(tǒng)中最具活力的工藝因素，處于不斷創(chuàng)新的過程中。在現(xiàn)代切削技術階段，銑刀的發(fā)展有兩大特點：①創(chuàng)新速度加快。新的材料牌號、新的涂層產品、新的銑刀（片）結果、新的銑刀柄及裝夾技術、新的加工方法等層出不窮。這些新產品或者提高切削速度，降低制造成本，或者提高加工質量，各具特色。②系統(tǒng)優(yōu)化創(chuàng)新。切削加工因為不同的加工零件、性質多變的工件材料及具體的加工條件而千差萬別，呈現(xiàn)出多樣性和復雜性。要取得好的加工結果，應該采用最適合具體加工對象的銑刀。對銑刀材料、涂層和刀片槽形、幾何參數或結構進行系統(tǒng)優(yōu)化的基礎上，現(xiàn)在新開發(fā)的一種涂層硬質合金牌號往往可比原有牌號提高切削效率 20% 以上，有的甚至可達 50% 以上。一種新的銑刀產品能提供一種新的加工效果，或顯著提高加工效率。數控磨削技術的廣泛利用，使復合銑刀的制造變得更加靈活、快捷，多功能復合銑刀可以減少換刀時間，提高機床利用率。有的銑刀具有減小切削力、抑止切削振動、有利于排屑等功能，可產生延長銑刀壽命、提高加工質量的效果。這些建立在新的切削原理與制造技術基礎上優(yōu)化開發(fā)的新產品具有強大的生命力。
數控萬能工具磨床的廣泛應用，使銑刀的生產與提供融入到機械制造企業(yè)的工藝過程中，使企業(yè)在銑刀的研發(fā)上具有了自主創(chuàng)新的能力。銑刀開發(fā)、生產、供應與用戶直接融合成為一體，可以快速幫助具體生產對象找到加工問題的解決方案、開發(fā)新工藝等，全面提高了企業(yè)的工作效率和加工能力。利用數控工具磨床進行銑刀的創(chuàng)新與開發(fā)，不僅可使企業(yè)能夠充分享用優(yōu)良的技術資源，同時也使先進銑刀的開發(fā)獲得了取之不竭的創(chuàng)新源泉，加快自主創(chuàng)新的步伐。
（4）現(xiàn)代切削技術的內涵擴大。切削加工進入現(xiàn)代切削技術新階段以后，相應出現(xiàn)了許多新的相關技術，并成為現(xiàn)代切削技術不可缺少的組成部分，使切削技術的內涵擴大。高速切削技術的發(fā)展就要求開發(fā)與高速加工中心相關的技術，包括高速主軸、快速進給、高的加（減）速技術以及適合高速切削的數控系統(tǒng)等；開發(fā)與高速銑刀相關的技術包括 HSK（空心短錐柄）刀柄、7：24 兩面接觸刀柄、高速旋轉銑刀的安全技術（包括銑刀的結構、安全認證、安全使用等）和銑刀動平衡技術（包括可調平衡的銑刀和刀柄、銑刀動平衡規(guī)范、動平衡測試儀器等）。建立在數控磨削基礎上的銑刀開發(fā)也要考慮這方面的要求，在銑刀設計方面要考慮結果的對稱性、動平衡過程，甚至要考慮銑刀與動平衡液壓夾頭、熱裝夾頭、力縮夾頭等新型刀具夾頭及刀具裝調技術的銜接。
此外，為了提高銑刀利用率、降低銑刀管理成本，針對本企業(yè)的工藝要求特點，開發(fā)刀具管理軟件、相應的切削數據庫等配套技術，用現(xiàn)代信息技術提高切削加工的整體水平，形成本企業(yè)銑刀的配套開發(fā)優(yōu)勢，使銑刀的技術提升保持與使數控工具磨床發(fā)揮出應有的功能。
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