高效切削技術在汽車制造業中的應用和發展

當前汽車制造業發展的特點是競爭加劇，如何能不斷提高生產效率、降低制造成本，以具有競爭力的價格向客戶提供高質量的產品，及時滿足用戶日益增長的需求，成為汽車制造業各企業共同關注的焦點。汽車生產的柔性化要求提高，要求能夠根據市場的需求及時推出新的產品或獲轉換新的型號生產，當市場對某種產品有需求時必須抓住機遇生產出足夠滿足市場需要的產品。汽車制造有大量零部件需要進行切削加工，具有技術密集程度高、生產批量大、制造節拍快的特征，汽車制造業使用的刀具不僅要求其切削性能好、工作壽命長，還要求其具有高度的穩定性，同時還要具有很高的性能價格比，金屬切削和刀具技術作為機械加工工藝環節最活躍的因素，成為提高生產效率和加工質量、降低制造成本的關鍵技術之一。
    汽車及其零部件制造特別是新工廠、新項目的制造過程越來越多地向著高速加工的方向發展，越來越多地采用數控高速加工心，很多加工心機床的主軸轉速已可達數萬轉。同時快速進給也得到很大發展，配合高速加工，采用密齒銑刀，提高進給速度，如在鋁合金變速箱零件的加工，有的面的銑削進給速度達15m/min以上，甚至可達18m/min以上。
    為了提高生產效率，在汽車零部件的加工，減少或合并加工工序的趨勢也很明顯，例如取消半精加工，粗加工后直接進行精加工，粗鏜后直接精鏜，鉆孔后精鉸一次到位，面粗銑后一次精銑達到要求，在粗加工盡可能多地切除加工余量，隨后的一次精加工直接保證加工尺寸和形狀、位置精度以及表面加工質量，這就對機床和刀具都提出了很高的要求。
    新型硬質合金刀具和超硬刀具廣泛使用
    面對高效加工的需要，刀具材料發生了很大變化，新型硬質合金刀具和超硬刀具在當代汽車制造業獲得了廣泛使用，尤其是在鉆削、鉸削、銑削、車削等加工。
    新型硬質合金刀具近年來發展很快，其具有高的硬度和良好的綜合切削性能，同時又具有合適的性能價格比，已在汽車制造業得到了應用并取得了良好的效果。目前硬質合金刀具正在發展新的配方，采用新的成形和燒結技術，向著采用納米技術和超細粉末、開發兼具高硬度和韌性的新型硬質合金刀具的方向發展。
    同時，超硬刀具在汽車制造業獲得了越來越廣泛的應用，其主要是CBN（立方氮化硼），PCD（聚晶金剛石）刀具和陶瓷刀具的應用。如氣缸體缸孔的加工在半精鏜和精鏜工序很多就采用了CBN刀片，切削速度可達800m/min，刀具壽命也大為延長。
    PCD刀具由于其極高的硬度，在加工鋁制工件及其他有色金屬及其合金時使用壽命極高，近年來隨著汽車制造業大量應用輕型材料（如鋁合金、復合材料等），PCD刀具的應用也大量增加。現在汽車發動機的汽缸體、汽缸蓋、變速箱的殼體、閥體、槽體、側蓋等零件很多都采用鋁合金材料，這些零件的加工就大量采用了PCD刀具，取得很好的效果，一般每把刀的壽命都在幾千件工件左右，長的可達1.5萬至2萬件，如在變速箱殼體的某些工序加工，將原來采用的硬質合金鏜刀改為PCD刀具，刀具壽命甚至可從原來的3000件提高到數萬件，其經濟效益是非常明顯的。
    另外，陶瓷刀具也是一種有發展前途的、目前正在汽車制造業不斷獲得應用的刀具，由于其有很高的硬度同時又具有極具競爭力的價格，在某些加工，陶瓷刀具可用來代替CBN刀具，如在一種直列四缸發動機鑄鐵缸體的缸蓋面的銑削加工，將一種新型陶瓷刀具代替原來使用的CBN刀具就獲得了成功，刀具成本可降低35%以上。在鑄鐵缸體缸孔的粗鏜和半精鏜，很多情況下都采用了陶瓷刀具，陶瓷刀具的主要缺點是其較脆，因此在連續切削的情況下優點較明顯，另外也需避免刀具受到突然和局部的溫度變化而引起裂紋，因此一般都是進行干切削。
    刀具涂層的開發和涂層刀具的應用
    由于汽車制造業高效加工的苛刻工況，僅依賴于刀具材料的改進還是遠遠不能滿足需求的，表面工程技術、摩擦學技術及其涂層的應用和發展，為提高刀具的切削性能和工作壽命作出了很大貢獻。
    目前在汽車制造業所用刀具上采用較多的涂層有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出現的AlCrN涂層等等，在鉆頭、鉸刀、齒輪滾刀、絲錐上都獲得很好的應用效果，汽車行業所用的硬質合金刀具刀片大部分都進行了涂層，刀具壽命明顯提高，應用涂層的刀具的基體材料范圍也很廣，包括高速鋼、硬質合金、陶瓷等等，例如在使用陶瓷刀具對發動機氣缸體缸蓋結合面進行銑削的加工，進行了涂層的刀具比未經涂層的刀具，壽命可提高20%以上。而且隨著對刀具重磨要求的提高，越來越多的重磨后的刀具需要進行重新涂層，使涂層的應用有了更廣闊的前景，同時如何使修磨后重新涂層的刀具達到原有新刀具的性能水平，還需要涂層廠家和涂層刀具用戶共同付出更大的努力。
    目前汽車制造業越來越多的采用鋁合金材料，鋁件加工越來越多，但某些在鑄鐵和鋼件加工應用效果較好的涂層，在鋁件加工不一定能取得好的效果，因此現在有的涂層企業開發出了某些更適合于鋁件加工的刀具用涂層，如最近就有氮鋁化鈦加碳化鎢的復合涂層，在鋁件上加工有較好的效果。覆有類金剛石涂層的刀具對于加工鋁件也有較好的效果，應用在硬質合金刀具上形成和覆蓋類金剛石涂層的方法，可使得具有復雜形狀、或開有斷屑槽的刀具也能具有某些金剛石刀具的加工性能。
    目前刀具涂層的開發研究和在汽車制造業的應用研究都有加速的趨勢，正向著納米級和多層化的方向發展，由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合性能的要求，因此涂層成份將趨于多元化、復合化；在復合涂層，各單一成分涂層的厚度將越來越薄，層數也越來越多，有的已達400多層；涂層的研究和開發過程將更注重切削摩擦學的應用，切削摩擦學的理論和試驗及涂層評定方法將有利于新涂層的開發和應用推廣，新涂層工藝將為滿足不同的切削加工要求，提供更具針對性的適用涂層．
    復合刀具的發展及其標準化
    在汽車制造業為達到高效加工的目的，大量使用了組合式刀具和復合刀具，以簡化工序、減少刀具數量、減少換刀時間和降低加工節拍時間，現在，還出現了鉆孔和螺紋加工在一起的組合式刀具，這種復合刀具的前部用于鉆孔，緊接著是刀具的螺紋加工部分，在螺紋底孔被鉆出來后，該刀具即進行螺紋的銑削加工，僅用一把刀具即完成該孔的全部加工，已在發動機氣缸體上某些孔的加工獲得應用，以減少換刀的輔助時間，滿足生產節拍的要求。
    由于組合式刀具的應用大大提高了生產效率，但也增加了非標刀具的種類和數量，增加了對刀具管理的要求，特別是在刀具非正常消耗發生時，增加了快速獲得替代刀具的困難和影響生產線正常生產的風險。因此怎樣做到既能保證為獲得高的生產率而大量采用復合刀具，又能盡可能地使刀具實現標準化，就成為刀具制造業和汽車制造業需要共同關注和研究解決的問題，需要制定一些相關的標準，開發定向于平臺的刀具，建立一些標準的復合刀具結構，根據生產任務合理的組合或者變換切削及功能模塊，并在這種復合刀具盡可能地采用標準刀片，以快速價廉地制造各種專用刀具，這樣將會大大降低刀具制造、采購和庫存成本，縮短刀具供貨時間，并顯著提高出現刀具非正常消耗時的應急能力和快速響應能力。