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現(xiàn)代數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 

    從世界范圍觀察中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展可以看出，中國(guó)制造業(yè)近年發(fā)展迅速。對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具行業(yè)來(lái)說(shuō)，這意味極大的市場(chǎng)。而在這種背景下，中國(guó)低水平的制造成本是*的事實(shí)。從勞動(dòng)生產(chǎn)率看，有統(tǒng)計(jì)資料表明，中國(guó)和德、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，大約差距3～5倍。如此大的市場(chǎng)，低水平的勞動(dòng)生產(chǎn)率，再加上制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具行業(yè)來(lái)說(shuō)，既是機(jī)遇，更是挑戰(zhàn)。市場(chǎng)對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具的需求，不僅是量的增長(zhǎng)，更重要的是質(zhì)的提高。從用戶行業(yè)看，有七大行業(yè)對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具的需求量zui為顯著。 

　　模具制造業(yè)是數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具用量zui大的行業(yè)之一。在模具制造過程中，成型模、熱作模、冷作模、塑模等幾乎所有環(huán)節(jié)中都需要用到數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具。此外，汽車、高速列車、一般機(jī)械制造業(yè)、以及近年來(lái)逐漸擴(kuò)大用量的木材加工業(yè)都已成為數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具行業(yè)的主要用戶。 

　　航空航天業(yè)是zui傳統(tǒng)也是zui為重要的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具應(yīng)用領(lǐng)域。在該行業(yè)中，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具一般用來(lái)切削飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。這些結(jié)構(gòu)件一般體積較大，過去大量采用鋁合金。隨著鈦合金、復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具加工的要求也越來(lái)越高。 

　　作為國(guó)家重點(diǎn)扶持工業(yè)之一，近年來(lái)，政府已投入大量資金用于航空航天業(yè)大型客機(jī)的研發(fā)。這些研發(fā)是方方面面的，我們抽出與數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具有關(guān)的方面來(lái)分析，著重研討結(jié)構(gòu)件材料的使用。 

　　從的波音787機(jī)身可以看出，過去大量采用鋁合金直接覆蓋的方法已逐漸被舍棄，取而代之的是復(fù)合材料的直接鋪設(shè)和纏繞。此外，鈦合金的用量也在增加。與過去相比，新的方法可大大降低飛機(jī)重量，節(jié)省燃油和能耗，對(duì)大型客機(jī)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤其重要。 

　　鈦合金是*的難加工材料。只需要鋪設(shè)和纏繞的復(fù)合材料看似不需要很大的加工量，但是對(duì)加工質(zhì)量的要求卻越來(lái)越高。對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具行業(yè)來(lái)說(shuō)，這都是不小的挑戰(zhàn)。除了機(jī)身結(jié)構(gòu)件外，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的加工也是一個(gè)難點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用難加工材料制成，形狀復(fù)雜，需要切槽鉆孔、葉片加工等工序，對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具的實(shí)際切削效果要求非常高。此外，為滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的高質(zhì)量要求，一般情況下都選用整體毛坯來(lái)加工，90%以上的材料都將被切除掉，由于加工量大，因此對(duì)加工效率要求*。 

　　切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 

　　從數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具發(fā)展歷程看，從十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)中期，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具材料以高速鋼為主要代表；1927年德國(guó)首先研制出硬質(zhì)合金數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具材料并獲得廣泛應(yīng)用；二十世紀(jì)50年代，瑞典和美國(guó)分別合成出人造金剛石，切削數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具從此步入以超硬材料為代表的時(shí)期。二十世紀(jì)70年代，人們利用高壓合成技術(shù)合成了聚晶金剛石（PCD），解決了天然金剛石數(shù)量、價(jià)格昂貴的問題，使金剛石數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到航空、航天、汽車、電子、石材等多個(gè)領(lǐng)域。 

　　數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具材料的選擇是切削加工成功的基礎(chǔ)。與硬質(zhì)合金相比，PCD數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具速度可達(dá)4000m/min，而硬質(zhì)合金只有其1/4。從壽命上看，PCD數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具一般能提高20倍。從加工出的表面質(zhì)量看，PCD的效果比硬質(zhì)合金要好30%～40%。此外，CBN（立化氮化硼）超硬材料數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具和表面涂層數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具的發(fā)展對(duì)推動(dòng)切削加工技術(shù)的進(jìn)步也功不可沒。 

　　一百多年來(lái)，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具的切削速度不斷提高，帶來(lái)了加工效率的變化，進(jìn)一步帶來(lái)了加工范圍的拓展。切削加工發(fā)展的zui大標(biāo)志，就是高速切削加工（high speed cutting，簡(jiǎn)稱HSC）的發(fā)展。 

　　一個(gè)高速切削加工系統(tǒng)所涉及的方面很多。僅從加工過程上看，傳統(tǒng)的切削加工，一個(gè)被加工工件（如模具），需要經(jīng)過毛坯退火—粗加工—精加工—淬火—EDM準(zhǔn)備—電火花加工—特別的精加工—人工拋光等程序。而高速加工僅需要毛坯淬火—粗加工—半精加工—精加工以及超精加工等環(huán)節(jié)，從步驟上來(lái)說(shuō)就減少了三個(gè)，加工時(shí)間比傳統(tǒng)加工方法縮短30%～50%左右；在加工小尺寸部件時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)尤其明顯。更有甚者，過去某些企業(yè)制作復(fù)雜的模具，基本上都需要3、4個(gè)月才能交付使用，采用高速切削加工后，只需要半個(gè)月便可完成。 

　　一個(gè)高速切削加工系統(tǒng)，由數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具和技術(shù)兩部分組成。與數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具相關(guān)的因素有數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具材料的選擇、數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具需加工的邊緣形狀。而與技術(shù)密切相關(guān)的是CAD/CAM系統(tǒng)的選擇、數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具加工路徑的規(guī)劃、切削參數(shù)的設(shè)置以及冷卻與潤(rùn)滑環(huán)節(jié)。 

　　自高速切削普及以來(lái)，從1950年至2000年的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，加工效率提高了4～5倍。當(dāng)然，需要提到的是，高速切削一般是由其加工物件來(lái)定義其“高速”的范圍。 

　　數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具在全部加工成本中所占比重并不大。我們以汽車業(yè)某制造過程為例來(lái)分析：機(jī)床等設(shè)備投資占總成本35%，設(shè)備工作時(shí)的能耗占7%，企業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)成本占27%，冷卻及潤(rùn)滑成本占17%，直接人工占9%，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具占4%。無(wú)*偶，機(jī)床加工鋁合金工件的批量生產(chǎn)成本中，冷卻及潤(rùn)滑占16%，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具4%，其他加工成本占80%。可以看出，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具在整個(gè)成本中，僅占了極小的一部分。但是，不可忽視的是，這4%成本的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具，卻可能影響到10%～15%的整體加工效率。 

　　對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具來(lái)說(shuō)，zui關(guān)鍵的因素有三個(gè)：成本、壽命、效率。有實(shí)驗(yàn)表明，若數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具成本降低30%，整體成本大約降低1%；若提高50%的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具壽命，整體成本大約降低1%；但是，若盡可能的優(yōu)化切削參數(shù)，提高20%的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具加工效率，那么，每一個(gè)工件整體成本能降低15%以上。 

　　當(dāng)然，要全面提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，不僅應(yīng)通過高速切削減少工件的切削加工時(shí)間，還需大力壓縮加工輔助時(shí)間（含機(jī)床調(diào)整、程序運(yùn)行檢查、空行程、起制動(dòng)空運(yùn)轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾、換刀等時(shí)間）、待機(jī)時(shí)間和故障停機(jī)時(shí)間，因?yàn)樵诙嗥贩N小批量生產(chǎn)條件下，機(jī)床的有效切削時(shí)間一般只占其全部工時(shí)的25%～35%?？梢姡咚偾邢魍?，如何更加有效的加工，是制造業(yè)面臨的重要課題之一。 

　　目前，綠色加工技術(shù)已成為的熱點(diǎn)，這個(gè)綠色，包括了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、。從環(huán)保角度看，一方面是高速加工帶來(lái)能耗的降低，另一方面，冷卻液與潤(rùn)滑液的選擇是非常關(guān)鍵。如上所述，冷卻液的成本在整體成本中所占比例頗高，達(dá)到16%左右。潤(rùn)滑與冷卻的效果與整體的加工效率也非常相關(guān)，尤其是對(duì)難加工材料，如鈦合金，切削到一定程度后，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。隨高速切削的發(fā)展，冷卻液澆注時(shí)，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具經(jīng)常出現(xiàn)熱裂的情況，導(dǎo)致數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具壽命降低，這一點(diǎn)需要改進(jìn)。 

　　總之，在加工技術(shù)中，高精度、率、低成本、環(huán)保，及結(jié)果的可預(yù)見性，都將是明顯的趨勢(shì)。這個(gè)可預(yù)見性，是指加工結(jié)果必須是可預(yù)測(cè)的、可控制的，而不是隨機(jī)的。這就要求操作者對(duì)加工技術(shù)有更深的理解。 

　　對(duì)現(xiàn)代制造方式的探討 

　　何謂現(xiàn)代制造？首先是硬件方面的現(xiàn)代，這包括*的機(jī)床、數(shù)控加工系統(tǒng)、*數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具的使用；在軟件方面，一是冷卻及潤(rùn)滑技術(shù)及條件的改進(jìn)，二是切削參數(shù)的優(yōu)化（即加工技術(shù)的優(yōu)化）。我國(guó)航空航天業(yè)，政府投資購(gòu)進(jìn)了大量*設(shè)備，但是發(fā)現(xiàn)仍然不能實(shí)現(xiàn)很好的加工。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)是軟件方面需要做出改進(jìn)。可見，現(xiàn)代制造不僅僅需要投資大量的*儀器設(shè)備，更應(yīng)該在知識(shí)及*技術(shù)方面更好地進(jìn)行武裝。 

　　切削參數(shù)方面的調(diào)整，在不同企業(yè)有不同做法，是見仁見智的事情，這里就不再贅述。從數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具本身來(lái)說(shuō)，zui重要的，是提高數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具的使用壽命。如上所述，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具使用壽命與冷卻潤(rùn)滑的條件與方式息息相關(guān)。高速切削同時(shí)促進(jìn)了綠色的冷卻/潤(rùn)滑技術(shù)。這里介紹一項(xiàng)關(guān)于冷卻潤(rùn)滑的新技術(shù)。如果把氮?dú)饧由侠涞挠挽F潤(rùn)滑（10°C以下），可提高數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具壽命10倍。同時(shí)，可提高加工效率，減少污染，提高表面加工質(zhì)量。特別適合難加工材料，如鈦合金的加工。加工時(shí)產(chǎn)生的偏差，直接影響工件的切削加工質(zhì)量。導(dǎo)致加工偏差的因素很多，比如工件內(nèi)應(yīng)力的分布、工件的安裝與夾緊、工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、數(shù)控折彎?rùn)C(jī)模具變形程度、機(jī)床的精度、剛度與熱特性、工件受力變形、工件熱變形等。