敏捷制造的高效切削刀具研究

1 敏捷制造与高效切削技术

    敏捷制造(Agile Manufacturing，简称AM)是新一代生产模式，它是柔性制造和精益生产发展的结果，是制造业在经历了较少(或无)适应能力的刚性生产发展至反应式自适应的柔性生产之后，进入更高级的预反应自适应生产。敏捷制造的核心思想是以最快的速度、最优的质量、最大限度地满足用户的需求。机械制造业中敏捷制造的实施主要体现为：减少工装夹具和刀具的准备时间；提高切削速度和加工效率；最大限度地利用现有资源，减少更换设备，提高设备工装利用率；在最短的时间内完成新产品的生产，以最快速度占领市场。以敏捷的手段(如数控机床与高效刀具)，应用敏捷的生产方式(如高速切削与高效切削)，实施制造过程敏捷化，从而强化企业对市场需求的快速响应能力。依赖于快速的产品开发、制造及销售机制，使得满足T(Time)、Q(Quality)、C(Cost)、S(Service)、E(Environment)要求的产品及时传递到市场与客户手中，自始至终贯彻着“敏捷”观念和精神。

    高效切削技术(High Efficiency Cutting Technologh，简称HECT)按其实施目标可分为三种方式。第一种方式是以实现单位时间内材料切除率最大为目标的高速切削，它所采用的切削用量参数比普通的切削加工高几倍甚至数十倍，例如高速强力切削、大背吃刀量切削、大走刀量切削等；第二种方式是以获得高质量加工表面为目标的高速切削，例如：硬质材料精密模具的型腔，采用高速、小进给量和小背吃刀量的切削加工，它既可获得很高的表面质量，又可替代磨削、EDM(电火花加工)和手工抛光并且可减少相应的工序时间，缩短工艺流程，提高生产效率；第三种方式是以追求高效率切削加工为目标，应用多功能刀具进行智能化切削加工，一刀多用改变了不同工序采用不同刀具切削加工的传统概念。由单一工序转化为复合多工序的切削加工，节省了刀具准备时间和换刀时间，降低了刀具费用，简化了工艺过程和辅助时间。总之，以最快的速度、最短的时间、最高的效率完成零件的切削加工。其中，高效切削刀具是实施高效切削技术的关键之一。

    利用高速切削技术和数控机床的加工柔性，采用高效多功能刀具进行组合加工，这是提高切削加工效率的一条重要捷径。高效率的本质就是敏捷制造的主要特征之一，“敏捷化”高效切削技术是实施敏捷制造的重要手段，其中高效加工机床、高效切削刀具和合适的高效切削工艺是实施敏捷制造的技术基础。

    敏捷制造的生产设备包括以加工中心为主的多功能数控机床，如多轴多面加工中心、数控车铣床、多轴车铣床加工中心以及高效专用机床等。体现敏捷制造主题思想的切削刀具和工艺方法是以组合复合加工方式实现多功能多工序加工，它可减少刀具种类、减少换刀次数、减少零件装夹次数和减少所需设备的台套数。尤其是多功能高效切削刀具符合敏捷制造生产方式的需要。例如：镗铣刀、钻铣刀、车钻刀、钻孔—攻螺纹刀、铣平面一去毛刺刀等，这类刀具的开发与应用突破了车、铣、钻、攻螺纹等不同工序采用不同刀具的传统概念。一刀多用节省了刀具准备时间和换刀时间，降低了刀具制造、使用与管理费用，减少了辅助作业时间，符合高效率敏捷化的基本观点。

2 高效切削刀具材料

    高效(或高速)切削加工的刀具材料应具有以下主要特征：良好的高温化学性能与物理性能、高的化学稳定性、高的抗涂层破裂性、抗黏结性与抗热振动性等，尤其应具有高的可靠性。高效切削刀具材料必须按工件材质与要求、加工条件与环境进行选择，并确定合理的切削参数，发挥其优异的切削性能。例如：对于钢、铸铁等黑色金属，宜选用陶瓷、金属陶瓷及立方氮化硼刀具；对于铝、镁等有色金属，宜选用PCD和涂层等刀具材料。新型优质刀具材料的应用有效地提高了切削效率。如日本不二越公司的AQUA麻花钻，采用细颗粒硬质合金制造，并涂覆耐热、耐磨、润滑涂层，在高速加工结构钢、合金钢时，干式钻削时，切削速度可达150m／min，进给速度达1200mm／min；湿式钻削时，切削速度可达200m／min，进给速度达1600mm／min，加工效率提高2.5倍以上，刀具寿命提高2倍。

    尤其是高性能刀具材料与TiN、TiCN、TiAlN、MoS2、金刚石膜等复合涂层的结合，成倍地提高了这类刀具的切削性能与切削效率，也扩大了对于淬硬钢、模具钢等难加工材料的应用范围，而且有效地提高了刀具材料在切削过程中的稳定性与可靠性。

3 可转位立铣刀

    可转位刀具是高效切削刀具近年来发展的方向和趋势。尤其是可转位立铣刀，由于它工艺范围宽、适用性广，可加工轮廓、周边、沟槽、铣窝以及钻孔、镗孔，已成为数控机床的主要刀具，其性能优劣直接影响数控机床的利用率和切削加工效率。此外，立铣刀已成为模具加工中最主要的刀具，包括球头立铣刀、强力切削苞米立铣刀、可三维进刀的多功能铣刀以及纵向切人式铣刀等，可转位立铣刀正朝着多功能高性能多品种方向快速发展。例如：日本佳友公司的波形刃铣刀片拥有纳米级TiN／ACN复合涂层(每层2.5nm，共2000层)，该刀片拥有斜刃带前角的特征，有效地改善了切削条件，减小了切削力冲击力，提高了刀尖强度和刀具寿命，并且切削效率大幅提高。

    此外，近期开发的硬质合金可转位插齿刀，这种插齿刀由两部分组成，即支持部分(即刀体、压板、螺钉等)和切削部分(硬质合金可转位刀片)。插齿刀的变位系数、顶刃和侧刃的后角等均采用优化方法确定，组装后可按常规方法安装在插齿机的主轴上。当刀片达到磨损标准后，只需更换刀片，刀具尺寸和几何参数均保持不变，不需重新调整机床，大大提高了生产效率和加工质量。

4 专用刀具智能化

    为了充分发挥数控机床自动、高速的技术优势，提高零件的加工质量和生产效率，对复杂零件加工要求在一次装夹中完成多工序的集中加工，将单一工序转化为复合工序，并淡化了传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限。开发与应用多功能刀具，这对于加快产品开发周期，积极响应市场需求起着重要的作用，也是实施敏捷制造的有效“捷径”之一。例：(1)美国肯纳金属公司生产的多功能车刀，可用于外圆、端面、内孔等工序加工。(2)日本三菱公司提供的OCTACUT多功能铣刀可安装八角形刀片或圆形刀片，适用于铣端面、铣斜面、铣槽、镗孔、倒角等多种不同的加工作业。(3)Guhring公司提供的车钻多功能刀具可在实心材料上钻平底孔、镗孔、车端面、车外圆等，可将切削加工时间缩短40％左右；(4)Mapal公司将去毛刺刷子与铝合金铣刀组合在一起，在铣平面的同时完成了去毛刺工序，节省了加工时间；(5)EMUGE公司生产的螺纹铣刀，同一把螺纹铣刀可完成不同直径(相同螺距)的螺纹孔加工，一次走刀可同时完成钻底孔、倒角、铣螺纹等多种不同工序的加工，大大减少了螺纹刀具的规格与数量，极其适合于敏捷化变形生产。

    近年来，为批量生产的特定零件和加工条件而开发的高效智能化专用刀具，大多应用于汽车、摩托车、柴油机等行业的生产线上或满足特殊零件的加工需要。其主要特点是：结构复杂、功能复合、刀具与机床工艺系统构成有机整体，实施基于敏捷制造的专用刀具的高效化、智能化。这类刀具能巧妙地实现刀具的附加运动，使用一把刀具可完成退刀槽、背面倒角、锪平面等多种工序。应用实例如下：(1)Mapal公司的阀座与导管组合式镗铰刀，利用主轴旋转的离心力推动刀具内部的油缸进给导管铰刀，在一道工序中同时完成阀座和导管加工，确保两者的位置精度。(2)Guhring公司的加工铝合金壳体复合孔加工刀具，装有9个刀片，将该零件的加工时间由原来的120S缩短至30S，生产效率提高3倍以上。(3)成都森泰英格公司开发了铝合金箱体加工系列刀具，它包括小孔加工刀具、组合镗刀、高精度可转位铝合金面铣刀等成套工具及相关工装夹具，满足用户的特定要求，极大地提高了切削效率和加工质量。

5 结语

    为适应敏捷制造的需要，应大力开发与研究高效切削技术及高效切削刀具，并将以下五个方面作为重点研发方向。

    (1)以敏捷制造为前提，改变传统高速切削的观念和手段，提出以敏捷制造与高效切削两者合一的新思路、新方法，快速响应市场需求。

    (2)研制与开发高速及高效切削加工的编程软件，优化多项工艺参数，提高综合切削效率和加工质量，改善高速切削刀具的适应性。

    (3)突破不同工序采用不同刀具的传统概念，充分发挥数控机床的加工柔性，简化工序，变单一工序为复合工序，缩短工艺流程，实施高效切削加工技术。

    (4)优化刀具材料性能与改善刃磨质量，提高刀具使用过程中的稳定性与可靠性，提高加工质量，延长刀具使用寿命。

    (5)开发与应用模式化、组合式多功能刀具，一刀多用，提升刀具的智能化程度。

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