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旋转刀具的发展趋势(下)

时间:2014-06-18  数控技术网  http://tech.cncproduct.com

旋转刀具的发展趋势(下)

原作者:中国工具信息网   出处:中国工具信息网

 

论文摘要】关于润滑性涂层与微量润滑的发展
  润滑性涂层与微量润滑有同样的效果:减少刀具与工件之间的摩擦,防止积屑瘤的形成,因此也形成两者之间的竞争。它们的发展主要是因为干式切削工艺的推广应用。


  关于润滑性涂层与微量润滑的发展

  润滑性涂层与微量润滑有同样的效果:减少刀具与工件之间的摩擦,防止积屑瘤的形成,因此也形成两者之间的竞争。它们的发展主要是因为干式切削工艺的推广应用。

  润滑性涂层在与硬涂层结合使用时,可以发挥充分的作用,其发展方向为:

  1 有很高硬度的类金刚石涂层, 粗糙的表面、太大的涂层厚度以及主要是被涂硬质合金允许的最大的钴含量(约6%)阻止了金刚石涂层的形成,而新型的热弧工艺能在很低温度下沉积出非晶态的类金刚石涂层。它可以涂覆任何硬质金属、钢、甚至铝制零件。这种涂层的摩擦系数非常低,能够实现"无油传动"。

  2 形成中等硬度的润滑性涂层,如WC/C基涂层。这种涂层在摩擦的跑合阶段显示较高的摩擦系数。然而它比MoS2涂层有更高的耐磨性,它的这种特性使刀具在耐用度后期其表面润滑性也不会由于自抛光效应而变坏。

  3 形成可供使用的真正的软涂层,如MoS2基涂层。它的优点是刀具的跑合过程非常有效,甚至热弧涂层工艺留下的大颗粒也不会堵塞切屑,只要在MoS2被磨掉以前切屑已抛光了这些大颗粒。

  

a 刀具涂层 b 装饰涂层 c 工件涂层

图1 一个中型涂层公司的涂层业务发展状况

   从涂层应用领域的整体来看,涂层的发展将保持很大的增长速度(见图1),因此出现了象Pilze这样的大涂层中心,但它们不能只靠刀具涂层生存下去,必须以低得多的涂层价格招徕零件制造业。相反,那些从事经济地涂覆重磨刀具的小型涂层服务点,倒是经常门庭若市。

  微量润滑很适合制造技术的现状,它只要相当少的费用(2000~20000DM)就可实施,方便地附加到现有的机床上,所需要的前提条件也不难解决。

  微量润滑是利用流体力学文氏管原理:高速的空气流把油雾化成几乎"无质量"的液滴。它有两种使用方式:外部的和内部的,与浇注式冷却比较,其微量润滑有很多优点:

  (1)比浇注乳化液效果更佳,可使每一滴介质完全进入工作区。

  (2)避免了对刀具的热冲击。

  (3)和浇注式冷却方式相比,只消耗1/60000的润滑油。

  (4)工件和切屑都是干的。

  (5)辅以抽吸装置,可以实现保护环境和维护操作者的健康。

  但持怀疑和反对的人也提出了新的异议和指责:

  (1)要有效地使用微量润滑的内冷却方式,需要新的机床和昂贵的主轴。

  (2)为了试验微量润滑,有关的机床必须停产较长时间,并需进行复杂的改装。

  (3)油雾不象浇注式那样可是以收集回来再泵出去,会极大地污染工作环境。

  (4)油雾的粒度在10μm以下,甚至1μm,会进入肺里,影响人的健康。

  对于上述几点异议的答复是:

  (1)实践证明,对现有机床进行微量润滑改装,其高速主轴在高达40000r/min时仍能可靠工作;

  (2)为微量润滑开发的ECD刀具夹头,可实现内部的微量润滑方式,而不必改装机床,它用一个旋转装置吸进周围的空气,再从油池里带走油液,送到刀具的内冷却通道里;

  (3)用浇注式冷却方式,其损耗、输送和使用的费用需要高得多;

  (4)由小液滴组成的油雾只在密封的管道中流动,从刀具里喷出来时已变成大得多的颗粒。

  在微量润滑有上述一些优点的情况下,还需要润滑性涂层吗?回答是肯定的,因为它能使刀具减少摩擦,而微量润滑却达不到这个目的,两者一起可形成有效的组合,其应用已不局限于切削加工。

  

a 汽车制造业 b 汽车配件业 c 机床制造业 d 手工业 e 其它工业

f 高速加工铣床 g 加工中心 h 专机 i 普通机床 k 其它机床

图2 微量润滑的应用状况

  在德国,微量润滑装置目前每年有10000套的市场(见图2),而且还将进一步增加。市场的业绩主要取决于服务的成套程度,那些能迅速提供整个加工过程中有关干式切削成套技术的,包括刀具、微量润滑、涂层,将在市场竞争中取胜。可以预测,在五年之内,德国制造的加工中心中将有5%用微量润滑与润滑性涂层相结合来取代浇注式冷却。

  关于旋转刀具的一次性使用问题

  刀具使用一次以后,在什么情况下可以丢弃?应该是在修理、维护不可能或者很复杂(如特殊的波形刃刀具的重磨必须送到刀具制造厂),或者修理、维护费比买新的还贵时。没有人认为,价格便宜的硬质合金可转位车刀片、铣刀片应该重磨。现在已把直径较大的钻头做成可转位式,其理由既有技术上的也有经济上的。一方面,对于直径大于16mm的刀具,其刀体所需求的精度用近净成形工艺(如精密压力铸造)已很容易达到;另一方面,用整体硬质合金制作大直径的刀具,其材料的费用太高。

  相反,对于小直径刀具,如制成可转位式就没有竞争力,一是刀片槽定位面的尺寸精度只有磨削才能达到;二是这个尺寸段刀具的硬质合合金材料所占的成本较少。而整体硬质合金刀具还具有高的加工效率和精度,以及可很好的重磨和重涂的优势。如果一次性使用,很不经济。但前提是要有一个组织得很好的重磨和重涂服务,使质量和供应都有保障。为此,可把内部的刀具管理委托给外部的公司来承担。

  关于智能化刀具

  数控机床配上可执行动作的智能化刀具涉及很多时髦的概念,带有测量功能并可自调的切削头,以及可适应控制的和能自学习的数控机床,在理论上不是新的,新的是所使用的测量、驱动和计算技术。

  借助于地球上空的卫星,全球定位系统(GPS)能够确定物体的位置,微米级的全球定位测量系统以同样的原理用到房间里的机床上。在日益流行的六条腿机床上,很需要这种技术,因为这种机床每根轴的位置测量很困难,关键是能否达到这些数控轴所必需的分辨率。

  设在刀具和机床里的传感器和执行元件,通过与机床控制器的无线耦合,能够实现尺寸偏差的调整及对刀具耐用度的识别(见图3)。

  

图3 在加工中心里安装压电晶体测力转台

图4 可转位刀片上的测量涂层

  图4所示是一种具有测量功能的刀片涂层,由于刀具的磨损、变形或温度变化会改变涂层的电阻,并转化成电讯号。

  还有一种可控的消振器,利用凝胶和压电晶体可调整刀具的不平衡,以防颤振。

  这方面工作的最大进展是参与这类工作的范围扩大了。80年代仅在实验室的试验装置上做少量试验,而现在为了找到实用方法,德国机械制造业的专家们在更大的领域里共同努力工作。

  智能化不仅指刀具本身,今天应用神经网络技术可有效地实现人工智能,即在集合专家经验的基础上,推导出对新情况的解决办法。对于刀具工业,首先是收集足够的带有基础应用数据的经验知识,供给数控机床的神经网络。将来刀具工业不仅提供刀具,而且是带有切削"知识"的刀具。

  关于引入刀具管理的问题

  从大多数汽车制造商各自所做的计算中得出,直接刀具成本大约占制造成本的4%,而为了刀具保管、准备、重磨及供应管理的费用却高得多,约12%。请外面的公司来管理刀具的出发点是,那些较小的、独立的及灵活的小公司比大型汽车厂内部的主管刀具的部门能更好地低成本地承担刀具管理(尤其是当这种小公司,背靠着具备刀具制造、准备、重磨、重涂经验的刀具制造商时)。是否引入刀具管理取决于人员费用的高低。通常这些小公司的人员工资低,工会的一些很高的要求也不必总被采纳,加班加点也较容易通过,养老保险也低。如果刀具用户内部的人员工资能降下来,就不一定要从外面引入刀具管理。请外面公司管理刀具是对被迫签订的内部工资协议的合法回避。人员的工资问题与制造业所在地有关。

  对于一个具体的切削加工,在什么情况下引入刀具管理在经济上是可取的呢?在切削现场的生产机床旁有半自动的刀具柜,刀具管理商在技术上和供应上照料好柜子里的刀具,始终保持良好的状态,为用户提供高效的切削能力,而不仅仅是刀具。当刀具管理商在专门负责供应一段生产线上刀具时,可达到最好的供应效果和生产率。此外,当刀具管理商与有实力的合作者共同参与工程项目时,而且在刀具、工艺设计方面的合作者又恰好是刀具制造商或是得到他们支持的,则对刀具管理商提出的要求较为合理。

  当刀具制造商承担刀具管理时,用户倾向于选择精加工刀具制造商,因为工件关键尺寸的精加工应该用有特色的刀具来保证,并且在粗加工时就选用正确的刀具。因此,精密刀具制造商在刀具管理里起着更关键的作用。 作为刀具管理商还有一个重要前提是,能够正确应用复杂的可转位刀片。目前他们只精通所需刀具中的一小部分,以后会更多。

  汽车工业会引入更多的外部资源来从事内部的工作,这种趋势已不可阻档,下表是这种做法的极端的例子。多数企业也知道这么做的风险,懂得至少要持有制造的关键技术,并避免供应工作的完全独立。图5为在汽车工业里项目合作的状况。

  

a 汽车制造商 b 机床制造商 c 刀具制造商 d 科研单位(资料来源:科隆福特汽车公司)

图5 在汽车工业里项目合作的状况

  

汽车厂外协比例的变化

  

1980年汽车制造厂

1998年汽车装配厂

2005-2010年汽车-设计-总成厂

外协比例

30~50%

~70%

80~90%

业务特征

研究开发零件制造装配

概念车开发 发动机、传动器关键零件制造装配

项目策划与管理、部件总装、市场营销、财务管理服务

极端的例子

通用汽车公司用30%零件外购

克莱斯勒公司有70%零件外购

Smart公司、Fiat公司(巴西)、 VW公司(巴西)

趋 势

   

汽车厂与核心供应商以"并行工程"的方式合作制造

有更多的汽车厂不再生产关键零部件

  由互联网带来的变化

  要预测互联网在刀具工业推广的势头需考虑两个重要因素:(1)必须尽快根据互联网的特点变革销售、生产的信息交换结构。(2)要有大量的专业人员从事网页设计和通讯。

  刀具工业利用互联网首先是企业的自我介绍和产品的广告宣传,在线样本目前还很少可供使用的,网上销售还处于开始阶段。

  近期已有大的客户提出了对在线样本的需求,因为CD样本不能很好地取代印刷的样本。由于安全上的考虑大公司并没有把CD-ROM样本放在网上,并且其内容对于一个具体的用户来说有许多多余的东西。还没有一个互联网的在线样本是及时地介绍企业的最新信息,这要求企业对它的网页进行不断的维护,这种样本主要是能与企业进行直接接触。

  与在线样本相反,电子商务--在互联网上直接销售刀具--涉及的对象不是大用户,而是零售商。地区保护在互联网上是很难想象的。刀具的库存在要求快速成套服务的时代已不起决定性使用,地处客户附近并改进了服务能力的(例如能提供刀具管理的)零售商才能生存下来。

  然而互联网将不再局限于采购员和刀具设计人员的使用,在短期内,机床的操作者可从互联网上采集切削数据写入控制系统,以及在有问题时借助专家系统的帮助进行简单的故障处理,而不必依赖外来的服务。80%的问题是简单的,能够通过程序加以排除。计算机工业已提供丰富的故障排除程序,在全球范围内24小时服务,这与请软件、硬件专家服务比较几乎不花成本,专家们也不必应付每一件小事。这些做法有可能帮助刀具制造商和用户解决专业人员不足的难题。

  在引入刀具管理的情况下,刀具管理商销售的不是刀具而是切削加工能力和技术。与此相仿,借助互联网,涂层设备制造商提供的不是小型的涂层装置而是涂层的能力和技术,那些刀具重磨商可以不必为安装的涂层设备付钱或仅象征性地支付一点,由涂层制造商从网上收取每一炉的涂层费。 连接企业内部工作点的互联网使分享信息的等级制度变得透明了,并可根据职责加以分配。在实施过程中,软件室的最重要工作是解决信息的安全性,确定谁可以得到什么信息。

  关于市场开拓策略

  那些得到专利保护的新产品、刀具和技术怎样商品化?会有很多不同的办法,下面介绍两种极端的做法:

  一种是着眼于专利保护实行专卖。可是只有一个销售渠道的产品很难打开市场,因为通常没有一个买主愿意买独家垄断的产品。只有那些产品确实非常好、供应及时、服务可靠的企业才能有效地独家销售专利产品,否则,这种刀具即使有专利保护也会被仿制,市场也会被侵占。通过法律程序上诉侵权,即使有效,也需经过较长的时间,到那时这个产品已失去了原有的价值。

  另一种是花较长的时间采取迂回的办法,它符合比尔

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