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我國汽車發(fā)動機刀具現(xiàn)狀及參與國際化競爭對策
2011-11-21  來源:數(shù)控機床市場網(wǎng)  作者:株洲鉆石切削刀具股份有限公司 何云

 

我國汽車發(fā)動機刀具現(xiàn)狀及參與國際化競爭對策   

 

     近幾年來,隨著我國 經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,汽車的需求量繼續(xù)保持高速增長,汽車及汽車零部件產(chǎn)業(yè)已成為了金切機床行業(yè)和工具行業(yè)的最大、最主要的用戶。發(fā)動機是汽車的心臟、是汽車最主要的組成部分,其零件制造工藝水平普遍高于其它汽車零件,涂層刀具、陶瓷刀具、超硬刀具獲得了廣泛的應(yīng)用。我國汽車生產(chǎn)線,特別是轎車的生產(chǎn)線大部分是從國外引進的,在投產(chǎn)時各生產(chǎn)線上多采用進口刀具,而且這些刀具基本上是世界先進水平,集新材料、切削原理、新工藝,表面處理等各項技術(shù)于一身,其特點是:高性能、高壽命、高可靠性。刀具切削用量均采用國外推薦值。由于我國刀具生產(chǎn)企業(yè),長期以來面向的是卡車、拖拉機等行業(yè),相對來說與轎車刀具相比,刀具水平較低。因此,國內(nèi)刀具制造商要想?yún)⑴c國際化競爭,提升企業(yè)整體技術(shù)是十分重要的。


我國汽車發(fā)動機制造趨勢及刀具應(yīng)用現(xiàn)狀


     國內(nèi)新上的汽車發(fā)動機生產(chǎn)線,在制造上有三個比較明顯趨勢:


◆高速化:要實現(xiàn)高速加工,其基本要求是:第一,機床要使用能實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)的主軸;第二,采用帶強力夾頭的 HSK 刀柄,定位精度高,同時剛性也較好;第三,大量采用涂層硬質(zhì)合金刀具,金屬陶瓷,陶瓷 CBN 、PCD刀具。
◆柔性化:發(fā)動機生產(chǎn)制造柔性化是走向之一,在傳統(tǒng)的自動線局部工位用 CNC 或加工中心,來實現(xiàn)柔性加工的生產(chǎn)線叫柔性自動線 FTL ,日本工廠使用的較多。而用專用加工中心構(gòu)成的柔性制造系統(tǒng),主要用在缸蓋和缸體,從產(chǎn)量角度分析,可以達到,從傳統(tǒng)的 FMS 系統(tǒng)起步產(chǎn)量年產(chǎn)量 5 萬件到傳統(tǒng)自動線的產(chǎn)年產(chǎn)量 20 萬件。
◆高效率:從日本汽車制造業(yè)的情況來看,平均每五年切削效率要提高 28% ,其中切削速度平均提高 19% ,進給量平均提高 8% ,而最近幾年切削效率提高的幅度在 30% 以上。目前制造發(fā)動機主要零件的生產(chǎn)節(jié)拍已經(jīng)縮短到了 30 ~ 40 秒,比十幾年前縮短 50% 以上。例如在灰鑄鐵材料缸體的銑削加工,用高速加工中心機床,切削速度可達到 V=700 ~ 1500m/min ,刀具采用 CBN 刀片。在缸體、缸蓋鋁合金材料銑削加工時,廣泛采用 PCD 刀具,考慮到高速回轉(zhuǎn)時將會產(chǎn)生很大的離心,故刀體采用高強度鋁合金材料制作。


     總之,發(fā)動機制造業(yè)一個明顯的走向,就是采用高速加工來提高效率,縮短交貨時間,最終降低成本,提高市場競爭力。


     汽車工業(yè)是專用刀具應(yīng)用最多的行業(yè),也是衡量一個國家或一個刀具公司技術(shù)水平高低的標(biāo)志。我國汽車生產(chǎn)線,特別是轎車生產(chǎn)線大部分是從國外引進的,而刀具均是隨設(shè)備進口時定的。目前,國內(nèi)的汽車生產(chǎn)線有美國型,歐洲型和日、韓型,以及以歐洲設(shè)備為主的自主型。這樣,在中國活躍著五大刀具派系主流,一是山特系 ( 包括山高 ) ,山特維克公司有著龐大而復(fù)雜的刀具分支,在中國的銷量最大;二是美國系,主要以肯納 Kennametal 、英格索爾、萬耐特等為代表;三是歐洲系,主要以德國為主,包括 MAPAL 、 Guehring 、 Widia 、 TITEX 、瓦爾特等;四是日韓系,包括三菱、住友、東芝、 OSG 、黛杰、不二越、日立等,以及韓國的 Taegutec 、 KORLOY 公司;五是以色列系,主要是 ISCAR( 伊斯卡 ) 。這些公司幾乎填滿了市場空間,在一些大型汽車制造廠,國產(chǎn)化刀具可能只占總項目的 10% 左右。因此,進口刀具仍占主導(dǎo)地位。


     國內(nèi)刀具行業(yè)面臨的狀態(tài)是刀具行業(yè)起步晚,先進的數(shù)控刀具僅僅是隨著近年來數(shù)控機床的發(fā)展而發(fā)展,因此數(shù)控刀具產(chǎn)品發(fā)展速度緩慢,基礎(chǔ)比較薄弱,競爭力不高。為什么國外刀具行業(yè)能搶灘中國的市場?主要原因是:國外產(chǎn)品檔次高、品種多,產(chǎn)品質(zhì)量好;而且,刀具是與機床緊密聯(lián)系在一起的,國外機床往往選用在國外已經(jīng)配套使用的刀具,再加上產(chǎn)品精加工、高性能切削,國內(nèi)產(chǎn)品品種不全,特殊需要時也使用外國刀具,這就是國產(chǎn)刀具形成被動局面的原因。 以轎車生產(chǎn)線為例,我國在引進轎車車型和先進數(shù)控自動生產(chǎn)線的初始,往往并不重視刀具的國內(nèi)配套技術(shù)問題,沒有及時提升國內(nèi)轎車刀具技術(shù)水平。引進生產(chǎn)線后,隨之而來的專用刀具、工具品種規(guī)格繁多,工藝技術(shù)、專業(yè)化程度要求又高,國產(chǎn)現(xiàn)有刀具、品種、質(zhì)量和供貨服務(wù)能力均不能滿足要求。而與此同時,配套完善、即裝即用的幾十個國外刀具品牌則虎視眈眈,使得對具國產(chǎn)化工作處于明顯的被動狀態(tài)。


國內(nèi)刀具制造商參與國際化競爭對策


     從 20 世紀八十年代開始,在世界制造業(yè)的發(fā)展及制造技術(shù)進步的帶動下,切削技術(shù)和刀具逐漸進入了高速、高效、創(chuàng)新工藝的發(fā)展新階段,切削加工的效率成倍提高,為制造業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻。高效的切削工藝和刀具已成為汽車制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝和關(guān)鍵技術(shù)。高速切削、干切削、硬切削等新的切削工藝正在改變傳統(tǒng)的加工工藝,顯現(xiàn)出強大的生命力。筆者認為,國內(nèi)刀具制造商要參與國際化競爭,最根本的就是提升企業(yè)整體刀具技術(shù)水平,具體來說要在以下三個方面下功夫。


一、 加快刀具新技術(shù)的研發(fā)。


     首先要全面提高硬質(zhì)合金為主的各種刀具材料性能。在各種刀具材料的發(fā)展中,硬質(zhì)合金起著主導(dǎo)作用,此外,其它刀具材料的性能也得到了顯著改善,擴大了各自的應(yīng)用領(lǐng)域,形成了各種刀具材料既有獨特優(yōu)勢、使用范圍又相互取代補充的整體格局。正是刀具材料全面、迅速的發(fā)展為當(dāng)今高速、高效的金屬切削加工奠定了基礎(chǔ)。


     硬質(zhì)合金的性能不斷改進,應(yīng)用面不斷擴大,成為切削加工的主要刀具材料,對推動切削效率的提高起到了重要作用。首先,細顆粒、超細顆粒硬質(zhì)合金材料的開發(fā)顯著提高了硬質(zhì)合金材料的強度和韌性,用它制造的整體硬質(zhì)合金刀具(尤其是量大面廣的中小規(guī)格通用刀具如鉆頭、立銑刀、絲錐等)用于替代傳統(tǒng)的高速鋼刀具,使切削速度和加工效率大幅度提高,把量大面廣的通用刀具帶入了高速切削范圍。其次,硬質(zhì)合金加壓燒結(jié)等新工藝的開發(fā)和應(yīng)用,提高了硬質(zhì)合金的內(nèi)在質(zhì)量,針對不同加工需求開發(fā)專用牌號的做法進一步提高了硬質(zhì)合金的使用性能。開發(fā)了具有良好抗塑性變形能力和韌性表層的梯度硬質(zhì)合金,作為化學(xué)涂層硬質(zhì)合金刀片牌號的基體材料,提高了涂層硬質(zhì)合金刀片的切削性能和應(yīng)用范圍。


     陶瓷和金屬陶瓷刀具材料品種增多,強度和韌性提高,應(yīng)用領(lǐng)域和加工范圍不斷擴大,在鋼材、鑄鐵的精加工、半精加工中代替硬質(zhì)合金,提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前,此類刀具材料不僅可用于單件、小批量生產(chǎn),而且已應(yīng)用于流水線的批量生產(chǎn),由于價格較低,可作為干切削、硬切削的首選刀具。


     PCD、CBN超硬刀具材料改性和制造工藝的改進,使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。用 CBN 制造的缸孔鏜刀已可用在自動生產(chǎn)線以及鑄鐵、淬硬件的加工中,并從精加工領(lǐng)域擴大到半精加工領(lǐng)域,使切削加工效率大幅提高。鋁合金是汽車工業(yè)廣泛使用的重要材料,鋁合金的高效加工是一項關(guān)鍵技術(shù)。目前,由于廣泛應(yīng)用各種高性能 PCD 刀具,使切削效率顯著提高,最高切削速度已達 7000m/min 。產(chǎn)品已從車刀、面銑刀擴大到立銑刀、鉆頭、鉸刀、成形刀具等;


     其次要將涂層作為提高刀具性能的關(guān)鍵技術(shù)。刀具涂層技術(shù)近幾年取得了重大進展,表面涂層成為提高刀具性能的關(guān)鍵技術(shù)。化學(xué)涂層 (CVD) 仍然是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝,已開發(fā)出中溫 CVD 、厚膜 Al 2 O 3 、過渡層等新工藝,在改進基體材料的基礎(chǔ)上,使 CVD 涂層的耐磨性和韌性均得到提高; CVD 金剛石涂層也取得了較大進展,提高了涂層表面光潔度,并進入實用階段。目前,國外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的涂層比例已達 70% 以上。在此期間,物理涂層 (PVD) 的進展尤為引人注目,在涂層爐結(jié)構(gòu)、工藝過程、自動控制技術(shù)等方面都取得了新進展,不僅開發(fā)了適用于高速切削、干切削、硬切削的高耐熱性涂層 ( 如超級 TiAlN) 以及綜合性能更好的 TiAlCN 通用涂層和 DLC 、 W/C 減摩涂層,而且通過對涂層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,開發(fā)了納米、多層結(jié)構(gòu),大幅度提高了涂層硬度和韌性。


     PVD 涂層技術(shù)的新進展,顯示了涂層技術(shù)對提高刀具性能的巨大潛力和獨特優(yōu)勢,通過對涂層工藝參數(shù)的控制和對靶材、反應(yīng)氣體的調(diào)整,可不斷開發(fā)出新的高性能涂層,以滿足加工多樣性的需要。涂層技術(shù)將成為提高和改善刀具性能的捷徑,有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

 

二、刀具結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新


     隨著制造業(yè)的高速發(fā)展,汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、模具工業(yè)等重點產(chǎn)業(yè)部門對切削加工不斷提出更高要求,推動著可轉(zhuǎn)位刀具的持續(xù)發(fā)展。為汽車工業(yè)流水線開發(fā)的專用成套刀具突破了傳統(tǒng)的按需供刀、 “ 閉門造刀 ” 的做法,成為革新加工工藝、提高加工效率、降低加工成本的重要工藝因素,發(fā)揮著重要的作用。


     汽車工業(yè)的敏捷制造成為推動可轉(zhuǎn)位刀具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的強大動力,促進了多功能面銑刀、各種模塊式立銑刀系統(tǒng)、大進給銑刀等高效加工刀具不斷涌現(xiàn)。為滿足高效加工鋁合金構(gòu)件的需要,開發(fā)出了結(jié)構(gòu)新穎的鋁合金高速加工面銑刀等先進刀具。


     隨著五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床功能的完善及普及應(yīng)用,使立銑刀、鉆頭等通用刀具的幾何參數(shù)進一步多樣化,改變了標(biāo)準刀具參數(shù) “ 千篇一律 ” 的傳統(tǒng)格局,可適應(yīng)不同的被加工材料和加工條件,切削性能也相應(yīng)提高。一些創(chuàng)新的刀具結(jié)構(gòu)還可產(chǎn)生新的切削效果,如不等螺旋角立銑刀與標(biāo)準立銑刀相比,可有效遏制刀具的振動,提高加工光潔度,增大刀具的切削深度和進給速度。硬質(zhì)合金絲錐及硬質(zhì)合金螺紋銑刀的開發(fā)將螺紋加工效率提高到高速切削的水平,尤其是硬質(zhì)合金螺紋銑刀,不僅加工效率高,而且通用性好,可顯著降低刀具費用。

 

三、重視配套技術(shù)和刀具管理


     切削加工配套技術(shù) ( 包括刀柄與機床主軸的聯(lián)接方式、刀具在刀柄中的夾緊方式、刀具系統(tǒng)平衡及刀具管理等 ) 是隨著切削加工技術(shù)的進步而逐漸發(fā)展起來的,是現(xiàn)代切削技術(shù)不可缺少的組成部分,并與切削技術(shù)和刀具保持著快速同步發(fā)展,不斷改變著切削技術(shù)的內(nèi)涵,推動切削技術(shù)進步。

     隨著切削技術(shù)的發(fā)展,工具行業(yè)正經(jīng)歷著經(jīng)營機制的變革。面對日益更新的生產(chǎn)模式和新的工件材料,刀具已不再是可以 “ 一售了之 ” 的簡單商品,而是優(yōu)化加工工序或生產(chǎn)線加工技術(shù)的重要工藝因素。刀具制造商必須能為用戶提供成套加工技術(shù),幫助用戶實現(xiàn)提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本的目標(biāo),這已成為國外刀具制造商業(yè)務(wù)發(fā)展的方向和經(jīng)營宗旨。目前,刀具制造商通過各種形式的“為用戶服務(wù) ”、“ 提供解決方案 ”等經(jīng)營模式,將工具行業(yè)帶入一個更高的發(fā)展階段。事實證明,國外刀具制造商的這種做法有利于制造業(yè)整體水平的不斷提高,為用戶帶來更大的經(jīng)濟效益,必將受到用戶的歡迎。


     刀具管理 (ToolManagement) 是刀具總承包,就是將某一個工廠的刀具外包到一個公司整體管理,以適應(yīng)各種各樣的刀具需要,全面提供包括刀具采購、庫存管理、修磨、清潔調(diào)整、配送等成套的服務(wù)。根據(jù)瓦爾特提供的資料表明,刀具所占成本僅占 3% 左右,但投入生產(chǎn)之中將會影響生產(chǎn)效率的 20% ~ 30% ,因此,成本降低的概念,就需要采用高效刀具,適當(dāng)增加刀具費用,強化刀具管理,對提高生產(chǎn)企業(yè)的競爭力非常重要。


     刀具管理 (ToolManagement) 的概念首先出現(xiàn)于美國。它的核心是通過刀具外包達到以下目的:減少初期投入 ( 刀具重磨可以委外進行或由刀具管理供應(yīng)商進行 ) ;減少庫存資金 ( 刀具庫存資金由刀具管理供應(yīng)商承擔(dān) ) ;減少管理成本,使企業(yè)將精力放在自己的核心競爭力上。在上世紀 90 年代末到本世紀初,對具管理在美國和歐洲得以推廣應(yīng)用。由于歐美市場上刀具供應(yīng)商較為成熟,各方操作比較規(guī)范,刀具管理漸漸得到用戶的認可。對于美國或德國的用戶,大量成熟的刀具制造商就在當(dāng)?shù)剞k廠,用戶可以獲得非常及時的服務(wù)。這對于刀具管理的開展無疑提供了極大的便利。而在中國,這條路似乎未得有些遲緩,只是在汽車行業(yè)率先應(yīng)用。由于目前國內(nèi)刀具市場仍然以進口刀具為主體,特別是刀具供應(yīng)方面,信息傳遞、生產(chǎn)周期、報關(guān)運輸?shù)鹊染鶗o刀具管理設(shè)置障礙,由此而引起的停產(chǎn)將是用戶可以承受的底線;另外,一種擔(dān)心的心理目前還無法排除,即用戶對刀具管理供應(yīng)商產(chǎn)生強烈的依賴,在下一輪選擇中如選中另一家新的刀具管理供應(yīng)商,將不可避免地混亂一段肘間。這主要是由于作為刀具管理的用戶本身也不夠成熟,其次是中國市場可供選擇的刀具管理供應(yīng)商還很少。

     此外,提升企業(yè)整體刀具技術(shù)水平還需從基礎(chǔ)做起,解決好加工典型零件的關(guān)鍵刀具。如曲軸粗加工,由于發(fā)動機曲軸自身結(jié)構(gòu)的特殊性,目前國內(nèi)轎車曲軸生產(chǎn)線多為高速柔性生產(chǎn)線 FTL(Flexible Transfer Line) ,這種生產(chǎn)線的特點是不僅可以加工同系列曲軸,而且還可加工變型產(chǎn)品、換代產(chǎn)品和新產(chǎn)品。 對于曲軸平衡塊側(cè)面需加工,主軸頸加工應(yīng)優(yōu)先選用 CNC 內(nèi)銑或 CNC 高速外銑,連桿頸的加工用 CNC 高速外銑。如果毛坯是鍛鋼毛坯, CNC 內(nèi)銑更有利于斷屑。不宜采用 CNC 車 - 車拉,由于平衡塊側(cè)面是斷續(xù)車削,曲軸轉(zhuǎn)速又很高 ( 約 1000r/m) ,崩刀現(xiàn)象很嚴重。 對于曲軸平衡塊側(cè)面不需加工,主軸頸加工選用 CNC 車 - 車拉比較合理,加工精度高。由于連桿頸軸線不在一條中心線上,如六拐曲軸,用車 - 車拉加工就有一些麻煩, CNC 高速外銑就比較合理。 對于軸頸有沉割槽的曲軸,此時 CNC 車 - 車拉體現(xiàn)出其優(yōu)越性,若軸向有沉割槽, CNC 高速外銑和 CNC 內(nèi)銑不能加工,而車 - 車拉能加工。

     在現(xiàn)代汽車工業(yè)中,平面銑削應(yīng)用極為普遍。為適應(yīng)汽車工業(yè)的需要,工具制造廠商也推出了銑削鑄鐵及其它材料的銑刀和刀片系列。這些刀具、刀片使得加工效率和零件表面質(zhì)量都得到大幅度的提高。


     選用高硬度、高強度的刀具材料,再附以適當(dāng)?shù)耐繉樱茄娱L刀具壽命的首要措施。但是,改進刀具幾何形狀,也是增加刀具壽命的重要手段,特別是銑削鑄鐵時。在汽車工業(yè)中,加工一系列合金鑄鐵,包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵和高密度球墨鑄鐵,這些鑄鐵都有不同的加工特性,其中灰鑄鐵含有網(wǎng)狀硬組織,表現(xiàn)為脆性,加工時,刀具易產(chǎn)生崩刃;球墨鑄鐵和高密度球墨鑄鐵有一定塑性,可產(chǎn)生鐵屑,但刀具切出時,工件也會產(chǎn)生 “ 翻邊 ” ,導(dǎo)致刀尖損壞。因此,對銑刀幾何角度進行改進是很重要的。比如,按傳統(tǒng),加工鑄鐵的銑刀帶有負的軸向和徑向前角 ( 雙負角銑刀 ) ,這種負的幾何角度使刀刃比較牢固 。相反,正負角銑刀 ( 軸向正前角、徑向負前角 ) 切削平穩(wěn),也降低了機床功率要求,更便于采用先進的刀具材料。


     高速鉆頭切削也是一種高速大進給量的發(fā)展趨勢,類似球頭立銑刀切削條件的發(fā)展趨勢。切削實踐表明,提高切削速度有利于切屑形態(tài)的合理化和改善加工表面的粗糙度,預(yù)計今后仍將沿著高速切削的方向發(fā)展;提高進給量對斷屑排屑和延長刀具壽命非常有利,因此,今后也仍將沿著大進給的方向不斷發(fā)展。

     近幾年來,我國工具行業(yè)在面向國內(nèi)國際市場激烈競爭中,積極進行重點技術(shù)改造,引進國外先進技術(shù)和設(shè)備,提高企業(yè)的技術(shù)制造能力和市場競爭活力方面有了長足的進步。但是,必須清醒地看到,國內(nèi)工具行業(yè)在技術(shù)水平、生產(chǎn)工藝和制造設(shè)備等方面與國外工具企業(yè)相比,還存在較大差距,其刀具壽命、加工質(zhì)量很難滿足用戶的要求。因此,國內(nèi)刀具制造商還有大量的工作要做,任重而道遠。

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