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我国汽车发动机刀具现状及参与国际化竞争对策
2011-11-21  来源:数控机床市场网  作者:株洲钻石切削刀具股份有限公司 何云

 

我国汽车发动机刀具现状及参与国际化竞争对策   

 

     近几年来,随着我国 经济的持续发展,汽车的需求量继续保持高速增长,汽车及汽车零部件产业已成为了金切机床行业和工具行业的最大、最主要的用户。发动机是汽车的心脏、是汽车最主要的组成部分,其零件制造工艺水平普遍高于其它汽车零件,涂层刀具、陶瓷刀具、超硬刀具获得了广泛的应用。我国汽车生产线,特别是轿车的生产线大部分是从国外引进的,在投产时各生产线上多采用进口刀具,而且这些刀具基本上是世界先进水平,集新材料、切削原理、新工艺,表面处理等各项技术于一身,其特点是:高性能、高寿命、高可靠性。刀具切削用量均采用国外推荐值。由于我国刀具生产企业,长期以来面向的是卡车、拖拉机等行业,相对来说与轿车刀具相比,刀具水平较低。因此,国内刀具制造商要想参与国际化竞争,提升企业整体技术是十分重要的。


我国汽车发动机制造趋势及刀具应用现状


     国内新上的汽车发动机生产线,在制造上有三个比较明显趋势:


◆高速化:要实现高速加工,其基本要求是:第一,机床要使用能实现高速运转的主轴;第二,采用带强力夹头的 HSK 刀柄,定位精度高,同时刚性也较好;第三,大量采用涂层硬质合金刀具,金属陶瓷,陶瓷 CBN 、PCD刀具。
◆柔性化:发动机生产制造柔性化是走向之一,在传统的自动线局部工位用 CNC 或加工中心,来实现柔性加工的生产线叫柔性自动线 FTL ,日本工厂使用的较多。而用专用加工中心构成的柔性制造系统,主要用在缸盖和缸体,从产量角度分析,可以达到,从传统的 FMS 系统起步产量年产量 5 万件到传统自动线的产年产量 20 万件。
◆高效率:从日本汽车制造业的情况来看,平均每五年切削效率要提高 28% ,其中切削速度平均提高 19% ,进给量平均提高 8% ,而最近几年切削效率提高的幅度在 30% 以上。目前制造发动机主要零件的生产节拍已经缩短到了 30 ~ 40 秒,比十几年前缩短 50% 以上。例如在灰铸铁材料缸体的铣削加工,用高速加工中心机床,切削速度可达到 V=700 ~ 1500m/min ,刀具采用 CBN 刀片。在缸体、缸盖铝合金材料铣削加工时,广泛采用 PCD 刀具,考虑到高速回转时将会产生很大的离心,故刀体采用高强度铝合金材料制作。


     总之,发动机制造业一个明显的走向,就是采用高速加工来提高效率,缩短交货时间,最终降低成本,提高市场竞争力。


     汽车工业是专用刀具应用最多的行业,也是衡量一个国家或一个刀具公司技术水平高低的标志。我国汽车生产线,特别是轿车生产线大部分是从国外引进的,而刀具均是随设备进口时定的。目前,国内的汽车生产线有美国型,欧洲型和日、韩型,以及以欧洲设备为主的自主型。这样,在中国活跃着五大刀具派系主流,一是山特系 ( 包括山高 ) ,山特维克公司有着庞大而复杂的刀具分支,在中国的销量最大;二是美国系,主要以肯纳 Kennametal 、英格索尔、万耐特等为代表;三是欧洲系,主要以德国为主,包括 MAPAL 、 Guehring 、 Widia 、 TITEX 、瓦尔特等;四是日韩系,包括三菱、住友、东芝、 OSG 、黛杰、不二越、日立等,以及韩国的 Taegutec 、 KORLOY 公司;五是以色列系,主要是 ISCAR( 伊斯卡 ) 。这些公司几乎填满了市场空间,在一些大型汽车制造厂,国产化刀具可能只占总项目的 10% 左右。因此,进口刀具仍占主导地位。


     国内刀具行业面临的状态是刀具行业起步晚,先进的数控刀具仅仅是随着近年来数控机床的发展而发展,因此数控刀具产品发展速度缓慢,基础比较薄弱,竞争力不高。为什么国外刀具行业能抢滩中国的市场?主要原因是:国外产品档次高、品种多,产品质量好;而且,刀具是与机床紧密联系在一起的,国外机床往往选用在国外已经配套使用的刀具,再加上产品精加工、高性能切削,国内产品品种不全,特殊需要时也使用外国刀具,这就是国产刀具形成被动局面的原因。 以轿车生产线为例,我国在引进轿车车型和先进数控自动生产线的初始,往往并不重视刀具的国内配套技术问题,没有及时提升国内轿车刀具技术水平。引进生产线后,随之而来的专用刀具、工具品种规格繁多,工艺技术、专业化程度要求又高,国产现有刀具、品种、质量和供货服务能力均不能满足要求。而与此同时,配套完善、即装即用的几十个国外刀具品牌则虎视眈眈,使得对具国产化工作处于明显的被动状态。


国内刀具制造商参与国际化竞争对策


     从 20 世纪八十年代开始,在世界制造业的发展及制造技术进步的带动下,切削技术和刀具逐渐进入了高速、高效、创新工艺的发展新阶段,切削加工的效率成倍提高,为制造业的发展作出了重要贡献。高效的切削工艺和刀具已成为汽车制造业的基础工艺和关键技术。高速切削、干切削、硬切削等新的切削工艺正在改变传统的加工工艺,显现出强大的生命力。笔者认为,国内刀具制造商要参与国际化竞争,最根本的就是提升企业整体刀具技术水平,具体来说要在以下三个方面下功夫。


一、 加快刀具新技术的研发。


     首先要全面提高硬质合金为主的各种刀具材料性能。在各种刀具材料的发展中,硬质合金起着主导作用,此外,其它刀具材料的性能也得到了显著改善,扩大了各自的应用领域,形成了各种刀具材料既有独特优势、使用范围又相互取代补充的整体格局。正是刀具材料全面、迅速的发展为当今高速、高效的金属切削加工奠定了基础。


     硬质合金的性能不断改进,应用面不断扩大,成为切削加工的主要刀具材料,对推动切削效率的提高起到了重要作用。首先,细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发显著提高了硬质合金材料的强度和韧性,用它制造的整体硬质合金刀具(尤其是量大面广的中小规格通用刀具如钻头、立铣刀、丝锥等)用于替代传统的高速钢刀具,使切削速度和加工效率大幅度提高,把量大面广的通用刀具带入了高速切削范围。其次,硬质合金加压烧结等新工艺的开发和应用,提高了硬质合金的内在质量,针对不同加工需求开发专用牌号的做法进一步提高了硬质合金的使用性能。开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金,作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料,提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。


     陶瓷和金属陶瓷刀具材料品种增多,强度和韧性提高,应用领域和加工范围不断扩大,在钢材、铸铁的精加工、半精加工中代替硬质合金,提高了加工效率和产品质量。目前,此类刀具材料不仅可用于单件、小批量生产,而且已应用于流水线的批量生产,由于价格较低,可作为干切削、硬切削的首选刀具。


     PCD、CBN超硬刀具材料改性和制造工艺的改进,使其应用领域不断扩大。用 CBN 制造的缸孔鏜刀已可用在自动生产线以及铸铁、淬硬件的加工中,并从精加工领域扩大到半精加工领域,使切削加工效率大幅提高。铝合金是汽车工业广泛使用的重要材料,铝合金的高效加工是一项关键技术。目前,由于广泛应用各种高性能 PCD 刀具,使切削效率显著提高,最高切削速度已达 7000m/min 。产品已从车刀、面铣刀扩大到立铣刀、钻头、铰刀、成形刀具等;


     其次要将涂层作为提高刀具性能的关键技术。刀具涂层技术近几年取得了重大进展,表面涂层成为提高刀具性能的关键技术。化学涂层 (CVD) 仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,已开发出中温 CVD 、厚膜 Al 2 O 3 、过渡层等新工艺,在改进基体材料的基础上,使 CVD 涂层的耐磨性和韧性均得到提高; CVD 金刚石涂层也取得了较大进展,提高了涂层表面光洁度,并进入实用阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达 70% 以上。在此期间,物理涂层 (PVD) 的进展尤为引人注目,在涂层炉结构、工艺过程、自动控制技术等方面都取得了新进展,不仅开发了适用于高速切削、干切削、硬切削的高耐热性涂层 ( 如超级 TiAlN) 以及综合性能更好的 TiAlCN 通用涂层和 DLC 、 W/C 减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。


     PVD 涂层技术的新进展,显示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特优势,通过对涂层工艺参数的控制和对靶材、反应气体的调整,可不断开发出新的高性能涂层,以满足加工多样性的需要。涂层技术将成为提高和改善刀具性能的捷径,有着十分广阔的应用前景。

 

二、刀具结构的不断创新


     随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业、模具工业等重点产业部门对切削加工不断提出更高要求,推动着可转位刀具的持续发展。为汽车工业流水线开发的专用成套刀具突破了传统的按需供刀、 “ 闭门造刀 ” 的做法,成为革新加工工艺、提高加工效率、降低加工成本的重要工艺因素,发挥着重要的作用。


     汽车工业的敏捷制造成为推动可转位刀具结构创新的强大动力,促进了多功能面铣刀、各种模块式立铣刀系统、大进给铣刀等高效加工刀具不断涌现。为满足高效加工铝合金构件的需要,开发出了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等先进刀具。


     随着五轴联动数控工具磨床功能的完善及普及应用,使立铣刀、钻头等通用刀具的几何参数进一步多样化,改变了标准刀具参数 “ 千篇一律 ” 的传统格局,可适应不同的被加工材料和加工条件,切削性能也相应提高。一些创新的刀具结构还可产生新的切削效果,如不等螺旋角立铣刀与标准立铣刀相比,可有效遏制刀具的振动,提高加工光洁度,增大刀具的切削深度和进给速度。硬质合金丝锥及硬质合金螺纹铣刀的开发将螺纹加工效率提高到高速切削的水平,尤其是硬质合金螺纹铣刀,不仅加工效率高,而且通用性好,可显著降低刀具费用。

 

三、重视配套技术和刀具管理


     切削加工配套技术 ( 包括刀柄与机床主轴的联接方式、刀具在刀柄中的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理等 ) 是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步发展,不断改变着切削技术的内涵,推动切削技术进步。

     随着切削技术的发展,工具行业正经历着经营机制的变革。面对日益更新的生产模式和新的工件材料,刀具已不再是可以 “ 一售了之 ” 的简单商品,而是优化加工工序或生产线加工技术的重要工艺因素。刀具制造商必须能为用户提供成套加工技术,帮助用户实现提高加工效率和产品质量、降低制造成本的目标,这已成为国外刀具制造商业务发展的方向和经营宗旨。目前,刀具制造商通过各种形式的“为用户服务 ”、“ 提供解决方案 ”等经营模式,将工具行业带入一个更高的发展阶段。事实证明,国外刀具制造商的这种做法有利于制造业整体水平的不断提高,为用户带来更大的经济效益,必将受到用户的欢迎。


     刀具管理 (ToolManagement) 是刀具总承包,就是将某一个工厂的刀具外包到一个公司整体管理,以适应各种各样的刀具需要,全面提供包括刀具采购、库存管理、修磨、清洁调整、配送等成套的服务。根据瓦尔特提供的资料表明,刀具所占成本仅占 3% 左右,但投入生产之中将会影响生产效率的 20% ~ 30% ,因此,成本降低的概念,就需要采用高效刀具,适当增加刀具费用,强化刀具管理,对提高生产企业的竞争力非常重要。


     刀具管理 (ToolManagement) 的概念首先出现于美国。它的核心是通过刀具外包达到以下目的:减少初期投入 ( 刀具重磨可以委外进行或由刀具管理供应商进行 ) ;减少库存资金 ( 刀具库存资金由刀具管理供应商承担 ) ;减少管理成本,使企业将精力放在自己的核心竞争力上。在上世纪 90 年代末到本世纪初,对具管理在美国和欧洲得以推广应用。由于欧美市场上刀具供应商较为成熟,各方操作比较规范,刀具管理渐渐得到用户的认可。对于美国或德国的用户,大量成熟的刀具制造商就在当地办厂,用户可以获得非常及时的服务。这对于刀具管理的开展无疑提供了极大的便利。而在中国,这条路似乎未得有些迟缓,只是在汽车行业率先应用。由于目前国内刀具市场仍然以进口刀具为主体,特别是刀具供应方面,信息传递、生产周期、报关运输等等均会给刀具管理设置障碍,由此而引起的停产将是用户可以承受的底线;另外,一种担心的心理目前还无法排除,即用户对刀具管理供应商产生强烈的依赖,在下一轮选择中如选中另一家新的刀具管理供应商,将不可避免地混乱一段肘间。这主要是由于作为刀具管理的用户本身也不够成熟,其次是中国市场可供选择的刀具管理供应商还很少。

     此外,提升企业整体刀具技术水平还需从基础做起,解决好加工典型零件的关键刀具。如曲轴粗加工,由于发动机曲轴自身结构的特殊性,目前国内轿车曲轴生产线多为高速柔性生产线 FTL(Flexible Transfer Line) ,这种生产线的特点是不仅可以加工同系列曲轴,而且还可加工变型产品、换代产品和新产品。 对于曲轴平衡块侧面需加工,主轴颈加工应优先选用 CNC 内铣或 CNC 高速外铣,连杆颈的加工用 CNC 高速外铣。如果毛坯是锻钢毛坯, CNC 内铣更有利于断屑。不宜采用 CNC 车 - 车拉,由于平衡块侧面是断续车削,曲轴转速又很高 ( 约 1000r/m) ,崩刀现象很严重。 对于曲轴平衡块侧面不需加工,主轴颈加工选用 CNC 车 - 车拉比较合理,加工精度高。由于连杆颈轴线不在一条中心线上,如六拐曲轴,用车 - 车拉加工就有一些麻烦, CNC 高速外铣就比较合理。 对于轴颈有沉割槽的曲轴,此时 CNC 车 - 车拉体现出其优越性,若轴向有沉割槽, CNC 高速外铣和 CNC 内铣不能加工,而车 - 车拉能加工。

     在现代汽车工业中,平面铣削应用极为普遍。为适应汽车工业的需要,工具制造厂商也推出了铣削铸铁及其它材料的铣刀和刀片系列。这些刀具、刀片使得加工效率和零件表面质量都得到大幅度的提高。


     选用高硬度、高强度的刀具材料,再附以适当的涂层,是延长刀具寿命的首要措施。但是,改进刀具几何形状,也是增加刀具寿命的重要手段,特别是铣削铸铁时。在汽车工业中,加工一系列合金铸铁,包括灰铸铁、球墨铸铁和高密度球墨铸铁,这些铸铁都有不同的加工特性,其中灰铸铁含有网状硬组织,表现为脆性,加工时,刀具易产生崩刃;球墨铸铁和高密度球墨铸铁有一定塑性,可产生铁屑,但刀具切出时,工件也会产生 “ 翻边 ” ,导致刀尖损坏。因此,对铣刀几何角度进行改进是很重要的。比如,按传统,加工铸铁的铣刀带有负的轴向和径向前角 ( 双负角铣刀 ) ,这种负的几何角度使刀刃比较牢固 。相反,正负角铣刀 ( 轴向正前角、径向负前角 ) 切削平稳,也降低了机床功率要求,更便于采用先进的刀具材料。


     高速钻头切削也是一种高速大进给量的发展趋势,类似球头立铣刀切削条件的发展趋势。切削实践表明,提高切削速度有利于切屑形态的合理化和改善加工表面的粗糙度,预计今后仍将沿着高速切削的方向发展;提高进给量对断屑排屑和延长刀具寿命非常有利,因此,今后也仍将沿着大进给的方向不断发展。

     近几年来,我国工具行业在面向国内国际市场激烈竞争中,积极进行重点技术改造,引进国外先进技术和设备,提高企业的技术制造能力和市场竞争活力方面有了长足的进步。但是,必须清醒地看到,国内工具行业在技术水平、生产工艺和制造设备等方面与国外工具企业相比,还存在较大差距,其刀具寿命、加工质量很难满足用户的要求。因此,国内刀具制造商还有大量的工作要做,任重而道远。

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