刀具在汽车及零部件加工中的应用和新技术

作者:上汽大众汽车有限公司高级经理 张书桥先生 文章来源:MM《现代制造》 点击数:379 发布时间:2019-09-06
为实现发动机小型化轻量化要求,铝缸体的表面采用缸体喷涂技术,通过开发涂层工艺,进一步减少了活塞和发动机气缸之间的摩擦。
刀具在汽车及零部件加工中的应用和新技术

上汽大众汽车有限公司高级经理  张书桥先生
上汽大众汽车有限公司高级经理  张书桥先生

随着汽车行业的发展,新的产品技术、工艺、设备和材料的出现,对汽车行业刀具提出了新的挑战。发动机作为整车最重要的大总成,其减重对于整车的轻量化意义重大。实现发动机轻量化的途径主要有几种方案:选用铝合金、镁合金和工程塑料等轻质材料代替灰铸铁等传统材料;功能组件的结构形式优化和轻量化;功能相近的组件集成化或模块化;对发动机中的关键零件(如曲轴和连杆)进行结构优化。

为实现发动机小型化轻量化要求,铝缸体的表面采用缸体喷涂技术,通过开发涂层工艺,进一步减少了活塞和发动机气缸之间的摩擦。相应的刀具公司研发了此工艺刀具,如Mapal和Guehring公司。在此工艺基础上,MAG公司正在推广专用加工中心进行镗削来代替珩磨,而不再使用昂贵的珩磨机。另外,发动机连杆的结构优化也十分明显,在确保工件强度和刚性的前提下,其杆部至围绕大头孔部分都进行了瘦身。采用组合式空心凸轮轴。组合式空心凸轮轴是由铁基粉末冶金材料制成凸轮,然后用烧结或机械的办法将凸轮固定在空心钢管上。与铸铁件相比,中空装配式凸轮轴减轻质量25%~30%、降低生产成本,提高整机性能等方面具有传统凸轮轴无法比拟的优势。此外,3D打印制造技术给内燃机提供了全新的发展前景,它使得制造厂商可以利用分层材料制造零部件,并减轻装配操作强度和优化发动机部件数量。这种技术的好处显而易见,即便于整合和优化零部件。

另一方面,汽车制造属于传统制造业,汽车刀具的主要发展趋势是向高效、精密、柔性及自动化的方向发展。第一是适合高速加工,实现高速加工则涉及到材料与涂层技术;第二是适合硬质件加工,可以简化工艺、节约成本且具有柔性;第三是适合干式加工,Boehringer长期致力于车削加工,目前研发以车代磨,有望在不久的将来突破。以后曲轴加工就不用磨削;可实现干式加工;第四是适合复合加工,例如新能源电动机加工中大量使用复合刀具。

国内刀具现状

目前我国的刀具企业大部分都是大中型国有工具企业,而工具行业发展的重要特点是专业化问题,工具企业应该走小而专,专而精,精而深这条道路。将来中国工具行业大部分是中小型企业,少部分是大型企业。

在国外厂商加大市场营销力度的形势下,国内的工具厂商也加强了与国内汽车厂商合作,帮助汽车厂商解决了实际问题。但国内工具厂商的产品还无法真正替代国外的产品,存在质量不稳定、售后服务暂时无法跟上的问题。

同时,设计开发能力不足、设计技术落后、设计基础数据匮乏等一系列技术开发问题,也一直困扰着国内刀具行业。由于国内刀具制造厂商还是停留在技术消化、测绘、仿制及实现国产化的层次上,因此没有充分掌握设计技术的核心环节,相比国外的工具企业,国内刀具制造厂商的生产制造技术和生产设备比较落后。而在生产过程中,表现出的问题是产品的一致性较差。虽然国内刀具制造厂商生产的部分刀具比国外的刀具寿命长,但从使用角度来说,轿车刀具最主要的要求是产品的寿命要持续稳定。使用管理学中著名的“木桶定律”来解释,即任何一块组成木桶的木板短于其他木板,水就会在较短的木板处流失。国外著名企业刀具切削对比实验报告显示,国外产品处于某一寿命值附近变化,而这也是中国厂商需要提升的部分。这就需要国内企业提高生产制造水平和质量意识,提高产品性能一致性。

从汽车产业发展来看,目前面临着经济转型与技术创新双重驱动两大背景,想要深耕汽车行业的刀具企业,还要在产品研发、技术创新、服务、人才培养及品牌建设等诸多领域修炼内功。在行业协会、研发单位和企业院校等多方协同下,国产刀具在汽车市场中,道路会走得更稳健。

同时,国外刀具厂商很少参与专利刀具产品的仿制与优化,而国内刀具厂商对于知识产权的保护重视不够,在刀具原始设计能力方面明显表现不足。

刀具的应用

一般在机加工生产线规划投产以后,刀具已完成基本选型,但大批量生产后还会出现很多问题,在投产一年的时间后,不仅消耗大、成本高,而且刀具供应速度不足。对此,通过技术优化,使问题得到了解决,成本也大幅度下降。

刀具的替代一般有两条途径:国外厂商的同类产品代替;国内本土的产品代替。相比较而言,第二种方法的实施会有一些困难,但必须做这些工作,而且需要长期不懈地做,且通过及早选择本土的产品代替,可有效解决产品及时共赢的问题。

刀具的使用也是非常重要的一环,首先要对操作工人进行简单的技术培训,更重要的是使用方面的培训,特别是安装的条件和如何安装。例如,HSK刀柄刀具安装,首先要用HSK清洁工具清洁,手尽量不要碰到HSK连接部分,要保证机床主轴跳动在0.005~0.010等。而这些简单的要求,工作人员常常不按照此要求做,影响了刀具的寿命。另外,有些丝锥、深孔钻加工时配有冷却喷嘴和导套,经常出现工人在刀具安装时移位,但装好刀具以后没有使其恢复到原位的问题,这就导致了刀具的非正常消耗。所以在刀具使用过程中,一些简单的规则不仅要知道,而且一定要照此操作。

有些精度比较高的刀具需要在对刀仪上进行调整,刀具调整的好坏也会影响刀具寿命,如Mapal刀具在刀具调整时要求比较高,需要调整的工作人员责任心强且技术熟练。在刀具调整时,首先要选择比较正确的对刀仪。另外,图纸上的调整数据是参考值,并不是最合适的,需要进行修正。最后,有些刀具在操作工位上要配备必要的对刀仪,这对刀具二次调整非常有利,有些刀具并没有到达使用寿命,只是尺寸有些变化,在生产线进行二次调整,不仅可减少刀具浪费,还可保证加工质量。

刀具管理是整个刀具工作的提高层次。通过有效的刀具管理,使刀具管理工作变得有序,成绩比较显著。刀具管理的整体思路为:在保证质量前提下,为生产一线服务、降低库存资金,完成生产任务、降低库存资金,最终达到降低刀具成本的目的。主要有以下三个方面:

第一,采取措施,保证生产。对容易出现供货困难的刀具,进行多家供货和本地化供货,使得选择多样化,而不要只依靠一家供货商。另外,就是采用一些临时的解决措施,如使用旧刀具重新修磨。最后,加强与其他汽车厂商的合作,如与其他汽车厂商刀具技术人员进行必要的合作和交流,因为对发动机厂商来说,缸体和缸盖加工用的很多刀具是相同的,在刀具供货困难时,双方可以相互支持。

第二,降低库存资金。对主要的刀具制定安全库存量,到了报警时及时采购。也可以在商务方面寻找解决方案,如通过签订一个合同,分批进行发货的方式。由供货商备货,特别是对国内的供货商,如衍磨条、硬质合金钻头等基本上无库存。

第三,降低成本。目前,对各个加工零件的单耗控制还不错,在国际上与同类汽车制造厂商相比也是较好的。最终目的就是降低刀具成本,最主要的措施是技术优化和本土化,另外也加强了管理,从管理中求效益,如使用、调整及修磨等方面的管理等。

以缸体瓦盖面加工优化方案为例,原刀具的刀片布局方式加工稳定性较差,如遇毛坯余量不均的情况会导致崩刃,瓦尔特刀具采用了刀片立装和平装(8+8)的方式,均匀分配每齿切削量,另外平装和立装的刀片在切削完4个刃口后通过互换安装,可以使用到另外4个未使用到的切削刃。这种刀片安装布局增加了刀片的切削力,并可最大化的利用刀片的切削刃,增加了刀具的寿命,从而达到降低单耗的目的。通过采用瓦尔特的优化方案后,每刃加工寿命由原来的500件增加到每刃700件,寿命提升了40%,以40万台发动机产量计算,瓦尔特的解决方案为客户节约成本将近20万元。

新技术

缸孔喷涂技术是指采用热喷涂技术(电弧喷涂或等离子喷涂)对经过粗化处理的铝发动机缸孔内壁喷涂一层合金涂层或者其他复合材料,取代传统的铸铁缸套。喷涂了涂层后的铝合金缸体依旧是一体式缸体,涂层的厚度仅仅0.3 mm,具有降低发动机重量,降低缸孔与活塞的摩擦和磨损,提高热传导,降低油耗和CO2排放等优点。电弧喷射工艺可在气缸工作表面上形成许多小的气孔,即使没有进行珩磨网纹槽加工,这些气孔也会储有润滑油。其结果表明,采用表面粗糙度为Ra0.05 μm级的镜面精加工,除了能提高抗爆燃性能之外,对于降低气缸孔与活塞间的摩擦也有着良好效果。

采用涡轮增压技术后,对缸盖座圈加工提出了新的要求,传统刀具寿命明显降低,不满足高速高效的要求。新刀具每个角由3个焊接立方氮化硼刀刃一次加工完成,亮点在于有9个刀片在加工,即每个角由3个刀片加工,加工精度高,同时刀具的调整时间减小,操作简单。新的刀具可以将刀具寿命加至10倍以上,同时能够适应3倍以上的进给速度的高效加工,并能够满足更高的加工精度,大大地减小加工和调刀时间。