工艺是指生产过程中的工艺过程,也是生产过程中最主要的组成部分。所谓工艺过程,就是改变原材料(或毛坯)的形状、尺寸、相对位置及材料性能,使其成为成品或半成品的那部分生产过程。它包括铸造、锻造、热处理、机械加工及装配等工艺过程。铸造和锻造工艺过程,统称毛坯制造工艺过程。在这一工艺过程中,原材料经过铸造或锻造而成为满足设计技术要求、具有特定外形形状的铸件或锻件。在紧接下来的机械加工工艺过程中,借助于不同形式的加工方法和不同性能的加工设备,毛坯按一定顺序依次通过各道工序,改变形状、尺寸和相互位置关系,成为满足设计图样要求的零件。而这些被加工好的、合格的零件,按照规定的技术要求装配起来,就成了具有一定功能的部件、分总成(如发动机、变速器等)和汽车,这一环节称为装配工艺过程。
机械加工工艺过程主要分为工序、安装、工位、工步及走刀等。
工序是工艺过程的基本组成单元。它是指一个(或一组)工人在一台设备上对一个或同时对几个零件所连续完成的那一部分加工过程。在生产过程中,区分一道工序的依据是分析零件加工进程中工作的场地或设备是否发生变更,加工过程是否连续。为什么要划分工序呢?其一,因为零件表面具有不同的形状、精度,因此,这些表面一般不可能在一台机床上全部加工完成;其二,划分工序可提高生产效率,降低生产成本。
在同一道工序中,零件在加工位置上装夹一次所完成的那一部分工序,称为安装。一道工序中可以有一次或多次安装。如图 1-2 所示,在车削发动机活塞外圆面、端面和活塞环槽的工序中,车削裙部外圆 A 和端面 B 所进行的安装,称为安装 1;车削活塞顶部 C 和切活塞环槽 D 所进行的安装,称为安装 2。因此,在这道工序中包括了两次安装。
图1-2 活塞裙部和活塞环槽加工
在一道加工工序中,应尽量减少安装次数。这是因为安装次数增多,不仅影响生产效率,而且由于多次安装,安装位置改变,势必影响被加工部位之间的精度。例如,上述活塞外圆面的加工,就因采用两次安装,可能造成活塞裙部外圆与环槽外圆同轴度精度降低以及裙部端面与活塞顶面不平行。因此,在同一道工序中,为提高生产效率和零件位置精度,应尽量减少安装次数。
采用转塔加工设备或转位工作台进行零件加工时,零件一次安装后,零件(或刀具)相对于机床有多个不同位置。零件在每个位置上完成的那一部分加工过程,称为一个工位。
如图 1-3 所示为零件在二轴组合钻、铰设备上的加工情况。零件安装在回转工作台上,从装卸位置 1 到铰零件孔位置 3,零件相对于刀具位置发生了 3 次改变,3 次位置改变的完成,即表示一个零件在该工序的加工内容的结束,而零件每转一个位置,则是一个工位,故该工序为3 个工位。另外,应注意,如果零件安装在固定的工作台上,而加工刀具安装在转塔刀架上,这时刀架的每一次转动,零件相对于刀具的位置也发生一次改变,这也是一个工位。
图1-3 三工位二轴钻铰孔加工
工位零件加工方法减少了安装次数,提高了生产效率,特别适用于汽车零件的加工生产。
零件在一次安装中,在加工表面、加工刀具、切削用量(转速及进给量)不变的情况下,所连续完成的那一部分工序内容,称为工步。如图 1-2 所示,在车削活塞顶部 C 和切活塞环槽 D 的工序中,由于加工表面、刀具、切削用量都不同,因此,它们属于不同的工步。
在汽车的零件加工生产中,为了提高生产效率,通常在一次安装条件下,利用多个刀具同时加工多个待加工表面,称为复合工步。如图1-4 所示,在车床上用2 把车刀、1 把钻头同时车削外圆台阶表面和钻油孔,即为一个复合工步。
图1-4 复合工步——通油螺塞孔及外圆表面加工
零件一次安装后,在一个工步内,被加工表面余量较大时,需要进行多次切削。每进行一次切削,称为一次走刀。
如图 1-5 所示为三通螺钉零件结构图。通过表 1-3 的描述,可方便地分清工序、安装、工位、工步及走刀之间的关系。
图1-5 三通螺钉零件结构图
表1-3 三通螺钉加工工艺过程
在以高科技产业为主要支柱、以智力资源为主要依托的知识经济条件下,制造业正在发生革命性的变化,制造技术正在发生质的飞跃。世界上越来越多的人认识到制造业和制造技术发展的重要性。没有先进的制造业,无论哪一个产业都将失去存在和发展的条件。工具行业是制造业的基础产业,必须随着制造技术的不断变化,促进工具技术进步。
东风汽车集团有限公司1967 年开始建设时,是集中了当时国内外先进技术,被称为“聚宝盆”。在建成投产后的 20 多年间,全世界汽车工业不断得到迅速发展,现代汽车工业已成为高新技术装备起来的产业。目前,我国汽车行业各类生产企业 5800 多家,总资产超过万亿元,汽车工业总产值超过万亿元,纳税超过 1000 亿元。汽车化水平达到 24 辆/千人。“十五”期间,我国汽车产能增长了 3 倍,国际排名第三位,汽车行业员工 200 万人,相关行业 1000 万人,服务行业 1000 万人就业。我们不难看出,用高新技术装备起来的汽车产业已成为我国经济发展的主要推动力。同时,汽车制造技术的发展也必然带动其他相关工业的发展。
现代汽车产品技术发展的主要表现在于:
①汽车产品发展更加重视“人性化”,在设计理念上充分体现“以人为本”的特点。
②广泛采用汽车新型材料,汽车新型材料的采用可使车重下降 40%~45%,这将使汽车产品节能环保能力不断提高。
③不断改进汽车的动力性,同时大力发展混合动力和电动技术。
④高度重视环保及安全技术。例如,ABS,EPS及CAPS。
⑤电子技术的应用发展迅速。汽车智能化、公路自动化、自动导航系统、综合控制技术成为汽车电子信息技术的发展趋势。
⑥汽车制造技术的变化(如敏捷制造技术)更适应了汽车产品技术的发展。
⑦汽车产品技术的发展使汽车市场的变化更加激烈。
当然,这些只是汽车技术发展的主要点。随着汽车科学技术的不断进步,汽车制造技术也会不断创新,促进我国汽车工业更快、更好地发展,同时也必然带动工艺装备技术的发展。
汽车制造已由过去传统的专机生产、流水线生产、自动线生产,发展到今天的以柔性技术为特点的生产线生产。这一汽车制造技术的进步过程是由汽车制造的高效率要求以及需求的“个性化”要求引导的结果,使汽车制造技术向着技术的柔性化和生产的柔性化方向迅速发展,以适应快速变化的市场需求。过去一个新车型开发周期要几年时间,现在缩短到几个月的时间,甚至时间更短。因此,其生产的高效率和高度柔性化在汽车制造技术发展的过程中得到充分的表现。
高效、精密、柔性化、自动化是汽车制造技术变化的趋势。对于汽车制造技术进步的特点来说,主要有以下 9 个方面:
①缸体、缸盖等零件的大平面加工采用密齿铣刀进行高速切削。零件孔的加工,钻削加工占 60%,大多采用了高速切削和铣削螺纹孔工艺。
②曲轴加工方法采用内铣、车拉、外铣的先进工艺及设备,车拉工艺具有更好的加工柔性,可加工曲轴的主轴颈、连杆轴颈、法兰和皮带轮轴颈,而且还可同时加工轴颈的外圆、轴肩、圆角或沉割槽,结合曲轴的高速外铣可大大节省加工时间。
③已有厂家生产凸轮轴采用装配式凸轮轴,可方便地生产不同行程及相位角的凸轮轴,提高生产线的柔性程度。
④凸轮轴廓形高速磨削已普遍使用,其高速点磨工艺具有高效、高精度的优点。
⑤连杆加工采用成形拉削工艺,中分面采用“涨断”工艺,还有采用激光切断工艺的。
⑥多气门复杂缸盖的柔性加工工艺。
⑦先进的检测技术在制造过程中将更加重视在线测量和防错装置的使用,加强对制造过程的控制及质量保证。计算机控制的检测仪器、装置已普遍使用。
⑧汽车电子技术综合控制成为汽车电子信息技术的发展趋势。
⑨不断提高汽车安全技术的可靠性、稳定性。
这些新的制造工艺技术反映了现代汽车制造技术正在向高效、精密、柔性化、自动化方面发展的特点,故将推动汽车制造中高速加工技术、成形加工技术、敏捷制造技术、智能化加工技术及绿色加工技术等的快速发展,以提高我国汽车工业的制造工艺技术水平和技术创新能力。
1953 年建设中国第一汽车制造厂(现中国第一汽车集团有限公司,简称“一汽”)时,是苏联汽车制造工艺技术对我国的援助,当时的汽车制造工艺技术就对我国工具技术的进步提出了新的要求,直到 1967 年建设第二汽车制造厂(简称“二汽”),采用“聚宝”的方式,将当时能做到的国内外最先进的工艺装备技术嫁接到二汽,这对提高我国当时的汽车制造工艺技术是起到了关键性作用。20 世纪 80 年代以来,我国汽车工业得到很大发展,汽车工业及其制造工艺技术都有了很大进步,从国际汽车展看中国的汽车工业发展,是令人振奋的。目前,我国制造的汽车产品不比国外差,不少企业的制造工艺及设备都很先进,但在核心技术和自主开发方面做得较差,还有相当的差距,在汽车设计、总成设计、电子技术、工艺装备等方面的创新和自主开发能力不足,结合工具行业来说,如反映工艺技术水平的工具技术,与国外相比差距甚大。国内汽车厂家都十分盼望其工具行业能为汽车工业应用先进制造工艺技术提供所需的各类先进的工具及其管理和技术支持。
在制造工艺技术中,伴随着信息技术的发展,一方面,发展了以数控机床为基础的加工自动化技术;另一方面,在加工工艺和加工方法上也发展了许多新工艺、新技术,比较典型的有高速加工技术、精密与超精密加工技术、高能束加工技术(激光、水射流、离子和电子等)以及虚拟制造技术等。上述先进制造工艺技术的发展,大幅度地提高了劳动生产率,改善了产品质量,降低了生产成本,为社会创造了巨大的物质财富。先进的制造工艺技术也推动了工具技术的创新。在工具技术进步上,世界主要工业国家在切削工艺技术、切削工具材料、切削工具与机床的接口技术等方面都取得了很大成效,尤其值得注意的是高速切削技术现在已进入了工业应用阶段,适应现代汽车制造工艺技术高效、精密、柔性化、自动化的要求就成为工具技术发展的方向。在工具国产化工作中,总结出“高硬度、高寿命、高耐用度、高效率和特殊性”的工具技术要求,对新工具推广应用起到了很大的作用。面对汽车制造工具技术进步的形势,必须跳出老式技术模式,广泛采用“四新技术”,加快工具技术创新的步伐,为现代汽车制造工艺技术提供技术基础支持,促进工具行业自身的发展与进步。
汽车生产从单一品种生产发展到多品种混流生产,从专机生产发展到柔性化生产,这是一个不断进行的技术创新的过程,这一过程的表现对整个工艺装备技术都提出了更高、更新的需求,高速、高效、复合、精密,甚至网络化是这种需求的新特点,是工具行业技术创新的方向。
在汽车制造工艺技术不断创新的形势下,工具行业面临着巨大的机遇和严重的挑战。
从奇瑞“中国心”——Acteco发动机制造工艺技术来看,应如何研究中国工具技术今后的发展问题。
目前,全球工具厂家都在竞相围绕现代汽车制造工艺技术对工具技术进行全面更新换代,其速度惊人。向工具的高效、精密、自动化技术挑战已成为工具行业共识,“四高一特”成为工具技术创新的目标,以此来满足其高速加工、柔性加工的要求。例如:
汽车产品向材料轻质,高强度,环保技术方向发展,工具行业也应紧跟这一趋势,优化其产品结构,提高产品性能,改善切削环境,来满足汽车产品材质材料更新的技术要求。
适用于大平面高速加工的密齿铣刀已被普遍采用,大大提高了生产效率和产品质量,降低了制造成本。
用于曲轴加工的曲轴车拉刀,曲轴内铣刀、曲轴外铣刀,完全改变了传统的曲轴加工方法,提高了曲轴加工的效率和精度。
机夹可转位刀具朝着多功能、高性能、高效率、高复合性方向快速发展。例如,高速金刚石面铣刀,内冷却式孔加工刀具,枪钻、枪铰、U钻、复合钻、高效加工内螺纹铣刀等,其刀具材料、刀具结构、冷却方式、刃沟钻尖形式与端齿形式,柄部结构、切削刃负荷都得到充分改善,适应高速切削的要求。
成形刀具在零件加工中广泛使用。
高性能高速钢刀具在高速加工中大大提高了加工效率,如滚刀、散热器散热片加工装配式滚切刀、磨制钻头等。
上述新型刀具反映了当今工具技术的新成果和工艺水平,这些新工具都具有很高的排削性能、高刚性、高回转平衡性。
刀具新材料进入了优质、耐磨、高效的实用新阶段。大力推广新型工具材料,满足各种环境下的切削要求,是提高工具技术的基础。
大力推广应用高性能高速钢、钴高速钢、粉末高速钢等。
大力推广应用细颗粒和超细颗粒硬质合金材料。超细晶粒硬质合金适用于大多数的钻削和铣削加工,如硬质合金丝攻、立铣刀等。
大力推广应用适合高速切削的刀具材料。
各种涂层硬质合金。
陶瓷和金属陶瓷。
超硬刀具材料CBN,PCD,PCBN。
高速钢刀具及硬质合金刀具均可通过涂层来提高刀具的使用性能。涂层刀具对改善产品加工质量,提高生产效率和降低刀具使用成本都十分明显。
涂层技术方法分CVD和PVD两种。若按涂层材料,可分为硬涂层和软涂层。
硬涂层:具有高硬度、高耐磨性。
软涂层:具有低摩擦系数,降低切削力和切削温度。
涂层有单层、多层涂层和梯度涂层。
“软-硬”复合涂层、超硬薄膜涂层和纳米涂层。
软涂层材料MoS2,WS2,TaS2 及其组合(固体润滑材料)适用于高温、高速、大载荷特殊条件下切削。 MoS2/ Ti涂层刀具适用于低速断续切削。软涂层可用于干式切削。
从总体上讲,国内刀具的制造工艺技术较落后,除了刀具结构和刀具材料原因之外,其刀具产品档次低、质量差是与当前国内刀具的制造工艺技术落后分不开的。这不仅反映在机械加工上,还反映在其热处理技术上及产品质量检测手段上。因此,必须提高国内的工具技术,学习国外先进的工具制造工艺技术,以提升自身的工具制造水平,同时要重视刀具切削环保技术、安全技术的研究与开发应用。
世界知名夹具生产厂家和专业化程度较高的切削刀具生产厂家分别推出了高精度液压夹头、热装夹头、三棱变形夹头、内装动平衡机构刀柄、扭矩监控夹头等新型产品,其夹紧精度高,定位精准,传递扭矩大,结构性能好,外形尺寸小,安全可靠。数控技术日新月异的发展趋势使柔性化出现了智能化、网络化更高层次的先进制造工艺技术,由于智能化加工技术必然成为工具技术今后发展的重点,这是毫无疑问的,工具行业只有全面提升自己的创新能力,才能肩负起振兴工具行业的责任。
要把夹持技术、数字控制技术、动态控制技术及动平衡技术研究应用作为重点,要把开发新型刀柄和夹头作为高效、精密、自动化刀具发展的重要组成部分,如HSK,ABS,BT等,以促进刀具系统技术的发展。
近年来,汽车制造业在线检测及跟踪控制测量技术发展也是十分明显的,量具产品正在向多功能、高分辨率、高精度以及机电一体化智能化方向发展,计算机辅助测量、数显技术、光电技术大量应用于现代检测装备装置中,满足了其制造工艺技术高效、精密、自动化的发展需求。