汽車制造中的應(yīng)用---切削加工系統(tǒng)工程
汽車制造業(yè)中，切削加工的重要性和復(fù)雜性非常突出。近年來(lái)，汽車制造過程中切削加工的變化和發(fā)展尤為令人矚目，新工藝、新方法層出不窮。
圖1 切削加工系統(tǒng)的反饋與控制
為什麼說(shuō)汽車制造業(yè)中，切削加工的重要性和復(fù)雜性極為突出？這是因?yàn)�，大量的多種類零件需要進(jìn)行精密、高速、高效加工；汽車生產(chǎn)自身大批量、嚴(yán)格按照節(jié)拍進(jìn)行流水生產(chǎn)的特點(diǎn)；與此同時(shí)，激烈的巿場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也進(jìn)一步加劇了對(duì)汽車生產(chǎn)柔性化和切削加工制造成本控制的要求。
近年來(lái)，可以看到汽車制造過程中的切削加工發(fā)生了很大變化并獲得全新發(fā)展，出現(xiàn)了不少新工藝、新方法。
比如，曲軸加工采用車–車?yán)⑼忏娀騼?nèi)銑；連桿加工采用漲斷工藝；凸輪軸加工采用裝配式凸輪軸然後直接磨削成形的工藝方法；氣缸體主軸承孔、連桿大頭孔加工采用絞珩工藝等。生產(chǎn)過程中，大量采用數(shù)控加工中心機(jī)床組建的柔性加工綫，切削速度和進(jìn)給量等切削參數(shù)普遍大幅提高，制造過程加速向著高速、高效加工的方向發(fā)展，創(chuàng)新的刀具結(jié)構(gòu)、全新的刀具材料和新型的表面涂層被不斷采用，等等。而且，對(duì)生產(chǎn)過程和加工質(zhì)量的穩(wěn)定性要求也更為嚴(yán)苛，對(duì)制造成本 的控制亦趨緊。
所有這一切，都對(duì)切削加工提出了新挑戰(zhàn)。
切削加工是一個(gè)系統(tǒng)問題
在高精密、高速、高效率的大規(guī)模汽車制造切削加工生產(chǎn)中，有時(shí)會(huì)發(fā)生種種異常情況，包括工件加工尺寸超差；位置度不符合要求；加工的表面形貌不理想；刀具崩刃、折斷、異常磨損、刀具壽命短和刀具成本居高不下，等等。而這些問題需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)獲得解決，否則將給汽車制造的正常生產(chǎn)帶來(lái)很大 影響。
1.只是因?yàn)榈毒叱隽藛栴}？
實(shí)際工作中，不少人往往有一種習(xí)慣性思維，切削加工中一旦出現(xiàn)異常，就認(rèn)為是刀具出了問題，大量的工作和解決措施也多圍繞著刀具進(jìn)行，其結(jié)果卻是花了很多精力和時(shí)間，原因仍不甚明了，問題得不到徹底解決。
其實(shí)，切削加工特別是高效加工是一個(gè)系統(tǒng)問題，刀具只是這個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。在切削加工中，所加工的工件毛坯、設(shè)備、刀具、夾具、切削液等共同組成了一個(gè)系統(tǒng)，切削加工的問題是這個(gè)系統(tǒng)中多個(gè)因素和變量綜合作用之下的產(chǎn)物。
而且，對(duì)於不少企業(yè)而言，這個(gè)“系統(tǒng)”可能并不僅僅表現(xiàn)為一道工序或一臺(tái)設(shè)備，而是整條生產(chǎn)綫；而刀具自身又是其中的一個(gè)子系統(tǒng)，包括刀具結(jié)構(gòu)、幾何形狀、刀體材料、切削刃材料、刀具涂層等等多個(gè)方面。
上述所有的因素綜合在一起，影響和決定著產(chǎn)品的尺寸、形狀、位置、表面形貌、加工精度等，而整個(gè)系統(tǒng)中的任何一個(gè)因素發(fā)生變化，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出即加工質(zhì)量、加工效率和加工成本發(fā)生影響。
舉個(gè)很好理解的例子，在過去，人們雖然已經(jīng)感覺到切削液對(duì)切削加工有作用，但往往也只是將其作為生產(chǎn)加工中的一般輔助材料來(lái)處理。但現(xiàn)在的生產(chǎn)實(shí)踐卻告訴人們，作為整個(gè)切削加工系統(tǒng)之一環(huán)的切削液已經(jīng)重要到如此的程度，以至於如果切削液選擇不合適或是管理不當(dāng)甚至?xí)斐缮a(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行，刀具不 能正常使用。
又比如，銑削加工出來(lái)的工件表面質(zhì)量達(dá)不到要求，更換多家刀具供應(yīng)商的不同改進(jìn)的銑刀也仍是達(dá)不到要求，最終更換機(jī)床主軸後，所加工的工件質(zhì)量達(dá)到了要求，發(fā)現(xiàn)問題的真正根源并不在刀具，而是系統(tǒng)中的其它因素發(fā)生了問題。
2.廣義上的“切削加工系統(tǒng)”
機(jī)床主軸的跳動(dòng)，加工過程中的振動(dòng)，刀具的動(dòng)平衡，切削液的品種、濃度、壓力和流量，刀具的預(yù)調(diào)整，以及切削參數(shù)的匹配等等，都會(huì)對(duì)切削加工的結(jié)果產(chǎn)生重大影響，而影響切削加工結(jié)果的原因遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。
為了提高切削加工效率，近年來(lái)高效切削獲得了廣泛應(yīng)用，可是需要注意的是，對(duì)於汽車制造業(yè)的切削加工來(lái)說(shuō)，真正的高效加工追求的不僅僅是單臺(tái)機(jī)床的高切削效率，還要求實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)綫的高切削效率，也即追求整個(gè)系統(tǒng)的高效率。這就需要合理地安排工藝、合適的機(jī)床設(shè)備和高效刀具，科學(xué)的管理和完善的 過程控制體系以及快速、可靠的刀具供應(yīng)物流體系等。
站在這個(gè)高度看，切削加工這個(gè)系統(tǒng)就更大，它不僅是被加工工件和加工裝置、加工介質(zhì)組成的物質(zhì)系統(tǒng)；還包括刀具的壽命控制、刃磨、調(diào)整、采購(gòu)供應(yīng)管理、成本核算和控制等組成的管理系統(tǒng)；切削參數(shù)設(shè)定和調(diào)刀與修磨規(guī)范等組成的技術(shù)系統(tǒng)；切削數(shù)據(jù)庫(kù)和刀具管理軟件等組成的信息系統(tǒng)等等。
切削加工系統(tǒng)的構(gòu)成
1.組成要素
包括機(jī)床、夾具、刀具、切削液、被加工工件、操作者，等等。
2.各個(gè)子系統(tǒng)
包括工藝系統(tǒng)、切削摩擦學(xué)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、機(jī)床系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)、刀具管理系統(tǒng)、切削質(zhì)量控制系統(tǒng)，等等。
3.輸入
包括待加工的工件毛坯，各項(xiàng)加工要求等。這 要注意的是，工件毛坯是系統(tǒng)的輸入，可是它進(jìn)入切削加工系統(tǒng)後，又成為切削加工系統(tǒng)中的一個(gè)部分，對(duì)切削加工系統(tǒng)中的其他變量和切削加工系統(tǒng)輸出產(chǎn)生影響。
4.輸出
即加工完成的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)的加工結(jié)果，如加工質(zhì)量、加工效率、加工成本等。
5.反饋和控制
測(cè)量和控制形成了輸出對(duì)輸入的影響（如圖1），這是一種反饋。反饋有正反饋也有負(fù)反饋，輸出對(duì)輸入響應(yīng)的誤差，通過合適的反饋可得到及時(shí)糾正，使輸出向輸入要求的中心值收斂，否則輸出就會(huì)愈加偏離目標(biāo)值，出現(xiàn)成批的加工不合格品。
圖1 切削加工系統(tǒng)的反饋與控制
切削加工系統(tǒng)工程的發(fā)展和應(yīng)用
切削加工既然是個(gè)系統(tǒng)問題，就只能用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法來(lái)分析和處理。系統(tǒng)工程是近三十年發(fā)展起來(lái)的一門新興的綜合學(xué)科，重在運(yùn)用系統(tǒng)觀點(diǎn)和系統(tǒng)方法處理復(fù)雜的工程、科研和生產(chǎn)任務(wù)。鑒於系統(tǒng)工程的理論和方法本身也處在研究和發(fā)展過程中，而將其應(yīng)用於切削加工領(lǐng)域，就更有很多問題要回答和解決，需 要發(fā)展新的理論和新方法，進(jìn)行不斷的探索和努力。
切削加工系統(tǒng)工程歸屬於系統(tǒng)工程這門大的學(xué)科，但又是針對(duì)切削加工過程應(yīng)用所形成的一個(gè)專門分支學(xué)科，因而很多方法將是切削加工領(lǐng)域所特有的。為使切削加工真正成為高效加工，不僅要進(jìn)行理論探討，更要立足切削加工要達(dá)到的目的、實(shí)現(xiàn)大批量且柔性化的高效加工這個(gè)角度來(lái)進(jìn)行分析和應(yīng)用，因此，觀念 和方法的創(chuàng)新必不可少。
不論是從事工藝規(guī)劃和設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持和生產(chǎn)管理，抑或從事刀具設(shè)計(jì)、刀具制造、刀具銷售、刀具應(yīng)用，還是分析解決與刀具有關(guān)的切削加工問題，都必須從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)予以分析和解決。這要求我們具備切削加工系統(tǒng)工程的知識(shí)，了解該系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法獲得切削加工問題的整 體解決方案。
應(yīng)用系統(tǒng)方法分析和解決切削加工問題
通過運(yùn)用系統(tǒng)工程，能夠?qū)⒂邢薜娜肆�、物力、�?cái)力資源運(yùn)用到正確的方向，解決切削加工中的難題。
1.認(rèn)識(shí)切削加工的系統(tǒng)特徵
①系統(tǒng)的整體性：切削加工是一個(gè)完整的系統(tǒng)，因此在解決問題時(shí)必須建立系統(tǒng)的概念，考慮其整體性。
②系統(tǒng)的相關(guān)性：切削加工系統(tǒng)是一個(gè)多變量多輸入的系統(tǒng)，其內(nèi)在各部分緊密相連并有交互作用，需要在綜合考慮的基礎(chǔ)上分析和解決切削加工問題。
③系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性：不能靜止地看問題，而需進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。
注重各子系統(tǒng)的接口和聯(lián)系，深入理解各子系統(tǒng)并遵循其運(yùn)行的客觀規(guī)律，努力使系統(tǒng)處?kù)妒芸貭顟B(tài)。
2.始終持有系統(tǒng)的觀點(diǎn)
①剛性：指機(jī)床、夾具、工件和刀具整個(gè)系統(tǒng)的剛性，而非孤立的機(jī)床本身的剛性。
②跳動(dòng)：是刀具裝在主軸上的跳動(dòng)，而不僅是刀具本身的跳動(dòng)；是機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)跳動(dòng)，而不僅僅是機(jī)床停止過程中的靜態(tài)跳動(dòng)。
③高效加工：強(qiáng)調(diào)整條生產(chǎn)綫的高效，而不僅是單個(gè)工序或單臺(tái)設(shè)備的高效。
④制造成本：亦是系統(tǒng)的綜合成本，在相同口徑和條件下進(jìn)行的比較，是從總體和長(zhǎng)遠(yuǎn)權(quán)衡的成本。
3.區(qū)分影響系統(tǒng)變化的普通原因和特殊原因
切削加工系統(tǒng)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其中一直在發(fā)生著各種變化，從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)看，影響其變化的原因可分為普通原因和特殊原因。普通原因是系統(tǒng)中固有的隨機(jī)變化的因素，而特殊原因不是系統(tǒng)所固有的，但會(huì)引起系統(tǒng)輸出的明顯變化。
從刀具壽命隨時(shí)間變動(dòng)的示意圖可見（圖2），刀具壽命原來(lái)在某個(gè)平均值附近發(fā)生上下波動(dòng)，引起這種微小波動(dòng)的原因是系統(tǒng)普通原因，但是如果一段時(shí)間後刀具壽命突然變短或變長(zhǎng)，這就必然存在某種特殊原因。
圖2 刀具壽命隨時(shí)間變動(dòng)的示意圖
這時(shí)，就必須將這種特殊原因找出來(lái)并采取相應(yīng)措施，或者是使刀具壽命恢復(fù)到原有程度，或是發(fā)現(xiàn)了某種有利因素，則應(yīng)設(shè)法將其鞏固下來(lái)，成為系統(tǒng)中的固有因素，從而延長(zhǎng)刀具壽命、降低刀具成本。
4.重視切削液對(duì)切削加工系統(tǒng)的影響
①切削液在機(jī)械加工中的應(yīng)用非常普遍，但其具有的潤(rùn)滑、冷卻等多種功效對(duì)於切削加工的重要性則并非廣為人知。
②認(rèn)識(shí)切削摩擦學(xué)系統(tǒng)的摩擦學(xué)特性，認(rèn)識(shí)選擇正確的潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑方法和潤(rùn)滑介質(zhì)的重要性。
③在切削加工的工藝過程控制中，必須將切削液及其潤(rùn)滑方式包括切削液品種、濃度、清潔度、PH值、流量、壓力等作為過程控制參數(shù)嚴(yán)加控制，這樣才能確保獲得要求的切削加工性能和加工質(zhì)量及高的生產(chǎn)效率。
5.根據(jù)切削摩擦學(xué)應(yīng)用好導(dǎo)條式刀具
帶導(dǎo)條刀具充分利用了摩擦學(xué)原理，將其巧妙地應(yīng)用於精密孔加工的鏜削和鉸削刀具上。
在理想的工作情況下，刀具導(dǎo)條并不真正與工件已加工表面直接接觸，真正起作用的是刀具導(dǎo)條與工件已加工表面之間的一層油膜。而這層油膜能否形成，其油膜剛度如何，是這種帶導(dǎo)條刀具工作成功的關(guān)鍵。所以，這種刀具的導(dǎo)條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造有很多特殊要求，對(duì)切削液的要求也很高。
6.刀具表面涂層的應(yīng)用具有系統(tǒng)條件
一般認(rèn)為，涂層應(yīng)用在刀具表面將有利於延長(zhǎng)刀具壽命或提高加工效率，不理想的情況下也僅是涂層不起作用而已。但實(shí)際上，刀具表面涂層的應(yīng)用是有 系統(tǒng)條件的，也即要求加工某種材料的、一定的刀具基體材料和一定的表面涂層需與一定的切削參數(shù)等工作條件相匹配，如選擇不當(dāng)，則有可能產(chǎn)生負(fù)面作用。
7.掌握切削摩擦學(xué)系統(tǒng)的配副性
刀具材料、刀具表面涂層在切削摩擦過程中存在一個(gè)與被加工工件材料的摩擦學(xué)系統(tǒng)的配副性問題，需要基於切削摩擦學(xué)解決不同種類工件材料與刀具材料以及表面涂層材料之間的適配性問題，以選擇合適的刀具材料以及相應(yīng)的表面涂層。
制造成本的系統(tǒng)控制
1.關(guān)注工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)中一次性投資與長(zhǎng)期性制造費(fèi)用之間的關(guān)系
①注意將制造費(fèi)用中的設(shè)備折舊、人力成本和公用動(dòng)力、刀具、設(shè)備維修及備件、化學(xué)品消耗等運(yùn)營(yíng)費(fèi)用聯(lián)系起來(lái)統(tǒng)一考慮和分析處理問題。
②刀具費(fèi)用的高低與新刀具、新工藝、新技術(shù)、新材料的采用緊密相關(guān)，與刀具的采購(gòu)、物流、調(diào)整、修磨、刀具質(zhì)量控制、刀具優(yōu)化及刀具管理等多方面緊密相聯(lián)。
2.高度重視項(xiàng)目規(guī)劃投資階段的刀具方面工作
①近年來(lái)的工作實(shí)踐和國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)都表明，一把價(jià)值幾萬(wàn)元的刀具有可能影響一臺(tái)價(jià)值幾百萬(wàn)元的設(shè)備的效率的發(fā)揮。
②注意一次性設(shè)備和刀具投資與長(zhǎng)期性刀具消耗費(fèi)用之間的關(guān)系。有的項(xiàng)目可能在項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)節(jié)約了設(shè)備投資，卻采用了昂貴刀具或不合理的切削參數(shù)，造成刀具壽命短以及長(zhǎng)期的刀具消耗成本過高，需要綜合權(quán)衡。
③工藝規(guī)劃階段對(duì)刀具的設(shè)計(jì)和安排在很大程度上決定了生產(chǎn)階段的制造成本和刀具費(fèi)用。
3.處理好幾項(xiàng)重要關(guān)系
①設(shè)備的選用與刀具的選用之間的關(guān)系；②當(dāng)前設(shè)計(jì)與長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮之間的關(guān)系；③規(guī)劃產(chǎn)量與真實(shí)產(chǎn)量波動(dòng)之間的關(guān)系；④減少設(shè)備數(shù)量或投資與工藝合理 性之間的關(guān)系；⑤切削用量加大與可能的刀具壽命縮短之間的關(guān)系；⑥設(shè)備投資節(jié)省與刀具費(fèi)用增加之間的關(guān)系；⑦柔性化程度與加工效率之間的關(guān)系。
4.工藝方案需適應(yīng)系統(tǒng)條件
采用怎樣的工藝方法、設(shè)備、刀具等與產(chǎn)量及其變動(dòng)情況緊密相關(guān)。從切削加工系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)看，不能簡(jiǎn)單地說(shuō)采用加工中心機(jī)床好、還是采用專機(jī)好，或者是采用某種設(shè)備組合好，關(guān)鍵要看所組成的系統(tǒng)的綜合情況，以及其是否適應(yīng)周圍環(huán)境條件，因?yàn)樵谀撤N情況下好的工藝方案在另一種情況下有可能不適合。
重要的是，對(duì)這種相互變化的情況及其相互關(guān)系進(jìn)行分析研究，以此指導(dǎo)工藝規(guī)劃和設(shè)計(jì)。
5.項(xiàng)目規(guī)劃階段對(duì)刀具耐用度和使用成本的控制
需要設(shè)法探索的是，如何在項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就對(duì)刀具的設(shè)計(jì)選用加以更有效的管理和控制，并向設(shè)備供應(yīng)商和刀具供應(yīng)商提出項(xiàng)目投產(chǎn)後對(duì)刀具耐用度和有關(guān)使用成本的基本要求，對(duì)投產(chǎn)後將發(fā)生的刀具費(fèi)用和制造成本在項(xiàng)目的規(guī)劃階段就有預(yù)測(cè)和控制。這將大幅提高新項(xiàng)目實(shí)施後的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
結(jié)語(yǔ)
切削加工是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)真正的高效加工就必須運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和系統(tǒng)的方法。也正因?yàn)榇�，我們不能將切削加工系統(tǒng)中的問題孤立地、靜止地、分割開來(lái)地看待和處理，而是需要打破專業(yè)的界限，關(guān)注到切削加工系統(tǒng)中的多個(gè)復(fù)雜要素和變量。
一方面，我們要了解各子系統(tǒng)本身的專業(yè)特點(diǎn)；另一方面，還需要尋找和發(fā)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系和相互作用、各子系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間的相互聯(lián)系和相互作用，了解它們的交互作用對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，掌握某些變量之間相互制約的關(guān)系。
可以想象，現(xiàn)代汽車制造的發(fā)展不斷帶來(lái)新課題，出現(xiàn)更多的難加工材料，要求更高的加工質(zhì)量和加工效率、以及更具競(jìng)爭(zhēng)力的加工成本。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，系統(tǒng)工程方法的應(yīng)用將提供有效途徑和科學(xué)方法，從而獲得切削加工方案和切削刀具性能的全面優(yōu)化，讓切削加工中出現(xiàn)的新問題迎刃而解，實(shí)現(xiàn)理想的切削加 工系統(tǒng)輸出。
上述種種都將有助於持續(xù)創(chuàng)新，增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。 編者按：本文經(jīng)達(dá)世亮先生首肯、精選自作者編著的《汽車制造切削加工系統(tǒng)工程及應(yīng)用》一書。
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