中國汽車工業(yè)針對性地提出的“提高效率，降低成本”的要求，汽車制造業(yè)及其制造裝備供應商都在各個方面不斷改進加以適應。其中先進刀具的應用就是最重要的手段之一。汽車制造業(yè)的發(fā)展和進步，離不開生產制造技術及裝備的提升與革新。本文主要在動力總成的高效加工方面，就發(fā)揮先進刀具的性能與動力總成生產線的提高效率和降低成本之間的關系談一些想法。
目前現(xiàn)代汽車動力總成生產線具有以下明顯的特點：多品種、中批量生產；高效率；節(jié)拍快；低成本。其中的高效率和低成本，需要設備與刀具的合理匹配。因此，在應用先進刀具時，在規(guī)劃的設備上，為了達到高效率和節(jié)拍平衡，要求使用高速度、高進給的刀具；規(guī)劃時往往會犧牲刀具壽命來滿足節(jié)拍要求，但同時又要求保證最低要求的刀具壽命；設備規(guī)劃時僅在節(jié)拍允許的范圍內，才可能考慮延長刀具壽命。因此，在動力總成的高效加工中，充分、合理發(fā)揮先進刀具的性能是最重要的手段之一。
先進刀具在提高效率中的關鍵作用
汽車工業(yè)的動力總成生產中關于提高效率的要求，就是使用盡可能少的機床在單位時間內生產盡可能更多的零件。具體到先進刀具應用上，就是提高單位時間的金屬切削率，減少機床非切削的輔助時間，提高機床的開動率。
先進刀具提高機床單位時間的金屬切削率，主要通過先進刀具的高切削速度、高進給來實現(xiàn)。動力總成生產線追求高效率帶來了高速CNC機床的大量應用，同時也要求刀具具備高速切削的能力。刀具本身大量應用高速切削的材質如PCD、CBN、陶瓷、硬質合金及復合涂層等。先進刀具刀柄大多應用具有很好的平衡性能的高轉速的HSK系列刀柄設計來適應刀具的高速切削。以上條件保證了刀具在加工中的高切削速度和高進給應用。如典型的由鋁合金鑄造的發(fā)動機缸體，其缸蓋結合面如圖1所示，有20個連接螺栓孔需要加工，在底孔加工中選用先進刀具和傳統(tǒng)刀具將對生產線加工效率有著極大的影響（見表1）。
圖1 發(fā)動機缸蓋結合面
表1 在底孔加工中選用先進刀具和傳統(tǒng)刀具的比較
通過表中的數(shù)據(jù)對比，可以知道在加工該工藝底孔時，傳統(tǒng)刀具的加工時間是先進刀具加工時間的370%，如以生產線的規(guī)劃節(jié)拍為75s來計算，選用傳統(tǒng)刀具至少需要2臺機床同時加工該工藝底孔才有可能滿足節(jié)拍要求。而選用先進刀具只需要1臺機床加工該工藝底孔就可以滿足且可有富裕時間加工其他工藝要求。由此可見，刀具的高速度、高進給保證了生產中對加工效率越來越高的要求。
先進刀具通過組合刀具的合理、大量使用來減少機床非切削的輔助時間，達到提高動力總成生產線生產效率的目的。先進刀具中的組合刀具具有如下特點：高效率、高質量和高穩(wěn)定性。組合刀具一般是將幾個加工內容組合在一把刀具上，從而只通過一次進給，便可完成全部的加工內容。這樣不僅減少了加工時間，同時也減少了如換刀等輔助時間，提高了生產節(jié)拍和生產效率，在現(xiàn)代汽車動力總成制造中的應用越來越廣泛。如在動力總成中常見的20個螺紋M10X1.5的底孔加工時，往往需要倒角或有沉孔（見圖2）。
圖2 螺紋刨面圖
比較采用一般的D8.5鉆頭＋倒角鉆二次加工與組合加工的臺階鉆一次加工的結果，表2的結論清楚地表明，采用一次加工的組合臺階鉆比鉆頭＋倒角鉆二次加工可以節(jié)約的輔助時間占總加工時間的17%。當然，不同的加工狀況會有一定的差異，但上述結論說明先進的組合刀具在動力總成提高效率中能夠起到重要的作用。因此，為了盡可能減少輔助時間，提高加工效率，汽車動力總成加工中大量應用先進組合刀具才能滿足高效率的要求。
表2 傳統(tǒng)加工工藝與組合加工的比較
先進刀具的優(yōu)化應用，可提高刀具壽命，減少生產中刀具換刀頻次，提高機床的開動率，從而提高生產線的生產效率。例如某鋁合金缸體上的水泵孔粗加工（見圖3），原方案采用硬質合金刀片，刀具壽命80件，每班需換2次刀，每次換刀時間15min，對機床的開動率有較大的影響。新方案采用PCD焊接刀片，刀具壽命1 000件，極大地減少了換刀時間。
圖3 某鋁合金缸體上的水泵孔粗加工
兩種方案的比較如表3所示，先進刀具的方案相比較原方案僅在換刀時間上就可為生產線每年節(jié)省1個月時間，如可以充分利用該時間，在不增加設備和人員的前提下每年可以多生產約2萬個零件，這將極其有效地提高生產線的生產效率。
表3 選用硬質合金刀片與PCD焊接刀片的加工比較
先進刀具在降低成本中的主導作用
汽車行業(yè)的成本統(tǒng)計中，刀具成本僅占動力總成總成本的3%～5%，但它卻能影響總成本的20%～30%。這主要來自于先進刀具帶來的生產效率的提高而導致生產線生產成本的下降。先進刀具不僅能直接降低動力總成的刀具成本，而且能間接帶來生產成本的顯著降低，符合“精益生產”原則——用最小投資贏得最大經濟效益。先進刀具在動力總成降低成本的主導作用，主要體現(xiàn)在降低設備投資、降低零件單件刀具消耗費用和減少生產費用等方面。
先進刀具在項目規(guī)劃時可以降低動力總成生產線的設備投資。生產降低成本的要求從發(fā)動機生產線的立項開始就貫穿發(fā)動機項目全過程，始終如一。積極應用先進加工刀具就具有減少設備投資，贏得最大經濟效益的作用。例如圖1中的工藝分析，采用先進刀具的方案將比采用傳統(tǒng)刀具的方案減少1臺機床的投資，如果整個項目都應用先進刀具，盡可能減少機床設備的投資，就可以達到用最小投資贏得最大經濟效益的目的。再如缸體的啟動電機面的加工（見圖4），由于被加工面與CNC機床主軸平行，傳統(tǒng)方案是使用專機來加工，成本約百萬級人民幣，且設備柔性差?，F(xiàn)可以使用銑削用角度頭，直接在標準CNC機床上使用，投資約十萬級人民幣，并且設備柔性好。很明顯，在滿足同樣的工藝要求前提下，設備投資的下降是非?？捎^的。
圖4 缸體的啟動電機面的加工
降低零件單件刀具消耗費用
先進刀具在降低零件單件刀具消耗費用方面也有著不俗的表現(xiàn)。先進刀具的價格往往相對比較昂貴，但先進刀具的性能可比傳統(tǒng)刀具有很大提高，綜合零件單件刀具消耗費用一般有明顯的下降。例如，同尺寸規(guī)格的硬質合金鉸刀和PCD鉸刀在發(fā)動機鋁合金零件上的加工比較，價格上PCD鉸刀一般是硬質合金鉸刀的3～5倍，刀具壽命上PCD鉸刀一般是硬質合金鉸刀的10倍，而采用PCD鉸刀，零件單件刀具消耗費用一般可以下降50%或更多。對于現(xiàn)有生產線，刀具技術的不斷發(fā)展使刀具成本在其性能充分發(fā)揮的前提下仍能不斷下降。先進刀具的新材質、新涂層，相對于原來的刀具，其壽命往往有10%～30%的提高，而價格一般相差無幾。
減少生產費用
先進刀具在生產中可以持續(xù)地減少生產費用。先進刀具的干式加工和MQL已逐漸成為未來加工的方向，通過不用和微量使用冷卻液，一般可以節(jié)約15%的制造成本，另外還可通過減少零件的單位加工時間、減少換刀損失、增加機床開動率、降低刀具管理成本和延長刀具壽命降低刀具的庫存費用來降低生產成本。據(jù)報道，有部分企業(yè)采購了大量的進口高性能機床，但卻選用傳統(tǒng)的低性能的高速鋼刀具，機床的性能只發(fā)揮出10%～20%，由于刀具壽命短而機床頻繁停機換刀，表面上看刀具成本可能是比較低的，但如從零件的生產成本來看，由于設備的折舊費用攤到較少的零件上，零件的成本勢必會大幅上升。因此，明智的選擇應該是應用先進刀具，最大程度地提高機床的單位時間產出，從而盡可能地降低生產成本。
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