汽車制造中的應用---切削加工系統工程
汽車制造業中，切削加工的重要性和復雜性非常突出。近年來，汽車制造過程中切削加工的變化和發展尤為令人矚目，新工藝、新方法層出不窮。
圖1 切削加工系統的反饋與控制
為什麼說汽車制造業中，切削加工的重要性和復雜性極為突出？這是因為，大量的多種類零件需要進行精密、高速、高效加工；汽車生產自身大批量、嚴格按照節拍進行流水生產的特點；與此同時，激烈的巿場競爭也進一步加劇了對汽車生產柔性化和切削加工制造成本控制的要求。
近年來，可以看到汽車制造過程中的切削加工發生了很大變化并獲得全新發展，出現了不少新工藝、新方法。
比如，曲軸加工采用車–車拉、外銑或內銑；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。生產過程中，大量采用數控加工中心機床組建的柔性加工綫，切削速度和進給量等切削參數普遍大幅提高，制造過程加速向著高速、高效加工的方向發展，創新的刀具結構、全新的刀具材料和新型的表面涂層被不斷采用，等等。而且，對生產過程和加工質量的穩定性要求也更為嚴苛，對制造成本 的控制亦趨緊。
所有這一切，都對切削加工提出了新挑戰。
切削加工是一個系統問題
在高精密、高速、高效率的大規模汽車制造切削加工生產中，有時會發生種種異常情況，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間內獲得解決，否則將給汽車制造的正常生產帶來很大 影響。
1.只是因為刀具出了問題？
實際工作中，不少人往往有一種習慣性思維，切削加工中一旦出現異常，就認為是刀具出了問題，大量的工作和解決措施也多圍繞著刀具進行，其結果卻是花了很多精力和時間，原因仍不甚明了，問題得不到徹底解決。
其實，切削加工特別是高效加工是一個系統問題，刀具只是這個系統中的一個環節。在切削加工中，所加工的工件毛坯、設備、刀具、夾具、切削液等共同組成了一個系統，切削加工的問題是這個系統中多個因素和變量綜合作用之下的產物。
而且，對於不少企業而言，這個“系統”可能并不僅僅表現為一道工序或一臺設備，而是整條生產綫；而刀具自身又是其中的一個子系統，包括刀具結構、幾何形狀、刀體材料、切削刃材料、刀具涂層等等多個方面。
上述所有的因素綜合在一起，影響和決定著產品的尺寸、形狀、位置、表面形貌、加工精度等，而整個系統中的任何一個因素發生變化，都會對系統的輸出即加工質量、加工效率和加工成本發生影響。
舉個很好理解的例子，在過去，人們雖然已經感覺到切削液對切削加工有作用，但往往也只是將其作為生產加工中的一般輔助材料來處理。但現在的生產實踐卻告訴人們，作為整個切削加工系統之一環的切削液已經重要到如此的程度，以至於如果切削液選擇不合適或是管理不當甚至會造成生產無法正常進行，刀具不 能正常使用。
又比如，銑削加工出來的工件表面質量達不到要求，更換多家刀具供應商的不同改進的銑刀也仍是達不到要求，最終更換機床主軸後，所加工的工件質量達到了要求，發現問題的真正根源并不在刀具，而是系統中的其它因素發生了問題。
2.廣義上的“切削加工系統”
機床主軸的跳動，加工過程中的振動，刀具的動平衡，切削液的品種、濃度、壓力和流量，刀具的預調整，以及切削參數的匹配等等，都會對切削加工的結果產生重大影響，而影響切削加工結果的原因遠遠不止這些。
為了提高切削加工效率，近年來高效切削獲得了廣泛應用，可是需要注意的是，對於汽車制造業的切削加工來說，真正的高效加工追求的不僅僅是單臺機床的高切削效率，還要求實現整條生產綫的高切削效率，也即追求整個系統的高效率。這就需要合理地安排工藝、合適的機床設備和高效刀具，科學的管理和完善的 過程控制體系以及快速、可靠的刀具供應物流體系等。
站在這個高度看，切削加工這個系統就更大，它不僅是被加工工件和加工裝置、加工介質組成的物質系統；還包括刀具的壽命控制、刃磨、調整、采購供應管理、成本核算和控制等組成的管理系統；切削參數設定和調刀與修磨規范等組成的技術系統；切削數據庫和刀具管理軟件等組成的信息系統等等。
切削加工系統的構成
1.組成要素
包括機床、夾具、刀具、切削液、被加工工件、操作者，等等。
2.各個子系統
包括工藝系統、切削摩擦學系統、刀具系統、機床系統、夾具系統、刀具管理系統、切削質量控制系統，等等。
3.輸入
包括待加工的工件毛坯，各項加工要求等。這 要注意的是，工件毛坯是系統的輸入，可是它進入切削加工系統後，又成為切削加工系統中的一個部分，對切削加工系統中的其他變量和切削加工系統輸出產生影響。
4.輸出
即加工完成的產品，實現的加工結果，如加工質量、加工效率、加工成本等。
5.反饋和控制
測量和控制形成了輸出對輸入的影響（如圖1），這是一種反饋。反饋有正反饋也有負反饋，輸出對輸入響應的誤差，通過合適的反饋可得到及時糾正，使輸出向輸入要求的中心值收斂，否則輸出就會愈加偏離目標值，出現成批的加工不合格品。
圖1 切削加工系統的反饋與控制
切削加工系統工程的發展和應用
切削加工既然是個系統問題，就只能用系統的觀點和方法來分析和處理。系統工程是近三十年發展起來的一門新興的綜合學科，重在運用系統觀點和系統方法處理復雜的工程、科研和生產任務。鑒於系統工程的理論和方法本身也處在研究和發展過程中，而將其應用於切削加工領域，就更有很多問題要回答和解決，需 要發展新的理論和新方法，進行不斷的探索和努力。
切削加工系統工程歸屬於系統工程這門大的學科，但又是針對切削加工過程應用所形成的一個專門分支學科，因而很多方法將是切削加工領域所特有的。為使切削加工真正成為高效加工，不僅要進行理論探討，更要立足切削加工要達到的目的、實現大批量且柔性化的高效加工這個角度來進行分析和應用，因此，觀念 和方法的創新必不可少。
不論是從事工藝規劃和設計、現場技術支持和生產管理，抑或從事刀具設計、刀具制造、刀具銷售、刀具應用，還是分析解決與刀具有關的切削加工問題，都必須從系統的觀點出發予以分析和解決。這要求我們具備切削加工系統工程的知識，了解該系統中的各個子系統，應用系統工程的方法獲得切削加工問題的整 體解決方案。
應用系統方法分析和解決切削加工問題
通過運用系統工程，能夠將有限的人力、物力、財力資源運用到正確的方向，解決切削加工中的難題。
1.認識切削加工的系統特徵
①系統的整體性：切削加工是一個完整的系統，因此在解決問題時必須建立系統的概念，考慮其整體性。
②系統的相關性：切削加工系統是一個多變量多輸入的系統，其內在各部分緊密相連并有交互作用，需要在綜合考慮的基礎上分析和解決切削加工問題。
③系統的動態性：不能靜止地看問題，而需進行動態分析。
注重各子系統的接口和聯系，深入理解各子系統并遵循其運行的客觀規律，努力使系統處於受控狀態。
2.始終持有系統的觀點
①剛性：指機床、夾具、工件和刀具整個系統的剛性，而非孤立的機床本身的剛性。
②跳動：是刀具裝在主軸上的跳動，而不僅是刀具本身的跳動；是機床運動過程中的動態跳動，而不僅僅是機床停止過程中的靜態跳動。
③高效加工：強調整條生產綫的高效，而不僅是單個工序或單臺設備的高效。
④制造成本：亦是系統的綜合成本，在相同口徑和條件下進行的比較，是從總體和長遠權衡的成本。
3.區分影響系統變化的普通原因和特殊原因
切削加工系統作為一個動態系統，其中一直在發生著各種變化，從系統工程的觀點看，影響其變化的原因可分為普通原因和特殊原因。普通原因是系統中固有的隨機變化的因素，而特殊原因不是系統所固有的，但會引起系統輸出的明顯變化。
從刀具壽命隨時間變動的示意圖可見（圖2），刀具壽命原來在某個平均值附近發生上下波動，引起這種微小波動的原因是系統普通原因，但是如果一段時間後刀具壽命突然變短或變長，這就必然存在某種特殊原因。
圖2 刀具壽命隨時間變動的示意圖
這時，就必須將這種特殊原因找出來并采取相應措施，或者是使刀具壽命恢復到原有程度，或是發現了某種有利因素，則應設法將其鞏固下來，成為系統中的固有因素，從而延長刀具壽命、降低刀具成本。
4.重視切削液對切削加工系統的影響
①切削液在機械加工中的應用非常普遍，但其具有的潤滑、冷卻等多種功效對於切削加工的重要性則并非廣為人知。
②認識切削摩擦學系統的摩擦學特性，認識選擇正確的潤滑方式、潤滑方法和潤滑介質的重要性。
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嚴加控制，這樣才能確保獲得要求的切削加工性能和加工質量及高的生產效率。
5.根據切削摩擦學應用好導條式刀具
帶導條刀具充分利用了摩擦學原理，將其巧妙地應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，是這種帶導條刀具工作成功的關鍵。所以，這種刀具的導條結構設計和制造有很多特殊要求，對切削液的要求也很高。
6.刀具表面涂層的應用具有系統條件
一般認為，涂層應用在刀具表面將有利於延長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。但實際上，刀具表面涂層的應用是有 系統條件的，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等工作條件相匹配，如選擇不當，則有可能產生負面作用。
7.掌握切削摩擦學系統的配副性
刀具材料、刀具表面涂層在切削摩擦過程中存在一個與被加工工件材料的摩擦學系統的配副性問題，需要基於切削摩擦學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的表面涂層。
制造成本的系統控制
1.關注工藝規劃設計中一次性投資與長期性制造費用之間的關系
①注意將制造費用中的設備折舊、人力成本和公用動力、刀具、設備維修及備件、化學品消耗等運營費用聯系起來統一考慮和分析處理問題。
②刀具費用的高低與新刀具、新工藝、新技術、新材料的采用緊密相關，與刀具的采購、物流、調整、修磨、刀具質量控制、刀具優化及刀具管理等多方面緊密相聯。
2.高度重視項目規劃投資階段的刀具方面工作
①近年來的工作實踐和國內外的經驗都表明，一把價值幾萬元的刀具有可能影響一臺價值幾百萬元的設備的效率的發揮。
②注意一次性設備和刀具投資與長期性刀具消耗費用之間的關系。有的項目可能在項目規劃時節約了設備投資，卻采用了昂貴刀具或不合理的切削參數，造成刀具壽命短以及長期的刀具消耗成本過高，需要綜合權衡。
③工藝規劃階段對刀具的設計和安排在很大程度上決定了生產階段的制造成本和刀具費用。
3.處理好幾項重要關系
①設備的選用與刀具的選用之間的關系；②當前設計與長遠考慮之間的關系；③規劃產量與真實產量波動之間的關系；④減少設備數量或投資與工藝合理 性之間的關系；⑤切削用量加大與可能的刀具壽命縮短之間的關系；⑥設備投資節省與刀具費用增加之間的關系；⑦柔性化程度與加工效率之間的關系。
4.工藝方案需適應系統條件
采用怎樣的工藝方法、設備、刀具等與產量及其變動情況緊密相關。從切削加工系統工程的觀點看，不能簡單地說采用加工中心機床好、還是采用專機好，或者是采用某種設備組合好，關鍵要看所組成的系統的綜合情況，以及其是否適應周圍環境條件，因為在某種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，對這種相互變化的情況及其相互關系進行分析研究，以此指導工藝規劃和設計。
5.項目規劃階段對刀具耐用度和使用成本的控制
需要設法探索的是，如何在項目的規劃設計階段就對刀具的設計選用加以更有效的管理和控制，并向設備供應商和刀具供應商提出項目投產後對刀具耐用度和有關使用成本的基本要求，對投產後將發生的刀具費用和制造成本在項目的規劃階段就有預測和控制。這將大幅提高新項目實施後的技術經濟效益。
結語
切削加工是一個復雜的大系統，要實現真正的高效加工就必須運用系統的觀點和系統的方法。也正因為此，我們不能將切削加工系統中的問題孤立地、靜止地、分割開來地看待和處理，而是需要打破專業的界限，關注到切削加工系統中的多個復雜要素和變量。
一方面，我們要了解各子系統本身的專業特點；另一方面，還需要尋找和發現各子系統之間的相互聯系和相互作用、各子系統內部各因素之間的相互聯系和相互作用，了解它們的交互作用對系統輸出的影響，掌握某些變量之間相互制約的關系。
可以想象，現代汽車制造的發展不斷帶來新課題，出現更多的難加工材料，要求更高的加工質量和加工效率、以及更具競爭力的加工成本。面對這些挑戰，系統工程方法的應用將提供有效途徑和科學方法，從而獲得切削加工方案和切削刀具性能的全面優化，讓切削加工中出現的新問題迎刃而解，實現理想的切削加 工系統輸出。
上述種種都將有助於持續創新，增強企業的核心競爭力。 編者按：本文經達世亮先生首肯、精選自作者編著的《汽車制造切削加工系統工程及應用》一書。
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