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郑州华晶金刚石股份有限公司

宁波大学学生团队破解“金属切屑缠绕”难题

来源:中国超硬材料网   2017-06-13  加入收藏  打印  字体【 |  | 
  数控车床操作工小刘被急忙送往医院,他的手臂被划开了一道深深的伤口,血流不止。而引发事故的原因,并非工人操作不慎,而是被缠绕在加工零件上锋锐滚烫的金属切屑割伤……
  金属切削,在机械加工行业中并不鲜见。尤其是在汽车零部件、数控机床等采用超硬刀具的精密制造领域中,每天都有大量的机械零部件需要通过车削加工产出。该产业规模已达近百亿元。然而,在这巨大产量的背后,却也存在着一个亟待解决的安全隐患——金属切屑缠绕。这不仅影响企业的加工效率,增加企业生产成本消耗,甚至还威胁着操作人员的人身安全,由于缺乏有效措施,该问题一直没有得到很好解决。
  目前,这一困扰企业多年的难题,有望被宁波大学机械学院的一个学生团队攻克。凭借超硬车刀断屑器这一研发装置,该项目组在不久前结束的浙江省第十五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获特等奖。

  “外国企业能做的,我们也能做到”
  吴剑钊,机械学院2015级机械工程专业的研究生,也是该项目组的负责人。在企业的一次生产实习的经历,让他记忆犹新:“我亲眼看见工人被飞溅出来的长金属切削割伤、烫伤,那场景让人触目惊心。当时就想:有没有什么办法能够实现有效断屑,避免事故再发生。”
  回到学校,吴剑钊开始查阅文献资料,发现结果不尽人意。尽管超硬车刀的应用范围十分广泛,且产业规模已达近百亿元,但现今在市场上销售的超硬车刀却基本上不具备断屑功能,仅有诸如德国贝克、日本三菱等极少数外国企业,能够生产出带有断屑槽的超硬车刀。
  然而,断屑槽车刀的应用仍存在发展瓶颈。“一方面,目前加工断屑槽需要采用激光雕刻,加工难度大、成本高;另一方面,超硬刀片本身厚度薄,若强行采用开槽加工,将影响到刀片性能和强度。此外,同一断屑槽车刀的尺寸很难适应不同的切削条件”,吴剑钊说。
  如何研发出性能稳定,成本低廉、适用面广的超硬车刀断屑产品成了关键。
  当吴剑钊表达想要做一款“物美价廉”的断屑装置时,却引来了不少人的质疑。“这些制造强国里的制造名企都没研发出来,你一个研究生就能够做到?”面对大家的不解,他并没有气馁,反而更加坚定了自己的目标:“当时就有一个信念:外国企业能够做到的,我相信我们也能做到。”
  吴剑钊的团队小成本,解决企业大难题
  实现金属切屑的细碎化,避免出现堆积缠绕现象是断屑装置最基本的功能和要求,也是让操作人员生命安全得到保障的关键之处。最终,通过查阅国内外大量资料,经过反复进行逻辑演算与实验后,吴剑钊的项目组找到一种切实可行的解决方案。
  “基于某日本学者的切屑折断理论,发现通过在超硬车刀上装夹断屑装置可以使长切屑弯曲变形,减少切屑曲率半径,增加内部应变,从而实现断屑。这是关键的一步,让解决方案找到了头绪,也为后续工作的开展打开的胜利大门”,吴剑钊说。
  经过一年多的努力,项目组依据原有车刀结构,设计了一款装夹牢固,可供调节的超硬车刀断屑器,并在此基础上先后申请5项专利,发表3篇核心期刊论文。
  在保证性能稳定的同时,项目组还使超硬车刀断屑器的研发使成本大大降低。“目前带有断屑槽的超硬车刀售价在180元-190元,仅断屑槽委托加工成本就达80元左右。而我们一套装置断屑器的超硬车刀售价在100元左右,断屑器所需成本经估算仅需3—5元。”
  这一研发装置,不仅在郑州、宁波等多家企业中得到了良好试用,还先后获得了中国工程院院士周丰峻、侯晓,教育部“长江学者”特聘教授、南京大学博士生导师吴兴龙,国家“千人计划”入选专家、中科院宁波材料所先进制造技术研究所副所长张文武和宁波拓普集团股份有限公司吴总工程师等行业内外专家学者的广泛认可。周丰峻院士更是在推荐信中予以大力表扬,认为“发明真实有用,有较好应用价值,解决了长期不够完善的问题”。
  由于性能优越,成本低廉,目前,项目组已经和与宁波锐克陶瓷有限公司签订了批量生产合同,与宁波大虹工具有限公司和镇海为民工具厂达成经销合作意向。

  “做一个大国里小工匠”
  眼前的超硬车刀断屑器,长120mm,宽25mm,高30mm毫米,重500g,和一把电动剃须刀大小重量相差无几。
  “这东西个头虽小,可就好比圆珠笔芯。要想研发出来,可没那么容易。”谈起研发过程,吴剑钊感慨不已。在研发过程中,他愈发感觉单个人的力量过于单薄,仅理论研究这一块,就已经让他吃不消,“实现‘弯道超车’,靠的不是响亮的口号,而是实际的行动,需要团队的努力” 。
  于是,他“忽悠”了来自同一学院,并同为宁波大学青年人才学院第九期学员的陈家琦、兰浩。“‘青才’汇聚了各学院的优秀青年人才,对项目发展帮助很大。
  要解决断屑性能稳定问题,就必须有科学严谨的理论进行支撑。该项目组首先从断屑机理着手,开始在图书馆和实验室里打起了持久战,并利用一切机会向学院来访的专家学者请教。请教周丰峻院士便是其中一例。“院士来一趟学校不容易,为了让周院士给我们项目指导指导,我和吴剑钊两人晚上9点左右还跑去他入住的宾馆请教。他人非常和蔼,没有责怪我们,反而在仔细听了我们的介绍后给予了充分肯定,还写了推荐意见!现在想想,当时真有些‘初生牛犊不怕虎’!”项目成员之一,机械学院2014级工业工程专业的兰浩说。
  东西好不容易研究出,可一开始却在市场应用上碰了壁。负责市场推广的兰浩体会最为深刻,“(我)前后给上百家企业打了500多个电话,承诺给予试用机会的却寥寥无几。好不容易有了机会,却又发现和实验室的效果不一样,能‘夹’不能‘调’,能‘调’又‘夹’不住,一点也不实用。”为此,项目组深入工厂车间,和技术工人共同探讨,听取改进建议。最终,在“枪毙”掉十余种方案后,终于研发出装夹牢固,可供调节的超硬车刀断屑器。
  此外,为了断屑器能适应不同的切屑条件,规避使用者依靠经验带来的操作风险,团队决定依据断屑区域推导理论开发软件,研发具备刻度的可精准调节断屑器。擅长建模分析的陈家琦主导这一块:“目前软件著作权申请已经提交”。
  “这东西虽小,但要想做好,也得精益求精,不断研磨。这是大国‘工匠精神’的重要内涵,我们也想做大国里的一个小工匠。”吴剑钊一脸坚定地说道。
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【责任编辑:mopyuange】
关键词: 宁波大学  金属切削 
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