高速加工和高效加工比較

20世紀(jì)80年代末興起的高速加工(HSC)，由于顯著提高了切削速度和進(jìn)給速度，從而大大縮短了加工時(shí)間，提高了工件表面質(zhì)量和加工精度。并因此而實(shí)現(xiàn)減少加工工序和簡化生產(chǎn)工藝流程，以及促使一些行業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，有力地推動(dòng)了整個(gè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。高速加工使“生產(chǎn)率”和“柔性”兩個(gè)相互矛盾的特征參數(shù)融合到一起，從而用高速加工中心組成的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的剛性自動(dòng)線，推動(dòng)了汽車等中、大批量生產(chǎn)行業(yè)中生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變。
　　高速加工導(dǎo)致工藝替代，從而簡化生產(chǎn)工藝流程。在模具制造中用高速硬銑替代電火花加工是一個(gè)十分典型的例子，淬硬后的工件可在一次裝夾下通過粗銑和高速精銑加工成成品。高速硬銑的應(yīng)用，為模具制造實(shí)現(xiàn)CAD-CAM-HSC的集成創(chuàng)造了條件，高速硬銑工藝無疑給模具制造技術(shù)帶來了一次重大變革。
　　自高速加工興起的十多年來，高速加工技術(shù)獲得了廣泛推廣和應(yīng)用。在生產(chǎn)中，通過高速加工，顯著縮短了基本時(shí)間，也相應(yīng)地提高了輔助時(shí)間相對于基本時(shí)間的比例(從過去的7%：93%到目前的35%：65%，對于鋁合金材質(zhì)工件的加工，這種比例更達(dá)到了50%：50%)。從目前的技術(shù)狀況看，通過高速加工進(jìn)一步降低基本時(shí)間的潛力已不是很大。
　　近年來，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，愈來愈多的則是采用高效加工(HPC)——提高單位時(shí)間材料切除量和顯著減少輔助時(shí)間——來進(jìn)一步降低切削過程中的基本時(shí)間和輔助時(shí)間。
　　高效加工(HPC)與高速加工(HSC)不同的是，它并不只是限于提高切削速度和進(jìn)給速度，而是把優(yōu)化材料切除率放在首位，旨在通過提高單位時(shí)間的材料切除量和降低加工時(shí)間(基本時(shí)間和輔助時(shí)間)來進(jìn)一步降低加工費(fèi)用。
　　材料切除率(Q)決定于側(cè)吃刀量(ae)、背吃刀量(ap)和進(jìn)給速度(vf)。對于銑削加工，進(jìn)給速度(vf)又取決于每齒進(jìn)給量(fz)、刀齒數(shù)(z)和銑刀的轉(zhuǎn)速(n)。
　　單位時(shí)間的材料切除量可用Q=ae·ap·vf /1000=ae·ap·fz·z·n /1000 (cm3/min)來表示。
　　我們從這個(gè)表達(dá)式可以看出，材料切除率與5個(gè)切削參數(shù)有關(guān)，所以，高效加工可以但并不是必須包括高速加工，這意味著高效加工和高速加工之間不存在明顯的界限。
　　航空工業(yè)是最早應(yīng)用高速加工和高效加工新工藝的部門。飛機(jī)的梁、框架和大型壁板等承力構(gòu)件采用的是整體結(jié)構(gòu)件，加工時(shí)其毛坯75%~95%的材料將被切削掉，對于這種特別高的切削量，無疑采用高效加工是最合適不過的。在德國奧格斯堡(Augsburg)的EADS(歐洲航空防御和航天公司)在20世紀(jì)90年代采用HSC工藝加工軍用飛機(jī)某一鋁合金整體構(gòu)件，主要目的是為了簡化生產(chǎn)工藝流程，以較少的工序獲得高的表面質(zhì)量，而不是提高材料切除率，加工時(shí)使用了54把刀具，共花了25個(gè)小時(shí)完成加工。為進(jìn)一步挖掘生產(chǎn)率的潛力，后來就很自然地轉(zhuǎn)向采用高效加工，采用了40把刀具，加工時(shí)間僅為12個(gè)小時(shí)，減少了一半多。
　　特別是對于銑削加工，銑刀所能達(dá)到的材料切除率已成為衡量銑刀加工經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)。近年來，許多刀具制造廠相繼開發(fā)出了眾多高進(jìn)給速度的銑刀。這些銑刀雖然結(jié)構(gòu)形式不盡相同，但一個(gè)共同特點(diǎn)是具有適合于實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給的刀刃幾何形狀。這種幾何形狀的特點(diǎn)是切削刀刃具有一個(gè)很大的圓弧半徑，這就稍許限制了銑刀的背吃刀量(ap)，而且由于較小的主偏角使作用于銑刀上的徑向切削力大大減小，從而有利于采用很高的每齒進(jìn)給量進(jìn)行加工。
　　例如，在粗加工40CrMnMoS86材質(zhì)的玻璃瓶吹模時(shí)，德國Franken刀具廠對采用裝有三個(gè)圓刀片的銑刀和裝有3個(gè)Time-S- Cut刀片的高進(jìn)給速度銑刀進(jìn)行銑削效果比較。前者采用的切削用量為Vc=250m/min, fz=0.3mm, ap=0.75mm和ae=18 mm，加工時(shí)用冷壓縮空氣進(jìn)行冷卻，加工所需時(shí)間為9分鐘。后者在切削用量方面，將ap減小為0.5 mm，而fz則提高到1.0 mm，結(jié)果加工時(shí)間僅用了4分鐘。在時(shí)間節(jié)省上達(dá)到了55%，也就是機(jī)床每小時(shí)使用節(jié)省了55%。
　　從這里可以看出，通過采用較高的切削參數(shù)，高效加工可以獲得很高的材料切除率，顯著地縮短加工時(shí)間。但是高效加工，并不只是采用很高的切削參數(shù)，還可以通過能顯著減少輔助時(shí)間的其它加工戰(zhàn)略來實(shí)施高效加工。例如采用復(fù)合刀具(如復(fù)合階梯鉆、鉆銑螺紋刀具和其它用于綜合加工的復(fù)合刀具)、圓周進(jìn)給銑削的多功能立銑刀等各種先進(jìn)刀具可以顯著減少換刀次數(shù)和降低輔助時(shí)間，由此顯著地提高生產(chǎn)效率。
　　復(fù)合刀具是在一把刀具上集成多個(gè)加工工序，往往在一次加工行程中實(shí)現(xiàn)多個(gè)加工部位的綜合加工，采用這種刀具不僅免去了換刀而且有利于提高加工精度，并可省去工序間的精度測量，從而可顯著提高生產(chǎn)效率。
　　采用多功能立銑刀在加工中心上進(jìn)行銑孔時(shí)，同樣可以減少換刀的次數(shù)。銑孔時(shí)，旋轉(zhuǎn)的銑刀繞Z軸作螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，在一次工作行程就可加工出所需大小的孔。例如加工直徑為285 mm的孔，采用直徑160 mm的銑刀，在一次工作行程中即可完成加工任務(wù)，這比常規(guī)工藝可五道擴(kuò)孔工序和節(jié)省73%的加工時(shí)間。
　　近年來，高效深孔鉆頭的問世，顯著提高了深孔鉆削的效率，一種由德國Gühring公司開發(fā)的雙刃整體硬質(zhì)合金麻花鉆，在鉆孔徑比(l/D)為20的深孔時(shí)，采用微量潤滑(6~8ml/h)，不僅采用比傳統(tǒng)大流量濕式鉆孔高10~12倍的進(jìn)給速度，并且在鉆孔過程中不需要進(jìn)行排屑循環(huán)，由此大大提高了加工效率。并且，在鉆孔時(shí)鉆頭的徑向偏移特別小，能獲得較好的表面質(zhì)量。
　　在生產(chǎn)中，高速加工和高效加工工藝已獲得廣泛推廣和應(yīng)用，這兩種工藝的共同特點(diǎn)是能顯著降低加工時(shí)間和縮短生產(chǎn)工藝流程，而不同的特點(diǎn)是高速加工是采用高的切削速度，目的在于獲得高的表面質(zhì)量和簡化工藝流程，因此高速加工更多的是適用于精加工；而高效加工主要是采用高的切削參數(shù)，以獲得高的單位時(shí)間的材料切除量，從而顯著縮短加工時(shí)間。對于以獲得高的材料切除率的高效加工則適用于用來進(jìn)行粗加工。在實(shí)際生產(chǎn)中，這兩種加工工藝可以同時(shí)應(yīng)用來加工一個(gè)工件，例如，加工模具時(shí)可采用高效加工進(jìn)行粗銑(以達(dá)到高的材料切除率)，而在精銑時(shí)則采用高速加工(以獲得較好的表面質(zhì)量和高的加工精度)。
　　目前，無論是流行的高速加工還是剛興起的高效加工，都應(yīng)歸根于刀具技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)，尤其是在刀具材料、刀刃幾何形狀和涂層方面的不斷發(fā)展和優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)不斷開發(fā)多種不同結(jié)構(gòu)的高效刀具提供了基礎(chǔ)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，為顯著縮短加工時(shí)間、提高生產(chǎn)效率和降低零件的制造成本，關(guān)鍵在于采用高速加工和高效加工新工藝。