汽車制造業(yè)中的高速加工技術(shù)

一、概述

   面對(duì)制造行業(yè)日益激烈的國(guó)際性競(jìng)爭(zhēng)，高速加工(HSC)已成為一個(gè)非常重要的技術(shù)研發(fā)方向。高速切削是一個(gè)相對(duì)概念。一般地，高速被定義為明顯超出普通切削速度的5~10倍。同時(shí)，高速切削不僅僅是切削速度的提高，還需要在制造技術(shù)全面進(jìn)步和進(jìn)一步創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，包括驅(qū)動(dòng)、刀具材料、涂層、刀具、測(cè)試、安全等技術(shù)的重大進(jìn)步，才能達(dá)到的切削速度和進(jìn)給速度的成倍提高，才能使制造業(yè)整體切削加工效率有顯著的提高。 

高速切削工藝主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)： 

縮短生產(chǎn)時(shí)間。 切削速度和進(jìn)給速度的成倍提高，刀具消耗工具交換時(shí)間的增加可忽略不計(jì)，空運(yùn)時(shí)間減少，整體切削加工效率有顯著的提高 ，加工時(shí)間明顯縮短。 

降低制造成本。 更快的生產(chǎn)力必然引起制造成本的下降。 

高速切削吸收能量。 一方面減少了工件在加工過程中的發(fā)熱(特別在銑削加工中)，工件升溫��；另一方面可加工硬質(zhì)材料。 

改善工件的加工質(zhì)量。 加工精度和切削表面的光潔度大大提高，減少人工后加工及輔助工時(shí)。
把當(dāng)前的高速切削水平實(shí)用化，使我國(guó)機(jī)加工整體切削效率提高1～2倍，縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，是我國(guó)從事切削加工與刀具技術(shù)的專業(yè)人員在新世紀(jì)的努力目標(biāo)和面臨的重大挑戰(zhàn)。

二、汽車工業(yè)中的高速加工

   高速加工最先應(yīng)用于航天技術(shù)領(lǐng)域，主要加工大型整體零件、金屬去除量比較大從而生產(chǎn)時(shí)間比較長(zhǎng)的工件。如今，隨著新的工藝不斷采用，超硬材料刀具、涂層刀具與合金材料刀具的不斷開發(fā)，高速加工在普通加工中也變得愈發(fā)重要。汽車工業(yè)中的高速加工中心、高速外銑、CBN砂輪高速磨削等應(yīng)用十分普遍。 

   汽車制造業(yè)在高速加工的應(yīng)用中以電主軸實(shí)現(xiàn)主軸高速和以直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)高直線移動(dòng)速度為主要特征，目的是力圖用高主軸轉(zhuǎn)速和高速直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的單主軸加工中心來替代多主軸但難以實(shí)現(xiàn)高主軸轉(zhuǎn)速和高速進(jìn)給的組合機(jī)床。主軸最高轉(zhuǎn)速一般可達(dá)60000r/min，最大進(jìn)給速度100m/min左右。電主軸融合了許多尖端技術(shù)，如一般采用復(fù)合陶瓷材料或電磁懸浮的高速軸承、高速電機(jī)技術(shù)、定時(shí)定量油氣潤(rùn)滑、自動(dòng)換刀裝置等等。 

   也有一些公司為降低成本，不用直線電機(jī)，而采用中空通冷卻液、加大直徑和加大導(dǎo)程的滾珠絲桿。 

   上海大眾在發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中，逐步采用高速加工中心。 

銑削加工 

目前汽車工業(yè)中缸體、缸蓋大平面加工一般使用銑削技術(shù)。以灰鑄鐵材料缸體在高速加工中心上的銑削加工為例，采用了立方氮化硼(CBN)刀片，其切削速度可達(dá)到700～1500m/min。 
銑削的生產(chǎn)效率大大提高，經(jīng)綜合國(guó)內(nèi)國(guó)外銑削缸體平面的切削用量見表1。在該工序中，安裝了切屑回收裝置，可消除切屑飛散造成的機(jī)械故障，減輕機(jī)床清潔保養(yǎng)作業(yè)的強(qiáng)度，從而提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。  

   對(duì)于鋁合金缸體、缸蓋均采用面銑刀進(jìn)行高速切削加工。采用PCD刀片，銑刀直徑逐漸縮小，并向多工位復(fù)式加工發(fā)展。 

磨削加工 

曲軸加工中應(yīng)用高速磨削，可大大提高加工柔性，CBN砂輪每修整一次，可加工600～800件曲軸。 

   凸輪軸采用CBN砂輪高速磨削已普遍在使用。 在外圓磨削中采用了JUNKER公司的點(diǎn)磨技術(shù)。其使用CBN砂輪在一次夾緊工件的條件下對(duì)凸輪進(jìn)行加工。它具有高切削功率，高精度的工件幾何外形，均勻的高精度尺寸及外表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。

車-車?yán)�結(jié)合高速外銑 

車車?yán)�工藝將車削和車�(yán)�工藝結(jié)合在一起，使加工的柔性增大。不但可加工曲軸的主軸頸、連桿頸、法蘭和皮帶輪軸頸，而且還可同時(shí)加工軸頸的外圓軸肩、圓角或沿割槽。結(jié)合曲軸的高速外銑后可大大節(jié)省加工時(shí)間。 

鉆削加工 

在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中，孔加工的比例也比較高。尤其是缸蓋和缸體的孔加工作業(yè)量比較大。其中鉆削加工約占60%，其次為鏜削加工、攻絲加工。高速鉆削加工主要注意提高排屑性能，提高工具剛性，防止鉆尖過熱，回轉(zhuǎn)平衡性等問題。以上各點(diǎn)均需根據(jù)被加工材料特性采取相應(yīng)措施。 

三、切削刀具的應(yīng)用

   高速加工的發(fā)展史，就是刀具材料不斷進(jìn)步的歷史。上海大眾建成初期采用的大部分刀具均為進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化工作不斷取得突破，現(xiàn)在應(yīng)用比較普遍的刀具主要有CBN和PCD刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具等。 

CBN及PCD刀具 

高速切削的代表性工具材料是CBN以及PCD。端面銑削使用CBN刀具時(shí)，其切削速度可高達(dá)5000m/min。用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齒輪(60HRC)內(nèi)孔，代替磨削，表面粗糙度可達(dá)0.22μm，已成為國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)推廣的新工藝。凸輪軸和曲軸也采用CBN砂輪進(jìn)行高速磨削；在缸體、缸蓋鋁合金材料銑削加工中則廣泛采用PCD刀具，考慮到高速回轉(zhuǎn)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，因此刀體采用高強(qiáng)度鋁合金材料制作。

硬質(zhì)合金刀具及涂層技術(shù) 

硬質(zhì)件切削是高速切削技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，即用單刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比傳統(tǒng)的磨削加工效率高，而且簡(jiǎn)化了工藝方法和工藝環(huán)節(jié)，不僅節(jié)約了成本，而且更加柔性化。 

在鉆削和銑削加工中，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金適合于大多數(shù)應(yīng)用，它們同時(shí)具有較高的韌性和優(yōu)異的耐熱性，從而可將有利的切削刃槽形與較大的前角及后角融為一體，這些特征的直接反映是降低了切削力和切削溫度；在攻絲時(shí)，特別高的扭矩以及在較高切削速度下升高的溫度需要采用非常堅(jiān)韌卻具有高耐熱性的切削材料。 

我們采用內(nèi)冷的硬質(zhì)合金鉆頭代替過去的高速鋼鉆頭進(jìn)行孔加工，攻螺紋也采用硬質(zhì)合金絲錐來提高速度，曲軸攻螺紋甚至采用無切削擠壓式絲錐；凸輪軸軸頸加工現(xiàn)改用硬質(zhì)件加工方式，刀具一次加工就可達(dá)到要求的表面光潔度，不需要再進(jìn)行磨削。 

為使切削工具既作到價(jià)格低廉，又具備優(yōu)異的性能，可有效降低加工成本的技術(shù)，目前當(dāng)首推涂層技術(shù)。現(xiàn)在高速加工使用的立銑刀，大都采用TiAIN系的復(fù)合多層涂鍍技術(shù)進(jìn)行處理。 

刀具夾持系統(tǒng) 

刀具的夾持系統(tǒng)是支撐高速切削的重要技術(shù)，以前使用的7:24大錐度刀柄，軸向定位精度低，剛度差，在高速時(shí)主軸孔大頭在離心力作用下“張口”，使其剛度進(jìn)一步降低，且不安全。目前兩面夾緊式工具系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)廠大量采用了HSK工具系統(tǒng)。這種短錐柄采用錐面和端面同時(shí)定位，軸向重復(fù)精度比7:24刀柄提高3倍，達(dá)0.001mm，有效防止了軸向的竄動(dòng)；徑向跳動(dòng)提高2~3倍，達(dá)0.003mm，提高了抵抗徑向切削力的能力。刀具與夾具回轉(zhuǎn)平衡性能的優(yōu)劣，不僅影響到加工精度和刀具壽命，而且也會(huì)影響機(jī)床的使用壽命。