高速切削發(fā)展現(xiàn)狀與今后的課題

汽車行業(yè)面對(duì)的環(huán)境

進(jìn)入21世紀(jì)后，制造業(yè)，尤其是汽車行業(yè)所面臨的周邊環(huán)境日益嚴(yán)峻。環(huán)保問(wèn)題、用戶需求的多樣化、社會(huì)結(jié)構(gòu)的變化等迫切要求汽車廠商必須適應(yīng)這種現(xiàn)實(shí)，生產(chǎn)出能滿足上述要求的制品。汽車的動(dòng)力系統(tǒng)今后將采用電動(dòng)汽車或燃料電池等清潔能源。但是，目前仍以活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱組合而成的動(dòng)力系統(tǒng)為主，今后若干年，這種結(jié)構(gòu)仍將作為汽車主要的動(dòng)力模式。然而，從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展來(lái)看，則是必須盡快對(duì)應(yīng)客戶的要求，改進(jìn)生產(chǎn)體制。從保護(hù)地球環(huán)境的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)大力開(kāi)發(fā)減少工業(yè)廢棄物和節(jié)省能源的汽車制品。從社會(huì)結(jié)構(gòu)來(lái)看，社會(huì)老齡化、少子女傾向、職業(yè)婦女大量增加等種種變化，對(duì)商品開(kāi)發(fā)、市場(chǎng)需求都有極大的影響。下面，從用戶的角度來(lái)談?wù)劯咚偾邢骷庸さ膭?dòng)向與課題。

高速切削加工最近的動(dòng)向

如上所述，汽車行業(yè)面臨著種種挑戰(zhàn)。其中，社會(huì)狀況和環(huán)境問(wèn)題應(yīng)盡快引起注意，這是今后企業(yè)發(fā)展的重要課題，一切生產(chǎn)技術(shù)均必須與之相適應(yīng)。以日產(chǎn)汽車公司為例，當(dāng)前為了適應(yīng)上述變化，需要解決下列問(wèn)題：①縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間；②注意批量和品種的變化等。為了盡快解決這些問(wèn)題，公司對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了調(diào)整和更新，要求這些設(shè)備必須兼有兩種特性：既能提高生產(chǎn)效率，又具有極大的柔性。其中，最關(guān)鍵的措施便是采用高速切削加工技術(shù)。

1．何謂高速切削

有關(guān)高速切削的含義，目前尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，迄今有三種觀點(diǎn)：①切削速度很高，通常認(rèn)為其速度超過(guò)普通切削的5～10倍；②機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速很高，一般將主軸轉(zhuǎn)速在10000～20000r/min以上定為高速切削；③進(jìn)給速度很高，通常達(dá)15～50m/min。德國(guó)Schulz教授于1992年在CIRP上提出了高速切削(HSM)及其涵蓋的范圍。他提出的過(guò)渡區(qū)(Transition)即為通常所謂的高速切削范圍，也是汽車制造相關(guān)技術(shù)人員所期待的或者可望實(shí)現(xiàn)的切削速度。HSM也可視為超高速切削范圍。

2．高速切削加工的目標(biāo)

高速切削是實(shí)現(xiàn)高效率制造的核心技術(shù)，工序的集約化和設(shè)備的通用化使之具有很高的生產(chǎn)效率�？梢哉f(shuō)，高速切削加工是一種不增加設(shè)備數(shù)量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術(shù)。

高速切削加工的優(yōu)點(diǎn)在于：①提高生產(chǎn)效率；②提高加工精度；③降低切削阻力。但隨之也出現(xiàn)了值得注意的事項(xiàng)：①機(jī)床的耐用度降低；②工具壽命縮短；③排屑性能下降。解決上述問(wèn)題是進(jìn)一步發(fā)揮高速高效率加工的重要攻關(guān)課題。

3．高速切削的適用領(lǐng)域

(1)高效柔性生產(chǎn)線

日產(chǎn)汽車公司高效率柔性生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案具有如下特點(diǎn)：①小型化；②柔性突出；③易于轉(zhuǎn)變加工內(nèi)容；④多列化。這是一種全新設(shè)計(jì)的FTL(Flexible Transfor Line)生產(chǎn)線。

(2)模具加工

為了盡快適應(yīng)新車型的需要，汽車車體的軋制模具和樹(shù)脂防沖擋的成形模具等均必須縮短制作周期和降低生產(chǎn)成本。模具的制作應(yīng)比汽車零部件的生產(chǎn)先走一步，因此，必須下大力推進(jìn)模具生產(chǎn)高速化的進(jìn)程。日產(chǎn)汽車公司為此早已采用CBN立銑刀進(jìn)行高速高精度加工。高速高精度加工的目標(biāo)大致包括兩個(gè)方面：①與過(guò)去的精加工相比，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高精度化，此項(xiàng)加工必須滿足表面粗糙度、彎曲度的精度要求，為此應(yīng)施以適當(dāng)?shù)氖止ぞ�修加工。②由于切削速度的極大提高，與過(guò)去的精加工工序相比，加工周期應(yīng)大幅度縮短。

高速切削加工技術(shù)現(xiàn)狀

本文只簡(jiǎn)要介紹高速切削加工必不可少的技術(shù)因素，詳細(xì)的機(jī)理分析留待有關(guān)專家去闡述。

加工設(shè)備

主軸結(jié)構(gòu)：新近開(kāi)發(fā)的加工中心主軸DN值(主軸直徑與每分鐘轉(zhuǎn)速之積)大都已超過(guò)100萬(wàn)。軸承主要為重量輕于鋼制品的陶瓷球軸承，軸承潤(rùn)滑方式大都采用油氣混合潤(rùn)滑方式。在高速加工領(lǐng)域，目前已開(kāi)發(fā)出空氣軸承和磁軸承以及由磁軸承和空氣軸承合并構(gòu)成的磁氣/空氣混合主軸。

進(jìn)給機(jī)構(gòu)：高速切削加工所用的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常都為大導(dǎo)程滾珠絲杠或直線電機(jī)，其最高加速度在1G以上，最高進(jìn)給速度可超過(guò)90m/min。

圓度加工：圓度加工是采用立銑刀或螺紋刀具加工零部件或加工模具時(shí)必不可少的加工方法，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能將直接影響到其加工精度。后面將要介紹，在模具的高速切削加工中，主要采用小切深大進(jìn)給的加工方法。因此，要求機(jī)床在大進(jìn)給速度條件下，應(yīng)具有高精度定位功能和高精度插補(bǔ)功能。在測(cè)量機(jī)床運(yùn)動(dòng)性能時(shí)，可采用海登哈因公司的DBB等系統(tǒng)作為保持機(jī)床精度的診斷工具，該系統(tǒng)可發(fā)揮極為良好的保證作用。

切削工具

工具材料的發(fā)展

為了實(shí)現(xiàn)高速切削加工，首先應(yīng)提及的自然是機(jī)床的率先改進(jìn)；然而也可以這樣表述：高速切削技術(shù)的發(fā)展史，也就是刀具材料不斷進(jìn)步的歷史。高速切削的代表性工具材料是CBN，端面銑削使用CBN刀具時(shí)，其切削速度可高達(dá)5000m/min。目前，用金剛石刀具端面銑削鋁合金時(shí)，5000m/min的切削速度已達(dá)到實(shí)用化水平。V=5000m/min以上的高速切削所用的工具材料，除CBN與金剛石外，迄今尚未發(fā)現(xiàn)有其他品種。

涂層刀具

CBN和金剛石刀具只能用于一定的加工領(lǐng)域，尚不能取得非常理想的降低加工成本的效果。能夠使切削工具既作到價(jià)格低廉，又具有優(yōu)異性能，可有效降低加工成本的技術(shù)，目前當(dāng)首推涂層技術(shù)�，F(xiàn)在高速加工用的立銑刀，大都采用TiAIN系的復(fù)合多層涂鍍技術(shù)進(jìn)行處理。如目前在對(duì)鋁合金或有色金屬材料進(jìn)行干式切削時(shí)，DLC(Diamond Like Carbon)涂層刀具就受到人們極大的關(guān)注，預(yù)計(jì)其市場(chǎng)前景十分可觀。

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)，目前使用最為廣泛的是兩面夾緊式工具系統(tǒng)。各公司已作為商品正式投放市場(chǎng)的兩面夾緊式工具系統(tǒng)主要有：①HSK；②KM；③Bigplus；④NC5；⑤AHO等系統(tǒng)。日產(chǎn)汽車公司的高效率生產(chǎn)線(FTL)上即采用了HSK工具系統(tǒng)。在高速切削的情況下，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)影響到機(jī)床的使用壽命。因此，在選擇工具系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量選用平衡性能良好的產(chǎn)品。日產(chǎn)汽車公司在使用鏜削刀具等切削工具時(shí)，對(duì)刀具與夾具組合在一起時(shí)的失衡量設(shè)定了一個(gè)合理的控制值，這樣，可保證此類刀具進(jìn)行精度穩(wěn)定的切削加工。

高速切削在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

銑削加工

鑄鐵的端面銑削加工

這里介紹日產(chǎn)汽車公司高速銑削鑄鐵的加工實(shí)例。生產(chǎn)條件是必須滿足流水線生產(chǎn)節(jié)拍的要求，本例取其下限值。工件為轎車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體，加工部位為安裝缸蓋的端面。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，該加工面要求具有精度優(yōu)異的表面粗糙度。工件材料為鑄鐵，但與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體相比，此種材料添加了Cr和Cu，可加工性很差。添加Cr、Cu的材料和普通鑄鐵材料可加工性的差異，通過(guò)鉆削加工可以清楚地看出來(lái)。

日產(chǎn)汽車公司加工該端面所用的面銑刀材料為Co-WC基粘結(jié)劑的CBN，工件為公司的正規(guī)產(chǎn)品，滿足生產(chǎn)節(jié)拍下限的切削速度為440～785m/min，該速度值可保證生產(chǎn)周期內(nèi)的工具壽命符合節(jié)拍要求。本實(shí)例的加工條件如表1所示，刀具磨損量的變化如圖8所示。表中所列的切削速度為過(guò)去所用速度的2.8～5倍，因此，即使生產(chǎn)條件發(fā)生變化，只要在該范圍之內(nèi)，仍有可能提高切削速度，縮短加工時(shí)間。在該工序內(nèi)，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，從而收到提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率的效果。

鋁合金的端面銑削加工

轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體、汽缸蓋、變速箱等均由鋁合金鑄件加工而成，目前，剛性較高的汽缸體、汽缸蓋均采用面銑刀進(jìn)行高速切削加工。日產(chǎn)汽車公司汽缸蓋生產(chǎn)線的切削條件如圖9所示，所用機(jī)床正在逐步改為加工中心。過(guò)去的專用機(jī)床可采用φ250mm以上的大直徑面銑刀進(jìn)行加工，現(xiàn)已改用較小直徑(φ100mm以下)的面銑刀，加工路線也正向多工位復(fù)式加工方向發(fā)展。盡管如此，在加工過(guò)程中仍然存在下述問(wèn)題：由于主軸長(zhǎng)度變化而在加工面上形成級(jí)差；增加刀具更換頻率；由于主軸高速化而導(dǎo)致主軸剛性下降等。目前，這類問(wèn)題尚未很好解決。作為用戶，迫切希望工具廠、有關(guān)專家和用戶企業(yè)通力合作，妥善解決實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的這類問(wèn)題。

鉆削加工

日產(chǎn)汽車公司生產(chǎn)線上，孔加工的比例約占機(jī)械加工的30%左右。汽缸蓋和汽缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)零件的代表性產(chǎn)品，它們的孔加工作業(yè)量非常大；變速箱和車軸零件的孔加工比例也很高。

孔加工作業(yè)中，鉆削加工約占60%，其次為鏜削加工、攻絲加工、鉸削加工。本文著重介紹鉆削加工實(shí)例。

高速鉆削加工應(yīng)注意的問(wèn)題：提高排屑性能，提高工具剛性，防止鉆尖過(guò)熱，回轉(zhuǎn)平衡性良好等。上述各點(diǎn)均需根據(jù)被加工材料特性采取相應(yīng)措施。

提高排屑效率

具體措施：①采用內(nèi)部供液方式，壓力為2～7MPa；②鉆尖角比普通鉆頭大，易于分?jǐn)嗪裥颓行迹虎蹖?duì)鉆頭進(jìn)行橫刃修磨，使之成為中心渦卷形狀。

提高刀具剛性

具體措施：①增大鉆頭芯厚；②增大倒棱錐度。

抑制切削刃過(guò)熱

具體措施：根據(jù)被加工材料特點(diǎn)選用刀具材料。如加工鋁合金時(shí)，通常都選用硬質(zhì)合金刀具；聚晶金剛石刀具雖也可提高加工速度，但該材料價(jià)格昂貴，是否選用應(yīng)視加工需要而定。

可轉(zhuǎn)位鉆頭

在φ20mm以上的孔加工中，可選用可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的鉆頭。加工鋼材時(shí)，切削速度約為180m/min；加工鋁合金時(shí)，切削速度約為250m/min。

立銑加工

立銑加工的高速化是以模具加工為中心展開(kāi)的。立銑加工是一種斷續(xù)切削，每個(gè)刀齒的切削作業(yè)均在極短促的時(shí)間內(nèi)完成。模具加工的特點(diǎn)是小切深大進(jìn)給，立銑刀必須與此特點(diǎn)相適應(yīng)，開(kāi)發(fā)適宜的刀具材料、涂層物質(zhì)和刀齒幾何形狀。模具材料通常均為預(yù)淬硬鋼、鍛造工具鋼、軋制用灰口鑄鐵等。

日產(chǎn)汽車公司1986年便已購(gòu)入主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，進(jìn)給速度為4m/min的高速加工機(jī)床，組成高速加工生產(chǎn)線。經(jīng)過(guò)不斷更新和改進(jìn)，現(xiàn)在已可用φ50mmCBN球頭立銑刀，在2000r/min條件下進(jìn)行高速切削加工。為了減輕刀具重量，以適應(yīng)高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，公司采用硬鋁材料制作球頭立銑刀刀體。

在汽車零件加工中，使用高速立銑加工的情況隨處可見(jiàn)。例如，加工汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂，工件材料為鋼材。過(guò)去的加工流程為：車削、銑端面、孔加工等，共由10臺(tái)專用機(jī)床組成生產(chǎn)線�，F(xiàn)已改建成柔性生產(chǎn)線，多種類型的零件均可在一條生產(chǎn)線上加工。公司將工序集約化，只用一臺(tái)加工中心和一副夾具來(lái)完成加工作業(yè)。既使零件的形狀改變了，只需變動(dòng)刀具的運(yùn)行軌跡便可適應(yīng)加工要求。因此，完全可以采用高速立銑加工，切削速度可在550～850m/min范圍內(nèi)任意選取。在此條件下的刀具壽命盡管只達(dá)到預(yù)定指標(biāo)的60%，但卻大幅度減少了能源費(fèi)用和設(shè)備折舊費(fèi)用，而且無(wú)需準(zhǔn)備原先各工序、各零件所需的眾多專用刀具，使綜合加工成本大幅度降低。

高速切削加工今后的課題

高速切削加工迄今仍有許多尚待開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域和亟待解決的課題。在生產(chǎn)加工現(xiàn)場(chǎng)，必須經(jīng)常考慮Q(質(zhì)量)、C(成本)和D(交貨期)的協(xié)調(diào)問(wèn)題。近年來(lái)，全球范圍內(nèi)均特別重視環(huán)境保護(hù)，因此，在上述三大關(guān)注點(diǎn)中，還應(yīng)加上環(huán)保措施這一新的課題。下面結(jié)合日產(chǎn)汽車公司的生產(chǎn)實(shí)踐，展望高速切削加工今后的發(fā)展動(dòng)向。

高速切削加工與節(jié)省能源

近來(lái)，以加工中心(MC)為核心的加工設(shè)備，大都以主軸轉(zhuǎn)速10000r/min的機(jī)種作為標(biāo)準(zhǔn)裝備。用于模具加工的MC主軸轉(zhuǎn)速可超過(guò)20000r/min。用于汽車零件的加工中心，由于每次更換刀具時(shí)，主軸均要經(jīng)歷停止—起動(dòng)的過(guò)程，為縮短該過(guò)程時(shí)間，需配置大功率電機(jī)，其功率輸出必須大大超過(guò)切削所需動(dòng)力，而這對(duì)節(jié)省能源是不利的。因此，在實(shí)現(xiàn)電機(jī)高功率化的同時(shí)，還必須使主軸、刀具及工具系統(tǒng)的慣性質(zhì)量下降。

當(dāng)前，許多機(jī)床都配置了高速鉆削加工所必需的高壓冷卻液泵。據(jù)日產(chǎn)汽車公司的調(diào)查可知，冷卻裝置所需電力約占設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所需電力的20%～30%；而生產(chǎn)線上所耗用的能源并不包括此項(xiàng)內(nèi)容，因此，希望今后開(kāi)發(fā)出更加節(jié)省能源的機(jī)床，開(kāi)發(fā)出更加實(shí)用的干式切削加工技術(shù)。

與高速切削加工相適應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)

在柔性高速加工生產(chǎn)線上，如遇產(chǎn)品變換或改變?cè)O(shè)計(jì)引起加工內(nèi)容的變化，或?yàn)榱苏{(diào)節(jié)產(chǎn)量而拆取部分設(shè)備等情況，則應(yīng)分別編制與之相對(duì)應(yīng)的工藝流程。主軸加速時(shí)間和快速進(jìn)給的動(dòng)作時(shí)間、ATC時(shí)間對(duì)整個(gè)生產(chǎn)周期均有很大的影響。為了最大限度地發(fā)揮設(shè)備的加工能力，必須妥善解決包含上述因素的工藝編制問(wèn)題。今后，各類制品從開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)的業(yè)務(wù)都將實(shí)現(xiàn)高效率化，因此，應(yīng)在更短的時(shí)間內(nèi)編制出正確而合理的工藝流程。日產(chǎn)汽車公司為此將利用三維CAD數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)筑自己的業(yè)務(wù)框架。

高速切削加工與安全保護(hù)措施

利用MC等設(shè)備進(jìn)行高速切削時(shí)，由于刀具高速回轉(zhuǎn)，其切屑將沿360°方向四面飛散。在對(duì)鋼材或鑄件進(jìn)行高速銑削時(shí)，其切屑帶著火花四處飛濺，因此，必須采取措施，使切屑沿著一定的方向排出。目前，三菱綜合材料公司已開(kāi)發(fā)出一種“Q-ing銑刀”，可控制排屑方向，大大提高了高速銑削加工的安全性。另外，在高速端面銑削加工時(shí)，由于離心力作用，可轉(zhuǎn)位刀片有可能被甩出，因此，應(yīng)采取相應(yīng)措施加以預(yù)防。最近，工具廠家正在開(kāi)發(fā)可轉(zhuǎn)位刀片的新型夾緊裝置，刀片甩出問(wèn)題有望得到妥善解決。

高速切削加工是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵技術(shù)，今后加工技術(shù)的發(fā)展也仍將圍繞這一核心課題展開(kāi)。但是，當(dāng)前既要重視降低生產(chǎn)成本，同時(shí)又必須關(guān)注環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，因此，應(yīng)盡可能做到二者兼顧，以便形成一種能持續(xù)發(fā)展的良性生產(chǎn)形態(tài)。