高速切削加工的發(fā)展及需求

    高速切削加工是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，擁有高效率、高精度及高表面質(zhì)量等特征。本文介紹此技術(shù)的定義、發(fā)展現(xiàn)狀、適用領(lǐng)域以及中國(guó)的需求情況。

高速切削加工的定義

    高速切削加工是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天、模具制造和儀器儀表等行業(yè)中獲得了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，并已取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。

    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)主要在于：提高生產(chǎn)效率、提高加工精度及降低切削阻力。

    有關(guān)高速切削加工的含義，目前尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，通常有如下幾種觀點(diǎn)：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；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；進(jìn)給速度很高，通常達(dá)15-50m/min，最高可達(dá)90m/min；對(duì)于不同的切削材料和所釆用的刀具材料，高速切削的含義也不盡相同；切削過(guò)程中，刀刃的通過(guò)頻率(Tooth Passing Frequency)接近于“機(jī)床－刀具－工件”系統(tǒng)的主導(dǎo)自然頻率(Dominant Natural Frequency)時(shí)，可認(rèn)為是高速切削�？梢姼咚偾邢骷庸な且粋�(gè)綜合的概念。

    1992年，德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)的H. Schulz教授在CIRP上提出了高速切削加工的概念及其涵蓋的范圍，如圖1所示。認(rèn)為對(duì)于不同的切削對(duì)象，圖中所示的過(guò)渡區(qū)(Transition)即為通常所謂的高速切削範(fàn)圍，這也是當(dāng)時(shí)金屬切削工藝相關(guān)的技術(shù)人員所期待或者可望實(shí)現(xiàn)的切削速度。

高速切削加工技術(shù)現(xiàn)狀

    高速切削加工對(duì)機(jī)床、刀具和切削工藝等方面都有一些具體的要求。下面分別從這幾個(gè)方面闡述高速切削加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。

機(jī)床設(shè)備

    現(xiàn)階段，為了實(shí)現(xiàn)高速切削加工，一般釆用高柔性的高速數(shù)控機(jī)床、加工中心，也有釆用專用的高速銑、鉆床。這些設(shè)備的共同之處是：必須同時(shí)具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)材料切削過(guò)程的高速化。高速切削與傳統(tǒng)切削最大的區(qū)別是，“機(jī)床－刀具－工件”系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)切削性能有更強(qiáng)的影響力。在該系統(tǒng)中，機(jī)床主軸的剛度、刀柄形式、刀長(zhǎng)設(shè)定、主軸拉刀力、刀具扭力設(shè)定等，都是影響高速切削性能的重要因素。

    在高速切削中，材料去除率(Metal Removal Rate，MRR)，即單位時(shí)間內(nèi)材料被切除的體積，通常受限于“機(jī)床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)是否出現(xiàn)“顫振”。因此，為了滿足高速切削加工的需求，首先要提高機(jī)床動(dòng)靜剛度尤其是主軸的剛度特性。現(xiàn)階段高速切削之所以能夠成功，一個(gè)很關(guān)鍵的因素在于對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題的掌握和處理能力。

    為了更好地描述機(jī)床主軸的剛度特性，工程上提出新的無(wú)量綱參數(shù)—DN值，用以評(píng)價(jià)機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)對(duì)高速切削加工的適應(yīng)性。所謂DN值即“主軸直徑與每分鐘轉(zhuǎn)速之積”。新近開發(fā)的加工中心主軸DN值大都已超過(guò)100萬(wàn)。為了減輕軸承的重量，還釆用了比鋼制品要輕得多的陶瓷球軸承；軸承潤(rùn)滑方式大都釆用油氣混合潤(rùn)滑方式。在高速切削加工領(lǐng)域，目前已開發(fā)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。

    在機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)方面，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、多頭高速滾珠絲槓，滾珠釆用小直徑氮化硅（Si3N4）陶瓷球，以減少其離心力和陀螺力矩；釆用空心強(qiáng)冷技術(shù)來(lái)減少高速滾珠絲槓運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于摩擦產(chǎn)生溫升而造成的絲槓熱變形。

    近幾年來(lái)，用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速進(jìn)給系統(tǒng)問(wèn)世，這種進(jìn)給方式取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)溜板之間的一切中間機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的零傳動(dòng)。由于直線電機(jī)沒(méi)有任何旋轉(zhuǎn)元件，不受離心力的作用，可以大大提高進(jìn)給速度。直線電機(jī)的另一大優(yōu)點(diǎn)是行程不受限制。直線電機(jī)的次極是一段一段連續(xù)鋪在機(jī)床的床身上。次極鋪到哪里，初極工作臺(tái)就可運(yùn)動(dòng)到哪里，而且對(duì)整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的剛度沒(méi)有任何影響。釆用高速絲槓或直線電機(jī)，能夠大大提高機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)。直線電機(jī)最高加速度可達(dá)2-10G(G為重力加速度)，最大進(jìn)給速度可達(dá)60-200m/min或更高。

    2002年舉世矚目的上海浦東磁懸浮列車工程中的磁浮軌道鋼梁加工，釆用沈陽(yáng)機(jī)床控股有限公司集團(tuán)中捷友誼公司廠生產(chǎn)的超長(zhǎng)進(jìn)給系統(tǒng)高速大型加工中心實(shí)現(xiàn)。該機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)為直線導(dǎo)軌和齒輪齒條傳動(dòng)，工作臺(tái)最大進(jìn)給速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g，主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，主電機(jī)功率80kW。其X軸的行程長(zhǎng)達(dá)30m，切削25m長(zhǎng)的磁浮軌道鋼梁誤差小于0.15mm，為磁懸浮列車工程的順利竣工提供了有力的技術(shù)保證。

    此外，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能也將直接影響加工效率和加工精度。在模具及自由曲面的高速切削加工中，主要釆用小切深大進(jìn)給的加工方法。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，特別是圓弧高精度插補(bǔ)。圓弧加工是釆用立銑刀或螺紋刀具加工零部件或模具時(shí)，必不可少的加工方法。

切削刀具

    刀具材料的發(fā)展：高速切削技術(shù)發(fā)展的歷史，也就是刀具材料不斷進(jìn)步的歷史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼（CBN）。端面銑削使用CBN刀具時(shí)，其切削速度可高達(dá)5000m/min，主要用于灰口鑄鐵的切削加工。聚晶金剛石（PCD）刀具被稱之為21世紀(jì)的刀具，它特別適用于切削含有SiO2的鋁合金材料，而這種金屬材料重量輕、強(qiáng)度高，廣泛地應(yīng)用于汽車、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)、電子裝置的殼體、底座等方面。目前，用聚晶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，此外陶瓷刀具也適用于灰口鑄鐵的高速切削加工；

    涂層刀具：CBN和金剛石刀具盡管具有很好的高速切削性能，但成本相對(duì)較高。釆用涂層技術(shù)能夠使切削刀具既價(jià)格低廉，又具有優(yōu)異性能，可有效降低加工成本�，F(xiàn)在高速加工用的立銑刀，大都釆用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）涂層刀具就受到極大的關(guān)注，預(yù)計(jì)其巿場(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)。已作為商品正式投放巿場(chǎng)的兩面夾緊式工具系統(tǒng)主要有：HSK、KM、Bigplus、NC5、AHO等系統(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，不僅影響加工精度和刀具壽命，而且也會(huì)影響機(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。

工藝參數(shù)

    高速加工的切削速度為常規(guī)切速的10倍左右。為了使刀具每齒進(jìn)給量基本保持不變，以保證零件的加工精度、表面質(zhì)量和刀具的耐用度，則進(jìn)給量也必須相應(yīng)提高10倍左右，達(dá)到60m/min以上，有的甚至高達(dá)120m/min。因此，高速切削加工通常是釆用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給和小切深的切削工藝參數(shù)。由于高速切削的切削余量往往很小，所形成的切屑很薄很輕，把切削時(shí)產(chǎn)生的熱量很快帶走；若釆用全新耐熱性更好的刀具材料和涂層，釆用干切削工藝也是高速切削加工的理想工藝方案。

高速切削加工的適用領(lǐng)域

高效柔性生產(chǎn)線

    用高速加工中心組成高效率的柔性生產(chǎn)線(FTL或FML)，具有小型化、柔性突出以及易于變更加工內(nèi)容等顯著特點(diǎn)。圖2為上汽集團(tuán)某發(fā)動(dòng)機(jī)公司利用該生產(chǎn)線加工發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、汽缸蓋、濾清器座等工件的實(shí)例。

圖2 用高速加工中心組成的小型FTL

模具加工

    為了盡快適應(yīng)新車型的需要，汽車車身覆蓋件模具和樹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，因此，必須下大力推進(jìn)模具生產(chǎn)高速化的進(jìn)程。上汽集團(tuán)所屬各公司認(rèn)為：與過(guò)去的精加工相比，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高精度化；同時(shí)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，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。圖3所示釆用高速、高精度加工技術(shù)后，模具制作時(shí)間縮短的情況。

圖3 用高速高精度加工縮短模具制作周期

適于高速切削的多功能及專用刀具的開發(fā)應(yīng)用

    為了發(fā)揮以車削加工中心和鏜銑類加工中心為代表的高速切削加工技術(shù)和自動(dòng)換刀功能的優(yōu)勢(shì)，提高加工效率，對(duì)復(fù)雜零件的加工應(yīng)盡可能釆用集中工序的原則，即要求在一次裝夾中實(shí)現(xiàn)多道工序的集中加工，淡化傳統(tǒng)的車、銑、鏜、螺紋加工等不同切削工藝的界限，充分發(fā)揮設(shè)備和刀具的高速切削功能，是當(dāng)前提高數(shù)控機(jī)床效率、加快產(chǎn)品開發(fā)的有效途徑。為此，對(duì)刀具提出了多功能的新要求，要求一種刀具能完成零件不同工序的加工，減少換刀次數(shù)，節(jié)省換刀時(shí)間，以減少刀具的數(shù)量和庫(kù)存量，有利于管理和降低制造成本。較常用的有多功能車刀、銑刀、鏜銑刀、鉆銑刀、鉆－銑螺紋－倒角等刀具。與此同時(shí)，在批量生產(chǎn)線上，使用針對(duì)工藝需要開發(fā)的專用刀具、復(fù)合刀具或智能刀具，可以提高加工效率和精度，減少投資。在高速切削條件下，有的專用刀具可將零件的加工時(shí)間降至原來(lái)的1/10以下，效果十分顯著。

圖4 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體頂部止口和軸承座結(jié)合面的高速切

    圖4所示為筆者專門為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的頂部止口和主軸承座結(jié)合面的加工而設(shè)計(jì)的高速切削工藝。機(jī)體材料為灰鑄鐵，刀具為CBN不重磨復(fù)合刀具，主軸轉(zhuǎn)速12000r/min，切削余量為0.02mm。圖中兩處關(guān)鍵部位一次銑削到位，重要尺寸A靠復(fù)合銑刀本身保證。該工藝還有效地避免了由于單獨(dú)銑削主軸承座結(jié)合面刀桿較長(zhǎng)而引起的顫振，大大提高了切削精度、切削效率和表面質(zhì)量。

珠三角及長(zhǎng)三角地區(qū)的應(yīng)用和需求

    高速切削具有相當(dāng)多的好處，例如：有大量材料需要切除的工件，具有超細(xì)、薄結(jié)構(gòu)的工件，傳統(tǒng)上需要花相當(dāng)長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)工時(shí)加工的工件以及設(shè)計(jì)變更快速、產(chǎn)品周期短的工件，均能顯示出高速切削所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。

    在日益激烈的巿場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，高速切削加工也是提高企業(yè)對(duì)巿場(chǎng)變化的敏捷反應(yīng)能力的重要體現(xiàn)。中國(guó)以東莞、深圳和廣州為代表的珠江三角洲地區(qū)及以蘇南、寧波和上海為代表的長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)的大批制造企業(yè)，對(duì)高速切削加工需求顯著增長(zhǎng)，這些地區(qū)的大批制造企業(yè)在汽車摩托車、電子儀表、家用電器、模具制造等方面異軍突起、蓄勢(shì)并發(fā)，正在努力打造成為中國(guó)乃至世界制造業(yè)的中心。據(jù)調(diào)查，東莞地區(qū)自1998年以來(lái)新建的民營(yíng)、外資及臺(tái)資制造企業(yè)逾3,000家，其中有55%以上引進(jìn)了高速數(shù)控金切機(jī)床和高速加工中心，并大量采用CBN(立方氮化硼)、PCD(聚晶金剛石)及PCBN(聚晶立方氮化硼)等高速切削刀具。這些企業(yè)資金雄厚，定單飽滿，對(duì)高速切削加工的需求仍有巨大的潛力。

    浙江寧波地區(qū)的慈溪、黃巖等素有“模具之鄉(xiāng)”的美稱，以民營(yíng)企業(yè)為生力軍的模具制造行業(yè)發(fā)展如日中天，極富特色。2001年的模具產(chǎn)值達(dá)到100億元，約占全國(guó)模具生產(chǎn)能力的1/3。筆者曾到慈溪的橫河、坎墩、東山、庵東等鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)考察，那里的民營(yíng)模具企業(yè)幾乎是一家連著一家，家家有數(shù)控設(shè)備。這些企業(yè)之間既有激烈競(jìng)爭(zhēng)，又有緊密合作；尤其是在注塑模具加工制造方面，更具有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于注塑模具大都是復(fù)雜型腔和薄殼結(jié)構(gòu)，特別適合于高速切削加工。模具經(jīng)過(guò)高速、小切削精加工后，鉗工修模工作量大為減少，模具制造周期可縮短40%。因此，高速切削加工是該地區(qū)模具制造的首選工藝方案。

    近十年來(lái)，上海暨華東地區(qū)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，也為高速切削加工提供了巨大的巿場(chǎng)需求。上汽集團(tuán)旗下的大眾、通用、匯眾、上柴、拖內(nèi)、荻原等公司正在組建高速切削柔性生產(chǎn)線或高速銑、鏜、鉆削加工單元，用于汽車內(nèi)外覆蓋件模具及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的切削加工。比較常用的切削參數(shù)是：主軸轉(zhuǎn)速8000-12000r/min，進(jìn)給速度40-80m/min，切削深度0.01-0.05mm；毛坯材料為鑄鋼、鍛材、灰鑄鐵或鋁合金等；釆用的刀具主要有高速工具鋼、硬脂合金、CBN、PCD、鈦涂層刀具或陶瓷刀具。因此，對(duì)上述參數(shù)範(fàn)圍內(nèi)的機(jī)床設(shè)備及刀具材料具有較大的巿場(chǎng)需求。

圖5 印刷包裝機(jī)械行業(yè)高速切削加工應(yīng)用

    海地區(qū)由于近十年來(lái)經(jīng)濟(jì)持續(xù)呈兩位數(shù)高速增長(zhǎng)，同時(shí)也促進(jìn)了文化、傳媒、廣告業(yè)的發(fā)展，因而又間接帶動(dòng)了印刷包裝機(jī)械這一傳統(tǒng)制造業(yè)的振興。上海印刷包裝機(jī)械行業(yè)向國(guó)內(nèi)外提供了各種門類齊全、功能強(qiáng)大的大型成套彩色印刷機(jī)、膠印機(jī)、絲印機(jī)、整理機(jī)、裝訂機(jī)、切紙機(jī)、包裝機(jī)等，銷售額占全國(guó)印機(jī)業(yè)的30%以上，出口額占全國(guó)出口總額的60%以上。上海電氣集團(tuán)印刷包裝機(jī)械有限公司下屬高斯、紫光、申威達(dá)、亞華、光華等企業(yè)引進(jìn)了國(guó)內(nèi)外高檔數(shù)控加工設(shè)備，用于生產(chǎn)第一線加工制造，釆用高速切削加工技術(shù)加工印機(jī)箱體、機(jī)身、橫梁、隔板等關(guān)鍵零部件，大大縮短了大型成套印機(jī)的生產(chǎn)周期，取得顯著成效(圖5)。隨著2002年上海申博成功，傳媒、廣告業(yè)還將有更大的發(fā)展勢(shì)頭。預(yù)計(jì)到2005年，上海印刷包裝行業(yè)對(duì)高速加工設(shè)備和技術(shù)的需求要比當(dāng)前增長(zhǎng)60%，將會(huì)形成巨大的潛在巿場(chǎng)。