高速切削加工的發(fā)展現(xiàn)狀和適用領(lǐng)域

   高速切削加工是當代先進制造技術(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世紀的一項高新技術(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)中獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用，并已取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟效益，是當代先進制造技術(shù)的重要組成部分。

    高速切削是實現(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，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，目前尚無統(tǒng)一的認識，通常有如下幾種觀點：切削速度很高，通常認為其速度超過普通切削的5-10倍；機床主軸轉(zhuǎn)速很高，一般將主軸轉(zhuǎn)速在10000-20000r/min以上定為高速切削；進給速度很高，通常達15-50m/min，最高可達90m/min；對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；切削過程中，刀刃的通過頻率(Tooth Passing Frequency)接近于“機床－刀具－工件”系統(tǒng)的主導(dǎo)自然頻率(Dominant Natural Frequency)時，可認為是高速切削。可見高速切削加工是一個綜合的概念。 

面向不同切削材料的高速切削加工范圍

    1992年，德國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。認為對于不同的切削對象，圖中所示的過渡區(qū)(Transition)即為通常所謂的高速切削範圍，這也是當時金屬切削工藝相關(guān)的技術(shù)人員所期待或者可望實現(xiàn)的切削速度。

高速切削加工技術(shù)現(xiàn)狀

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

機床設(shè)備

    現(xiàn)階段，為了實現(xiàn)高速切削加工，一般釆用高柔性的高速數(shù)控機床、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：必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進給系統(tǒng)，才能實現(xiàn)材料切削過程的高速化。高速切削與傳統(tǒng)切削最大的區(qū)別是，“機床－刀具－工件”系統(tǒng)的動態(tài)特性對切削性能有更強的影響力。在該系統(tǒng)中，機床主軸的剛度、刀柄形式、刀長設(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)，即單位時間內(nèi)材料被切除的體積，通常受限于“機床-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，首先要提高機床動靜剛度尤其是主軸的剛度特性�，F(xiàn)階段高速切削之所以能夠成功，一個很關(guān)鍵的因素在于對系統(tǒng)動態(tài)特性問題的掌握和處理能力。

    為了更好地描述機床主軸的剛度特性，工程上提出新的無量綱參數(shù)—DN值，用以評價機床的主軸結(jié)構(gòu)對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100萬。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；軸承潤滑方式大都釆用油氣混合潤滑方式。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。

    在機床進給機構(gòu)方面，高速切削加工所用的進給驅(qū)動機構(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；釆用空心強冷技術(shù)來減少高速滾珠絲槓運轉(zhuǎn)時由于摩擦產(chǎn)生溫升而造成的絲槓熱變形。

    近幾年來，用直線電機驅(qū)動的高速進給系統(tǒng)問世，這種進給方式取消了從電動機到工作臺溜板之間的一切中間機械傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了機床進給系統(tǒng)的零傳動。由于直線電機沒有任何旋轉(zhuǎn)元件，不受離心力的作用，可以大大提高進給速度。直線電機的另一大優(yōu)點是行程不受限制。直線電機的次極是一段一段連續(xù)鋪在機床的床身上。次極鋪到哪里，初極工作臺就可運動到哪里，而且對整個進給系統(tǒng)的剛度沒有任何影響。釆用高速絲槓或直線電機，能夠大大提高機床進給系統(tǒng)的快速響應(yīng)。直線電機最高加速度可達2-10G(G為重力加速度)，最大進給速度可達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，釆用沈陽機床控股有限公司集團中捷友誼公司廠生產(chǎn)的超長進給系統(tǒng)高速大型加工中心實現(xiàn)。該機床的進給系統(tǒng)為直線導(dǎo)軌和齒輪齒條傳動，工作臺最大進給速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g，主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，主電機功率80kW。其X軸的行程長達30m，切削25m長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，機床的運動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給的加工方法。要求機床在大進給速度條件下，應(yīng)具有高精度定位功能和高精度插補功能，特別是圓弧高精度插補。圓弧加工是釆用立銑刀或螺紋刀具加工零部件或模具時，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，其切削速度可高達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、強度高，廣泛地應(yīng)用于汽車、摩托車發(fā)動機、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，5000m/min的切削速度已達到實用化水平，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，但成本相對較高。釆用涂層技術(shù)能夠使切削刀具既價格低廉，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)進行處理，如目前在對鋁合金或有色金屬材料進行干式切削時，DLC（Diamond Like Carbon）涂層刀具就受到極大的關(guān)注，預(yù)計其巿場前景十分可觀； 

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，而且也會影響機床的使用壽命。因此，在選擇工具系統(tǒng)時，應(yīng)盡量選用平衡性能良好的產(chǎn)品。

用高速加工中心組成的小型FTL

用高速高精度加工縮短模具制作周期

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，則進給量也必須相應(yīng)提高10倍左右，達到60m/min以上，有的甚至高達120m/min。因此，高速切削加工通常是釆用高轉(zhuǎn)速、大進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。圖2為上汽集團某發(fā)動機公司利用該生產(chǎn)線加工發(fā)動機機體、汽缸蓋、濾清器座等工件的實例。

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，必須下大力推進模具生產(chǎn)高速化的進程。上汽集團所屬各公司認為：與過去的精加工相比，進一步實現(xiàn)高精度化；同時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?shù)氖止ぞ�修加工，由于切削速度的極大提高，與過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，模具制作時間縮短的情況。

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)和自動換刀功能的優(yōu)勢，提高加工效率，對復(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，是當前提高數(shù)控機床效率、加快產(chǎn)品開發(fā)的有效途徑。為此，對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)省換刀時間，以減少刀具的數(shù)量和庫存量，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，在批量生產(chǎn)線上，使用針對工藝需要開發(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間降至原來的1/10以下，效果十分顯著。

汽車發(fā)動機機體頂部止口和軸承座結(jié)合面的高速切削

    所示為筆者專門為汽車發(fā)動機機體的頂部止口和主軸承座結(jié)合面的加工而設(shè)計的高速切削工藝。機體材料為灰鑄鐵，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銑削主軸承座結(jié)合面刀桿較長而引起的顫振，大大提高了切削精度、切削效率和表面質(zhì)量。

珠三角及長三角地區(qū)的應(yīng)用和需求

     高速切削具有相當多的好處，例如：有大量材料需要切除的工件，具有超細、薄結(jié)構(gòu)的工件，傳統(tǒng)上需要花相當長的機動工時加工的工件以及設(shè)計變更快速、產(chǎn)品周期短的工件，均能顯示出高速切削所帶來的優(yōu)點。

     在日益激烈的巿場競爭環(huán)境下，高速切削加工也是提高企業(yè)對巿場變化的敏捷反應(yīng)能力的重要體現(xiàn)。中國以東莞、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江三角洲經(jīng)濟區(qū)的大批制造企業(yè)，對高速切削加工需求顯著增長，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、蓄勢并發(fā)，正在努力打造成為中國乃至世界制造業(yè)的中心。據(jù)調(diào)查，東莞地區(qū)自1998年以來新建的民營、外資及臺資制造企業(yè)逾3,000家，其中有55%以上引進了高速數(shù)控金切機床和高速加工中心，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)值達到100億元，約占全國模具生產(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)之間既有激烈競爭，又有緊密合作；尤其是在注塑模具加工制造方面，更具有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢。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，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需求。上汽集團旗下的大眾、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)動機的切削加工。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，對上述參數(shù)範圍內(nèi)的機床設(shè)備及刀具材料具有較大的巿場需求。

    印刷包裝機械行業(yè)高速切削加工應(yīng)用

上海地區(qū)由于近十年來經(jīng)濟持續(xù)呈兩位數(shù)高速增長，同時也促進了文化、傳媒、廣告業(yè)的發(fā)展，因而又間接帶動了印刷包裝機械這一傳統(tǒng)制造業(yè)的振興。上海印刷包裝機械行業(yè)向國內(nèi)外提供了各種門類齊全、功能強大的大型成套彩色印刷機、膠印機、絲印機、整理機、裝訂機、切紙機、包裝機等，銷售額占全國印機業(yè)的30%以上，出口額占全國出口總額的60%以上。上海電氣集團印刷包裝機械有限公司下屬高斯、紫光、申威達、亞華、光華等企業(yè)引進了國內(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)加工印機箱體、機身、橫梁、隔板等關(guān)鍵零部件，大大縮短了大型成套印機的生產(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)展勢頭。預(yù)計到2005年，上海印刷包裝行業(yè)對高速加工設(shè)備和技術(shù)的需求要比當前增長60%，將會形成巨大的潛在巿場。