高效高速加工--機械制造的主旋律

提高生產(chǎn)率是機械制造領(lǐng)域的永恒課題，也是當前機械制造領(lǐng)域普遍關(guān)注的問題。高速加工是目前獲得高生產(chǎn)率的重要手段，關(guān)鍵在于創(chuàng)造條件，迅速普及。 
     機械制造領(lǐng)域當前發(fā)展的特點是：難切削材料的大量出現(xiàn)使加工難度明顯增加；加工中也提出了許多需要迫切解決的課題，如硬切削；為了保護環(huán)境，要求少用或不用切削油劑，即實現(xiàn)干切削或半干切削�？傊�，機械制造面臨許多難題，在這樣的情況下，為了提高生產(chǎn)率，必須綜合利用有關(guān)的一切技術(shù)進步。特別是航空航天工業(yè)系統(tǒng)，由于難加工材料多、結(jié)構(gòu)復雜、研制周期短、單件小批量產(chǎn)品多的特點，如何提高生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)周期，一直是科技人員長期關(guān)注的重要問題，也是航空航天系統(tǒng)必須抓緊解決的問題。
    從另一方面看，當前科技發(fā)展迅速，如何將新的技術(shù)和工藝移植過來，十分迫切。值得注意的是，當今世界，科技發(fā)展迅速，極大地推動了機械制造各個方面的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了提高生產(chǎn)率的多種方法和手段。眾所周知，單晶天然金剛石刀具的研磨難度很大，一般采用高磷鑄鐵研磨盤，以金剛石粉末作磨料，效率極低。
    最近日本報道，采用低含碳量、低導熱率的不銹鋼304(日本的牌號)制造成圓盤，將金剛石壓在4000r／min的回轉(zhuǎn)盤上，溫度控制在800℃，金剛石的去除率極高，達到0.94mm3／min，工作時不使用磨料，而是利用物理、化學的作用，被稱為熱化學加工，這是打破常規(guī)的方法；又如最近的快速成型(RP)，可以在沒有模具的情況下成型，省去了模具制造的周期；電火花線切割的切割速度在國內(nèi)的快走絲機床上可以達到70mm2／min，瑞士的AGIE公司的機床可以達到500mm2／min，而日本三菱電機的機床則可達到550mm2／min，達到了一般的銑削速度現(xiàn)在開展的高速磨削速度已經(jīng)達到60、120m／s，甚至到200m／s，在實驗室已達到500m／s，而一般的磨削速度僅為30-35m／s。高速磨削是高效磨削方法，其切深淺，走刀速度大；另外一種蠕動磨削與高速磨削剛好相反，切深大，走刀速度小，但都是高效磨削，只是切削用量不同，所以有人形象地比喻為“龜兔賽跑”，各有所長。1931年，德國的Carl Salomon提出了有名的預言，一般切削速度與切削熱是同步增加的，但是經(jīng)過一個切削不了的死谷后，切削速度即使增加；反而會出現(xiàn)切削熱下降，今天，鋁的切削速度已經(jīng)達到了5000m／min，CarlSalomon的預言將被揭示。
    綜上所述，都是以提高切削速度作為提高生產(chǎn)率的重要手段，當然這不是全部，尚有待開發(fā)。因為高速加工主要體現(xiàn)在銑削方面，所以下面就以機械加工中心為主進行介紹。
機床發(fā)展是高效高速加工的前提條件
    當前由于機床制造技術(shù)的迅速發(fā)展，機械制造領(lǐng)域正在醞釀著巨大的變化。數(shù)控機床發(fā)展成多軸機械加工中心，集約各種工序為一體，明顯地縮短了輔助時間，提高了生產(chǎn)率，同時減少了工件的裝夾次數(shù)，提高了加工精度。綜上所述，當前機床的發(fā)展目標應是：減少工序的更換，明顯提高效率；趨向于工序集約，易于提高精度；使用復合刀具、球頭立銑刀等先進工具，可提高每單位時間的切削量；走刀速度加快，切削效率提高；能減少銑削后的打光工序；切削工具、托板的自動交換，自動化程度高，輔助時間顯著縮短；由于復雜零件容易加工，促進零件結(jié)構(gòu)的改進等。從航空航天的角度看，普遍認為機床的這種發(fā)展，非常適合于單件小批量生產(chǎn)，所以迅速地、較多地在單件小批量生產(chǎn)系統(tǒng)中充實了這些裝備，實踐也表明了自動化的設(shè)備是符合航空航天系統(tǒng)制造技術(shù)發(fā)展的需要的。
    當然，從提高生產(chǎn)率的角度分析，除了自動化加工以外，仍然存在著如何更進一步、更合理地利用各種技術(shù)進步的問題。從機床的發(fā)展觀察，機床主軸的高速化顯著地提高了轉(zhuǎn)速，高于10000r／min的機床已經(jīng)比較普遍。軸承技術(shù)的進步，為此提供了可能。主軸的發(fā)展，最突出的是電主軸已經(jīng)商品化。主軸的潤滑技術(shù)十分關(guān)鍵，受到各方面的關(guān)注。多年來，從油脂潤滑發(fā)展到油霧潤滑、油氣潤滑、環(huán)下(under-race)潤滑，甚至冷風潤滑等。伴隨著高速主軸的發(fā)展，油脂潤滑已經(jīng)不能適應，油霧潤滑由于污染的原因使用也在減少，現(xiàn)在使用最為廣泛的是油氣潤滑，更合理的是環(huán)下潤滑，使關(guān)鍵的內(nèi)環(huán)得到了更好的潤滑。潤滑性能的提高，使?jié)L珠軸承也能承受70000r／min的高轉(zhuǎn)速。美國原來在機床主軸上采用的是ABEC7級高精度軸承，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到ABEC9級，說明軸承的精度提高是必須的。由于材料的發(fā)展，又出現(xiàn)了陶瓷滾珠，使得滾珠軸承的性能更加提高，這也是保證主軸高速化的需要。在提高主軸轉(zhuǎn)速和精度方面，也有采用氣浮靜壓軸承或者液浮靜壓軸承的，而磁力軸承則能達到更高的水平。
    幾年前，美國J&L和Ingersoll公司推出了采用直線電機的高速機床，引起巨大的反響，在加大走刀速度方面起到了滾珠絲杠達不到的速度，但是當時因為成本太高，在具體的應用上，較多出現(xiàn)的是加大絲杠的螺距，增加頭數(shù)，或者制造成中空的大直徑絲杠，通以溫控的水，保持適宜的溫度。也有主張采用靜壓絲杠的，但是從性能上仍有比較大的差距，它最高可以達到加速度1～1.5g，而直線電機可以達到10g以上。后來由于直線電機制造技術(shù)的進步，其成本明顯降低，應用明顯增加�，F(xiàn)在在電火花機床上也采用了直線電機，如日本的SODICK甚至采用3個直線電機。只有走刀的高速化，高速加工才能真正得到實現(xiàn)。當然，圍繞高速加工仍有一系列的技術(shù)需要解決，例如，托板交換、工具交換的速度也要增大。
    德國的DIGMA、CHIRON、STAMA，日本的大隈，瑞土的MIKRON等公司都是世界上有名的高速機床制造商。CHIRON的小型機械加工中心的工具交換時間已經(jīng)達到0.5s。同時也要求提高主軸的加減速度，使主軸能在極短的時間里停止或者達到最高速，現(xiàn)在已經(jīng)可以達到2s左右。
    為了滿足高效率加工的需要，機床的強度、剛度、穩(wěn)定性、抗振性等都接受了挑戰(zhàn)，所以從設(shè)計方面采用了CAD方法，預先打好基礎(chǔ)；特別是在結(jié)構(gòu)材料上有了比較明顯的變化，出現(xiàn)了石質(zhì)材料取代傳統(tǒng)的鑄鐵和鋼的方法，如采用花崗巖、陶瓷、人造花崗巖、人造大理石等。在超精密機床上還有采用零膨脹系數(shù)的微晶玻璃(德國稱為Zerodur，日本稱為玻璃陶瓷)的。近幾十年來，機床為了適應生產(chǎn)率的發(fā)展要求，在結(jié)構(gòu)材料方面發(fā)生了很大的變化，機床的性能有了長足的進步。我國較早研制成功人造花崗巖，在花崗巖的應用上已經(jīng)有比較長的歷史。德國DIGMA公司的高速機床結(jié)構(gòu)材料就采用了復合聚合物混凝土，提高了機床的剛度，具有振動衰減性優(yōu)越(為鑄件的1／6～1／8)、低熱變形(為鑄件的1／25～1／40)的特點。
   近年來機床的發(fā)展日新月異，高速化、復合化、多功能化、高精度化的趨勢比較明顯，機械制造領(lǐng)域的主旋律則是提高生產(chǎn)率。例如DMG公司展示的激光銑削機械中心，將不同的工種集約在一臺機床上；為了更好地解決排屑的問題，德國的EMAG公司研制了倒置機械加工中心；當前比較多的公司提供了5軸機械加工中心；特別是虛擬機床的出現(xiàn)，從機床的設(shè)計上發(fā)生了較大的變化，現(xiàn)在它依舊在發(fā)展之中。
    切削工具性能的提高為高效高速加工發(fā)展提供了可能性
    如果需要達到高效高速加工，切削工具是另外一個重要的因素。當前切削工具材料的發(fā)展，對加工的需要創(chuàng)造了比較好的條件，除了高速鋼、硬質(zhì)合金以外，陶瓷、金屬陶瓷、超硬材料的發(fā)展起到了重要的作用。特別是陶瓷、超硬材料，對高效高速加工的發(fā)展提供了有力的支持。更值得提及的是，1955年美國GE公司用高溫、高壓合成超硬材料取得成功，促使切削領(lǐng)域發(fā)生了重大變化。在這個基礎(chǔ)上，很快出現(xiàn)了PCD、PCBN，為難加工材料的切削、干切削、硬切削、超精密切削等的加工創(chuàng)造了條件。
    在切削加工的另一個方面，就是表面技術(shù)在切削工具上的應用，PVD(物理氣相沉積)、CVD(化學氣相沉積)不斷推陳出新，由單層發(fā)展成多層、千層、復合涂層，現(xiàn)在又發(fā)展成納米涂層；涂層的材料，從TiN發(fā)展為A12O3、TiC、ZrO2、等，根據(jù)加工的要求，為提高耐高溫的性能，又發(fā)展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等。為了減少摩擦力，采用軟涂層，如沉積MoS2，又如德國Guehring公司采用的Molyglide，這種涂層就是以MoS2為主的，它能減少切削中的摩擦系數(shù)。當然這要根據(jù)被加工件的特點，分別地應用在所需的加工上�，F(xiàn)在涂層技術(shù)又發(fā)展到了超硬涂層(類金剛石、金剛石、立方氮化硼)，更使切削加工的范圍拓寬。特別值得提到的是薄膜涂層發(fā)展成為厚膜，它不同于天然金剛石，具有各向同性，現(xiàn)在已經(jīng)在國內(nèi)外得到應用，部分取代了天然金剛石。現(xiàn)在也已經(jīng)解決了大顆粒單晶金剛石的合成技術(shù)，這些變化對我國的影響非常深遠，我國已經(jīng)是世界合成金剛石產(chǎn)量最多的國家，這有利于我國發(fā)展高效加工技術(shù)。
    為了適應高效高速加工，輔助工具也是十分重要的手段，例如原來的組合夾具在機械加工中心的應用中，為了提高其強度，已經(jīng)從槽系發(fā)展成為孔系。目前比較典型的是EROWA和3R組合工具的應用，已經(jīng)從電加工，發(fā)展到機械加工中心上，不僅加快了節(jié)奏，更重要的是達到了高精度，這些工具從原來的模具電加工發(fā)展到了切削加工領(lǐng)域。在帶柄的切削工具方面所需的刀柄，也在配合高效率、高精度切削加工的過程中發(fā)展了新型的結(jié)構(gòu)，例如液壓的、塑料的，現(xiàn)在又廣泛采用熱裝的刀柄，其夾緊的精度明顯提高，達到2～3μm�，F(xiàn)在這種裝置已經(jīng)成熟，例如德國的ZOLLER公司已經(jīng)將這樣的裝置直接安裝在對刀儀上，說明此項技術(shù)又向前推進了一步。工具的進步為高效加工提供了有力的支持。
為高效速加工的實現(xiàn)創(chuàng)造條件
    眾所周知，航空航天工業(yè)從產(chǎn)量的角度看屬于多品種小批量生產(chǎn)，因此認為與自動化加工關(guān)系比較少，往往不采用自動化的裝備。自從NC機床出現(xiàn)以后，特別是各種機械加工中心誕生后，人們的觀念開始發(fā)生微妙的變化。自從引進為數(shù)不少的機械加工中心以后，經(jīng)過一二十年的實踐，小批量零件的加工自動化不僅發(fā)揮了重要的作用，而且在周期、質(zhì)量上都有明顯的提高，工裝的數(shù)量也顯著減少，特別在工序多、周期長、結(jié)構(gòu)復雜的箱體零件的加工方面，更顯示出中心的優(yōu)越性。
    值得考慮的一個問題是怎樣利用高速加工為高效加工服務。最近，在世界各大展覽會上展示的設(shè)備更多強調(diào)的是高效率，在這個基礎(chǔ)上，又強調(diào)利用高速加工，也就是說，要綜合利用技術(shù)的進步。展示的機械加工中心大部分主軸的轉(zhuǎn)速為20000r／min左右。這也許就是當前的主旋律——高效高速加工。
    為了實現(xiàn)高效高速加工，必須考慮到各個方面，例如機床、工具的合理選擇；切削用量的恰當使用；高速主軸保養(yǎng)；安全防護及切屑的及時清理等。在這些方面，還需要進一步探討。以機床為例，應當采用高速、大功率的主軸；機床有足夠剛度、強度；刀柄必須選擇與機床主軸的錐體和端面接觸，以防止在高速回轉(zhuǎn)時松動；在防護方面，必須防止切屑的飛濺；切削油劑必須能注入到切削點上，特別在高速磨削時，為了防止工件燒傷，噴嘴的設(shè)計特別重要，日本明治大學的橫川和彥發(fā)表了許多意見，值得參考；由于高速切削的切屑量大，所以切屑必須及時地排除等。以切削工具為例，當前涂層發(fā)展非常快，針對加工的對象選擇是必要的；為了提高加工表面的質(zhì)量，采用球頭銑刀是合適的，由于其中心的切削速度為零，所以使用時可將立銑刀傾斜一個角度為了改善立銑刀引起的銑削顫振，采用帶圓角銑刀，這是最近的發(fā)展趨勢；為了改善冷卻效果采用帶油孔的工具；為了防止立銑刀的振動，將刀槽作成不等分或者不同的螺旋槽；在高速切削時，銑刀刀盤采用鋁合金，切斷刀的刀把往往強度差，所以日本住友公司提出采用硬質(zhì)合金，為了解決切屑的處理，采用合適的斷屑刀片；在加工深孔時候，采用新型刀槽鉆頭，如Geuhring公司RT系列的鉆頭，其芯厚加大，提高了剛度，容屑槽加寬，切屑易于排出，所以有利于深孔加工；在機械加工中心上，必須采用數(shù)控刀具，這個認識是一致的，但是價格提高了�，F(xiàn)在復合刀具的大量出現(xiàn)，不僅可以提高效率，而且減少了刀具的件數(shù)，ISCAR的車刀是最典型的。切削工具的復合化明顯減少了換刀的次數(shù)和時間，機床的刀庫變小，也必然提高了效率。
    從目前情況看，有的單位已引進數(shù)千臺的新型自動化機床，但是主軸轉(zhuǎn)速大于10000r／min的很少，其原因是，對高速加工存在一種疑慮。根據(jù)德國DMG公司的介紹，該公司提供的高速主軸的壽命是2年，關(guān)鍵是如何合理應用的問題。在探討引進設(shè)備的時候，幾乎都希望引進高速的設(shè)備，這也反映出技術(shù)人員的心態(tài)。
    Mikron公司認為高性能切削現(xiàn)在沒有嚴格的定義，然而，在實際應用中，雖然高速切削與高性能切削這兩種銑削方法都屬于高性能切削工藝的范疇之內(nèi)，但高速切削在大多數(shù)情況下，與高性能切削有著明顯的不同。高速切削只是高性能切削的一個方面而已，而高性能切削關(guān)注的另一個要素則是金屬去除率，這是我們引進設(shè)備時需要考慮的問題。