高速切削發(fā)展現(xiàn)狀與今后的課題

汽車行業(yè)面對的環(huán)境

進入21世紀后，制造業(yè)，尤其是汽車行業(yè)所面臨的周邊環(huán)境日益嚴峻。環(huán)保問題、用戶需求的多樣化、社會結構的變化等迫切要求汽車廠商必須適應這種現(xiàn)實，生產(chǎn)出能滿足上述要求的制品。汽車的動力系統(tǒng)今后將采用電動汽車或燃料電池等清潔能源。但是，目前仍以活塞式發(fā)動機與變速箱組合而成的動力系統(tǒng)為主，今后若干年，這種結構仍將作為汽車主要的動力模式。然而，從生產(chǎn)現(xiàn)場的發(fā)展來看，則是必須盡快對應客戶的要求，改進生產(chǎn)體制。從保護地球環(huán)境的觀點出發(fā)，應大力開發(fā)減少工業(yè)廢棄物和節(jié)省能源的汽車制品。從社會結構來看，社會老齡化、少子女傾向、職業(yè)婦女大量增加等種種變化，對商品開發(fā)、市場需求都有極大的影響。下面，從用戶的角度來談談高速切削加工的動向與課題。

高速切削加工最近的動向

如上所述，汽車行業(yè)面臨著種種挑戰(zhàn)。其中，社會狀況和環(huán)境問題應盡快引起注意，這是今后企業(yè)發(fā)展的重要課題，一切生產(chǎn)技術均必須與之相適應。以日產(chǎn)汽車公司為例，當前為了適應上述變化，需要解決下列問題：①縮短生產(chǎn)準備時間；②注意批量和品種的變化等。為了盡快解決這些問題，公司對現(xiàn)有設備進行了調(diào)整和更新，要求這些設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，最關鍵的措施便是采用高速切削加工技術。

1．何謂高速切削

有關高速切削的含義，目前尚無統(tǒng)一的認識，迄今有三種觀點：①切削速度很高，通常認為其速度超過普通切削的5～10倍；②機床主軸轉速很高，一般將主軸轉速在10000～20000r/min以上定為高速切削；③進給速度很高，通常達15～50m/min。德國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，也是汽車制造相關技術人員所期待的或者可望實現(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

高速切削是實現(xiàn)高效率制造的核心技術，工序的集約化和設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備數(shù)量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術。

高速切削加工的優(yōu)點在于：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：①機床的耐用度降低；②工具壽命縮短；③排屑性能下降。解決上述問題是進一步發(fā)揮高速高效率加工的重要攻關課題。

3．高速切削的適用領域

(1)高效柔性生產(chǎn)線

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

(2)模具加工

為了盡快適應新車型的需要，汽車車體的軋制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。模具的制作應比汽車零部件的生產(chǎn)先走一步，因此，必須下大力推進模具生產(chǎn)高速化的進程。日產(chǎn)汽車公司為此早已采用CBN立銑刀進行高速高精度加工。高速高精度加工的目標大致包括兩個方面：①與過去的精加工相比，進一步實現(xiàn)高精度化，此項加工必須滿足表面粗糙度、彎曲度的精度要求，為此應施以適當?shù)氖止ぞ�修加工。②由于切削速度的極大提高，與過去的精加工工序相比，加工周期應大幅度縮短。

高速切削加工技術現(xiàn)狀

本文只簡要介紹高速切削加工必不可少的技術因素，詳細的機理分析留待有關專家去闡述。

加工設備

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

進給機構：高速切削加工所用的進給驅(qū)動機構通常都為大導程滾珠絲杠或直線電機，其最高加速度在1G以上，最高進給速度可超過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必不可少的加工方法，機床的運動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給的加工方法。因此，要求機床在大進給速度條件下，應具有高精度定位功能和高精度插補功能。在測量機床運動性能時，可采用海登哈因公司的DBB等系統(tǒng)作為保持機床精度的診斷工具，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

為了實現(xiàn)高速切削加工，首先應提及的自然是機床的率先改進；然而也可以這樣表述：高速切削技術的發(fā)展史，也就是刀具材料不斷進步的歷史。高速切削的代表性工具材料是CBN，端面銑削使用CBN刀具時，其切削速度可高達5000m/min。目前，用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。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格低廉，又具有優(yōu)異性能，可有效降低加工成本的技術，目前當首推涂層技術�，F(xiàn)在高速加工用的立銑刀，大都采用TiAIN系的復合多層涂鍍技術進行處理。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)涂層刀具就受到人們極大的關注，預計其市場前景十分可觀。

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，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，而且也會影響到機床的使用壽命。因此，在選擇工具系統(tǒng)時，應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，對刀具與夾具組合在一起時的失衡量設定了一個合理的控制值，這樣，可保證此類刀具進行精度穩(wěn)定的切削加工。

高速切削在實際生產(chǎn)中的應用

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)動機的汽缸體，加工部位為安裝缸蓋的端面。為了保證發(fā)動機的性能，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)動機缸體相比，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，通過鉆削加工可以清楚地看出來。

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械故障，減輕機床清潔保養(yǎng)作業(yè)的強度，從而收到提高設備運轉效率的效果。

鋁合金的端面銑削加工

轎車發(fā)動機的汽缸體、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，所用機床正在逐步改為加工中心。過去的專用機床可采用φ250mm以上的大直徑面銑刀進行加工，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式加工方向發(fā)展。盡管如此，在加工過程中仍然存在下述問題：由于主軸長度變化而在加工面上形成級差；增加刀具更換頻率；由于主軸高速化而導致主軸剛性下降等。目前，這類問題尚未很好解決。作為用戶，迫切希望工具廠、有關專家和用戶企業(yè)通力合作，妥善解決實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的這類問題。

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械加工的30%左右。汽缸蓋和汽缸體是發(fā)動機零件的代表性產(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例。

高速鉆削加工應注意的問題：提高排屑性能，提高工具剛性，防止鉆尖過熱，回轉平衡性良好等。上述各點均需根據(jù)被加工材料特性采取相應措施。

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，易于分斷厚型切屑；③對鉆頭進行橫刃修磨，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。

抑制切削刃過熱

具體措施：根據(jù)被加工材料特點選用刀具材料。如加工鋁合金時，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，但該材料價格昂貴，是否選用應視加工需要而定。

可轉位鉆頭

在φ20mm以上的孔加工中，可選用可轉位結構的鉆頭。加工鋼材時，切削速度約為180m/min；加工鋁合金時，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的。立銑加工是一種斷續(xù)切削，每個刀齒的切削作業(yè)均在極短促的時間內(nèi)完成。模具加工的特點是小切深大進給，立銑刀必須與此特點相適應，開發(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年便已購入主軸轉速為8000r/min，進給速度為4m/min的高速加工機床，組成高速加工生產(chǎn)線。經(jīng)過不斷更新和改進，現(xiàn)在已可用φ50mmCBN球頭立銑刀，在2000r/min條件下進行高速切削加工。為了減輕刀具重量，以適應高速回轉產(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。例如，加工汽車轉向節(jié)臂，工件材料為鋼材。過去的加工流程為：車削、銑端面、孔加工等，共由10臺專用機床組成生產(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，只用一臺加工中心和一副夾具來完成加工作業(yè)。既使零件的形狀改變了，只需變動刀具的運行軌跡便可適應加工要求。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到預定指標的60%，但卻大幅度減少了能源費用和設備折舊費用，而且無需準備原先各工序、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發(fā)的領域和亟待解決的課題。在生產(chǎn)加工現(xiàn)場，必須經(jīng)常考慮Q(質(zhì)量)、C(成本)和D(交貨期)的協(xié)調(diào)問題。近年來，全球范圍內(nèi)均特別重視環(huán)境保護，因此，在上述三大關注點中，還應加上環(huán)保措施這一新的課題。下面結合日產(chǎn)汽車公司的生產(chǎn)實踐，展望高速切削加工今后的發(fā)展動向。

高速切削加工與節(jié)省能源

近來，以加工中心(MC)為核心的加工設備，大都以主軸轉速10000r/min的機種作為標準裝備。用于模具加工的MC主軸轉速可超過20000r/min。用于汽車零件的加工中心，由于每次更換刀具時，主軸均要經(jīng)歷停止—起動的過程，為縮短該過程時間，需配置大功率電機，其功率輸出必須大大超過切削所需動力，而這對節(jié)省能源是不利的。因此，在實現(xiàn)電機高功率化的同時，還必須使主軸、刀具及工具系統(tǒng)的慣性質(zhì)量下降。

當前，許多機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備運轉所需電力的20%～30%；而生產(chǎn)線上所耗用的能源并不包括此項內(nèi)容，因此，希望今后開發(fā)出更加節(jié)省能源的機床，開發(fā)出更加實用的干式切削加工技術。

與高速切削加工相適應的工藝設計

在柔性高速加工生產(chǎn)線上，如遇產(chǎn)品變換或改變設計引起加工內(nèi)容的變化，或為了調(diào)節(jié)產(chǎn)量而拆取部分設備等情況，則應分別編制與之相對應的工藝流程。主軸加速時間和快速進給的動作時間、ATC時間對整個生產(chǎn)周期均有很大的影響。為了最大限度地發(fā)揮設備的加工能力，必須妥善解決包含上述因素的工藝編制問題。今后，各類制品從開發(fā)到生產(chǎn)的業(yè)務都將實現(xiàn)高效率化，因此，應在更短的時間內(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)來構筑自己的業(yè)務框架。

高速切削加工與安全保護措施

利用MC等設備進行高速切削時，由于刀具高速回轉，其切屑將沿360°方向四面飛散。在對鋼材或鑄件進行高速銑削時，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，由于離心力作用，可轉位刀片有可能被甩出，因此，應采取相應措施加以預防。最近，工具廠家正在開發(fā)可轉位刀片的新型夾緊裝置，刀片甩出問題有望得到妥善解決。

高速切削加工是提高生產(chǎn)效率的關鍵技術，今后加工技術的發(fā)展也仍將圍繞這一核心課題展開。但是，當前既要重視降低生產(chǎn)成本，同時又必須關注環(huán)境保護問題，因此，應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)。