我國高速加工系統(tǒng)工程技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(一)

                          作者：成都工具研究所 梁彥學(xué)

一、引言  

    高速加工的概念有3個層次。對于某種機(jī)械零件而言，高速加工就是以較快的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行加工。一個生產(chǎn)節(jié)拍：零件送進(jìn)→定位夾緊→刀具快進(jìn)→刀具工進(jìn)（在線檢測）→刀具快退→工具松開、卸下→質(zhì)量檢測等7個基本生產(chǎn)環(huán)節(jié)。而高速切削是指刀具切削刃相對與零件表面的切削運(yùn)動（或移動）速度超過普通切削5～10倍，主要體現(xiàn)在刀具快進(jìn)、工進(jìn)及快退三個環(huán)節(jié)上，是高速加工系統(tǒng)技術(shù)中的一個子系統(tǒng)。對于整條自動生產(chǎn)線而言，高速加工的表征是以簡捷工藝流程，以較短、較快的生產(chǎn)節(jié)拍的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)加工。這就要求突破機(jī)械加工傳統(tǒng)觀念，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，改革原有加工工藝（方式），盡可能地縮短整條生產(chǎn)線的工藝流程：或采用一工位多工序、一刀多刃，或以車、鉸、銑削替代磨削，或以拉削、搓、擠、滾壓加工工藝（方式）替代滾、插、銑削加工等工藝（方式）。對于某一產(chǎn)品而言，高速加工也意味著企業(yè)要以較短的生產(chǎn)周期，完成研發(fā)產(chǎn)品的各類信息采集與處理、設(shè)計開發(fā)、加工制造、市場營銷及反饋相關(guān)信息。這與敏捷制造工程技術(shù)理念有相同之處。  

    高效加工與高速加工雖是一字之差，筆者認(rèn)為其間內(nèi)涵相差較大：一般而論，高效加工是泛指在確保零件質(zhì)量的前提下，針對零件不同的特性、不同的要求，在預(yù)定時間內(nèi)，快速而又經(jīng)濟(jì)地去除零件毛坯的余量。高速切削是其中的加工工藝之一，高效加工工藝還包括少無切削加工工藝（搓、擠、滾壓加工工藝）、特種加工工藝（溶解、熔化、復(fù)合、綜合、堆積、特種機(jī)械加工等）。  

    高速加工系統(tǒng)工程技術(shù)產(chǎn)生于近代動態(tài)多變的全球化市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境。在激烈的市場競爭中，要求企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量高、成本低、上市快、服務(wù)好、環(huán)境清潔和產(chǎn)品創(chuàng)新?lián)Q代及時等，由此牽引高速加工技術(shù)不斷發(fā)展。自20世紀(jì)80年代，高速加工技術(shù)基于傳統(tǒng)金屬（非金屬）切削加工技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，逐步發(fā)展成為綜合性系統(tǒng)工程技術(shù)�，F(xiàn)已廣泛實用于生產(chǎn)工藝流程型制造企業(yè)（如現(xiàn)代轎、汽車生產(chǎn)企業(yè)）。隨著個性化產(chǎn)品的社會需求不斷增加，其生產(chǎn)條件為多品種、中小批量制造加工（在機(jī)械制造業(yè)中，這種生產(chǎn)模式將占到總產(chǎn)值的70%左右），高速加工技術(shù)必將在生產(chǎn)工藝離散型或混和型企業(yè)中（如模具、能源設(shè)備、船舶、航天航空等制造企業(yè)）得到進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。  

    20世紀(jì)末期，我國改革開放，變革計劃經(jīng)濟(jì)體制，逐步建成有中國特色社會主義市場經(jīng)濟(jì)體系。實用的高速加工系統(tǒng)工程技術(shù)跟隨著引進(jìn)的先進(jìn)數(shù)控自動生產(chǎn)線、刀具（工具）、數(shù)控機(jī)床（設(shè)備），在我國機(jī)械制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，企業(yè)也融入了相應(yīng)的現(xiàn)代管理模式、理念。企業(yè)家們對現(xiàn)代企業(yè)管理制度、機(jī)制和現(xiàn)代信息技術(shù)在未來對企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、市場競爭中的重要地位和作用，認(rèn)識日益深刻。我國的社會主義市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境，不僅促進(jìn)了企業(yè)轉(zhuǎn)制、技改和調(diào)整產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，還為企業(yè)應(yīng)用和發(fā)展高速加工系統(tǒng)工程技術(shù)展現(xiàn)出了良好而廣闊的前景。  

    二、引進(jìn)轎車數(shù)控自動生產(chǎn)線中的高速加工技術(shù)  

    20世紀(jì)80年代以來，我國相繼從德、美、法和日本等國引進(jìn)了多條較先進(jìn)的轎車數(shù)控生產(chǎn)自動線，使我國轎車制造工業(yè)得到空前發(fā)展。其中較典型的是來自德國的一汽大眾捷達(dá)轎車和上海大眾桑塔納轎車自動生產(chǎn)線，其技術(shù)水平處于國際20世紀(jì)90年代中期水平。  

    一汽大眾捷達(dá)轎車自動生產(chǎn)線由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動機(jī)及傳動器等高速生產(chǎn)線組成。同步引進(jìn)了德國大眾汽車公司的并行工程管理模式與管理技術(shù)，經(jīng)營各條自動線生產(chǎn)運(yùn)行，年產(chǎn)轎車能力15萬輛，制造節(jié)拍1.5分鐘/輛。其中發(fā)動機(jī)、傳動器生產(chǎn)線共擁有627臺各種機(jī)加工設(shè)備，進(jìn)口253臺，國產(chǎn)374臺，其基本上屬于數(shù)控剛性自動生產(chǎn)線。自產(chǎn)發(fā)動機(jī)零件9種，傳動器零件27種，其余為社會配套。年產(chǎn)發(fā)動機(jī)27萬臺，傳動器18萬臺。生產(chǎn)國際20世紀(jì)90年代水平的4缸、6缸捷達(dá)、奧迪轎車五汽門電噴發(fā)動機(jī)及配套的傳動器，生產(chǎn)節(jié)拍30～40秒/臺。生產(chǎn)線部分采用風(fēng)冷干式切削加工技術(shù)，其機(jī)械加工工藝流程反映了當(dāng)代轎車制造業(yè)中最先進(jìn)的技術(shù)水平。 

    一汽大眾的捷達(dá)和奧迪轎車發(fā)動機(jī)、傳動器關(guān)鍵零件毛坯均為精密鑄造成形的高強(qiáng)度鑄鐵、鑄鋁及精密模鍛的結(jié)構(gòu)鋼件，部分零件采用精密粉末冶金燒結(jié)成形工藝。其高速加工技術(shù)要求在批產(chǎn)工藝過程中，材料可加工性能良好、穩(wěn)定，零件毛坯切削余量控制在1.2～4mm±0.3mm以內(nèi)。生產(chǎn)線運(yùn)行初期，零件毛坯靠進(jìn)口。自1997年起，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)經(jīng)多次攻關(guān)，先后攻克了批產(chǎn)零件毛坯的精密成型工藝技術(shù)、零件材料各化學(xué)元素選配及熱處理工藝技術(shù)難題，旨在達(dá)到高速加工自動生產(chǎn)線（技術(shù)）對零件毛坯材料可加工性、尺寸精度一致性較高要求的技術(shù)指標(biāo)，傳動器零件毛坯國產(chǎn)化已達(dá)95%以上。  

    在一汽大眾捷達(dá)、奧迪轎車發(fā)動機(jī)、傳動器零部件生產(chǎn)線上，幾乎所有的切削刀、輔具（工具）均為進(jìn)口產(chǎn)品（來自49個外國公司），關(guān)鍵工序的設(shè)備（機(jī)床）也是進(jìn)口的專用剛性數(shù)控產(chǎn)品。  

    1. 刀具材料的選用  

    整條生產(chǎn)線的刀具以超硬刀具材料為主。采用CBN、SiN陶瓷、Ti基陶瓷、TiCN涂層刀具材料加工高強(qiáng)度鑄鐵件，銑削速度達(dá)2200m/min；采用PCD、超細(xì)硬質(zhì)合金刀具加工高Si-Al鑄造件，銑削速度也達(dá)2200m/min，鉆、鉸削速度達(dá)80～240m/min；采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷及TiCN涂層刀具加工精鍛結(jié)構(gòu)鋼零件，車削速度達(dá)200m/min；采用高Co粉末冶金表面涂覆TiCN的高速鋼整體拉刀、滾刀、剃齒刀，以及硬質(zhì)合金機(jī)夾組合專用拉刀，加工各種精鍛鋼件、鑄鐵件，拉削速度10～25m/min，滾削速度110m/min，剃齒切速170m/min。  

    2. 刀具典型結(jié)構(gòu)與加工工藝  

    零件孔加工刀具采用多刃復(fù)合式（刀刃機(jī)夾、鑲焊組合）結(jié)構(gòu)，以鉸、擠削替代磨削，在一次性走刀過程中完成孔的精加工，轉(zhuǎn)速達(dá)3000r/min，走刀速度達(dá)1.5～3m/min，精度可達(dá)5～7級，粗糙度Ra0.7μm（槍鉆轉(zhuǎn)速達(dá)8000r/min，Ra2μm）；零件平面銑削刀具多采用密齒、過定位、重復(fù)夾緊結(jié)構(gòu)，徑、軸向雙向可調(diào)的高速密齒面銑刀，以銑代磨，粗糙度Ra0.7μm，不平度＜0.02mm；曲軸主軸頸、連桿軸頸加工，采用雙工位車一拉削專用刀具，切削速度150m/min，快進(jìn)速度4.6m/min，班產(chǎn)350件；曲軸主軸軸承蓋加工，采用側(cè)置、排列式機(jī)夾復(fù)合成形拉削專用刀具，進(jìn)給速度25m/min，班產(chǎn)1750件；缸體曲軸及缸蓋凸輪軸主軸的裝配圓弧面、側(cè)面的加工，采用組合式、軸向串聯(lián)、機(jī)夾三面刃專用盤銑刀，在一次徑向走刀中，完成10個側(cè)面的銑削加工；傳動器同步齒圈座的外圈漸開線齒及三等分直槽的加工，筒式專用外拉刀，三工位班產(chǎn)1440件，一次走刀拉削成形，拉削速度10m/min；發(fā)動機(jī)5種傳動軸上的花鍵齒形（M=0.8mm）加工，采用雙工位、成對配置的搓、擠無屑加工專用刀具，其一次往復(fù)運(yùn)動，將花鍵齒形搓擠成形，班產(chǎn)共800件；傳動器的齒輪加工，采用多頭小直徑涂層高速滾刀及徑向剃齒刀滾、剃成形，以剃代磨，班產(chǎn)800件；差速器殼體內(nèi)球面的鏜削，采用機(jī)床主軸內(nèi)置式、推拉桿軸向往復(fù)運(yùn)動，帶動鏜刀頭二維成半圓軌跡移動，疊加殼體回轉(zhuǎn)運(yùn)動，一次走刀完成其球面成形鏜削加工；缸體汽缸孔鏜削采用雙工位、機(jī)床主軸內(nèi)置式、軸向往復(fù)運(yùn)動推拉桿機(jī)構(gòu)，往走刀——粗鏜，復(fù)走刀——精鏜，切削速度達(dá)800m/min；一些零件的軸端頭外圓柱面加工，采用成形組合外圓銑、鉸削專用工具，一次走刀多刃銑鉸削完成外圓、端面粗加工，替代單刃車削加工工藝。  

    上述專用高速、高效刀具與相應(yīng)專用數(shù)控機(jī)床組合成的各加工工位，生產(chǎn)節(jié)拍為20～40s。零部件的精度與質(zhì)量60%～80%決定于這些專用刀具及數(shù)控機(jī)床的精度和質(zhì)量，20%～40%決定于零件毛坯的精度與質(zhì)量。生產(chǎn)流程中，質(zhì)量監(jiān)測工序為機(jī)后抽檢。  

    發(fā)動機(jī)、傳動器兩條生產(chǎn)線共有250多臺數(shù)控機(jī)床采用HSK高速空心工具柄，共計6個規(guī)格：32＃、40＃、50＃、63＃、80＃和100＃，其中以40＃、50＃和63＃三種規(guī)格使用數(shù)量最多。HSK空心工具柄與上述各種多刃專用銑刀、復(fù)合式孔加工刀具組成高速工具系統(tǒng)，其高速動平衡精度≤2.5G。  

    3. 高速專用數(shù)控機(jī)床  

    一汽大眾轎車發(fā)動機(jī)、傳動器關(guān)鍵零件的多數(shù)加工工藝突破了傳統(tǒng)機(jī)加工理念，其機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計是以各種高速多刃專用成形刀具和加工工藝為主導(dǎo)，以滿足整條生產(chǎn)線各加工工位、加工工序生產(chǎn)節(jié)拍均衡及穩(wěn)定的質(zhì)量與精度要求，在一次往復(fù)走刀過程中，高速加工發(fā)動機(jī)、傳動器各種零部件而構(gòu)思設(shè)計和制造的。機(jī)床結(jié)構(gòu)相對簡捷、數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，其加工技藝數(shù)據(jù)庫固化在數(shù)控系統(tǒng)中。這些機(jī)床一般都具備動態(tài)剛度好、主軸回轉(zhuǎn)和行程定位精度高的特性。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速一般在6000r/min以下，快進(jìn)在20m/min以內(nèi)。主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)到2～5μm，定位精度為±（2～5）μm，直線運(yùn)動精度達(dá)5～10μm/300mm。安裝筒式外形拉刀的專用數(shù)控機(jī)床及曲軸專用數(shù)控車—拉機(jī)床較為典型。前者的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：在三臺60多噸推力的液壓千斤頂上固定豎裝三把柱狀專用外形拉刀筒體，在數(shù)控（PC機(jī)）下，將同步齒圈座零件半成品，間歇式自下推入，由上頂出，使零件彼此摞疊逐一拉削、并全程通過拉刀筒體，完成該零件外圈漸開線直齒及120°三等分直槽的拉削加工工序。一臺專機(jī)生產(chǎn)率可替代由13～16臺高速滾齒機(jī)、插（銑）床組成的生產(chǎn)線；而后者的結(jié)構(gòu)基本上是一臺將中型數(shù)控車床改形而成的專機(jī)。其專用數(shù)控系統(tǒng)使曲軸回轉(zhuǎn)的速度和轉(zhuǎn)角，與盤式車?yán)�刀齒的每9°間隙式轉(zhuǎn)角、逐刃跟進(jìn)成車?yán)�削的加工動作相匹配，使二者各自在回轉(zhuǎn)一圈與往復(fù)分度90°的車?yán)�削加工運(yùn)動過程中，動作相互協(xié)調(diào)、和諧。一臺雙工位車—拉數(shù)控專機(jī)可替代10臺以上數(shù)控成形車床和5臺以上內(nèi)銑式曲軸加工機(jī)床。  

    一汽大眾數(shù)控轎車生產(chǎn)線還設(shè)有激光焊接、激光表面淬火等特種數(shù)控專用設(shè)備。  

    我國引進(jìn)的各條轎車自動生產(chǎn)線的管理、決策機(jī)制及產(chǎn)品設(shè)計分析、加工工藝技術(shù)基本上引用相應(yīng)外國公司的模式和樣品，轎車營銷以國內(nèi)市場為主。由于沒有轎車自主知識產(chǎn)權(quán)，新車型的研發(fā)，是以現(xiàn)有引進(jìn)生產(chǎn)自動線為本，持續(xù)從外國汽車公司進(jìn)口相關(guān)信息和技術(shù)，其加工技藝數(shù)據(jù)庫都是固化在各臺專用機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，我們未深入、系統(tǒng)、有針對性地研究這些基礎(chǔ)共性技術(shù)，使引進(jìn)產(chǎn)品國產(chǎn)化工作處于“照瓢畫葫蘆，不知究里”的被動狀態(tài)。研發(fā)轎車的源頭技術(shù)，基于“買來主義”。隨著轎車個性化產(chǎn)品的社會需求大量增加，缺少自主知識產(chǎn)權(quán)及系統(tǒng)工程研發(fā)能力的企業(yè)，在市場競爭中始終將處于下風(fēng)。  

    三、其他行業(yè)高速加工技術(shù)概況  

    在我國航天、航空、汽輪機(jī)及模具等行業(yè)，不同程度地應(yīng)用了高速加工技術(shù)，其間的差距在于國家對該行業(yè)投入資金、引進(jìn)等政策的支持多與少，以及企業(yè)家們對高速加工系統(tǒng)技術(shù)認(rèn)識的深與淺。相對于轎車制造業(yè)而言，這類機(jī)械制造行業(yè)基本上是屬于工藝離散型制造業(yè)。其高速加工技術(shù)主要表征在對高速數(shù)控機(jī)床與刀具技術(shù)的應(yīng)用上。目前已引進(jìn)的加工中心、數(shù)控鏜銑床主軸轉(zhuǎn)速一般≤8000r/min（目前少量可大于等于12000r/min），快進(jìn)速度≤40m/min。對高Si-Al鑄鋁、鍛鋁合金體，高強(qiáng)度鑄鐵及結(jié)構(gòu)鋼件，多采用超細(xì)硬質(zhì)合金、TiCN及TiAlN（進(jìn)口）涂層硬質(zhì)合金刀具材料和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)各類刀具加工。超硬刀具材料及專用結(jié)構(gòu)刀具應(yīng)用還較少，加之機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速普遍偏低，一般為中速切削。以銑削加工為例，這些行業(yè)加工鋁合金工件：切削速度＜1000m/min，進(jìn)給速度＜15m/min，每齒進(jìn)刀＜0.35mm。銑削鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼（含不銹鋼）工件：切削速度＜500m/min，進(jìn)給速度＜10m/min，每齒進(jìn)刀量＜0.3mm。上述行業(yè)中，企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營管理決策系統(tǒng)及生產(chǎn)技藝數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用等方面，處于初級階段，基本上都沒有外聯(lián)生產(chǎn)經(jīng)營通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)控設(shè)備利用率僅為25%左右。隨著我國加入WTO，在外來高速加工技術(shù)及全球化、區(qū)域化市場經(jīng)濟(jì)的沖擊下，上述行業(yè)將會在應(yīng)用高速加工系統(tǒng)工程技術(shù)方面出現(xiàn)跳躍式的進(jìn)步與發(fā)展。