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

作者：成都工具研究所 梁彥學

一、引言

    高速加工的概念有3個層次。對于某種機械零件而言，高速加工就是以較快的生產節(jié)拍進行加工。一個生產節(jié)拍：零件送進→定位夾緊→刀具快進→刀具工進（在線檢測）→刀具快退→工具松開、卸下→質量檢測等7個基本生產環(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、工進及快退三個環(huán)節(jié)上，是高速加工系統(tǒng)技術中的一個子系統(tǒng)。對于整條自動生產線而言，高速加工的表征是以簡捷工藝流程，以較短、較快的生產節(jié)拍的生產線進行生產加工。這就要求突破機械加工傳統(tǒng)觀念，在確保產品質量的前提下，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）。對于某一產品而言，高速加工也意味著企業(yè)要以較短的生產周期，完成研發(fā)產品的各類信息采集與處理、設計開發(fā)、加工制造、市場營銷及反饋相關信息。這與敏捷制造工程技術理念有相同之處。

    高效加工與高速加工雖是一字之差，筆者認為其間內涵相差較大：一般而論，高效加工是泛指在確保零件質量的前提下，針對零件不同的特性、不同的要求，在預定時間內，快速而又經濟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、復合、綜合、堆積、特種機械加工等）。

    高速加工系統(tǒng)工程技術產生于近代動態(tài)多變的全球化市場經濟環(huán)境。在激烈的市場競爭中，要求企業(yè)的產品質量高、成本低、上市快、服務好、環(huán)境清潔和產品創(chuàng)新?lián)Q代及時等，由此牽引高速加工技術不斷發(fā)展。自20世紀80年代，高速加工技術基于傳統(tǒng)金屬（非金屬）切削加工技術、自動控制技術、信息技術和現(xiàn)代管理技術，逐步發(fā)展成為綜合性系統(tǒng)工程技術�，F(xiàn)已廣泛實用于生產工藝流程型制造企業(yè)（如現(xiàn)代轎、汽車生產企業(yè)）。隨著個性化產品的社會需求不斷增加，其生產條件為多品種、中小批量制造加工（在機械制造業(yè)中，這種生產模式將占到總產值的70%左右），高速加工技術必將在生產工藝離散型或混和型企業(yè)中（如模具、能源設備、船舶、航天航空等制造企業(yè)）得到進一步應用和發(fā)展。

    20世紀末期，我國改革開放，變革計劃經濟體制，逐步建成有中國特色社會主義市場經濟體系。實用的高速加工系統(tǒng)工程技術跟隨著引進的先進數(shù)控自動生產線、刀具（工具）、數(shù)控機床（設備），在我國機械制造業(yè)中得到廣泛應用，企業(yè)也融入了相應的現(xiàn)代管理模式、理念。企業(yè)家們對現(xiàn)代企業(yè)管理制度、機制和現(xiàn)代信息技術在未來對企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、市場競爭中的重要地位和作用，認識日益深刻。我國的社會主義市場經濟環(huán)境，不僅促進了企業(yè)轉制、技改和調整產業(yè)、產品結構，還為企業(yè)應用和發(fā)展高速加工系統(tǒng)工程技術展現(xiàn)出了良好而廣闊的前景。

    二、引進轎車數(shù)控自動生產線中的高速加工技術

    20世紀80年代以來，我國相繼從德、美、法和日本等國引進了多條較先進的轎車數(shù)控生產自動線，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轎車和上海大眾桑塔納轎車自動生產線，其技術水平處于國際20世紀90年代中期水平。

    一汽大眾捷達轎車自動生產線由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動機及傳動器等高速生產線組成。同步引進了德國大眾汽車公司的并行工程管理模式與管理技術，經營各條自動線生產運行，年產轎車能力15萬輛，制造節(jié)拍1.5分鐘/輛。其中發(fā)動機、傳動器生產線共擁有627臺各種機加工設備，進口253臺，國產374臺，其基本上屬于數(shù)控剛性自動生產線。自產發(fā)動機零件9種，傳動器零件27種，其余為社會配套。年產發(fā)動機27萬臺，傳動器18萬臺。生產國際20世紀90年代水平的4缸、6缸捷達、奧迪轎車五汽門電噴發(fā)動機及配套的傳動器，生產節(jié)拍30～40秒/臺。生產線部分采用風冷干式切削加工技術，其機械加工工藝流程反映了當代轎車制造業(yè)中最先進的技術水平。

    一汽大眾的捷達和奧迪轎車發(fā)動機、傳動器關鍵零件毛坯均為精密鑄造成形的高強度鑄鐵、鑄鋁及精密模鍛的結構鋼件，部分零件采用精密粉末冶金燒結成形工藝。其高速加工技術要求在批產工藝過程中，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。生產線運行初期，零件毛坯靠進口。自1997年起，國內相關企業(yè)經多次攻關，先后攻克了批產零件毛坯的精密成型工藝技術、零件材料各化學元素選配及熱處理工藝技術難題，旨在達到高速加工自動生產線（技術）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指標，傳動器零件毛坯國產化已達95%以上。

    在一汽大眾捷達、奧迪轎車發(fā)動機、傳動器零部件生產線上，幾乎所有的切削刀、輔具（工具）均為進口產品（來自49個外國公司），關鍵工序的設備（機床）也是進口的專用剛性數(shù)控產品。

    1. 刀具材料的選用

    整條生產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度鑄鐵件，銑削速度達2200m/min；采用PCD、超細硬質合金刀具加工高Si-Al鑄造件，銑削速度也達2200m/min，鉆、鉸削速度達80～240m/min；采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷及TiCN涂層刀具加工精鍛結構鋼零件，車削速度達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，以及硬質合金機夾組合專用拉刀，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. 刀具典型結構與加工工藝

    零件孔加工刀具采用多刃復合式（刀刃機夾、鑲焊組合）結構，以鉸、擠削替代磨削，在一次性走刀過程中完成孔的精加工，轉速達3000r/min，走刀速度達1.5～3m/min，精度可達5～7級，粗糙度Ra0.7μm（槍鉆轉速達8000r/min，Ra2μm）；零件平面銑削刀具多采用密齒、過定位、重復夾緊結構，徑、軸向雙向可調的高速密齒面銑刀，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，快進速度4.6m/min，班產350件；曲軸主軸軸承蓋加工，采用側置、排列式機夾復合成形拉削專用刀具，進給速度25m/min，班產1750件；缸體曲軸及缸蓋凸輪軸主軸的裝配圓弧面、側面的加工，采用組合式、軸向串聯(lián)、機夾三面刃專用盤銑刀，在一次徑向走刀中，完成10個側面的銑削加工；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1440件，一次走刀拉削成形，拉削速度10m/min；發(fā)動機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，其一次往復運動，將花鍵齒形搓擠成形，班產共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800件；差速器殼體內球面的鏜削，采用機床主軸內置式、推拉桿軸向往復運動，帶動鏜刀頭二維成半圓軌跡移動，疊加殼體回轉運動，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、機床主軸內置式、軸向往復運動推拉桿機構，往走刀——粗鏜，復走刀——精鏜，切削速度達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、高效刀具與相應專用數(shù)控機床組合成的各加工工位，生產節(jié)拍為20～40s。零部件的精度與質量60%～80%決定于這些專用刀具及數(shù)控機床的精度和質量，20%～40%決定于零件毛坯的精度與質量。生產流程中，質量監(jiān)測工序為機后抽檢。

    發(fā)動機、傳動器兩條生產線共有250多臺數(shù)控機床采用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)控機床

    一汽大眾轎車發(fā)動機、傳動器關鍵零件的多數(shù)加工工藝突破了傳統(tǒng)機加工理念，其機床結構設計是以各種高速多刃專用成形刀具和加工工藝為主導，以滿足整條生產線各加工工位、加工工序生產節(jié)拍均衡及穩(wěn)定的質量與精度要求，在一次往復走刀過程中，高速加工發(fā)動機、傳動器各種零部件而構思設計和制造的。機床結構相對簡捷、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。這些機床一般都具備動態(tài)剛度好、主軸回轉和行程定位精度高的特性。機床主軸轉速一般在6000r/min以下，快進在20m/min以內。主軸回轉精度達到2～5μm，定位精度為±（2～5）μm，直線運動精度達5～10μm/300mm。安裝筒式外形拉刀的專用數(shù)控機床及曲軸專用數(shù)控車—拉機床較為典型。前者的結構特點是：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）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。一臺專機生產率可替代由13～16臺高速滾齒機、插（銑）床組成的生產線；而后者的結構基本上是一臺將中型數(shù)控車床改形而成的專機。其專用數(shù)控系統(tǒng)使曲軸回轉的速度和轉角，與盤式車拉刀齒的每9°間隙式轉角、逐刃跟進成車拉削的加工動作相匹配，使二者各自在回轉一圈與往復分度90°的車拉削加工運動過程中，動作相互協(xié)調、和諧。一臺雙工位車—拉數(shù)控專機可替代10臺以上數(shù)控成形車床和5臺以上內銑式曲軸加工機床。

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

    我國引進的各條轎車自動生產線的管理、決策機制及產品設計分析、加工工藝技術基本上引用相應外國公司的模式和樣品，轎車營銷以國內市場為主。由于沒有轎車自主知識產權，新車型的研發(fā)，是以現(xiàn)有引進生產自動線為本，持續(xù)從外國汽車公司進口相關信息和技術，其加工技藝數(shù)據(jù)庫都是固化在各臺專用機床的數(shù)控系統(tǒng)內，我們未深入、系統(tǒng)、有針對性地研究這些基礎共性技術，使引進產品國產化工作處于“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，基于“買來主義”。隨著轎車個性化產品的社會需求大量增加，缺少自主知識產權及系統(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。

    三、其他行業(yè)高速加工技術概況

    在我國航天、航空、汽輪機及模具等行業(yè)，不同程度地應用了高速加工技術，其間的差距在于國家對該行業(yè)投入資金、引進等政策的支持多與少，以及企業(yè)家們對高速加工系統(tǒng)技術認識的深與淺。相對于轎車制造業(yè)而言，這類機械制造行業(yè)基本上是屬于工藝離散型制造業(yè)。其高速加工技術主要表征在對高速數(shù)控機床與刀具技術的應用上。目前已引進的加工中心、數(shù)控鏜銑床主軸轉速一般≤8000r/min（目前少量可大于等于12000r/min），快進速度≤40m/min。對高Si-Al鑄鋁、鍛鋁合金體，高強度鑄鐵及結構鋼件，多采用超細硬質合金、TiCN及TiAlN（進口）涂層硬質合金刀具材料和標準結構各類刀具加工。超硬刀具材料及專用結構刀具應用還較少，加之機床主軸轉速普遍偏低，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，進給速度＜15m/min，每齒進刀＜0.35mm。銑削鑄鐵、結構鋼（含不銹鋼）工件：切削速度＜500m/min，進給速度＜10m/min，每齒進刀量＜0.3mm。上述行業(yè)中，企業(yè)在網絡經營管理決策系統(tǒng)及生產技藝數(shù)據(jù)庫技術的應用等方面，處于初級階段，基本上都沒有外聯(lián)生產經營通信網絡，數(shù)控設備利用率僅為25%左右。隨著我國加入WTO，在外來高速加工技術及全球化、區(qū)域化市場經濟的沖擊下，上述行業(yè)將會在應用高速加工系統(tǒng)工程技術方面出現(xiàn)跳躍式的進步與發(fā)展。