發(fā)展中的復(fù)合加工技

    隨著金屬加工領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工理念已很難滿足人們對(duì)機(jī)加工高速度、高效率和高精度的要求。因此，這一領(lǐng)域要不斷改善和提高技術(shù)水平，以適應(yīng)未來(lái)的需要。復(fù)合加工技術(shù)能夠滿足更高的技術(shù)要求，而這類(lèi)技術(shù)也代表著未來(lái)金屬加工的發(fā)展方向。
    目前，世界上越來(lái)越多的復(fù)雜零件采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行綜合加工。復(fù)合加工機(jī)床突出體現(xiàn)了工件在一次裝卡中完成大部分或全部加工工序，從而達(dá)到減少機(jī)床和夾具，提高工件加工精度，縮短加工周期和節(jié)約作業(yè)面積的目的。在復(fù)合加工中，刀具和機(jī)床始終是相輔相成，密不可分的。
    在本欄目中，記者邀請(qǐng)小巨人機(jī)床有限公司技術(shù)部部長(zhǎng)劉金石先生、南京藍(lán)幟金屬加工技術(shù)有限公司汽車(chē)行業(yè)經(jīng)理王永國(guó)博士、京瓷（天津）商貿(mào)有限公司上海分公司機(jī)械工具部部長(zhǎng)張濤先生，分別針對(duì)復(fù)合加工機(jī)床和刀具的技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)暢談了各自的觀點(diǎn)。
技術(shù)要求和加工優(yōu)勢(shì)

    劉金石先生：與普通的機(jī)床相比，復(fù)合機(jī)床可以進(jìn)行工序復(fù)合型的加工如車(chē)、銑、鉆、鏜、磨和齒輪加工等，還可以進(jìn)行跨類(lèi)別的加工，如沖壓、激光淬火和金屬燒結(jié)等。由于復(fù)合加工機(jī)床可以將多種工序和多種工藝匯集到一臺(tái)設(shè)備上，所以零件經(jīng)過(guò)一次裝夾后基本可以完成全部或絕大部分加工，這樣不僅減少了零件的裝夾次數(shù)和許多輔助的非加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)零件一次裝夾減少了人為造成的誤差，提高了整個(gè)零件的加工精度。對(duì)整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境來(lái)說(shuō)，由于設(shè)備的復(fù)合能力的提高，減少了零件加工所需的設(shè)備臺(tái)數(shù)和生產(chǎn)廠房的占地面積，減少了勞動(dòng)力成本和固定資產(chǎn)的投入，降低了生產(chǎn)成本，更重要的是簡(jiǎn)化了生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)部門(mén)制造的柔性以及自動(dòng)化的程度，提高了整個(gè)企業(yè)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化的能力。
    王永國(guó)博士：復(fù)合加工一般用于以下兩個(gè)方面：一是零件對(duì)加工效率的要求非常高，為了提高加工效率，把多道工序復(fù)合在一起加工；另一方面是兩個(gè)或多個(gè)加工面之間有嚴(yán)格的同軸度等位置精度的要求，為了達(dá)到這個(gè)精度，把相關(guān)的兩個(gè)或多個(gè)加工面復(fù)合到一起加工。
    復(fù)合加工對(duì)機(jī)床、刀具、夾具和工件等組成的工藝系統(tǒng)提出了更高的要求。首先，多道工序復(fù)合到一起，要考慮機(jī)床的功率和精度是否合適。如果機(jī)床的功率不夠或者機(jī)床的精度不夠高時(shí)，不適合復(fù)合加工。其次，復(fù)合加工的刀具設(shè)計(jì)、制造難度加大，要充分考慮刀具加工時(shí)的干涉問(wèn)題、刀具的強(qiáng)度以及確保內(nèi)冷卻液的流量等問(wèn)題。另外，如果加工一個(gè)加工面的刀具出了問(wèn)題，整把復(fù)合刀具就達(dá)到壽命，所以對(duì)刀具的設(shè)計(jì)和制造也提出了更高的要求。復(fù)合加工的夾具設(shè)計(jì)要充分考慮到整個(gè)加工過(guò)程的受力情況；復(fù)合加工對(duì)工件的材料要求內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、機(jī)械性能穩(wěn)定。最后，復(fù)合加工應(yīng)盡可能做到粗加工之間或精加工之間進(jìn)行復(fù)合。

圖2 鋁合金零件

    張濤先生：同時(shí)具備車(chē)削、銑削功能的復(fù)合加工中心用刀具與以往的普通刀具相比，對(duì)低抵抗、高效率的要求更為突出。針對(duì)這種要求，京瓷開(kāi)發(fā)了擁有世界領(lǐng)先的高效率、低抵抗、系列化的端銑刀具（MEC、MECX），這些產(chǎn)品與傳統(tǒng)的端銑刀具相比，具有切削抵抗小、刀刃數(shù)多、進(jìn)給量大等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高效率的加工。
常見(jiàn)問(wèn)題及解決方式
    劉金石先生：從機(jī)床的角度看，在零件的復(fù)合加工中通常會(huì)遇到的問(wèn)題就是盲目地、求大求全地?cái)U(kuò)大設(shè)備的復(fù)合加工能力，但這在實(shí)際加工中總是有限度的，因?yàn)橐�受到可�?shí)現(xiàn)性、機(jī)床經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)配套環(huán)境等諸多因素的影響。

圖3 組合PCD刀具

    數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床不是由各種實(shí)現(xiàn)不同工藝的單臺(tái)機(jī)床經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單疊加而形成的，而是由新研發(fā)的具備復(fù)合加工要求的基本技術(shù)模塊組成，例如：容納各種類(lèi)型刀具的自動(dòng)刀庫(kù)模塊；能夠使用各種刀具的用于切削的主軸模塊；使主軸可以擺動(dòng)的B軸功能模塊和主軸具備空間移動(dòng)能力的模塊等，因此，對(duì)于上述問(wèn)題，要更好地發(fā)展復(fù)合加工技術(shù)，必須要采用新工藝、新概念，開(kāi)發(fā)新型的復(fù)合加工功能模塊才能解決。
    張濤先生：由于復(fù)合加工的特殊性，可能會(huì)出現(xiàn)刀具過(guò)早磨損的現(xiàn)象，這就需要刀具產(chǎn)品必須同時(shí)具有很強(qiáng)的韌性、很好的耐磨性，能夠進(jìn)行大進(jìn)給、重切削以及硬材料的切削加工。另外，刀具產(chǎn)品還應(yīng)該具有很好的精度和穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)高速的切削環(huán)境，并具有良好的斷屑結(jié)構(gòu)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵缸體

    復(fù)合加工中刀具出現(xiàn)的大部分問(wèn)題都可以通過(guò)在制定刀具方案和設(shè)計(jì)、制造刀具時(shí)把機(jī)床、刀具、夾具和工件等因素綜合考慮，選擇最佳方案得到解決。

    王永國(guó)博士：在零件的復(fù)合加工中，最常見(jiàn)的是復(fù)合加工刀具的一個(gè)或其中幾個(gè)加工面的切削刃出現(xiàn)磨損或破損而達(dá)到壽命，這主要是刀具設(shè)計(jì)考慮不周或者是由于工件材料不均勻等造成的，重新改進(jìn)設(shè)計(jì)或要求提高零件毛坯的質(zhì)量可解決這類(lèi)問(wèn)題。另外，有時(shí)也會(huì)碰到排屑不暢影響加工面的質(zhì)量，這主要是排屑槽的設(shè)計(jì)不合理和冷卻液的流量不夠等造成的，可通過(guò)改進(jìn)這兩方面使問(wèn)題得到解決。另外，有時(shí)也會(huì)碰到刀具強(qiáng)度不夠造成加工過(guò)程不穩(wěn)定。
    首先要開(kāi)發(fā)可對(duì)應(yīng)各種被削材的工具材料，同時(shí)設(shè)計(jì)上要保證實(shí)現(xiàn)良好的排屑處理的斷屑槽形狀，研制既保證可實(shí)現(xiàn)高進(jìn)給又能實(shí)現(xiàn)高精度加工的刀具。
產(chǎn)品技術(shù)亮點(diǎn)
    劉金石先生：小巨人機(jī)床有限公司的車(chē)銑復(fù)合加工中心在動(dòng)力輸出以及自動(dòng)化、智能化等方面的性能表現(xiàn)較為突出。我公司車(chē)銑復(fù)合加工中心QTN250MS（見(jiàn)圖8）配置的是內(nèi)藏式電主軸，主軸電機(jī)與主軸做成一體，不需要皮帶傳動(dòng)也不需要聯(lián)軸器，主軸本身就是主軸電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)高速和高精度的定位和插補(bǔ)，提高了復(fù)合加工能力。 QTN250MS的動(dòng)力銑軸由交流伺服主軸電機(jī)提供，峰值功率上可以達(dá)到5.5kW，相當(dāng)于一個(gè)小型的加工中心主軸的功率，可以使用直徑50mm的面銑刀，而且每個(gè)刀座都可以配置動(dòng)力刀具，這樣的功率和刀具能力具有很寬廣的加工范圍，提高了零件復(fù)合加工的能力。配合第二主軸的功能，可以進(jìn)行工序間零件的交換，一次裝夾后，可以完成一個(gè)工件兩個(gè)工序的完整加工，不僅提高了加工效率，而且因?yàn)榻粨Q是由機(jī)床自身來(lái)完成，減少了人為誤差，提高了零件的加工精度。

圖6 多功能復(fù)合刀具

    在自動(dòng)化及智能化方面，我公司的全系列數(shù)控車(chē)床配置了智能電動(dòng)尾座。電動(dòng)智能尾座采用伺服電機(jī)和絲杠驅(qū)動(dòng)，通過(guò)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和對(duì)伺服電機(jī)電流環(huán)的控制，實(shí)現(xiàn)由程序設(shè)定的推力值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意長(zhǎng)度的被加工零件進(jìn)行超快速的推力設(shè)定。整個(gè)過(guò)程是由程序自動(dòng)進(jìn)行而不需要人工干預(yù)，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)零件的長(zhǎng)度進(jìn)行判斷，并且調(diào)整到程序設(shè)定的推力值。在零件加工過(guò)程中，隨時(shí)可以改變推力的大小，比如，開(kāi)始切削時(shí)一般對(duì)毛坯進(jìn)行去除多于結(jié)構(gòu)的粗加工，這時(shí)可以在程序中設(shè)定一個(gè)大的推力值如2KN，隨著毛坯在局部或整體剛性的變?nèi)酰�可以適當(dāng)?shù)赜沙绦蛟O(shè)定遞減的推力值如1.8KN、1.6KN、1.2KN……這樣可以有效地減小由于推力過(guò)大造成的變形，盡可能提高零件的精加工精度。
    王永國(guó)博士：我公司在復(fù)合加工刀具方面具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。以圖2所示鋁合金零件（AlSi9）的加工為例，同軸的各個(gè)加工面可以不經(jīng)過(guò)粗加工，直接用圖3所示組合PCD刀具一次進(jìn)刀加工出來(lái)（轉(zhuǎn)速4 000r/min，進(jìn)給800mm/min）。一方面，切削效率非常高（切削時(shí)間只需要10s左右），另一方面，各內(nèi)孔面的同軸度非常高（小于 0.003mm）；同時(shí)，各內(nèi)孔面的表面粗糙等可達(dá)鏡面。這類(lèi)復(fù)合刀具目前只有少數(shù)幾家刀具公司能夠設(shè)計(jì)、制造。

圖7 復(fù)合加工刀具HSK

    圖 4所示為國(guó)外某公司發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵缸體，圖4是其加工過(guò)程中采用的可以同時(shí)加工3個(gè)直徑的內(nèi)孔面、一個(gè)15°倒角面和一個(gè)45°倒角面的復(fù)合刀具。由于刀具的長(zhǎng)徑比較大，3個(gè)內(nèi)孔面的同軸度和表面粗糙度要求高，因此選用帶導(dǎo)條、可調(diào)刀片式復(fù)合刀具。由于缸體材料為鑄鐵，可根據(jù)效率等要求選用涂層硬質(zhì)合金或 CBN刀片，導(dǎo)條可以是硬質(zhì)合金CBN或多層材料。實(shí)際使用的效果非常好，完全達(dá)到了零件的各項(xiàng)精度要求。此種刀具代表孔加工的最高水平，對(duì)刀具的設(shè)計(jì)、制造要求非常高；同時(shí)對(duì)切削液的種類(lèi)、濃度以及壓力等有嚴(yán)格的要求。
    張濤先生：我公司主要針對(duì)機(jī)床設(shè)備主軸工作的具體要求，開(kāi)發(fā)適用于主軸頭安裝的各種車(chē)削刀具，另外，公司也在積極地開(kāi)發(fā)適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)條件的專(zhuān)用復(fù)合刀具，擴(kuò)大復(fù)合刀具產(chǎn)品的種類(lèi)和應(yīng)用領(lǐng)域，滿足更多客戶的需求，力爭(zhēng)用一個(gè)刀具完成原來(lái)必需要使用多個(gè)刀具才能進(jìn)行的各種加工，實(shí)現(xiàn)一刀多功能。復(fù)合加工刀具HSK見(jiàn)圖7。
復(fù)合加工刀具/機(jī)床的選擇
    劉金石先生：單臺(tái)設(shè)備性能的提高，為提高生產(chǎn)效率所帶來(lái)的貢獻(xiàn)是非常有限的，只有整個(gè)工廠的制造模式和管理模式的變革，才能讓生產(chǎn)效率得到飛躍式的提高。因此，復(fù)合加工設(shè)備的使用要考慮整個(gè)工廠的環(huán)境，要和整個(gè)工廠的生產(chǎn)模式進(jìn)行匹配。先進(jìn)的數(shù)字化制造工廠使用的設(shè)備都是復(fù)合程度高、自動(dòng)化程度高的設(shè)備，這樣才能和生產(chǎn)管理模式相對(duì)應(yīng)。如果工廠內(nèi)只有部分復(fù)合化的設(shè)備，其他都是普通的設(shè)備，那么這個(gè)工廠生產(chǎn)效率的提高就會(huì)大打折扣，因?yàn)楣芾砟Ｊ娇赡芤驗(yàn)樵O(shè)備的差異不能提高到一個(gè)更高的層次。因此，復(fù)合加工機(jī)的選擇，要和工廠內(nèi)的設(shè)備和管理環(huán)境進(jìn)行整體性的匹配，一般是復(fù)合程度越高的生產(chǎn)設(shè)備對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)管理模式也越先進(jìn)。

圖8 QTM250MS型車(chē)銑復(fù)合加工中心

    王永國(guó)博士：復(fù)合刀具確實(shí)可以提高加工效率和零件的精度，但是并不是所有場(chǎng)合都適合采用復(fù)合刀具。只有機(jī)床、刀具、夾具和工件等組成的工藝系統(tǒng)滿足一定的條件時(shí)，并且零件的生產(chǎn)效率和精度有較高的要求時(shí)，復(fù)合刀具才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。另外，由于復(fù)合刀具的技術(shù)含量高，價(jià)格昂貴，對(duì)刀具的使用條件有很高的要求，因此，在選擇是否使用復(fù)合刀具時(shí)一定要全面考慮，最好請(qǐng)復(fù)合刀具方面的專(zhuān)家一起論證加工方案。

    張濤先生：在以車(chē)削為基礎(chǔ)的復(fù)合加工中，應(yīng)該側(cè)重選擇通用性良好的可廣泛使用的刀具材質(zhì)，并盡可能搭配排屑范圍廣的可進(jìn)行良好切屑處理的斷屑槽形狀；在以銑削為基礎(chǔ)的復(fù)合加工中，則應(yīng)該側(cè)重選擇既可實(shí)現(xiàn)低切削抵抗又能保證高效率加工的刀具。
技術(shù)趨勢(shì)
    劉金石先生：復(fù)合加工技術(shù)的技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機(jī)床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢(shì)之一，目前已由機(jī)加工復(fù)合發(fā)展到非機(jī)加工復(fù)合，進(jìn)而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過(guò)程集約化管理，提高了整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和制造效率。隨著復(fù)合技術(shù)和信息技術(shù)的融合，制造工廠正在進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代，即數(shù)字化柔性制造時(shí)代。
    王永國(guó)博士：復(fù)合加工在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。這是由以發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱為代表的汽車(chē)零部件制造的特點(diǎn)決定的。一方面，汽車(chē)行業(yè)屬于大批量生產(chǎn)，對(duì)效率的要求高，汽車(chē)行業(yè)零件的精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的制造業(yè)；另一方面，汽車(chē)行業(yè)目前大量采用高精度的加工中心，為復(fù)合刀具的使用創(chuàng)造了條件。另外，在其他行業(yè)，在生產(chǎn)效率和加工的精度要求較高的場(chǎng)合，復(fù)合刀具也會(huì)得到廣泛使用。
    張濤先生：復(fù)合加工技術(shù)是屬于已經(jīng)基本成熟的技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)��?huì)不斷地深化。復(fù)合加工不會(huì)僅僅應(yīng)用于目前較為常見(jiàn)的“車(chē)銑中心”中，進(jìn)行對(duì)一些箱體類(lèi)零件、曲軸以及其他一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大的工件進(jìn)行加工，隨著行業(yè)、技術(shù)的發(fā)展，我們認(rèn)為這種技術(shù)會(huì)向齒輪加工、塑性加工等多方面延伸。