高速切削的應(yīng)用及發(fā)展

    近年來，中國汽車制造規(guī)模日益膨脹，發(fā)展異常迅速，與汽車制造相關(guān)的機(jī)械加工及金屬切削工作量激增，現(xiàn)代生活和工業(yè)發(fā)展對汽車的大規(guī)模需求使得汽車制造企業(yè)也迫切要求提高零件的加工效率，從而縮短產(chǎn)品的交付時間。高速切削無疑是解決這些問題的一條重要途徑。汽車制造業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，離不開生產(chǎn)制造技術(shù)及裝備的提升與革新。面對日益激烈的市場競爭，提高生產(chǎn)效率、降低成本已成為企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。目前，我國的汽車制造技術(shù)水平、裝備水平和產(chǎn)品水平都在逐漸縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，某些企業(yè)的制造技術(shù)實力甚至已居世界先進(jìn)水平。高速切削已經(jīng)普遍用于汽車發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、曲軸、車橋齒輪、變速箱齒輪平衡軸和傳動軸等零件的加工及模具的制造中。

高速切削技術(shù)的特點

    高速切削針對不同金屬材料的工件，當(dāng)切削速度到達(dá)某一特定值時，切削溫度不但不會升高反而會降低，產(chǎn)品的質(zhì)量也會改善，生產(chǎn)效率也會大幅度提高。

    高速切削與加工材料、加工方式、刀具及切削參數(shù)等有很大的關(guān)系。一般認(rèn)為，高速切削的切削速度是常規(guī)切削速度的5～10倍，鋁合金1 500～5 500m/min；銅合金900～5 000m/min；鈦合金100～1 000m/min；鑄鐵750～4 500m/min；鋼600～800m/min。各種材料的高速切削進(jìn)給速度范圍為2～25m/min。

高速切削之所以得到工業(yè)界越來越廣泛地應(yīng)用，是因為它相對傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體說來有以下特點：

1．可提高生產(chǎn)效率

    高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時間材料切除率可提高3～6倍。當(dāng)加工需要大量切除金屬的零件時，可使加工時間大大減少。

2．降低了切削力

    由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規(guī)切削相比，切削力至少可降低30％，這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能。

3．提高了加工質(zhì)量

    因為高速旋轉(zhuǎn)時刀具切削的激勵頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會造成工藝系統(tǒng)的受迫振動，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。

    從動力學(xué)角度分析頻率的形成可知，切削力的降低將減小由于切削力產(chǎn)生的振動（即強(qiáng)迫振動）的振幅；轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的固有頻率，避免共振的發(fā)生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。 

4．加工能耗低，節(jié)省制造資源

    由于單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

5．簡化了加工工藝流程

    常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過放電加工解決。高速切削則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除了人工光整加工。

    由于高速切削的特點決定了高速切削可以節(jié)省切削液、刀具材料和切削工時，從而可極大限度地節(jié)約自然資源和減少對環(huán)境的污染，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此，高速切削在工業(yè)生產(chǎn)尤其是規(guī)模較大的汽車企業(yè)和與之相關(guān)的模具制造業(yè)上的應(yīng)用具有“燎原”之勢。

高速切削刀具的特點

    在高速切削中刀具無疑是令人頭疼的，因為高速切削中所用刀具的使用成本非常高，尤其是對于進(jìn)口的高速切削機(jī)床。由于高速切削對刀具的使用環(huán)境和切削對象非常苛刻，而切削的鑄鋼、鑄鐵和鑄鋁合金等工件里面難免含有一些較硬的雜質(zhì)，這對刀具的損壞、磨損十分嚴(yán)重；為了降低刀具使用成本，必須先了解刀具性能，以便針對不同加工材質(zhì)的對象選擇成本適宜的刀具。刀具材料性能包括：

1. 硬度：

    金剛石PCD>立方氮化硼PCBN>Al2O3基>Si3N4基>TiC（N）基硬質(zhì)合金>WC基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金>高速鋼HSS；

2. 抗彎強(qiáng)度：

    HSS>WC基>TiC（N）基>Si3N4基>Al2O3基>PCD>PCBN；

3. 斷裂韌性：

    HSS>WC基>TiC（N）基>PCBN>PCD>Si3N4基>Al2O3基；

4. 耐熱性：

    PCD700～800℃；PCBN1400～1500℃；陶瓷1100～1200℃；TiC（N）基900～1100℃；超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金WC基800～900℃；HSS600～700℃。

    在高速切削中涂層刀具占據(jù)重要的位置，目前硬質(zhì)合金涂層刀具是高速切削的主力軍，在高速切削加工技術(shù)領(lǐng)域具有巨大潛力，通過深入研究涂層技術(shù)和涂層物質(zhì)，如高強(qiáng)度的硬質(zhì)合金粉末表面涂層、CBN涂層以及納米涂層等進(jìn)一步提高其性能，可望成為高速切削加工最具有吸引力的刀具材料。

    目前的高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金屬陶瓷、涂層刀具和超細(xì)硬質(zhì)合金刀具等仍將起主導(dǎo)作用，并將得到新的發(fā)展。高速可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金重載切削滾刀見圖1。進(jìn)一步發(fā)展新型高溫力學(xué)性能和高抗熱震性能的高可靠性刀具材料（包括自潤滑刀具材料），特別是為加工超級合金的高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料也是發(fā)展的重點。

高速切削在汽車工業(yè)上的應(yīng)用

1．?dāng)?shù)控高效花鍵軸銑床的應(yīng)用

    在汽車制造行業(yè)中，傳動軸花鍵軸的滾切、車橋齒輪和變速箱齒輪的加工占有相當(dāng)重要的地位。傳統(tǒng)的花鍵、齒輪銑床在花鍵、齒輪加工過程中切削速度較慢，且精度不高。

    為提高加工效率，有不少企業(yè)采用了數(shù)控高效花鍵銑床來加工花鍵軸類零部件。該類機(jī)床可以加工各種標(biāo)準(zhǔn)形式的花鍵、齒輪、加工臺階齒輪及花鍵、錐度齒輪及花鍵。某企業(yè)采用YKX6012型數(shù)控高效花鍵銑床，該花鍵有效長度為77mm，花鍵滾刀轉(zhuǎn)速為300r/min，其加工一件產(chǎn)品的時間為：t機(jī)＝（L+l）Z/（S0×n）=（77+5）×22/（1.8×300）=4.07min，t單＝t機(jī)+t輔＝4.07+1＝5.07min；而普通花鍵銑床的單件生產(chǎn)時間為22.78min。22.78/5.17≈4.4（倍），由此可看出，數(shù)控高效花鍵軸銑床比普通花鍵軸銑床的生產(chǎn)效率可提高4倍多。

2．?dāng)?shù)控車床的應(yīng)用

    數(shù)控車床是目前使用最為廣泛的數(shù)控加工機(jī)床之一，與普通車床相比，其加工精度高，被加工的零部件的外形尺寸一致性較好，可實現(xiàn)一人多機(jī)操作，提高了勞動效率，降低了廢品率，節(jié)約了勞動成本。

3．加工中心的應(yīng)用

    某企業(yè)汽車傳動軸主要零部件之一的花鍵連接盤，其4個連接孔一直以來使用搖臂鉆床逐一加工，再加上后續(xù)工序的锪4個平面工序，其單件工時約為8min，成為該產(chǎn)品加工的瓶頸工序。為此，該企業(yè)采用了加工中心對該工序進(jìn)行產(chǎn)能的提升。機(jī)床采用多工位夾具，一次可裝夾6件產(chǎn)品，自動油壓加緊，總加工工時為9min，平均單件工時為1.5min，8/1.5≈5.33（倍），即工作效率是原有加工方式的5.33倍

    現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)企業(yè)也廣泛采用加工中心或高速加工中心柔性機(jī)群，一是為了保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，滿足產(chǎn)能日益提高的需要；二是為了滿足產(chǎn)品升級換型的需要，現(xiàn)在新產(chǎn)品層出不窮，產(chǎn)品升級換代只需更換工裝及刀具即可，不必為新產(chǎn)品重復(fù)再購買新設(shè)備，一次投資，可長期收益。

    由此可見，汽車制造業(yè)廣泛使用高效數(shù)控機(jī)床不僅能大大提升加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以增加企業(yè)的市場競爭力，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

高速切削的發(fā)展方向

    單臺的加工中心，在實際生產(chǎn)中很難發(fā)揮其高效切削的優(yōu)勢，高效柔性加工中心集群或多軸聯(lián)動制造單元是當(dāng)前及今后相當(dāng)一段時間內(nèi)機(jī)床發(fā)展的重點。

    采用包括高速切削、刀具結(jié)構(gòu)和工藝方式創(chuàng)新在內(nèi)的綜合手段實現(xiàn)高效切削，是切削理念的又一次升華。從高速切削到高效切削再到高效加工，是今后切削發(fā)展的必然方向。

    發(fā)展高速切削加工技術(shù)領(lǐng)域，開發(fā)高效復(fù)合切削技術(shù)和高性能切削技術(shù)及其多功能與專用刀具，是提高切削效率和加工質(zhì)量十分有效的方法之一，也是高效切削加工技術(shù)的重要發(fā)展方向，未來寄期望于高韌性陶瓷、超硬材料及其涂層。

結(jié)語

    高速切削加工技術(shù)是一項全新的、正在發(fā)展之中的先進(jìn)實用技術(shù)，可以節(jié)約刀具材料和切削液，節(jié)省勞動力，節(jié)約自然資源，減少對環(huán)境的污染，被公認(rèn)為21世紀(jì)實現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。高速切削在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用，已取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在我國，高速切削加工技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還處于初步階段，還有大量研究、開發(fā)工作需要進(jìn)行。但國內(nèi)大型企業(yè)尤其是汽車發(fā)動機(jī)、變速箱和車橋等大型汽車部件生產(chǎn)企業(yè)已購買了大批的高速切削設(shè)備，也開始應(yīng)用多種高速機(jī)床和加工中心，還有許多為汽車企業(yè)供應(yīng)模具的制造廠家也大量地采用高速切削機(jī)床，以適應(yīng)飛速發(fā)展的汽車工業(yè)的需要。高速切削加工技術(shù)必將沿著高效率、高精度、高柔性、安全、綠色化和降低制造成本的方向繼續(xù)發(fā)展。