高速切削加工技術(shù)及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

    高速切削加工是面向21世問(wèn)紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天、模具制造和儀器儀表等行業(yè)中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并已取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。

高速切削加工的技術(shù)特征

高速切削是實(shí)現(xiàn)高效率制造的核心技術(shù)，工序的集約化和設(shè)備的通用化使之具有很高的生產(chǎn)效率?？梢哉f(shuō)，高速切削加工是一種不增加設(shè)備數(shù)量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術(shù)。其技術(shù)特征主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）切削速度很高，通常認(rèn)為其速度超過(guò)普通切削的5～10倍：

2）機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速很高，一般將主軸轉(zhuǎn)速在10000～20000r/min以上；

3）進(jìn)給速度很高，通常達(dá)15～50m/min，最高可達(dá)90m/min

4）對(duì)于不同的切削材料和所采用的刀具材料，高速切削的含義也不盡相同；

5）切削過(guò)程中，刀刃的通過(guò)頻率（Tooth Passing Freqnency）接近于“機(jī)床-刀具-工件”系統(tǒng)的主導(dǎo)自然頻率（Dominant Natural Frequency）。

1992年，德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)的H.Schulz教授在CIRP上提出了高速切削加工（High Speed Manu facturing，HSM）的概念及其涵蓋的范圍，如圖1所示。認(rèn)為對(duì)于·不同的切削對(duì)象，圖中所示的過(guò)渡區(qū)（Transition）即為通常所謂的高速切削范圍，這也是金屬切削工藝相關(guān)的技術(shù)人員所期待的或者可望實(shí)現(xiàn)的切削速度。

與傳統(tǒng)加工相比，由于高速切削顯著地提高了切削速度，從而導(dǎo)致工件與前刀面的摩擦增大并導(dǎo)致切屑和刀具接觸面溫度的提高。在該接觸點(diǎn)，摩擦帶來(lái)的高溫能達(dá)到工件材料的熔點(diǎn)，使得切屑變軟甚至液化，因而大大減小了對(duì)切削刀具的阻力，也就是減小了切削力，使得切削變得輕快，切屑的產(chǎn)生更加流暢。同時(shí)由于加工產(chǎn)生的熱量的70%～80%都集中在切屑上，而切屑的去除速度很快，所以傳導(dǎo)到工件上的熱量大大減少，提高了加工精度。高速切削加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要在于：提高生產(chǎn)效率；提高加工精度和表面質(zhì)量；降低切削阻力。

高速切削加工在汽車工業(yè)中的應(yīng)用概況

對(duì)于有大量材料需要移除的工件，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或超薄結(jié)構(gòu)的工件（如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋，汽車覆蓋件模具等），傳統(tǒng)上需要花相當(dāng)長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)工時(shí)加工的工件以及設(shè)計(jì)變更快速、產(chǎn)品周期短的工件，均能顯示出高速切削所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。下面介紹汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車零件、覆蓋件模具高速切削加工。

1.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其配件的高速切削加工

FTL：用高速加工中心組成高效率的柔性生產(chǎn)線（FTL），具有小型化、柔性突出以及易于變更加工內(nèi)容等顯著特點(diǎn)。圖2為上汽集團(tuán)某發(fā)動(dòng)機(jī)公司利用該生產(chǎn)線加工發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、氣缸蓋、濾清器座等工件的實(shí)例。

為了發(fā)揮以車削加工中心和鏜銑類加工中心為代表的高速切削加工技術(shù)和自動(dòng)換刀功能的優(yōu)勢(shì)，提高加工效率，對(duì)復(fù)雜零件的加工應(yīng)盡可能采用集中工序的原則，即要求在一次裝夾中實(shí)現(xiàn)多道工序的集中加工，淡化傳統(tǒng)的車、銑、鏜、螺紋加工等不同切削工藝的界限，充分發(fā)揮設(shè)備和刀具的高速切削功能。同時(shí)，對(duì)刀具也提出了多功能的新要求，要求一種刀具能完成零件不同工序的加工，減少換刀次數(shù)，節(jié)省換刀時(shí)間，以減少刀具的數(shù)量和庫(kù)存量，有利于管理和降低制造成本。較常用的有多功能車刀、銑刀、鏜銑刀、鉆銑刀、鉆-銑螺紋-倒角等刀具。在批量生產(chǎn)線上使用一些針對(duì)性的工藝策略，還需要開發(fā)的專用刀具、復(fù)合刀具或智能刀具，以提高加工效率和精度，減少投資。在高速切削條件下，有的專用刀具可將零件的加工時(shí)間降至原來(lái)的1/10以下，效果十分顯著。

圖3所示為筆者專門為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的頂部止口和主軸承座結(jié)合面的加工而設(shè)計(jì)的高速切削工藝。機(jī)體材料為灰鑄鐵，刀具為CBN不重磨復(fù)合刀具，主軸轉(zhuǎn)速12000r/min，切削余量為0.02mm。圖中兩處關(guān)鍵部位一次銑削到位，重要尺寸A靠復(fù)合銑刀本身保證。該工藝還有效地避免了由于單獨(dú)銑削主軸承座結(jié)合面刀桿較長(zhǎng)而引起的顫振，大大提高了切削精度、切削效率和表面質(zhì)量。

FMS：由于產(chǎn)品壽命周期不斷地在縮短，品種數(shù)便不斷地增加。在這種情況下，如何縮短更換品種的時(shí)間成為一大關(guān)鍵問(wèn)題；由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改變，其加工設(shè)備如何靈活地與之相適應(yīng)（即具備柔性）又是一大課題。于是又出現(xiàn)了以高柔性的通用加工中心構(gòu)成的FMS。這里所說(shuō)的“高柔性的通用加工中心”不同于一般概念下的加工中心，它們是專門為批量生產(chǎn)而開發(fā)的，充分滿足了納入批量生產(chǎn)用的FMS時(shí)所具備的條件，即高生產(chǎn)率、省面積、易排屑、安裝移位容易及連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)性能優(yōu)越等，是一種高速緊湊型加工中心。

日本三菱重工為適應(yīng)批量生產(chǎn)之急需采用這種高速加工中心為主機(jī)，開發(fā)了所謂“梭式FMS”（見(jiàn)圖4）。該FMS由8臺(tái)M-H5A三坐標(biāo)加工中心和位于機(jī)床前方的載有2個(gè)托板的無(wú)人運(yùn)載車（AGV）構(gòu)成，運(yùn)載車用于交換托板，往復(fù)于托板裝卸工位和各機(jī)床之間。操作者只須在一個(gè)位置通過(guò)操作按鈕進(jìn)行工件裝卸就可以了，不必往返于機(jī)床之間。運(yùn)載車依次行至即將完成加工的機(jī)床前面等待，待機(jī)床加工完之后在機(jī)床與運(yùn)載車之間實(shí)現(xiàn)托板交換，然后載著加工完的成品返回裝卸工位。

2.汽車覆蓋件及零件模具的高速切削加工

高速銑削技術(shù)在加工三維自由曲面、超硬材料方面的具有顯著優(yōu)勢(shì)。

汽車零件模具：一種型號(hào)的汽車往往需上千副模具，為了盡快適應(yīng)新車型的需要，汽車外、內(nèi)覆蓋件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。因此，高速切削加工是此類模具加工制造的首選工藝方案。模具經(jīng)過(guò)高速、少切削精加工后，鉗工修模工作量大為減少，模具制造周期可縮短40%。例如對(duì)安全門鎖的注塑模采用高速銑削加工，材料硬度為HRC54的模具鋼，可使用的最小刀具直徑為（φ0.6mm，最大切深可達(dá)4.8mm，加工時(shí)間為3h，表面粗糙度達(dá)Ra0.4μm，不再需要鉗工工序，大大縮短了加工時(shí)間。

汽車覆蓋件：汽車的內(nèi)、外覆蓋件、儀表盤等大都采用注塑模具批量制造，而這些注塑模具一般都是復(fù)雜型腔和薄殼結(jié)構(gòu)，普通的切削加工往往不能同時(shí)滿足表面粗糙度、彎曲度的精度要求，為此還需施以適當(dāng)?shù)氖止ぞ藜庸?。而采用高速切削加工，能夠帶?lái)多方面的好處：1）與傳統(tǒng)的精加工相比，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高精度化；2）高速切削加工的每次切除量相當(dāng)小，可以高速地實(shí)現(xiàn)多次精密切削加工，從而大大減少了人工修整的工作量，大大提高了覆蓋件模具的加工效率；3）由于切削速度極大提高，與過(guò)去的精加工工序相比，加工周期大幅度縮短。

如汽車覆蓋件模具大多由各種自由曲面構(gòu)成，高速銑削用高轉(zhuǎn)速、小切深、大進(jìn)給的加工方法，能提高模具的制造精度，延長(zhǎng)模具的使用壽命，從而提高注塑件的質(zhì)量。而且在大進(jìn)給速度條件下，高速銑削機(jī)床具有高精度定位功能和高精度插補(bǔ)功能，特別是圓弧高精度插補(bǔ)。

又如，對(duì)于前圍檔板沖壓模具的精加工，主要應(yīng)保證型面的質(zhì)量。一般情況下，大面積精銑時(shí)要求銑削過(guò)程中不更換銑刀或刀刃，一次完成整個(gè)型面的銑削，這對(duì)銑刀的精度和耐用度要求相當(dāng)高。利用高速切削的技術(shù)特征，選用高切削速度、微進(jìn)給量和多次切削的精加工工藝，恰恰可以做到揚(yáng)長(zhǎng)避尹短，滿足覆蓋件模具自由曲面加工的要求。為保證沖壓過(guò)程中容易進(jìn)料，應(yīng)使加工刀紋與沖壓材料進(jìn)料方向一致，因此宜采取射狀走刀。為確保表面加工質(zhì)量，切削深度定為0.2mm，切削進(jìn)給量為0.2mm/r，切削速度為200m/min，初次刀具半徑為20mm球頭銑刀，清根銑時(shí)刀具半徑為8mm球頭銑刀。像這種原來(lái)只能用人工（高級(jí)鉗工）來(lái)進(jìn)行精修加工的工藝過(guò)程，現(xiàn)在完全可以采用高速切削來(lái)完成，模具的整體加工效率得到明顯提高。

高速切削機(jī)床

在刀具直徑確定的情況下提高切削線速度，則無(wú)疑需要較高的主軸轉(zhuǎn)速；為了通過(guò)高速使得刀具的每個(gè)齒都獲得適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給率，則高的進(jìn)給速度和加速度也是必須的。這一切需要全新的機(jī)床制造技術(shù)的應(yīng)用，如高速電主軸，高進(jìn)給率的大螺距滾珠絲杠等。同時(shí)，為了將產(chǎn)生熱源的切屑盡快地去除，并更好地潤(rùn)滑前后刀面，油霧潤(rùn)滑冷卻裝置的應(yīng)用也尤為重要。顯然，為了滿足高速切削工藝的要求，首先是對(duì)機(jī)床本身提出了非常高的要求：高速切削機(jī)床必須具備足夠高的主軸轉(zhuǎn)速、高的動(dòng)力學(xué)性能、以及高剛度和吸振性能。

如瑞士米克朗公司開發(fā)的5軸聯(lián)動(dòng)高速加工機(jī)床HSMU系列，采用了新型的人造大理石床身材料，整體成型的封閉O形結(jié)構(gòu)，為機(jī)床的吸振性和剛性打下了良好的基礎(chǔ)。大螺距的滾珠絲杠由水冷的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證了高進(jìn)給速度下機(jī)床的穩(wěn)定性。標(biāo)準(zhǔn)配置的機(jī)上激光對(duì)刀儀保證了高轉(zhuǎn)速下刀具尺寸的測(cè)量精確性，從而保證了加工精度。我國(guó)浙江萬(wàn)向集團(tuán)、煙臺(tái)霍富汽車鎖公司和長(zhǎng)春一汽富奧等汽車制造及汽車零部件制造企業(yè)已引進(jìn)了米克朗的高速加工中心及高速5軸聯(lián)動(dòng)加工中心。

近十年來(lái)，上海暨華東地區(qū)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，為高速切削加工提供了巨大的市場(chǎng)需求。上汽集團(tuán)旗下的大眾、通用、匯眾、上柴、拖內(nèi)、荻原等公司正在組建高速切削柔性生產(chǎn)線或高速銑、鏜、鉆削加工單元，用于汽車內(nèi)外覆蓋件模具及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的切削加工。比較常用的切削參數(shù)是：主軸轉(zhuǎn)速8000～12000r/min，進(jìn)給速度40～80m/min，切削深度0.01～0.05mm：毛坯材料為鑄鋼、鍛材、灰鑄鐵或鋁合金等；采用的刀具主要有高速工具鋼、硬質(zhì)合金、CBN、PCD、鈦涂層刀具或陶瓷刀具。因此，上述參數(shù)范圍內(nèi)的機(jī)床設(shè)備及刀具材料具有較大的市場(chǎng)需求。