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高速切削的应用及发展
中国重汽集团济南商用车有限公司李光耀

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近年来，中国汽车制造规模日益膨胀，发展异常迅速，与汽车制造相关的机械加工及金属切削工作量激增，现代生活和工业发展对汽车的大规模需求使得汽车制造企业也迫切要求提高零件的加工效率，从而缩短产品的交付时间。高速切削无疑是解决这些问题的一条重要途径。汽车制造业的发展和进步，离不开生产制造技术及装备的提升与革新。面对日益激烈的市场竞争，提高生产效率、降低成本已成为企业生存和发展的关键。目前，我国的汽车制造技术水平、装备水平和产品水平都在逐渐缩小与发达国家的差距，某些企业的制造技术实力甚至已居世界先进水平。高速切削已经普遍用于汽车发动机缸体、缸盖、曲轴、车桥齿轮、变速箱齿轮平衡轴和传动轴等零件的加工及模具的制造中。高速切削技术的特点高速切削针对不同金属材料的工件，当切削速度到达某一特定值时，切削温度不但不会升高反而会降低，产品的质量也会改善，生产效率也会大幅度提高。高速切削与加工材料、加工方式、刀具及切削参数等有很大的关系。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的5～10倍，铝合金1 500～5 500m/min；铜合金900～5 000m/min；钛合金100～1 000m/min；铸铁750～4 500m/min；钢600～800m/min。各种材料的高速切削进给速度范围为2～25m/min。高速切削之所以得到工业界越来越广泛地应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点： 1．可提高生产效率高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。 2．降低了切削力由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30％，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。 3．提高了加工质量因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由于切削力产生的振动（即强迫振动）的振幅；转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率，避免共振的发生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工质量。 4．加工能耗低，节省制造资源由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。 5．简化了加工工艺流程常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。由于高速切削的特点决定了高速切削可以节省切削液、刀具材料和切削工时，从而可极大限度地节约自然资源和减少对环境的污染，提高生产率和产品质量，因此，高速切削在工业生产尤其是规模较大的汽车企业和与之相关的模具制造业上的应用具有“燎原”之势。高速切削刀具的特点在高速切削中刀具无疑是令人头疼的，因为高速切削中所用刀具的使用成本非常高，尤其是对于进口的高速切削机床。由于高速切削对刀具的使用环境和切削对象非常苛刻，而切削的铸钢、铸铁和铸铝合金等工件里面难免含有一些较硬的杂质，这对刀具的损坏、磨损十分严重；为了降低刀具使用成本，必须先了解刀具性能，以便针对不同加工材质的对象选择成本适宜的刀具。刀具材料性能包括： 1. 硬度：金刚石PCD>立方氮化硼PCBN>Al2O3基>Si3N4基>TiC（N）基硬质合金>WC基超细晶粒硬质合金>高速钢HSS； 2. 抗弯强度： HSS>WC基>TiC（N）基>Si3N4基>Al2O3基>PCD>PCBN； 3. 断裂韧性： HSS>WC基>TiC（N）基>PCBN>PCD>Si3N4基>Al2O3基； 4. 耐热性： PCD700～800℃；PCBN1400～1500℃；陶瓷1100～1200℃；TiC（N）基900～1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800～900℃；HSS600～700℃。在高速切削中涂层刀具占据重要的位置，目前硬质合金涂层刀具是高速切削的主力军，在高速切削加工技术领域具有巨大潜力，通过深入研究涂层技术和涂层物质，如高强度的硬质合金粉末表面涂层、CBN涂层以及纳米涂层等进一步提高其性能，可望成为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、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍将起主导作用，并将得到新的发展。高速可转位硬质合金重载切削滚刀见图1。进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性刀具材料（包括自润滑刀具材料），特别是为加工超级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发展的重点。（图片）图1：高速可转位硬质合金重载切削滚刀高速切削在汽车工业上的应用 1．数控高效花键轴铣床的应用在汽车制造行业中，传动轴花键轴的滚切、车桥齿轮和变速箱齿轮的加工占有相当重要的地位。传统的花键、齿轮铣床在花键、齿轮加工过程中切削速度较慢，且精度不高。为提高加工效率，有不少企业采用了数控高效花键铣床来加工花键轴类零部件。该类机床可以加工各种标准形式的花键、齿轮、加工台阶齿轮及花键、锥度齿轮及花键。如图2、图3所示，某企业采用YKX6012型数控高效花键铣床，该花键有效长度为77mm，花键滚刀转速为300r/min，其加工一件产品的时间为：t机＝（L+l）Z/（S0×n）=（77+5）×22/（1.8×300）=4.07min，t单＝t机+t辅＝4.07+1＝5.07min；而普通花键铣床的单件生产时间为22.78min。22.78/5.17≈4.4（倍），由此可看出，数控高效花键轴铣床比普通花键轴铣床的生产效率可提高4倍多。（图片）图2：YKX6012数控高效花键轴铣床（图片）图3：零件高速加工过程 2．数控车床的应用数控车床（见图4）是目前使用最为广泛的数控加工机床之一，与普通车床相比，其加工精度高，被加工的零部件的外形尺寸一致性较好，可实现一人多机操作，提高了劳动效率，降低了废品率，节约了劳动成本。（图片）图4：数控车床 3．加工中心的应用某企业汽车传动轴主要零部件之一的花键连接盘，其4个连接孔一直以来使用摇臂钻床逐一加工，再加上后续工序的锪4个平面工序，其单件工时约为8min，成为该产品加工的瓶颈工序。为此，该企业采用了加工中心对该工序进行产能的提升（见图5）。机床采用多工位夹具，一次可装夹6件产品，自动油压加紧，总加工工时为9min，平均单件工时为1.5min，8/1.5≈5.33（倍），即工作效率是原有加工方式的5.33倍（见图6）。（图片）图5：数控加工中心机床（图片）图6：数控加工中心多工位加工现代汽车发动机企业也广泛采用加工中心或高速加工中心柔性机群（见图7），一是为了保证产品质量、提高生产效率，满足产能日益提高的需要；二是为了满足产品升级换型的需要，现在新产品层出不穷，产品升级换代只需更换工装及刀具即可，不必为新产品重复再购买新设备，一次投资，可长期收益。（图片）图7：某企业发动机缸体加工中心群由此可见，汽车制造业广泛使用高效数控机床不仅能大大提升加工效率和产品质量，而且可以增加企业的市场竞争力，为企业带来更大的经济效益。高速切削的发展方向单台的加工中心，在实际生产中很难发挥其高效切削的优势，高效柔性加工中心集群或多轴联动制造单元是当前及今后相当一段时间内机床发展的重点。采用包括高速切削、刀具结构和工艺方式创新在内的综合手段实现高效切削，是切削理念的又一次升华。从高速切削到高效切削再到高效加工，是今后切削发展的必然方向。发展高速切削加工技术领域，开发高效复合切削技术和高性能切削技术及其多功能与专用刀具，是提高切削效率和加工质量十分有效的方法之一，也是高效切削加工技术的重要发展方向，未来寄期望于高韧性陶瓷、超硬材料及其涂层。结语高速切削加工技术是一项全新的、正在发展之中的先进实用技术，可以节约刀具材料和切削液，节省劳动力，节约自然资源，减少对环境的污染，被公认为21世纪实现制造业可持续发展的关键技术。高速切削在工业发达国家已得到广泛应用，已取得巨大的经济和社会效益。在我国，高速切削加工技术的开发和应用还处于初步阶段，还有大量研究、开发工作需要进行。但国内大型企业尤其是汽车发动机、变速箱和车桥等大型汽车部件生产企业已购买了大批的高速切削设备，也开始应用多种高速机床和加工中心，还有许多为汽车企业供应模具的制造厂家也大量地采用高速切削机床，以适应飞速发展的汽车工业的需要。高速切削加工技术必将沿着高效率、高精度、高柔性、安全、绿色化和降低制造成本的方向继续发展。 9/28/2008


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