高速切削发展现状与今后的课题 - 文章

高速切削发展现状与今后的课题

作者：日产汽车公司发动机技术中心

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汽车行业面对的环境

进入21世纪后，制造业，尤其是汽车行业所面临的周边环境日益严峻。环保问题、用户需求的多样化、社会结构的变化等迫切要求汽车厂商必须适应这种现实，生产出能满足上述要求的制品。汽车的动力系统今后将采用电动汽车或燃料电池等清洁能源。但是，目前仍以活塞式发动机与变速箱组合而成的动力系统为主，今后若干年，这种结构仍将作为汽车主要的动力模式。然而，从生产现场的发展来看，则是必须尽快对应客户的要求，改进生产体制。从保护地球环境的观点出发，应大力开发减少工业废弃物和节省能源的汽车制品。从社会结构来看，社会老龄化、少子女倾向、职业妇女大量增加等种种变化，对商品开发、市场需求都有极大的影响。

图1 汽车行业所面对的周边环境

下面，从用户的角度来谈谈高速切削加工的动向与课题。

高速切削加工最近的动向

如上所述，汽车行业面临着种种挑战。其中，社会状况和环境问题应尽快引起注意，这是今后企业发展的重要课题，一切生产技术均必须与之相适应。以日产汽车公司为例，当前为了适应上述变化，需要解决下列问题：①缩短生产准备时间；②注意批量和品种的变化等。为了尽快解决这些问题，公司对现有设备进行了调整和更新，要求这些设备必须兼有两种特性：既能提高生产效率，又具有极大的柔性。其中，最关键的措施便是采用高速切削加工技术。

1．何谓高速切削

有关高速切削的含义，目前尚无统一的认识，迄今有三种观点：①切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的5～10倍；②机床主轴转速很高，一般将主轴转速在10000～20000r/min以上定为高速切削；③进给速度很高，通常达15～50m/min。德国Schulz教授于1992年在CIRP上提出了高速切削(HSM)及其涵盖的范围。他提出的过渡区(Transition)即为通常所谓的高速切削范围，也是汽车制造相关技术人员所期待的或者可望实现的切削速度。HSM也可视为超高速切削范围。

图2 高速切削范围(CIRP，1992)

2．高速切削加工的目标

高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说，高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。

高速切削加工的优点在于：①提高生产效率；②提高加工精度；③降低切削阻力。但随之也出现了值得注意的事项：①机床的耐用度降低；②工具寿命缩短；③排屑性能下降。解决上述问题是进一步发挥高速高效率加工的重要攻关课题。

3．高速切削的适用领域

(1)高效柔性生产线

日产汽车公司高效率柔性生产线的设计方案具有如下特点：①小型化；②柔性突出；③易于转变加工内容；④多列化。这是一种全新设计的FTL(Flexible Transfor Line)生产线。

图3 日产汽车公司高性能柔性生产线的设计方案

图4 FTL生产线加工实例

(2)模具加工

为了尽快适应新车型的需要，汽车车体的轧制模具和树脂防冲挡的成形模具等均必须缩短制作周期和降低生产成本。模具的制作应比汽车零部件的生产先走一步，因此，必须下大力推进模具生产高速化的进程。日产汽车公司为此早已采用CBN立铣刀进行高速高精度加工。高速高精度加工的目标大致包括两个方面：①与过去的精加工相比，进一步实现高精度化，此项加工必须满足表面粗糙度、弯曲度的精度要求，为此应施以适当的手工精修加工。②由于切削速度的极大提高，与过去的精加工工序相比，加工周期应大幅度缩短。

图5 采用高速高精度加工缩短模具制作周期

高速切削加工技术现状

本文只简要介绍高速切削加工必不可少的技术因素，详细的机理分析留待有关专家去阐述。

加工设备

主轴结构：新近开发的加工中心主轴DN值(主轴直径与每分钟转速之积)大都已超过100万。轴承主要为重量轻于钢制品的陶瓷球轴承，轴承润滑方式大都采用油气混合润滑方式。在高速加工领域，目前已开发出空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴承合并构成的磁气/空气混合主轴。

进给机构：高速切削加工所用的进给驱动机构通常都为大导程滚珠丝杠或直线电机，其最高加速度在1G以上，最高进给速度可超过90m/min。

圆度加工：圆度加工是采用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或加工模具时必不可少的加工方法，机床的运动性能将直接影响到其加工精度。后面将要介绍，在模具的高速切削加工中，主要采用小切深大进给的加工方法。因此，要求机床在大进给速度条件下，应具有高精度定位功能和高精度插补功能。在测量机床运动性能时，可采用海登哈因公司的DBB等系统作为保持机床精度的诊断工具，该系统可发挥极为良好的保证作用。

切削工具

工具材料的发展

为了实现高速切削加工，首先应提及的自然是机床的率先改进；然而也可以这样表述：高速切削技术的发展史，也就是刀具材料不断进步的历史。高速切削的代表性工具材料是CBN，端面铣削使用CBN刀具时，其切削速度可高达5000m/min。目前，用金刚石刀具端面铣削铝合金时，5000m/min的切削速度已达到实用化水平。V=5000m/min以上的高速切削所用的工具材料，除CBN与金刚石外，迄今尚未发现有其他品种。

图6 刀具材料的发展与车削加工高速化的关系
(陶瓷和CBN主要用于灰口铸铁的切削加工，其他刀具材料主要用于碳钢和合金钢等的切削加工。)

涂层刀具

CBN和金刚石刀具只能用于一定的加工领域，尚不能取得非常理想的降低加工成本的效果。能够使切削工具既作到价格低廉，又具有优异性能，可有效降低加工成本的技术，目前当首推涂层技术。现在高速加工用的立铣刀，大都采用TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理。如目前在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时，DLC(Diamond Like Carbon)涂层刀具就受到人们极大的关注，预计其市场前景十分可观。

刀具夹持系统

刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术，目前使用最为广泛的是两面夹紧式工具系统。各公司已作为商品正式投放市场的两面夹紧式工具系统主要有：①HSK；②KM；③Bigplus；④NC5；⑤AHO等系统。日产汽车公司的高效率生产线(FTL)上即采用了HSK工具系统。在高速切削的情况下，刀具与夹具回转平衡性能的优劣，不仅影响到加工精度和刀具寿命，而且也会影响到机床的使用寿命。因此，在选择工具系统时，应尽量选用平衡性能良好的产品。日产汽车公司在使用镗削刀具等切削工具时，对刀具与夹具组合在一起时的失衡量设定了一个合理的控制值，这样，可保证此类刀具进行精度稳定的切削加工。

高速切削在实际生产中的应用

铣削加工

铸铁的端面铣削加工

这里介绍日产汽车公司高速铣削铸铁的加工实例。生产条件是必须满足流水线生产节拍的要求，本例取其下限值。工件为轿车用柴油发动机的汽缸体，加工部位为安装缸盖的端面。为了保证发动机的性能，该加工面要求具有精度优异的表面粗糙度。工件材料为铸铁，但与汽车发动机缸体相比，此种材料添加了Cr和Cu，可加工性很差。添加Cr、Cu的材料和普通铸铁材料可加工性的差异，通过钻削加工可以清楚地看出来。

图7 添加Cr、Cu铸铁和普通铸铁可加工性对比

日产汽车公司加工该端面所用的面铣刀材料为Co-WC基粘结剂的CBN，工件为公司的正规产品，满足生产节拍下限的切削速度为440～785m/min，该速度值可保证生产周期内的工具寿命符合节拍要求。本实例的加工条件如表1所示，刀具磨损量的变化如图8所示。表中所列的切削速度为过去所用速度的2.8～5倍，因此，即使生产条件发生变化，只要在该范围之内，仍有可能提高切削速度，缩短加工时间。在该工序内，安装了切屑回收装置，可消除切屑飞散造成的机械故障，减轻机床清洁保养作业的强度，从而收到提高设备运转效率的效果。

图8 后刀面平均磨损量的变化

铝合金的端面铣削加工

轿车发动机的汽缸体、汽缸盖、变速箱等均由铝合金铸件加工而成，目前，刚性较高的汽缸体、汽缸盖均采用面铣刀进行高速切削加工。日产汽车公司汽缸盖生产线的切削条件如图9所示，所用机床正在逐步改为加工中心。过去的专用机床可采用φ250mm以上的大直径面铣刀进行加工，现已改用较小直径(φ100mm以下)的面铣刀，加工路线也正向多工位复式加工方向发展。尽管如此，在加工过程中仍然存在下述问题：由于主轴长度变化而在加工面上形成级差；增加刀具更换频率；由于主轴高速化而导致主轴刚性下降等。目前，这类问题尚未很好解决。作为用户，迫切希望工具厂、有关专家和用户企业通力合作，妥善解决实际生产中出现的这类问题。

图9 铝合金铸件的铣削加工条件

钻削加工

日产汽车公司生产线上，孔加工的比例约占机械加工的30%左右。汽缸盖和汽缸体是发动机零件的代表性产品，它们的孔加工作业量非常大；变速箱和车轴零件的孔加工比例也很高。

孔加工作业中，钻削加工约占60%，其次为镗削加工、攻丝加工、铰削加工。本文着重介绍钻削加工实例。

图10 各类加工所占比例(日产汽车公司) 图11 孔加工内部比例(日产汽车公司)

高速钻削加工应注意的问题：提高排屑性能，提高工具刚性，防止钻尖过热，回转平衡性良好等。上述各点均需根据被加工材料特性采取相应措施。

图12 高性能柔性生产线

提高排屑效率

具体措施：①采用内部供液方式，压力为2～7MPa；②钻尖角比普通钻头大，易于分断厚型切屑；③对钻头进行横刃修磨，使之成为中心涡卷形状。

提高刀具刚性

具体措施：①增大钻头芯厚；②增大倒棱锥度。

表2 加工铝合金时的钻头条件
一般加工高速加工
芯厚 0.15～0.2D 0.3D
芯厚锥度 1/100～2/100 0或1/100～2/100
倒棱锥角 0.04/100～0.1/100 0.2/100～0.3/100
钻尖角 118° 130°

抑制切削刃过热

具体措施：根据被加工材料特点选用刀具材料。如加工铝合金时，通常都选用硬质合金刀具；聚晶金刚石刀具虽也可提高加工速度，但该材料价格昂贵，是否选用应视加工需要而定。

可转位钻头

在φ20mm以上的孔加工中，可选用可转位结构的钻头。加工钢材时，切削速度约为180m/min；加工铝合金时，切削速度约为250m/min。在日产汽车公司的FTL上加工铝合金铸件时的切削条件见图13。

图13 铝合金铸件钻削加工条件

立铣加工

立铣加工的高速化是以模具加工为中心展开的。立铣加工是一种断续切削，每个刀齿的切削作业均在极短促的时间内完成。模具加工的特点是小切深大进给，立铣刀必须与此特点相适应，开发适宜的刀具材料、涂层物质和刀齿几何形状。模具材料通常均为预淬硬钢、锻造工具钢、轧制用灰口铸铁等。

日产汽车公司1986年便已购入主轴转速为8000r/min，进给速度为4m/min的高速加工机床，组成高速加工生产线。经过不断更新和改进，现在已可用φ50mmCBN球头立铣刀，在2000r/min条件下进行高速切削加工。为了减轻刀具重量，以适应高速回转产生的离心力，公司采用硬铝材料制作球头立铣刀刀体。

在汽车零件加工中，使用高速立铣加工的情况随处可见。图14为汽车转向节臂的加工例子，工件材料为钢材。过去的加工流程为：车削、铣端面、孔加工等，共由10台专用机床组成生产线。现已改建成柔性生产线，多种类型的零件均可在一条生产线上加工。公司将工序集约化，只用一台加工中心和一副夹具来完成加工作业。既使零件的形状改变了，只需变动刀具的运行轨迹便可适应加工要求。因此，完全可以采用高速立铣加工，切削速度可在550～850m/min范围内任意选取。在此条件下的刀具寿命尽管只达到预定指标的60%，但却大幅度减少了能源费用和设备折旧费用，而且无需准备原先各工序、各零件所需的众多专用刀具，使综合加工成本大幅度降低。

图14 钢质转向节臂的高速立铣加工(日产汽车公司)

高速切削加工今后的课题

高速切削加工迄今仍有许多尚待开发的领域和亟待解决的课题。在生产加工现场，必须经常考虑Q(质量)、C(成本)和D(交货期)的协调问题。近年来，全球范围内均特别重视环境保护，因此，在上述三大关注点中，还应加上环保措施这一新的课题。下面结合日产汽车公司的生产实践，展望高速切削加工今后的发展动向。

高速切削加工与节省能源

近来，以加工中心(MC)为核心的加工设备，大都以主轴转速10000r/min的机种作为标准装备。用于模具加工的MC主轴转速可超过20000r/min。用于汽车零件的加工中心，由于每次更换刀具时，主轴均要经历停止—起动的过程，为缩短该过程时间，需配置大功率电机，其功率输出必须大大超过切削所需动力，而这对节省能源是不利的。因此，在实现电机高功率化的同时，还必须使主轴、刀具及工具系统的惯性质量下降。

当前，许多机床都配置了高速钻削加工所必需的高压冷却液泵。据日产汽车公司的调查可知，冷却装置所需电力约占设备运转所需电力的20%～30%；而生产线上所耗用的能源并不包括此项内容，因此，希望今后开发出更加节省能源的机床，开发出更加实用的干式切削加工技术。

与高速切削加工相适应的工艺设计

在柔性高速加工生产线上，如遇产品变换或改变设计引起加工内容的变化，或为了调节产量而拆取部分设备等情况，则应分别编制与之相对应的工艺流程。主轴加速时间和快速进给的动作时间、ATC时间对整个生产周期均有很大的影响。为了最大限度地发挥设备的加工能力，必须妥善解决包含上述因素的工艺编制问题。今后，各类制品从开发到生产的业务都将实现高效率化，因此，应在更短的时间内编制出正确而合理的工艺流程。日产汽车公司为此将利用三维CAD数据来构筑自己的业务框架。

高速切削加工与安全保护措施

利用MC等设备进行高速切削时，由于刀具高速回转，其切屑将沿360°方向四面飞散。在对钢材或铸件进行高速铣削时，其切屑带着火花四处飞溅，因此，必须采取措施，使切屑沿着一定的方向排出。目前，三菱综合材料公司已开发出一种“Q-ing铣刀”，可控制排屑方向，大大提高了高速铣削加工的安全性。另外，在高速端面铣削加工时，由于离心力作用，可转位刀片有可能被甩出，因此，应采取相应措施加以预防。最近，工具厂家正在开发可转位刀片的新型夹紧装置，刀片甩出问题有望得到妥善解决。

高速切削加工是提高生产效率的关键技术，今后加工技术的发展也仍将围绕这一核心课题展开。但是，当前既要重视降低生产成本，同时又必须关注环境保护问题，因此，应尽可能做到二者兼顾，以便形成一种能持续发展的良性生产形态。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/24/2004)


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