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汽车制造业中的高速加工技术 |
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作者：上海大众汽车有限公司 张书桥 季伟锋 |
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一、概述
面对制造行业日益激烈的国际性竞争，高速加工(HSC)已成为一个非常重要的技术研发方向。高速切削是一个相对概念。一般地，高速被定义为明显超出普通切削速度的5~10倍。同时，高速切削不仅仅是切削速度的提高，还需要在制造技术全面进步和进一步创新的基础上，包括驱动、刀具材料、涂层、刀具、测试、安全等技术的重大进步，才能达到的切削速度和进给速度的成倍提高，才能使制造业整体切削加工效率有显著的提高。
图1 铣削加工
高速切削工艺主要有以下几方面的优点：
1) 缩短生产时间。 切削速度和进给速度的成倍提高，刀具消耗工具交换时间的增加可忽略不计，空运时间减少，整体切削加工效率有显著的提高 ，加工时间明显缩短。
2) 降低制造成本。 更快的生产力必然引起制造成本的下降。
3) 高速切削吸收能量。 一方面减少了工件在加工过程中的发热(特别在铣削加工中)，工件升温小；另一方面可加工硬质材料。
4) 改善工件的加工质量。 加工精度和切削表面的光洁度大大提高，减少人工后加工及辅助工时。
把当前的高速切削水平实用化，使我国机加工整体切削效率提高1～2倍，缩小与工业发达国家的差距，是我国从事切削加工与刀具技术的专业人员在新世纪的努力目标和面临的重大挑战。
二、汽车工业中的高速加工
高速加工最先应用于航天技术领域，主要加工大型整体零件、金属去除量比较大从而生产时间比较长的工件。如今，随着新的工艺不断采用，超硬材料刀具、涂层刀具与合金材料刀具的不断开发，高速加工在普通加工中也变得愈发重要。汽车工业中的高速加工中心、高速外铣、CBN砂轮高速磨削等应用十分普遍。
图2 曲轴磨床CBN高速磨削
汽车制造业在高速加工的应用中以电主轴实现主轴高速和以直线电机实现高直线移动速度为主要特征，目的是力图用高主轴转速和高速直线进给运动的单主轴加工中心来替代多主轴但难以实现高主轴转速和高速进给的组合机床。主轴最高转速一般可达60000r/min，最大进给速度100m/min左右。电主轴融合了许多尖端技术，如一般采用复合陶瓷材料或电磁悬浮的高速轴承、高速电机技术、定时定量油气润滑、自动换刀装置等等。
也有一些公司为降低成本，不用直线电机，而采用中空通冷却液、加大直径和加大导程的滚珠丝杆。
上海大众在发动机制造过程中，逐步采用高速加工中心。
1 铣削加工
目前汽车工业中缸体、缸盖大平面加工一般使用铣削技术。以灰铸铁材料缸体在高速加工中心上的铣削加工为例，采用了立方氮化硼(CBN)刀片，其切削速度可达到700～1500m/min(见图一)。
铣削的生产效率大大提高，经综合国内国外铣削缸体平面的切削用量见表1。在该工序中，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，从而提高设备运转率。
对于铝合金缸体、缸盖均采用面铣刀进行高速切削加工。采用PCD刀片，铣刀直径逐渐缩小，并向多工位复式加工发展。
2 磨削加工
曲轴加工中应用高速磨削，可大大提高加工柔性，CBN砂轮每修整一次，可加工600～800件曲轴(见图2)。
凸轮轴采用CBN砂轮高速磨削已普遍在使用。 在外圆磨削中采用了JUNKER公司的点磨技术。其使用CBN砂轮在一次夹紧工件的条件下对凸轮进行加工。它具有高切削功率，高精度的工件几何外形，均匀的高精度尺寸及外表面质量等优点。
3 车-车拉结合高速外铣
车车拉工艺将车削和车拉工艺结合在一起，使加工的柔性增大。不但可加工曲轴的主轴颈、连杆颈、法兰和皮带轮轴颈，而且还可同时加工轴颈的外圆轴肩、圆角或沿割槽。结合曲轴的高速外铣后可大大节省加工时间(见图3)。
图3 高速外铣
4 钻削加工
在发动机生产过程中，孔加工的比例也比较高。尤其是缸盖和缸体的孔加工作业量比较大。其中钻削加工约占60%，其次为镗削加工、攻丝加工。高速钻削加工主要注意提高排屑性能，提高工具刚性，防止钻尖过热，回转平衡性等问题。以上各点均需根据被加工材料特性采取相应措施。
三、切削刀具的应用
高速加工的发展史，就是刀具材料不断进步的历史。上海大众建成初期采用的大部分刀具均为进口，国产化工作不断取得突破，现在应用比较普遍的刀具主要有CBN和PCD刀具、涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具等。
1 CBN及PCD刀具
高速切削的代表性工具材料是CBN以及PCD。端面铣削使用CBN刀具时，其切削速度可高达5000m/min。用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齿轮(60HRC)内孔，代替磨削，表面粗糙度可达0.22μm，已成为国内外汽车行业推广的新工艺。凸轮轴和曲轴也采用CBN砂轮进行高速磨削；在缸体、缸盖铝合金材料铣削加工中则广泛采用PCD刀具，考虑到高速回转时将会产生很大的离心力，因此刀体采用高强度铝合金材料制作(见图4)。
图4 凸轮轴CBN砂轮
2 硬质合金刀具及涂层技术
硬质件切削是高速切削技术的重要应用领域，即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比传统的磨削加工效率高，而且简化了工艺方法和工艺环节，不仅节约了成本，而且更加柔性化。
在钻削和铣削加工中，超细晶粒硬质合金适合于大多数应用，它们同时具有较高的韧性和优异的耐热性，从而可将有利的切削刃槽形与较大的前角及后角融为一体，这些特征的直接反映是降低了切削力和切削温度；在攻丝时，特别高的扭矩以及在较高切削速度下升高的温度需要采用非常坚韧却具有高耐热性的切削材料。
我们采用内冷的硬质合金钻头代替过去的高速钢钻头进行孔加工，攻螺纹也采用硬质合金丝锥来提高速度，曲轴攻螺纹甚至采用无切削挤压式丝锥；凸轮轴轴颈加工现改用硬质件加工方式，刀具一次加工就可达到要求的表面光洁度，不需要再进行磨削。
为使切削工具既作到价格低廉，又具备优异的性能，可有效降低加工成本的技术，目前当首推涂层技术。现在高速加工使用的立铣刀，大都采用TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理。
3 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，以前使用的7:24大锥度刀柄，轴向定位精度低，刚度差，在高速时主轴孔大头在离心力作用下“张口”，使其刚度进一步降低，且不安全。目前两面夹紧式工具系统被广泛应用，上海大众发动机厂大量采用了HSK工具系统。这种短锥柄采用锥面和端面同时定位，轴向重复精度比7:24刀柄提高3倍，达0.001mm，有效防止了轴向的窜动；径向跳动提高2~3倍，达0.003mm，提高了抵抗径向切削力的能力。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，而且也会影响机床的使用寿命。 (end)
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(4/24/2005) |
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