高效高速加工--当前机械制造领域的主旋律

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提高生产率是机械制造领域的永恒课题，也是当前机械制造领域普遍关注的问题。高速加工是目前获得高生产率的重要手段，关键在于创造条件，迅速普及。
　　机械制造领域当前发展的特点是：难切削材料的大量出现使加工难度明显增加；加工中也提出了许多需要迫切解决的课题，如硬切削；为了保护环境，要求少用或不用切削油剂，即实现干切削或半干切削。总之，机械制造面临许多难题，在这样的情况下，为了提高生产率，必须综合利用有关的一切技术进步。特别是航空航天工业系统，由于难加工材料多、结构复杂、研制周期短、单件小批量产品多的特点，如何提高生产率，缩短生产周期，一直是科技人员长期关注的重要问题，也是航空航天系统必须抓紧解决的问题。
　　从另一方面看，当前科技发展迅速，如何将新的技术和工艺移植过来，十分迫切。值得注意的是，当今世界，科技发展迅速，极大地推动了机械制造各个方面的飞速发展，出现了提高生产率的多种方法和手段。众所周知，单晶天然金刚石刀具的研磨难度很大，一般采用高磷铸铁研磨盘，以金刚石粉末作磨料，效率极低。
7 X+ L2 E( l  K. V" ]　　最近日本报道，采用低含碳量、低导热率的不锈钢304(日本的牌号)制造成圆盘，将金刚石压在4000r／min的回转盘上，温度控制在800℃，金刚石的去除率极高，达到0.94mm3／min，工作时不使用磨料，而是利用物理、化学的作用，被称为热化学加工，这是打破常规的方法；又如最近的快速成型(RP)，可以在没有模具的情况下成型，省去了模具制造的周期；电火花线切割的切割速度在国内的快走丝机床上可以达到70mm2／min，瑞士的AGIE公司的机床可以达到500mm2／min，而日本三菱电机的机床则可达到550mm2／min，达到了一般的铣削速度现在开展的高速磨削速度已经达到60、120m／s，甚至到200m／s，在实验室已达到500m／s，而一般的磨削速度仅为30-35m／s。高速磨削是高效磨削方法，其切深浅，走刀速度大；另外一种蠕动磨削与高速磨削刚好相反，切深大，走刀速度小，但都是高效磨削，只是切削用量不同，所以有人形象地比喻为“龟兔赛跑”，各有所长。1931年，德国的Carl Salomon提出了有名的预言，一般切削速度与切削热是同步增加的，但是经过一个切削不了的死谷后，切削速度即使增加；反而会出现切削热下降，今天，铝的切削速度已经达到了5000m／min，CarlSalomon的预言将被揭示。
4 t: z% z. }9 F! E　　综上所述，都是以提高切削速度作为提高生产率的重要手段，当然这不是全部，尚有待开发。因为高速加工主要体现在铣削方面，所以下面就以机械加工中心为主进行介绍。
5 y4 y/ j: W+ r3 B/ `8 i　　机床发展是高效高速加工的前提条件
　　当前由于机床制造技术的迅速发展，机械制造领域正在酝酿着巨大的变化。数控机床发展成多轴机械加工中心，集约各种工序为一体，明显地缩短了辅助时间，提高了生产率，同时减少了工件的装夹次数，提高了加工精度。综上所述，当前机床的发展目标应是：减少工序的更换，明显提高效率；趋向于工序集约，易于提高精度；使用复合刀具、球头立铣刀等先进工具，可提高每单位时间的切削量；走刀速度加快，切削效率提高；能减少铣削后的打光工序；切削工具、托板的自动交换，自动化程度高，辅助时间显著缩短；由于复杂零件容易加工，促进零件结构的改进等。从航空航天的角度看，普遍认为机床的这种发展，非常适合于单件小批量生产，所以迅速地、较多地在单件小批量生产系统中充实了这些装备，实践也表明了自动化的设备是符合航空航天系统制造技术发展的需要的。
9 S4 v7 ~9 X+ ?) _, e( f2 v# {　　当然，从提高生产率的角度分析，除了自动化加工以外，仍然存在着如何更进一步、更合理地利用各种技术进步的问题。从机床的发展观察，机床主轴的高速化显著地提高了转速，高于10000r／min的机床已经比较普遍。轴承技术的进步，为此提供了可能。主轴的发展，最突出的是电主轴已经商品化。主轴的润滑技术十分关键，受到各方面的关注。多年来，从油脂润滑发展到油雾润滑、油气润滑、环下(under-race)润滑，甚至冷风润滑等。伴随着高速主轴的发展，油脂润滑已经不能适应，油雾润滑由于污染的原因使用也在减少，现在使用最为广泛的是油气润滑，更合理的是环下润滑，使关键的内环得到了更好的润滑。润滑性能的提高，使滚珠轴承也能承受70000r／min的高转速。美国原来在机床主轴上采用的是ABEC7级高精度轴承，现在已经发展到ABEC9级，说明轴承的精度提高是必须的。由于材料的发展，又出现了陶瓷滚珠，使得滚珠轴承的性能更加提高，这也是保证主轴高速化的需要。在提高主轴转速和精度方面，也有采用气浮静压轴承或者液浮静压轴承的，而磁力轴承则能达到更高的水平。
　　几年前，美国J&L和Ingersoll公司推出了采用直线电机的高速机床，引起巨大的反响，在加大走刀速度方面起到了滚珠丝杠达不到的速度，但是当时因为成本太高，在具体的应用上，较多出现的是加大丝杠的螺距，增加头数，或者制造成中空的大直径丝杠，通以温控的水，保持适宜的温度。也有主张采用静压丝杠的，但是从性能上仍有比较大的差距，它最高可以达到加速度1～1.5g，而直线电机可以达到10g以上。后来由于直线电机制造技术的进步，其成本明显降低，应用明显增加。现在在电火花机床上也采用了直线电机，如日本的SODICK甚至采用3个直线电机。只有走刀的高速化，高速加工才能真正得到实现。当然，围绕高速加工仍有一系列的技术需要解决，例如，托板交换、工具交换的速度也要增大。
　　德国的DIGMA、CHIRON、STAMA，日本的大隈，瑞土的MIKRON等公司都是世界上有名的高速机床制造商。CHIRON的小型机械加工中心的工具交换时间已经达到0.5s。同时也要求提高主轴的加减速度，使主轴能在极短的时间里停止或者达到最高速，现在已经可以达到2s左右。
3 s" o; s  L6 e　　为了满足高效率加工的需要，机床的强度、刚度、稳定性、抗振性等都接受了挑战，所以从设计方面采用了CAD方法，预先打好基础；特别是在结构材料上有了比较明显的变化，出现了石质材料取代传统的铸铁和钢的方法，如采用花岗岩、陶瓷、人造花岗岩、人造大理石等。在超精密机床上还有采用零膨胀系数的微晶玻璃(德国称为Zerodur，日本称为玻璃陶瓷)的。近几十年来，机床为了适应生产率的发展要求，在结构材料方面发生了很大的变化，机床的性能有了长足的进步。我国较早研制成功人造花岗岩，在花岗岩的应用上已经有比较长的历史。德国DIGMA公司的高速机床结构材料就采用了复合聚合物混凝土，提高了机床的刚度，具有振动衰减性优越(为铸件的1／6～1／8)、低热变形(为铸件的1／25～1／40)的特点。
　　近年来机床的发展日新月异，高速化、复合化、多功能化、高精度化的趋势比较明显，机械制造领域的主旋律则是提高生产率。例如DMG公司展示的激光铣削机械中心，将不同的工种集约在一台机床上；为了更好地解决排屑的问题，德国的EMAG公司研制了倒置机械加工中心；当前比较多的公司提供了5轴机械加工中心；特别是虚拟机床的出现，从机床的设计上发生了较大的变化，现在它依旧在发展之中。
! b6 X) R2 j- F. K- Y* p　　切削工具性能的提高为高效高速加工发展提供了可能性
　　如果需要达到高效高速加工，切削工具是另外一个重要的因素。当前切削工具材料的发展，对加工的需要创造了比较好的条件，除了高速钢、硬质合金以外，陶瓷、金属陶瓷、超硬材料的发展起到了重要的作用。特别是陶瓷、超硬材料，对高效高速加工的发展提供了有力的支持。更值得提及的是，1955年美国GE公司用高温、高压合成超硬材料取得成功，促使切削领域发生了重大变化。在这个基础上，很快出现了PCD、PCBN，为难加工材料的切削、干切削、硬切削、超精密切削等的加工创造了条件。
% X: v* P% G9 C  L. o% F$ C4 n　　在切削加工的另一个方面，就是表面技术在切削工具上的应用，PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)不断推陈出新，由单层发展成多层、千层、复合涂层，现在又发展成纳米涂层；涂层的材料，从TiN发展为A12O3、TiC、ZrO2、等，根据加工的要求，为提高耐高温的性能，又发展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN
5 T% o1 [' R5 G4 _$ j: M等。为了减少摩擦力，采用软涂层，如沉积MoS2，又如德国Guehring公司采用的Molyglide，这种涂层就是以MoS2为主的，它能减少切削中的摩擦系数。当然这要根据被加工件的特点，分别地应用在所需的加工上。
8 m  g6 r! F/ B) F! n现在涂层技术又发展到了超硬涂层(类金刚石、金刚石、立方氮化硼)，更使切削加工的范围拓宽。特别值得
提到的是薄膜涂层发展成为厚膜，它不同于天然金刚石，具有各向同性，现在已经在国内外得到应用，部分取代了天然金刚石。现在也已经解决了大颗粒单晶金刚石的合成技术，这些变化对我国的影响非常深远，我国已经是世界合成金刚石产量最多的国家，这有利于我国发展高效加工技术。
/ X! v3 m6 |# w　　为了适应高效高速加工，辅助工具也是十分重要的手段，例如原来的组合夹具在机械加工中心的应用中，为了提高其强度，已经从槽系发展成为孔系。目前比较典型的是EROWA和3R组合工具的应用，已经从电加工，发展到机械加工中心上，不仅加快了节奏，更重要的是达到了高精度，这些工具从原来的模具电加工发展到了切削加工领域。在带柄的切削工具方面所需的刀柄，也在配合高效率、高精度切削加工的过程中发展了新型的结构，例如液压的、塑料的，现在又广泛采用热装的刀柄，其夹紧的精度明显提高，达到2～3μm。现在这种装置已经成熟，例如德国的ZOLLER公司已经将这样的装置直接安装在对刀仪上，说明此项技术又向前推进了一步。工具的进步为高效加工提供了有力的支持。
, O; L0 K- F) Y  i- {2 @* x2 e/ s　　为高效高速加工的实现创造条件
　　众所周知，航空航天工业从产量的角度看属于多品种小批量生产，因此认为与自动化加工关系比较少，往往不采用自动化的装备。自从NC机床出现以后，特别是各种机械加工中心诞生后，人们的观念开始发生微妙的变化。自从引进为数不少的机械加工中心以后，经过一二十年的实践，小批量零件的加工自动化不仅发挥了重要的作用，而且在周期、质量上都有明显的提高，工装的数量也显著减少，特别在工序多、周期长、结构复杂的箱体零件的加工方面，更显示出中心的优越性。
9 q2 J  k1 j2 Z- ~　　值得考虑的一个问题是怎样利用高速加工为高效加工服务。最近，在世界各大展览会上展示的设备更多强调的是高效率，在这个基础上，又强调利用高速加工，也就是说，要综合利用技术的进步。展示的机械加工中心大部分主轴的转速为20000r／min左右。这也许就是当前的主旋律——高效高速加工。
; a  I. C! w% r) h' c8 J6 t　　为了实现高效高速加工，必须考虑到各个方面，例如机床、工具的合理选择；切削用量的恰当使用；高速主轴保养；安全防护及切屑的及时清理等。在这些方面，还需要进一步探讨。以机床为例，应当采用高速、大功率的主轴；机床有足够刚度、强度；刀柄必须选择与机床主轴的锥体和端面接触，以防止在高速回转时松动；在防护方面，必须防止切屑的飞溅；切削油剂必须能注入到切削点上，特别在高速磨削时，为了防止工件烧伤，喷嘴的设计特别重要，日本明治大学的横川和彦发表了许多意见，值得参考；由于高速切削的切屑量大，所以切屑必须及时地排除等。以切削工具为例，当前涂层发展非常快，针对加工的对象选择是必要的；为了提高加工表面的质量，采用球头铣刀是合适的，由于其中心的切削速度为零，所以使用时可将立铣刀倾斜一个角度为了改善立铣刀引起的铣削颤振，采用带圆角铣刀，这是最近的发展趋势；为了改善冷却效果采用带油孔的工具；为了防止立铣刀的振动，将刀槽作成不等分或者不同的螺旋槽；在高速切削时，铣刀刀盘采用铝合金，切断刀的刀把往往强度差，所以日本住友公司提出采用硬质合金，为了解决切屑的处理，采用合适的断屑刀片；在加工深孔时候，采用新型刀槽钻头，如Geuhring公司RT系列的钻头，其芯厚加大，提高了刚度，容屑槽加宽，切屑易于排出，所以有利于深孔加工；在机械加工中心上，必须采用数控刀具，这个认识是一致的，但是价格提高了。现在复合刀具的大量出现，不仅可以提高效率，而且减少了刀具的件数，ISCAR的车刀是最典型的。切削工具的复合化明显减少了换刀的次数和时间，机床的刀库变小，也必然提高了效率。
　　从目前情况看，有的单位已引进数千台的新型自动化机床，但是主轴转速大于10000r／min的很少，其原因是，对高速加工存在一种疑虑。根据德国DMG公司的介绍，该公司提供的高速主轴的寿命是2年，关键是如何合理应用的问题。在探讨引进设备的时候，几乎都希望引进高速的设备，这也反映出技术人员的心态。
3 {  l' `% b" ]0 D6 f" E　　然而，在实际应用中，虽然高速切削与高性能切削这两种铣削方法都属于高性能切削工艺的范畴之内，但高速切削在大多数情况下，与高性能切削有着明显的不同。高速切削只是高性能切削的一个方面而已，而高性能切削关注的另一个要素则是金属去除率，这是我们引进设备时需要考虑的问题。
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