高速切削加工是面向21世問紀(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。可以說，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)在如下幾個方面：
1)切削速度很高，通常認(rèn)為其速度超過普通切削的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)切削過程中，刀刃的通過頻率(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)為對于•不同的切削對象，圖中所示的過渡區(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發(fā)動機(jī)及其配件的應(yīng)用
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)動機(jī)公司利用該生產(chǎn)線加工發(fā)動機(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)和自動換刀功能的優(yōu)勢，提高加工效率，對復(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，對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)省換刀時間，以減少刀具的數(shù)量和庫存量，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間降至原來的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間成為一大關(guān)鍵問題;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”(見圖4)。該FMS由8臺M-H5A三坐標(biāo)加工中心和位于機(jī)床前方的載有2個托板的無人運(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。操作者只須在一個位置通過操作按鈕進(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。
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。可以說，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)在如下幾個方面：
1)切削速度很高，通常認(rèn)為其速度超過普通切削的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)切削過程中，刀刃的通過頻率(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)為對于•不同的切削對象，圖中所示的過渡區(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發(fā)動機(jī)及其配件的應(yīng)用
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)動機(jī)公司利用該生產(chǎn)線加工發(fā)動機(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)和自動換刀功能的優(yōu)勢，提高加工效率，對復(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，對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)省換刀時間，以減少刀具的數(shù)量和庫存量，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間降至原來的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間成為一大關(guān)鍵問題;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”(見圖4)。該FMS由8臺M-H5A三坐標(biāo)加工中心和位于機(jī)床前方的載有2個托板的無人運(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。操作者只須在一個位置通過操作按鈕進(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。