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我国高速加工技术现状及发展趋势

更新日期:2006-09-05  作者:成都工具研究所 梁彦学,一汽大  来源:中国工具信息网

1 引言

    对于机械零件而言,高速加工即是以较快的生产节拍进行加工。一个生产节拍:零件送进--定位夹紧--刀具快进--刀具工进(在线检测)--刀具快退--工具松开、卸下--质量检测等七个基本生产环节。而高速切削是指刀具切削刃相对与零件表面的切削运动(或移动)速度超过普通切削5~10倍,主要体现在刀具快进、工进及快退三个环节上,是高速加工系统技术中的一个子系统;对于整条生产自动线而言,高速加工技术表征是以较简捷的工艺流程、较短、较快的生产节拍的生产线进行生产加工。这就要突破机械加工传统观念,在确保产品质量的前提下,改革原有加工工艺(方式):或采用一工位多工序、一刀多刃,或以车、铰、铣削替代磨削,或以拉削、搓、挤、滚压加工工艺(方式)替代滚、插、铣削加工…等工艺(方式),尽可能地缩短整条生产线的工艺流程;对于某一产品而言,高速加工技术也意味着企业要以较短的生产周期,完成研发产品的各类信息采集与处理、设计开发、加工制造、市场营销及反馈信息。这与敏捷制造工程技术理念有相同之处。
    高速加工技术产生于近代动态多变的全球化市场经济环境。在激烈的市场竞争中,要求企业产品质量高、成本低、上市快、服务好、环境清洁和产品创新换代及时,由此牵引高速加工技术不断发展。自二十世纪八十年代,高速加工技术基于金属(非金属)传统切削加工技术、自动控制技术、信息技术和现代管理技术,逐步发展成为综合性系统工程技术。现已广泛实用于生产工艺流程型制造企业(如现代轿(汽)车生产企业);随着个性化产品的社会需求增加,其生产条件为多品种、单件小批制造加工(机械制造业中,这种生产模式将占到总产值的70%),高速加工技术必将在生产工艺离散型或混和型企业中(如模具、能源设备、船舶、航天航空…等制造企业)得到进一步应用和发展。
    二十世纪末期,我国变革计划经济体制,改革开放,建成有中国特色社会主义市场经济体制。实用的高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具(工具)、数控机床(设备),在机械制造业得到广泛应用,相应的管理模式、技术、理念随之融入企业。企业家们对现代信息技术和企业制度、机制在未来可持续发展、市场竞争中的重要地位和作用,认识日益深刻。社会主义市场经济环境,不仅促进企业转制、调整产业、产品结构和技改,还给企业展现出应用和发展高速加工技术良好而广阔的前景。

2 我国引进数控轿车自动生产线中的高速加工技术

    二十世纪八十年代以来,我国相继从德国、美国、法国、日本…等国引进了多条较先进的轿车数控生产自动线,使我国轿车制造工业得到空前发展。其中较典型的是来自德国的一汽--大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线,其处于国际二十世纪九十年代中期水平。其中应用了较多较实用的高速加工技术。从中可部分了解到世界高速加工技术的现状与发展趋势。本文重点介绍一汽--大众捷达轿车传、发生产线。

    2.1引进的捷达数控轿车自动生产线概况
    一汽--大众捷达轿车自动生产线由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成。同步引进德国大众汽车公司并行工程管理模式与管理技术,经营各条自动线生产运行,年产轿车能力15万辆,制造节拍1.50分/ 辆。其中发动机、传动器生产线共拥有627台各种机加工设备,进口253台,国产374台,其基本上属于数控刚性自动生产线。自产发动机零件9种,传动器零件27种,其余社会配套。年产发动机27万台,传动器18万台。生产国际二十世纪九十年代水平的4缸、6缸捷达奥迪轿车五汽门电喷发动机及配套的传动器,生产节拍30~40秒/ 1台,生产线部分采用风冷干式切削加工技术,其机械加工工艺流程反映了当代轿车制造业中最先进的技术水平。轿车营销以国内市场为主。由于没有轿车自主知识产权,新车型的研发,是以现有一汽--大众捷达轿车生产自动线为本,持续从德国大众汽车公司进口相关信息和技术(上海大众桑塔纳轿车自动生产线情况类同)。

    2.2一汽--大众轿车发动机、传动器(发、传)零件毛坯技术概况
    一汽--大众捷达奥迪轿车发动机、传动器关键零件毛坯均为精密铸造成型的高强度铸铁、铸铝及精密模锻的结构钢件,部分零件采用精密粉末冶金烧结成形工艺。其高速加工技术要求在批产工艺过程中,材料可加工性能良好、稳定,零件毛坯切削余量控制在1.2~4mm±0.3 mm以内。生产线运行初期,零件毛坯靠进口。自1997年起,国内相关企业经多次攻关,先后攻克批产零件毛坯的精密成型工艺技术、零件材料各化学元素选配及热处理工艺技术难题,旨在达到高速加工自动生产线(技术)对零件毛坯材料可加工性、尺寸精度一致性较高要求的技术指标,传动器零件毛坯国产化已达95% 以上。

    2.3一汽--大众轿车发、传生产线高速切削刀具、高速机床及加工工艺
    一汽大众捷达奥迪轿车发动机、传动器零部件生产线上,几乎所有的切削刀、辅具(工具)均为进口产品(来自49个外国公司),关键工序的设备(机床)也是进口的专用刚性数控产品。其典型技术特点简要分述如下:
    刀具材料的选用:以超硬刀具材料为主。采用CBN、SiN陶瓷、Ti基陶瓷、TiCN涂层刀具材料加工高强度铸铁件,铣削速度达2200m/min;采用PCD、超细硬质合金刀具加工高Si-Al铸造件,铣削速度也达2200m/min,钻、铰削速度达80~240m/min;采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷及TiCN涂层刀具加工精锻结构钢零件,车削速度达200m/min;采用高Co粉末冶金表面涂覆TiCN 的高速钢整体拉刀、滚刀、剃齿刀,以及硬质合金机夹组合专用拉刀,加工各种精锻钢件、铸铁件,拉削速度10~25m/min,滚削速度110m/min, 剃齿切速170m/min。
    刀具典型结构与加工工艺:零件孔加工刀具采用多刃复合式(刀刃机夹、镶焊组合)结构,以铰、挤削替代磨削,在一次性走刀过程中完成孔的精加工,转速达3000r.p.m,走刀速度达1.5~3 m/min,精度可达5~7级,粗糙度Ra0.7μm(枪钻转速达8000r.p.m, Ra2μm);零件平面铣削刀具多采用密齿、过定位、重复夹紧结构,径、轴向双向可调的高速密齿面铣刀。直径φ250~400mm,轴向跳动<±0.0025mm。零件装配平面的加工,是以铣代磨,粗糙度Ra0.7μm,不平度<0.02mm;曲轴主轴颈、连杆轴颈加工,采用双工位车一拉削专用刀具。刀盘直径φ700mm,圆周装有40个硬质合金涂层刀片,每10片为一组,切削速度150 m/min,快进速度4.6m/ min ,切削余量1.5~3mm/径向,班产350件;曲轴主轴轴承盖加工,采用侧置、排列式机夹复合成形拉削专用刀具,安装三种、共713片可转位硬质合金涂层(TiCN)刀片,进给速度25m/min,班产1750件,拉削切削余量1.5~3mm;缸体曲轴及缸盖凸轮轴主轴的装配圆弧面、侧面的加工,采用组合式、轴向串联、机夹三面刃专用盘铣刀,由6~8个刀盘成组装配,共安装约146片机夹可转位涂层刀片,在一次径向走刀中,完成10个侧面的铣削加工,加工余量1.5~2mm;传动器同步齿圈座的外圈渐开线齿及三等分直槽的加工,采用长1800mm的筒式专用外拉刀,一次走刀拉削成形,拉削速度10m/min,三工位班产1440件;发动机5种传动轴上的花键齿形(M=0.8mm)加工,采用双工位、成对配置的搓、挤无屑加工专用刀具,其一次往复运动,将花键齿形搓挤成形,班产共800件;传动器的齿轮加工,采用多头小直径涂层高速滚刀及径向剃齿刀滚、剃成形,以剃代磨,班产800件;差速器壳体内球面的镗削,采用机床主轴内置式、推拉杆轴向往复运动,带动镗刀头二维成半圆轨迹移动,叠加壳体廻转运动,一次走刀完成其球面成形镗削加工;缸体汽缸孔镗削采用双工位、机床主轴内置式、轴向往复运动推拉杆机构,往走刀--粗镗,复走刀--精镗,切削速度达800m/min;一些零件的轴端头外圆柱面加工,采用成形组合外圆铣、铰削专用工具,一次走刀多刃铣铰削完成外圆、端面粗加工,替代单刃车削加工工艺。…上述专用高速、高效刀具结构不胜枚举,与相应专用数控机床组合成的各加工工位,生产节拍为20~40秒。零部件的精度与质量60%~80% 决定于这些专用刀具及数控机床的精度和质量,20%~40%决定于零件毛坯的精度与质量。生产流程中,质量监测工序为机后抽检。
    发动机、传动器二条生产线共有250多台数控机床采用HSK高速空心工具柄,共计6个规格:32#、40#、50#、63#、80#、100#,其中以40#、50#、63#三种规格使用数量最多。HSK空心工具柄与上述各种多刃专用铣刀、复合式孔加工刀具组成高速工具系统,完成250多个工序、工位切削加工,其高速动平衡精度为≤2.5G。
    高速专用数控机床:一汽--大众轿车发动机、传动器关键零件的多数加工工艺突破了传统机加工理念,其高速专用数控机床也突破了传统结构设计形式。概括讲,其机床结构设计是以各种高速多刃专用成形刀具和加工工艺为主导,以满足整条生产线各加工工位、加工工序生产节拍均衡及稳定的质量与精度要求,在一次往复走刀过程中,高速加工发动机、传动器各种零部件而构思设计和制造的。对机床数控系统、质量与精度、零部件的材料性能…等各项技术参数,是以各加工工位、工序的具体技术要求,进行分解成各个单一的技术指标,因而机床结构相对简捷、数控系统稳定可靠,其加工技艺数据库固化在数控系统中。这些机床一般都具备动态刚度好、主轴回转和行程定位精度高的特性。机床主轴转速一般在6000r.p.m以下,快进在20m/min以内。由于篇幅有限,只能选其一、二简要概述。
    安装筒式外形拉刀的专用数控机床及曲轴专用数控车--拉机床较为典型。前者的结构特点是:在三台60多吨推力的液压千斤顶上固定竖装三把柱状专用外形拉刀筒体,在数控(PC机)下,将同步齿圈座零件半成品,间歇式自下推入,由上顶出,使零件彼此摞叠逐一拉削、并全程通过拉刀筒体,完成该零件外圈渐开线直齿及1200三等分直槽的拉削加工工序。一台专机生产率可替代由13台---~16台高速滚齿机、插(铣)床组成的生产线;而后者的结构基本上是一台将中型数控车床改形而成的专机。其专用数控系统使曲轴回转的速度和转角,与盘式车拉刀齿的每90间隙式转角、逐刃跟进成车拉削的加工动作相匹配,使二者各自在回转一圈与往复分度900的车拉削加工运动过程中,动作相互协调、和谐。其工件的质量、精度基本决定于盘状拉刀径向精度及专机进刀定位精度。一台双工位车--拉数控专机可替代10台以上数控成形车床和5台以上内铣式曲轴加工机床。该线其它专用数控机床一般都要求刚度、功率足够,主轴回转精度达到2~5μm,定位精度:±2~5μm,直线运动精度:5~10μm/300mm。
    一汽--大众数控轿车生产线还设有激光焊接、激光表面淬火…等特种数控专用设备。
    纵观一汽--大众发动机、传动器生产线机械制造工艺技术,其刀具切削与进给速度未达到某些论文中介绍的高速切削概念指标,但其生产效率是属于高速加工的范畴。在生产实践中,这种相对低速切削而高效的加工技术,通过了市场竞争环境的严格考核。
    我国所有引进的各条轿车自动生产线的管理、决策机制及产品设计分析、加工工艺技术基本上引用相应外国公司的模式和样品。其加工技艺数据库都是固化在各台专用机床的数控系统内,我们对此往往知其然而不知其所以然。原因在于未深入、系统、有针对性地研究那些基础共性技术,使引进产品国产化工作,在技术上处?quot;照瓢画葫芦不知究里"的被动状态。研发轿车的源头技术,基于"买来主义"。今后随着轿车个性化产品的社会需求大量增加,缺少自主知识产权及系统研发能力的企业,在市场竞争中,将始终处于下风。

    2.4我国其它行业高速加工技术概况
    在我国航天、航空、汽轮机、模具…等行业,程度不同地应用了高速加工技术,其间的差距在于国家对该行低度胱式稹⒁日叩闹С侄嘤肷伲约捌笠导颐嵌愿咚偌庸は低臣际跞鲜兜纳钣肭场O喽杂诮纬抵圃煲刀裕饫机械制造行业基本上是属于工艺离散型制造业。其高速加工技术主要表征在对高速数控机床与刀具技术的应用上。目前已引进的加工中心、数控镗铣床主轴转速一般?000r.p.m(极少有12000r.p.m),快进速度≤40m/min。对高Si-Al铸铝、锻铝合金体,高强度铸铁及结构钢件,多采用超细硬质合金、TiCN及TiAlN(进口)涂层硬质合金刀具材料和标准结构各类刀具加工。超硬刀具材料及专用结构刀具应用还较少,加之机床主轴转速偏低,一般不能进入高速切削领域。以铣削加工为例,这些行业加工铝合金工件:切削速度<1000 m/ min,进给速度<15 m/ min。每齿进刀<0.35 mm。车削:切削速度<700 m/ min。铣削铸铁、结构钢(含不锈钢)工件:切削速度<500 m/ min,进给速度<10m/ min,每齿进刀量<0.3 m m。上述行业中,企业内生产管理局网、网络经营管理决策系统及生产技艺数据库技术的应用方面,处于初级阶段。基本上都没有外联生产经营通讯网络。数控设备利用率仅为25%左右。预计"十五"期间,随着我国加入WTO,在外来高速加工技术及全球化、区域化市场经济的冲击下,上述行业将会在应用高速加工技术方面发生跳跃式的进步与发展。

    2.5与国外的差距
    由于种种原因,我国一些高速加工技术基础共性技术研究没有优化、集成和推广应用。国内企业大都从外国引进高速加工技术,存在差距理所当然。在此试述如下:
    零件毛坯制造技术:零件毛坯材料的选择、成形工艺技术的优化,直接影响到后序机制工艺过程、生产节拍快慢和产品质量、成本,是产品全生命周期的起点。国内少有科技人员下功夫去潜心系统研究。跟踪国外的快速成形工艺技术还未真正实用于企业生产流程中。更少有人从绿色制造、环保角度研讨零件毛坯制造系统技术的变革与发展。
    高速刀具技术:差距主要表现在高性能刀具材料的研发(含表面涂层材料)、刀具制造工艺技术、刀具安全技术及刀具使用技术等领域。
高速机床技术:在市场经济引进技术设备的带动下,我国高速机床技术有了长足进步,差距在于机床关键功能部件的研发上,落后于市场需求。如转速20000 r.p.m以上的大功率高刚度主轴、无刷环形扭矩电机、直线电机、快速响应数控系统…等在实用上处于空白;多功能复合机床设计、制造网络、通讯网络技术的应用,还处于初级阶段……等。
    生产技艺数据库:国内制造企业(尤其是国营企业)普遍未重视建立自身企业(行业)生产技艺系统数据库,其中包含制造工艺流程及相关的技艺(Know How)、金属(非金属)切削数据库、专家机制知识库、企业内外有效资源数据库……等。
    高速切削机理的基础共性技术研究也处于初级阶段。

    2.6高速加工、高速切削技术的误区
    其一,高速机床技术=高速切削技术=高速加工技术;其二,高速加工技术放之企业而皆准。这两种观点,其实不然。机床主轴廻转、直线运动速度高,不一定就是在进行高速切削(或加工),要考察刀具的直径、刃齿数、零件表面状况…等多方具体情况而论,反之亦然;高速加工技术放之企业不一定都准。要视产品的技术附加值多与少、加工技艺要求、市场需求、企业所拥有的人力、物力、技术及管理模式与管理技术…等具体情况而定。在企业技改中,对其引进、应用切不可盲从,更不?quot;邯郸学步"。

3 高速加工技术发展趋势

    3.1概述
    在社会生产中,机械制造业技术进步的源头,存在于人类不断解决由零件(产品)与刀具(工具)所组成一对技术矛盾的过程中;机床(设备)技术的发展,就是满足零件(产品)的生产过程中,有关零件精度(质量)、生产率、生产成本、刀具(工具)轨迹及其它特种性能…等各方面的技术要求,广义而言,机床(设备)也同属工具类产品。机制科技领域里,零件(产品)、工具(刀具)与机床三者技术连体。研讨高速加工技术时,要三位一体系统分析、考察;在当今信息时代,研讨高速加工技术,必然要涉及到信息技术、自动化技术、经营管理技术及系统工程技术。信息技术内涵:以计算机技术为基础的各类信息采集与处理技术、网络通讯技术及各类数据库的组建与运行技术等;自动化技术内涵:控制过程的数字化、智能化及信息化;经营管理技术含:以网络通讯技术为基础,企业运行机制与管理模式、产品市场营销理念与技术、对各类信息采集、处理、决策和生产全过程的控制(绿色制造),以及本企业内外各类有效资源的集成与优化处理等。系统工程技术内涵丰富:企业与社会之间,产品制造与市场营销、环保、生态平衡之间,各科技领域之间,各类产品之间的配套思维与操作运行…等都可具体化为某一系统技术工程,其中的每一环节即可为子项内容。
    我国的企业家们要应用高速加工技术,必备上述信息时代四个科技领域的科普基础知识。

    3.2 二十一世纪企业内高速加工系统工程技术的内涵

二十一世纪企业内高速加工系统工程技术的内涵示意图

    图示,其由九个板块、三个交叉贯联的封闭环组成:企业的人/组织机构处于环的中心;产品、刀具工具、网络经营管理决策系统及外部网络门户网站四板块组成垂直信息平台;网络经营管理决策系统、外部网络门户网站、生产管理局网、生产技艺数据库、CAD/CAM/CAE、机床量仪六板块组成水平支撑平台;产品、生产管理局网、CAD/CAM/CAE、生产技艺数据库、刀具工具、机床量仪组成运行平台,八个板块均由双剪头指向封闭环心。
    当今的科技和企业均是以人才为本,组建相应的组织机构、管理模式与技术,才能健康经营与发展。故其处于环体的中央,交互联络、运行各板块,使人、机、信息有机地融合;在全球化、区域化制造环境中,企业以赢利产品立足市场,以刀具工具、机床量仪为机制基础,而信息平台、支撑平台共同交互完成企业内、外各类信息的通讯、采集、处理,对市场需求快速反应、决策,对企业的各类资源优化、配置、调度与经营销售,保持企业的柔性、健壮性与敏捷性,杂檬谐【赫辉诵衅教ń笠的诘木霾摺⑸苹⑸芾怼⒓捎胗呕试础茸酉罹咛迨凳┯朐诵校芾碛胗呕笠的诟魇菘狻?
    利用并通过网络经营管理决策系统、外部网络门户网站、生产管理局网,企业还可与外界以网络通讯方式,实现区域性网络化生产和组建动态网络联盟企业,进而实施电子商务。

    3.3高速加工系统工程技术发展趋势及应用前景简要
    在全球一体化制造环境里,高速加工系统工程技术必然在各类制造企业中得到更广泛应用。在二十一世纪,我国对其实用将呈跨越式的进步与发展。就其简要分述如下:
    零件毛坯制造技术:快速成形技术的实用化,将进一步提升目前的精铸、精锻及其它成形制造技术,使其几何尺寸精度能满足少无切屑加工的要求,其材料的选择将适应绿色制造工程的技术要求,零件材料的可加工性能将适应高速工削技术要求;
刀具技术:制造业中将普遍应用高速(超高速)干式切削技术。超硬刀具材料的应用、复合(组合)式各类高速切削刀具(工具)的结构设计与制造技术,将成为刀具(工具)品种发展的主导技术。其中无屑加工工艺的搓、挤、滚压成形类刀具(工具)应用会更加广泛;超硬刀具材料将在各类刀具的涂层材料、SiN陶瓷及Ti基陶瓷领域发展更快、应用更加广泛;
    机床技术:随着数控系统,关键功能部件、网络通讯技术的进步与完善,企业将促使多轴联动、多面高速加工中心,铣、车功能为一体的复合加工中心技术达到实用化;相应出现各类数控专用高效率加工机床;将更加广泛应用激光技术于机械成形加工、切割加工领域;机床数控系统的功能将可实施网络化通讯与生产,进一步提升数控机床的利用率;
    自动生产线:将以各类高速加工中心组成,大力发展柔性、敏捷制造工程技术;
    测量技术:随着高速加工系统工程技术广泛应用,数字化CCD激光图形处理测量技术和随机在线高速测量技术将广泛应用于柔性数控生产线及数控专用高效率加工机床上;
    网络技术:将在不断进步的计算机技术支持下,大力发展宽带网及网络安全技术。

4 结语

    高速加工技术为机械制造企业快速响应市场信息提供了强有力的支持。而机械制造中,要实现高速加工,必须集成、优化多学科领域的基础科研与知识,实施系统工程技术。进入二十一世纪,随着加入WTO,我国正逐步融入全球化生产制造的序列中,随着国外先进制造技术设备大量引进及大力实施国家"863"、 创新基金、国家重大科技产业工程项目…等重大科技计划,综合科学技术水平将日益提高,高速加工技术在国内机械制造业将日趋实用与普及。

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