高速切削加工技术及其在汽车工业中的应用

HEATS · 发表于 2010-9-12 10:59:49

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高速切削加工是面向21世问纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。

高速切削加工的技术特征

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。其技术特征主要表现在如下几个方面：

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；

3）进给速度很高，通常达15～50m/min，最高可达90m/min

4）对于不同的切削材料和所采用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同；

5）切削过程中，刀刃的通过频率（Tooth Passing Freqnency）接近于“机床-刀具-工件”系统的主导自然频率（Dominant Natural Frequency）。

1992年，德国Darmstadt工业大学的H.Schulz教授在CIRP上提出了高速切削加工（High Speed Manu facturing，HSM）的概念及其涵盖的范围，如图1所示。认为对于·不同的切削对象，图中所示的过渡区（Transition）即为通常所谓的高速切削范围，这也是金属切削工艺相关的技术人员所期待的或者可望实现的切削速度。

与传统加工相比，由于高速切削显著地提高了切削速度，从而导致工件与前刀面的摩擦增大并导致切屑和刀具接触面温度的提高。在该接触点，摩擦带来的高温能达到工件材料的熔点，使得切屑变软甚至液化，因而大大减小了对切削刀具的阻力，也就是减小了切削力，使得切削变得轻快，切屑的产生更加流畅。同时由于加工产生的热量的70%～80%都集中在切屑上，而切屑的去除速度很快，所以传导到工件上的热量大大减少，提高了加工精度。高速切削加工技术的优点主要在于：提高生产效率；提高加工精度和表面质量；降低切削阻力。

高速切削加工在汽车工业中的应用概况

对于有大量材料需要移除的工件，具有复杂结构或超薄结构的工件（如发动机机体、缸盖，汽车覆盖件模具等），传统上需要花相当长的机动工时加工的工件以及设计变更快速、产品周期短的工件，均能显示出高速切削所带来的优点。下面介绍汽车发动机和汽车零件、覆盖件模具高速切削加工。

1.汽车发动机及其配件的高速切削加工

FTL：用高速加工中心组成高效率的柔性生产线（FTL），具有小型化、柔性突出以及易于变更加工内容等显著特点。图2为上汽集团某发动机公司利用该生产线加工发动机机体、气缸盖、滤清器座等工件的实例。

为了发挥以车削加工中心和镗铣类加工中心为代表的高速切削加工技术和自动换刀功能的优势，提高加工效率，对复杂零件的加工应尽可能采用集中工序的原则，即要求在一次装夹中实现多道工序的集中加工，淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限，充分发挥设备和刀具的高速切削功能。同时，对刀具也提出了多功能的新要求，要求一种刀具能完成零件不同工序的加工，减少换刀次数，节省换刀时间，以减少刀具的数量和库存量，有利于管理和降低制造成本。较常用的有多功能车刀、铣刀、镗铣刀、钻铣刀、钻-铣螺纹-倒角等刀具。在批量生产线上使用一些针对性的工艺策略，还需要开发的专用刀具、复合刀具或智能刀具，以提高加工效率和精度，减少投资。在高速切削条件下，有的专用刀具可将零件的加工时间降至原来的1/10以下，效果十分显著。

图3所示为笔者专门为汽车发动机机体的顶部止口和主轴承座结合面的加工而设计的高速切削工艺。机体材料为灰铸铁，刀具为CBN不重磨复合刀具，主轴转速12000r/min，切削余量为0.02mm。图中两处关键部位一次铣削到位，重要尺寸A靠复合铣刀本身保证。该工艺还有效地避免了由于单独铣削主轴承座结合面刀杆较长而引起的颤振，大大提高了切削精度、切削效率和表面质量。

FMS：由于产品寿命周期不断地在缩短，品种数便不断地增加。在这种情况下，如何缩短更换品种的时间成为一大关键问题；由于产品设计的改变，其加工设备如何灵活地与之相适应（即具备柔性）又是一大课题。于是又出现了以高柔性的通用加工中心构成的FMS。这里所说的“高柔性的通用加工中心”不同于一般概念下的加工中心，它们是专门为批量生产而开发的，充分满足了纳入批量生产用的FMS时所具备的条件，即高生产率、省面积、易排屑、安装移位容易及连续运转性能优越等，是一种高速紧凑型加工中心。

日本三菱重工为适应批量生产之急需采用这种高速加工中心为主机，开发了所谓“梭式FMS”（见图4）。该FMS由8台M-H5A三坐标加工中心和位于机床前方的载有2个托板的无人运载车（AGV）构成，运载车用于交换托板，往复于托板装卸工位和各机床之间。操作者只须在一个位置通过操作按钮进行工件装卸就可以了，不必往返于机床之间。运载车依次行至即将完成加工的机床前面等待，待机床加工完之后在机床与运载车之间实现托板交换，然后载着加工完的成品返回装卸工位。

2.汽车覆盖件及零件模具的高速切削加工

高速铣削技术在加工三维自由曲面、超硬材料方面的具有显著优势。

汽车零件模具：一种型号的汽车往往需上千副模具，为了尽快适应新车型的需要，汽车外、内覆盖件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。因此，高速切削加工是此类模具加工制造的首选工艺方案。模具经过高速、少切削精加工后，钳工修模工作量大为减少，模具制造周期可缩短40%。例如对安全门锁的注塑模采用高速铣削加工，材料硬度为HRC54的模具钢，可使用的最小刀具直径为（φ0.6mm，最大切深可达4.8mm，加工时间为3h，表面粗糙度达Ra0.4μm，不再需要钳工工序，大大缩短了加工时间。

汽车覆盖件：汽车的内、外覆盖件、仪表盘等大都采用注塑模具批量制造，而这些注塑模具一般都是复杂型腔和薄壳结构，普通的切削加工往往不能同时满足表面粗糙度、弯曲度的精度要求，为此还需施以适当的手工精修加工。而采用高速切削加工，能够带来多方面的好处：1）与传统的精加工相比，进一步实现高精度化；2）高速切削加工的每次切除量相当小，可以高速地实现多次精密切削加工，从而大大减少了人工修整的工作量，大大提高了覆盖件模具的加工效率；3）由于切削速度极大提高，与过去的精加工工序相比，加工周期大幅度缩短。

如汽车覆盖件模具大多由各种自由曲面构成，高速铣削用高转速、小切深、大进给的加工方法，能提高模具的制造精度，延长模具的使用寿命，从而提高注塑件的质量。而且在大进给速度条件下，高速铣削机床具有高精度定位功能和高精度插补功能，特别是圆弧高精度插补。

又如，对于前围档板冲压模具的精加工，主要应保证型面的质量。一般情况下，大面积精铣时要求铣削过程中不更换铣刀或刀刃，一次完成整个型面的铣削，这对铣刀的精度和耐用度要求相当高。利用高速切削的技术特征，选用高切削速度、微进给量和多次切削的精加工工艺，恰恰可以做到扬长避尹短，满足覆盖件模具自由曲面加工的要求。为保证冲压过程中容易进料，应使加工刀纹与冲压材料进料方向一致，因此宜采取射状走刀。为确保表面加工质量，切削深度定为0.2mm，切削进给量为0.2mm/r，切削速度为200m/min，初次刀具半径为20mm球头铣刀，清根铣时刀具半径为8mm球头铣刀。像这种原来只能用人工（高级钳工）来进行精修加工的工艺过程，现在完全可以采用高速切削来完成，模具的整体加工效率得到明显提高。

高速切削机床

在刀具直径确定的情况下提高切削线速度，则无疑需要较高的主轴转速；为了通过高速使得刀具的每个齿都获得适当的进给率，则高的进给速度和加速度也是必须的。这一切需要全新的机床制造技术的应用，如高速电主轴，高进给率的大螺距滚珠丝杠等。同时，为了将产生热源的切屑尽快地去除，并更好地润滑前后刀面，油雾润滑冷却装置的应用也尤为重要。显然，为了满足高速切削工艺的要求，首先是对机床本身提出了非常高的要求：高速切削机床必须具备足够高的主轴转速、高的动力学性能、以及高刚度和吸振性能。

如瑞士米克朗公司开发的5轴联动高速加工机床HSMU系列，采用了新型的人造大理石床身材料，整体成型的封闭O形结构，为机床的吸振性和刚性打下了良好的基础。大螺距的滚珠丝杠由水冷的伺服电机驱动，保证了高进给速度下机床的稳定性。标准配置的机上激光对刀仪保证了高转速下刀具尺寸的测量精确性，从而保证了加工精度。我国浙江万向集团、烟台霍富汽车锁公司和长春一汽富奥等汽车制造及汽车零部件制造企业已引进了米克朗的高速加工中心及高速5轴联动加工中心。

近十年来，上海暨华东地区汽车工业的飞速发展，为高速切削加工提供了巨大的市场需求。上汽集团旗下的大众、通用、汇众、上柴、拖内、荻原等公司正在组建高速切削柔性生产线或高速铣、镗、钻削加工单元，用于汽车内外覆盖件模具及汽车发动机的切削加工。比较常用的切削参数是：主轴转速8000～12000r/min，进给速度40～80m/min，切削深度0.01～0.05mm：毛坯材料为铸钢、锻材、灰铸铁或铝合金等；采用的刀具主要有高速工具钢、硬质合金、CBN、PCD、钛涂层刀具或陶瓷刀具。因此，上述参数范围内的机床设备及刀具材料具有较大的市场需求。

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