推动生产技术不断进步的HSC和HPC

魔神

    十多年来，由于刀具材料、涂层和刀刃几何形状的不断优化和相互配合，以及高速加工机床、控制系统和编程技术的长足进步，有力推动了高速加工（HSC）和高效加工（HPC）技术的不断发展。 

    高速加工 

    高速加工，由于显著提高了切削速度和进给速度，从而大大缩短了加工时间，提高了工件表面质量和加工精度。导致减少加工工序、简化生产工艺流程，显著降低了工件的加工费用。这些诸多优点，使得高速加工技术在模具、航空、汽车工业等制造业中获得了广泛应用，并促使这些行业的制造技术和生产方式的变革：
    1.高速加工使得“生产率”和“柔性”两个相互矛盾的特征参数融合到一起，从而在中、大批生产行业中用高速加工中心组成的柔性生产线替代传统的刚性自动线，由此推动诸如汽车行业生产模式的转变。
    2.高速加工也促成了工艺的替代，从而简化了生产工艺流程。最典型的例子是在模具制造中用高速硬铣替代电火花加工。在这里，淬硬后的工件在一次装夹下通过粗铣（有时还需进行半精铣）和高速精铣加工成成品。高速硬铣的应用为模具制造实现CAD/CAM/HSC的集成创造了条件，高速硬铣工艺无疑给模具制造技术带来了一次重大的变革。
    自高速加工兴起的10多年来，高速加工技术得到了越来越广泛的推广和应用，并且影响着整个加工技术的发展，可以说，高速加工技术不仅是当今加工技术中的关键工艺，而且也是属于未来的加工技术。
    在生产实践中，通过高速加工，显著缩短了基本时间。然而，纯粹的高速加工其不足之处是辅助时间相对基本时间占有很高的比例（辅助时间∶基本时间从过去的7%∶93%到目前的35%∶65%，而对于铝合金材质工件的加工，该比例更高达50%∶50%），辅助时间已占到整个加工时间的（1/3～1/2）。过去的十多年中，人们特别致力于减少基本时间，而目前降低辅助时间重新又成为人们关注的重点。 

    高效加工 

    为进一步提高生产效率，近年来在采用高速加工的同时也越来越多地采用了高效加工（HPC）——通过提高单位时间材料切除量和对加工过程的全面考虑及优化，进一步降低切削过程中的基本时间和辅助时间，进一步降低加工费用。
    高效加工与高速加工不同的是，它并不只是限于提高切削速度和进给速度，而是把优化材料切除率放在首位，旨在通过提高单位时间的材料切除量和降低加工时间（基本时间和辅助时间）来进一步降低加工费用。
    材料切除率（Q）决定于侧吃刀量（ae）、背吃刀量（ap）和进给速度（vf）。对于铣削加工，进给速度（vf）又取决于每齿进给量（fz）、刀齿数（z）和铣刀的转速（n）。
    单位时间的材料切除量可用如下公式来表示：
    Q=ae×ap×vf/1000=ae×ap×fz×z×n/1000(cm3/min)
    我们从上述表达式可以看出，材料切除率与5个切削参数有关，而且高效加工并不一定包括高速加工，但也可以包括高速加工，这意味着高效加工和高速加工之间不存在明显的界限。应该指出的是，对于高效加工，不论是采用的径向吃刀量（侧吃刀量ae），还是轴向吃刀量（背吃刀量ap），均要高于高速加工所采用的吃刀量。因此，在高效加工时，刀具要承受着较高的热负荷，这就明显限制了所采用的切削速度。
    在高效切削工艺中，高效磨削和高效铣削占有重要的地位。随着超硬CBN砂轮的开发和应用，磨削速度和进给速度得到了大幅提高，采用高效磨削工艺，不仅具有很高的材料磨除率，并且还能达到很高的加工质量。这种高效磨削工艺，使磨削工艺从纯粹的精加工工艺发展成为一种通用的加工工艺。如采用电镀CBN砂轮磨削合金灰铸铁的凸轮轴，工件直径上的磨削余量为4.1mm，磨削速度90m/s，磨削时间只需12秒，其单位砂轮宽度的材料磨除率达到20mm3/mms。这样，采用CBN砂轮进行高效磨削，就免去了常规工艺流程中车削或铣削这样的预加工工序，而直接通过磨削实现了工件的粗、精加工。
    对于铣削加工，铣刀所能达到的材料切除率已成为衡量铣刀加工经济性的一个重要指标。近年来，诸如Franken、Fette和Iscar等许多刀具制造商相继开发出了众多的能以高进给速度进行加工的铣刀。这些铣刀的结构虽不尽相同，但他们的共同特点是具有适合于实现高速进给的刀刃几何形状。这种几何形状的特点是切削刀刃具有一个很大的圆弧半径，这不仅稍许限制铣刀的背吃刀量（ap），而且有利于获得较好的加工表面质量，以及由于铣刀较小的主偏角，使作用于铣刀上的径向切削力大大减小，从而又有利于采用很高的每齿进给量进行加工，并获得较高的材料切除率。
    Franken公司的高效粗铣用的可转位刀片Time-S-Cut，采用这种可转位刀片的铣刀与采用圆形可转位刀片的铣刀相比较，生产率可提高180%，费用可节省40%～50%。例如，采用装有三个可转位圆刀片的常规拧装式铣刀粗铣工具钢（40CrMnMoS 8 6）材质的玻璃瓶吹模，切削速度Vc=250m/min，每齿进给量fz=0.3mm，背吃刀量ap=0.75mm，侧吃刀量ae=18mm，铣削过程中采用冷风冷却。粗铣的加工时间为9分钟。而采用装有3个Time-S-Cut可转位刀片的铣刀进行同样的加工，在切削用量方面只是将背吃刀量ap降至0.5 mm，而fz则提高到1.0 mm，这时加工时间仅用了4分钟。加工时间仅为采用圆刀片铣刀时的45%，时间节省了125%。如果机床每小时的使用费用为60欧元，可转位圆刀片的价格为6.7欧元，一片Time-S-Cut可转位刀片的价格为15.9欧元，这时我们就可以计算出高效铣削节省了多少加工费用。9分钟和4分钟的机床使用费分别为9欧元和4欧元。圆刀片每个刀刃的耐用度为45分钟，加工时可转位4次，故一个圆刀片的耐用度为180分钟，一把铣刀采用3个圆刀片，9分钟的加工时间所花刀具费为6.7×3×9/180＝1.0欧元。对于一片Time-S-Cut双刃刀片的耐用度为45×2＝90分钟。其4分钟的加工时间所花刀具费为15.9×3×4/90＝2.12欧元。由此就算出采用圆刀片铣刀加工时的总费用为10欧元，而采用Time-S-Cut刀片的HPC铣削总费用为6.12欧元。采用HPC铣削的这个实例可节省39%的费用。
    最近Franken Time-S-Cut铣刀已采用新开发的4刃可转位刀片，使用时刀片可转位4次，从而更进一步提高了刀具的耐用度和经济性。
    这个加工实例是在较低轴向吃刀量（ap）的情况下，通过提高每齿进给量来获得较高的材料切除率。但也可以在稍低的每齿进给量情况下通过提高轴向吃刀量来达到较高的材料切除率。例如，德国Fette公司新近开发出的MultiEdge 4x可转位刀片，有12个台阶状刀刃，这种突出的刀刃结构特点使装有这种刀片的铣刀允许采用较大的轴向吃刀量(ap max=5mm)进行铣削。铣削时，刀片上的分屑台将切屑分成较小的切屑，这不仅便于排屑，并且提高了刀具耐用度和降低了刀具的功率消耗。此外，在铣削时振动也特别小，以及加上作为宽刃精铣用的分屑台起到修光的作用，因此，可以获得特别好的加工表面质量。 

    采用复合刀具等高效加工方式 

    从上所述可以看出，通过采用较高的切削参数，高效加工可以获得很高的材料切除率，显著地缩短了加工时间。但是高效加工并不只是采用很高的切削参数，还可以通过能显著减少辅助时间的其它加工战略来实施高效加工。即尽可能采用一把刀具或很少的刀具来实现尽可能多的加工工序，以及使工件尽可能在一次装夹下实现较多的加工工序等加工战略，来进一步降低基本时间和辅助时间。例如采用复合刀具（如复合阶梯钻、钻铣螺纹刀具和其它用于综合加工的复合刀具）、圆周进给铣削的多功能立铣刀等各种先进刀具可以显著减少换刀次数和降低辅助时间，由此显著地提高生产效率。
    复合刀具是在一把刀具上集成多个加工工序，往往在一次加工行程中实现多个加工部位的综合加工，采用这种刀具不仅免去了换刀而提高了加工精度，且可省去工序间的精度测量。从而可显著提高了生产效率。
    采用多功能立铣刀在加工中心上进行铣孔和铣槽时，同样可以减少换刀的次数。铣孔时，旋转的铣刀绕Z轴作螺旋插补运动，在一次工作行程就可以加工出所需大小的孔。例如加工直径为285mm的孔，采用160mm直径的铣刀，在一次工作行程中即可完成加工任务，这比常规工艺可节省五道扩孔工序，节省73%的加工时间。
    近年来，高效深孔钻头的问世，显著提高了深孔钻削的效率，一种由德国Ghring公司开发的双刃整体硬质合金麻花钻，在钻削孔径比（L/D）为20的深孔时，采用微量润滑（6～8ml/h），不仅采用比传统大流量湿式钻孔高10～12倍的进给速度，并且在钻孔过程中不需要进行排屑循环，由此大大提高了加工效率。并且在钻孔时钻头的径向偏移也特别小，能获得较好的表面加工质量。 

    高速加工与高效加工的不同特点及应用重点 

    在生产中，高速加工和高效加工工艺获得了广泛推广和应用，这两种工艺的共同特点是能显著降低加工时间，缩短生产工艺流程。而不同的特点是高速加工是采用高的切削速度，目的在于获得高的表面质量和简化工艺流程，因此高速加工更多的是适用于精加工。而高效加工主要是采用高的切削参数，以获得高的单位时间的材料切除量，从而显著缩短加工时间。对于以获得高的材料切除率的高效加工则适用于粗加工。在实际生产中，这两种加工工艺可以同时应用来加工一个工件，例如，加工模具时可以先采用高效加工进行粗铣（以达到高的材料切除率），而在半精铣和精铣时则采用高速加工（以获得较好的表面质量和高的加工精度）。

    结束语 

    目前，无论是流行的高速加工还是正在兴起的高效加工，都应归根于刀具技术不断发展的推动，尤其是在刀具材料、刀刃几何形状和涂层方面的不断发展和优化组合，为不断开发各种不同结构的高速和高效刀具提供了基础。生产实践表明，为显著缩短加工时间、提高生产效率和加工精度，以及降低零件的制造成本，全面推广和合理采用高速加工和高效加工新工艺是一条有效的途径。