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我国高速加工技术现状及发展趋势（1）

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:48:41

摘要:高速加工是以较快生产节拍进行加工，提高切削和进刀速度是高速加工技术的重要环节。高速加工技术的发展涉及到零科毛坯、刀具、机床、自动控制与检测等多种技术的综合优化，需要变革传统的机加工工艺路线。我国引进的轿车零部件数控自动生产线上已广泛应用高速加工技术，其主要目的是在确保产品质量的前提下，尽量缩短零件的机加工工艺路线，加快生产节拍(轿车发动机生产节拍已缩短为30秒)，满足轿车高质量、高速率、低成本、大批量、杜会化生产的技术要求。高速加工技术必将带动零件毛坯制造、刀具(工具)、数控机床、自动控制、在线检侧、材料等技术的发展与进步。随着我国制造业加快融人全球化生产制造体系，预计高速加工技术将在信息化、柔性化机械加工领域得到进一步发展和推广应用。
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。一个生产节拍包括零件送进－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－质量检测等基本生产环节。高速切削则是指刀具切削刃相对于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)，它是高速加工系统技术的一个子系统。对于整条生产自动线而言，高速加工技术表征为以较简捷的工艺流程和较短、较快的生产节拍进行生产加工。要实现高速加工，就必须突破传统机械加工的观念，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、一刀多刃的加工方式；或以车、铰、铣削替代磨削；或以拉削、搓、挤、滚压等加工工艺替代滚、插、铣削等加工工艺，尽可能缩短整条生产线的工艺流程。对于某一产品而言，高速加工技术体现为企业以较短的生产周期完成产品的信息采集与处理、设计开发、加工制造、市场营销及信息反馈，它与敏捷制造工程技术理念具有相似之处。
高速加工技术是在近代动态多变的全球化市场经济环境下应运而生的。在激烈的市场竞争中，要求企业以质量高、成本低、服务优、交货及时、更新换代快、有利于环保的产品及时满足市场不断变化的需求，由此推动高速加工技术不断发展。自二十世纪八十年代起，高速加工技术在金属(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的基础上逐步发展成为一门综合性系统工程技术，现已广泛应用于生产工艺流程型制造企业(如现代轿车生产企业等)。随着对个性化产品的市场需求不断增加，多品种、单件小批制造加工模式具有巨大发展潜力(在机械制造业中，这种生产模式将占到总产值的70%)，因此，高速加工技术必将在生产工艺离散型或混和型企业(如模具、能源设备、船舶、航天航空等制造企业)中得到大量应用和进一步发展。
二十世纪末期，随着我国经济体制的转轨和市场化进程的不断加快，我国机械制造业大量引进和开发先进的数控自动生产线、数控机床(设备)、刀具(工具)等，同时，包括高速加工技术在内的先进制造技术及其相关的生产模式、管理技术等也在企业中得到日益广泛的应用，并展现出良好的发展前景。
2．我国引进轿车数控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具有先进水平的轿车数控自动生产线，使我国轿车制造业实现了跨越式发展。其中较典型的有从德国引进的一汽一大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线。这些生产线具有二十世纪九十年代中期国际先进水平，其中大量应用了现代高速加工技术。本文重点介绍一汽一大众捷达轿车的发动机、传动器生产线，从中可对高速加工技术的现状及发展趋势有一些初步了解。
2.1 一汽－大众捷达轿车数控自动生产线概况
一汽－大众捷达轿车数控自动生产线由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，与生产线同步引进了德国大众汽车公司的并行工程管理技术与管理模式，经营管理各条自动线的生产运行，年产轿车能力为15万辆，制造节拍为1.50min/辆。发动机、传动器生产线共拥有627台各种机加工设备，其中进口设备253台，国产设备374台，基本上属于数控刚性自动生产线。该生产线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传动器，年产发动机27万台、传动器18万台，生产节拍为30～40s/台，其中自行制造发动机零件9种、传动器零件27种，其余零件社会配套。生产线部分采用了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的先进技术水平。轿车产品营销以国内市场为主。由于不拥有产品自主知识产权，因此新车型的研发主要是在现有一汽－大众捷达轿车生产自动线的基础上，持续从德国大众汽车公司引进相关技术和资料(上海大众桑塔纳轿车自动生产线的情况与此类同)。
2.2 轿车发动机、传动器零件毛坯制造概况
一汽－大众捷达、奥迪轿车发动机、传动器关键零件的毛坯均为精密铸造成型的高强度铸铁、铸铝件以及精密模锻的结构钢件，部分零件毛坯采用了精密粉末冶金烧结成型工艺。为满足高速加工的需要，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(±0.3mm)以内。在生产线运行初期，零件毛坯主要依靠进口。自1997年起，国内相关企业经多次攻关，先后解决了批产零件毛坯的精密成型工艺技术、零件材料各
化学元素的选配及热处理工艺等技术难题，达到了高速加工自动生产线对零件毛坯材料可加工性、尺寸精度一致性要求的技术指标，目前传动器零件毛坯国产化率已达95%以上。
2.3 轿车发动机、传动器生产线的高速切削刀具、机床及加工工艺
在一汽－大众捷达、奥迪轿车发动机、传动器生产线上，所用的切削刀具、辅具(工具)基本上均为进口产品(来自49个外国公司)，关键工序的设备(机床)也大多为进口专用刚性数控产品。其典型技术特点分述如下。
(1)刀具材料的选用
生产线所用刀具材料以超硬材料为主。采用CBN、SiN陶瓷、Ti基陶瓷、TiCN涂层刀具加工高强度铸铁件，铣削速度达2200m/min；采用PCD、超细硬质合金刀具加工高Si-Al铸件，铣削速度达2200m/min，钻、铰削速度达80～240m/min；采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷、TiCN涂层刀具加工精锻结构钢件，车削速度达200m/mir；采用高Co粉末冶金高速钢(表面涂覆TiCN涂层)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。
(2)刀具典型结构与加工工艺
零件孔加工刀具主要采用多刃复合式结构(刀刃机夹、镶焊组合)，以铰、挤削替代磨削，在一次走刀过程中完成孔的精加工，转速达3000r/min，走刀速度达1.5～3m/min，精度可达5～7级，表面粗糙度Ra0.7μm枪钻转速达8000r/min，Ra2μm；零件平面铣削刀具多采用密齿、过定位、重复夹紧结构的径向、轴向双向可调高速密齿面铣刀，直径φ250～400mm，轴向跳动＜±0.0025mm；零件装配平面的加工采用以铣代磨，表面粗糙度Ra0.7μm，不平度＜0.02mm；曲轴主轴颈、连杆轴颈的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片硬质合金涂层刀片每10片为一组，切削速度150m/min，快进速度4.6m/min，切削余量1.5～3mm(径向)，班产量350件；曲轴主轴轴承盖的加工采用侧置、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，班产量1750件，拉削余量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度为1800mm的筒式专用外拉刀一次走刀拉削成形，拉削速度l0m/min，三工位班产量1440件；发动机5种传动轴上花键齿形(m＝0.8mm)的加工采用双工位、成对配置的搓、挤无屑加工专用刀具，通过一次往复运动将花键齿形搓挤成形，班产量800件；传动器齿轮的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，班产量800件；差速器壳体内球面的镗削加工通过主轴内置式机床推拉杆的轴向往复运动，带动镗刀头作二维半圆轨迹移动，并叠加壳体回转运动，一次走刀完成球面成形镗削加工；缸体汽缸孔的镗削采用双工位加工，由主轴内置式机床的推拉杆机构作轴向往复运动，往走刀完成粗镗，复走刀完成精镗，切削速度达800m/min；零件轴端头外圆柱面的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，可替代单刃车削加工工艺。与上述结构类似的专用高速、高效刀具还有很多，它们与相应的专用数控机床组合成各个加工工位，生产节拍为20～40s。加工后零部件的精度与质量60%～80%取决于数控机床及专用刀具的精度与质量，20%～40%取决于零件毛坯的精度与质量。在生产流程中，质量监测工序为机后抽检。
发动机、传动器两条生产线共有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、复合式孔加工刀具等组成高速工具系统，完成250多个工序、工位的切削加工，其高速动平衡精度≤2.5G。
(3)高速加工专用数控机床
一汽－大众轿车发动机、传动器关键零部件的多数加工工艺突破了传统的机加工理念，其专用高速数控机床的结构设计也不同于传统机床的结构形式。概括地讲，机床结构设计原则是以各种高速多刃专用成形刀具和加工工艺为主导，以满足生产线各加工工序、工位生产节拍均衡以及加工精度要求与质量稳定性为前提，在一次往复走刀过程中高速完成发动机、传动器各零部件的加工。设计时，对于机床数控系统性能、加工精度与质量稳定性、零部件材料性能等各项技术参数，均按各加工工序、工位的具体技术要求分解为单一的技术指标，因此机床结构设计简捷、数控系统稳定可靠，其加工工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等特性，机床主轴转速一般在6000r/min以下，快进速度一般在20m/min以内。现分别以安装筒式外形拉刀的拉削专用数控机床和曲轴加工专用数控车－拉机床为例作一分析。拉削专用数控机床的结构特点为:在三台推力为60余吨的液压千斤顶上固定竖装三把柱状专用外形拉刀筒体，通过PC机数控，将同步齿圈座零件半成品间歇式地自下推入、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120°三等分直槽的拉削加工工序。一台专用数控机床的生产率即可替代由13～16台高速滚齿机、插(铣)床组成的生产线。专用数控车－拉机床的结构特点基本上是由中型数控车床改型变化而成的专机，其专用数控系统可保证被加工曲轴的回转速度和转角与盘式车－拉刀的加工动作(刀齿每隔9°作间歇式转角，逐刃跟进完成车－拉削)协调一致，曲轴每回转一圈，车－拉刀完成一次往复分度90°的车－拉削加工。工件的加工精度与质量主要取决于盘状车－拉刀的径向精度以及机床的进刀定位精度。一台双工位专用数控车－拉机床可替代10台以上数控成形车床和5台以上内铣式曲轴加工机床。该生产线上的专用数控机床均要求具有足够的刚度和功率，主轴回转精度达到2～5μm，定位精度达到土2～5Nm，直线运动精度达到5～1Oμm/300mm。
一汽－大众数控轿车生产线还配备有激光焊接、激光表面淬火等特种数控专用设备。
纵观一汽－大众轿车发动机、传动器生产线应用的机械制造工艺技术，虽然其刀具切削与进给速度尚未达到某些论文中介绍的高速切削概念指标，但其生产节拍与效率已属于高速加工范畴。在生产实践中，这种切削速度相对较低但生产效率很高的加工模式同样具有强大的市场竞争能力。
我国引进的各条轿车自动生产线的管理、决策机制以及产品设计、加工技术基本上是引用相应外国公司的模式。由于主要的加工技术、工艺数据库大都固化在各种专用机床的数控系统内，因此我们对许多关键技术往往知其然而不知其所以然，这就使引进技术和产品的国产化工作常常处于“照葫芦画瓢”的被动模仿状态。今后，随着对轿车个性化产品的社会需求量不断增加，缺少自主知识产权及系统研发能力的企业将在市场竞争中始终处于下风。要解决这一问题，必须下大力气深人、系统、有针对性地研究开发轿车制造的基础共性技术源头技术。
未完待续

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