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我國高速加工技術現狀及發展趨勢

更新日期:2006-09-05  作者:成都工具研究所 梁彥學,一汽大  來源:中國工具信息網

1 引言

    對于機械零件而言,高速加工即是以較快的生產節拍進行加工。一個生產節拍:零件送進--定位夾緊--刀具快進--刀具工進(在線檢測)--刀具快退--工具松開、卸下--質量檢測等七個基本生產環節。而高速切削是指刀具切削刃相對與零件表面的切削運動(或移動)速度超過普通切削5~10倍,主要體現在刀具快進、工進及快退三個環節上,是高速加工系統技術中的一個子系統;對于整條生產自動線而言,高速加工技術表征是以較簡捷的工藝流程、較短、較快的生產節拍的生產線進行生產加工。這就要突破機械加工傳統觀念,在確保產品質量的前提下,改革原有加工工藝(方式):或采用一工位多工序、一刀多刃,或以車、鉸、銑削替代磨削,或以拉削、搓、擠、滾壓加工工藝(方式)替代滾、插、銑削加工…等工藝(方式),盡可能地縮短整條生產線的工藝流程;對于某一產品而言,高速加工技術也意味著企業要以較短的生產周期,完成研發產品的各類信息采集與處理、設計開發、加工制造、市場營銷及反饋信息。這與敏捷制造工程技術理念有相同之處。
    高速加工技術產生于近代動態多變的全球化市場經濟環境。在激烈的市場競爭中,要求企業產品質量高、成本低、上市快、服務好、環境清潔和產品創新換代及時,由此牽引高速加工技術不斷發展。自二十世紀八十年代,高速加工技術基于金屬(非金屬)傳統切削加工技術、自動控制技術、信息技術和現代管理技術,逐步發展成為綜合性系統工程技術。現已廣泛實用于生產工藝流程型制造企業(如現代轎(汽)車生產企業);隨著個性化產品的社會需求增加,其生產條件為多品種、單件小批制造加工(機械制造業中,這種生產模式將占到總產值的70%),高速加工技術必將在生產工藝離散型或混和型企業中(如模具、能源設備、船舶、航天航空…等制造企業)得到進一步應用和發展。
    二十世紀末期,我國變革計劃經濟體制,改革開放,建成有中國特色社會主義市場經濟體制。實用的高速加工技術跟隨引進的先進數控自動生產線、刀具(工具)、數控機床(設備),在機械制造業得到廣泛應用,相應的管理模式、技術、理念隨之融入企業。企業家們對現代信息技術和企業制度、機制在未來可持續發展、市場競爭中的重要地位和作用,認識日益深刻。社會主義市場經濟環境,不僅促進企業轉制、調整產業、產品結構和技改,還給企業展現出應用和發展高速加工技術良好而廣闊的前景。

2 我國引進數控轎車自動生產線中的高速加工技術

    二十世紀八十年代以來,我國相繼從德國、美國、法國、日本…等國引進了多條較先進的轎車數控生產自動線,使我國轎車制造工業得到空前發展。其中較典型的是來自德國的一汽--大眾捷達轎車和上海大眾桑塔納轎車自動生產線,其處于國際二十世紀九十年代中期水平。其中應用了較多較實用的高速加工技術。從中可部分了解到世界高速加工技術的現狀與發展趨勢。本文重點介紹一汽--大眾捷達轎車傳、發生產線。

    2.1引進的捷達數控轎車自動生產線概況
    一汽--大眾捷達轎車自動生產線由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發動機及傳動器等高速生產線組成。同步引進德國大眾汽車公司并行工程管理模式與管理技術,經營各條自動線生產運行,年產轎車能力15萬輛,制造節拍1.50分/ 輛。其中發動機、傳動器生產線共擁有627臺各種機加工設備,進口253臺,國產374臺,其基本上屬于數控剛性自動生產線。自產發動機零件9種,傳動器零件27種,其余社會配套。年產發動機27萬臺,傳動器18萬臺。生產國際二十世紀九十年代水平的4缸、6缸捷達奧迪轎車五汽門電噴發動機及配套的傳動器,生產節拍30~40秒/ 1臺,生產線部分采用風冷干式切削加工技術,其機械加工工藝流程反映了當代轎車制造業中最先進的技術水平。轎車營銷以國內市場為主。由于沒有轎車自主知識產權,新車型的研發,是以現有一汽--大眾捷達轎車生產自動線為本,持續從德國大眾汽車公司進口相關信息和技術(上海大眾桑塔納轎車自動生產線情況類同)。

    2.2一汽--大眾轎車發動機、傳動器(發、傳)零件毛坯技術概況
    一汽--大眾捷達奧迪轎車發動機、傳動器關鍵零件毛坯均為精密鑄造成型的高強度鑄鐵、鑄鋁及精密模鍛的結構鋼件,部分零件采用精密粉末冶金燒結成形工藝。其高速加工技術要求在批產工藝過程中,材料可加工性能良好、穩定,零件毛坯切削余量控制在1.2~4mm±0.3 mm以內。生產線運行初期,零件毛坯靠進口。自1997年起,國內相關企業經多次攻關,先后攻克批產零件毛坯的精密成型工藝技術、零件材料各化學元素選配及熱處理工藝技術難題,旨在達到高速加工自動生產線(技術)對零件毛坯材料可加工性、尺寸精度一致性較高要求的技術指標,傳動器零件毛坯國產化已達95% 以上。

    2.3一汽--大眾轎車發、傳生產線高速切削刀具、高速機床及加工工藝
    一汽大眾捷達奧迪轎車發動機、傳動器零部件生產線上,幾乎所有的切削刀、輔具(工具)均為進口產品(來自49個外國公司),關鍵工序的設備(機床)也是進口的專用剛性數控產品。其典型技術特點簡要分述如下:
    刀具材料的選用:以超硬刀具材料為主。采用CBN、SiN陶瓷、Ti基陶瓷、TiCN涂層刀具材料加工高強度鑄鐵件,銑削速度達2200m/min;采用PCD、超細硬質合金刀具加工高Si-Al鑄造件,銑削速度也達2200m/min,鉆、鉸削速度達80~240m/min;采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷及TiCN涂層刀具加工精鍛結構鋼零件,車削速度達200m/min;采用高Co粉末冶金表面涂覆TiCN 的高速鋼整體拉刀、滾刀、剃齒刀,以及硬質合金機夾組合專用拉刀,加工各種精鍛鋼件、鑄鐵件,拉削速度10~25m/min,滾削速度110m/min, 剃齒切速170m/min。
    刀具典型結構與加工工藝:零件孔加工刀具采用多刃復合式(刀刃機夾、鑲焊組合)結構,以鉸、擠削替代磨削,在一次性走刀過程中完成孔的精加工,轉速達3000r.p.m,走刀速度達1.5~3 m/min,精度可達5~7級,粗糙度Ra0.7μm(槍鉆轉速達8000r.p.m, Ra2μm);零件平面銑削刀具多采用密齒、過定位、重復夾緊結構,徑、軸向雙向可調的高速密齒面銑刀。直徑φ250~400mm,軸向跳動<±0.0025mm。零件裝配平面的加工,是以銑代磨,粗糙度Ra0.7μm,不平度<0.02mm;曲軸主軸頸、連桿軸頸加工,采用雙工位車一拉削專用刀具。刀盤直徑φ700mm,圓周裝有40個硬質合金涂層刀片,每10片為一組,切削速度150 m/min,快進速度4.6m/ min ,切削余量1.5~3mm/徑向,班產350件;曲軸主軸軸承蓋加工,采用側置、排列式機夾復合成形拉削專用刀具,安裝三種、共713片可轉位硬質合金涂層(TiCN)刀片,進給速度25m/min,班產1750件,拉削切削余量1.5~3mm;缸體曲軸及缸蓋凸輪軸主軸的裝配圓弧面、側面的加工,采用組合式、軸向串聯、機夾三面刃專用盤銑刀,由6~8個刀盤成組裝配,共安裝約146片機夾可轉位涂層刀片,在一次徑向走刀中,完成10個側面的銑削加工,加工余量1.5~2mm;傳動器同步齒圈座的外圈漸開線齒及三等分直槽的加工,采用長1800mm的筒式專用外拉刀,一次走刀拉削成形,拉削速度10m/min,三工位班產1440件;發動機5種傳動軸上的花鍵齒形(M=0.8mm)加工,采用雙工位、成對配置的搓、擠無屑加工專用刀具,其一次往復運動,將花鍵齒形搓擠成形,班產共800件;傳動器的齒輪加工,采用多頭小直徑涂層高速滾刀及徑向剃齒刀滾、剃成形,以剃代磨,班產800件;差速器殼體內球面的鏜削,采用機床主軸內置式、推拉桿軸向往復運動,帶動鏜刀頭二維成半圓軌跡移動,疊加殼體廻轉運動,一次走刀完成其球面成形鏜削加工;缸體汽缸孔鏜削采用雙工位、機床主軸內置式、軸向往復運動推拉桿機構,往走刀--粗鏜,復走刀--精鏜,切削速度達800m/min;一些零件的軸端頭外圓柱面加工,采用成形組合外圓銑、鉸削專用工具,一次走刀多刃銑鉸削完成外圓、端面粗加工,替代單刃車削加工工藝。…上述專用高速、高效刀具結構不勝枚舉,與相應專用數控機床組合成的各加工工位,生產節拍為20~40秒。零部件的精度與質量60%~80% 決定于這些專用刀具及數控機床的精度和質量,20%~40%決定于零件毛坯的精度與質量。生產流程中,質量監測工序為機后抽檢。
    發動機、傳動器二條生產線共有250多臺數控機床采用HSK高速空心工具柄,共計6個規格:32#、40#、50#、63#、80#、100#,其中以40#、50#、63#三種規格使用數量最多。HSK空心工具柄與上述各種多刃專用銑刀、復合式孔加工刀具組成高速工具系統,完成250多個工序、工位切削加工,其高速動平衡精度為≤2.5G。
    高速專用數控機床:一汽--大眾轎車發動機、傳動器關鍵零件的多數加工工藝突破了傳統機加工理念,其高速專用數控機床也突破了傳統結構設計形式。概括講,其機床結構設計是以各種高速多刃專用成形刀具和加工工藝為主導,以滿足整條生產線各加工工位、加工工序生產節拍均衡及穩定的質量與精度要求,在一次往復走刀過程中,高速加工發動機、傳動器各種零部件而構思設計和制造的。對機床數控系統、質量與精度、零部件的材料性能…等各項技術參數,是以各加工工位、工序的具體技術要求,進行分解成各個單一的技術指標,因而機床結構相對簡捷、數控系統穩定可靠,其加工技藝數據庫固化在數控系統中。這些機床一般都具備動態剛度好、主軸回轉和行程定位精度高的特性。機床主軸轉速一般在6000r.p.m以下,快進在20m/min以內。由于篇幅有限,只能選其一、二簡要概述。
    安裝筒式外形拉刀的專用數控機床及曲軸專用數控車--拉機床較為典型。前者的結構特點是:在三臺60多噸推力的液壓千斤頂上固定豎裝三把柱狀專用外形拉刀筒體,在數控(PC機)下,將同步齒圈座零件半成品,間歇式自下推入,由上頂出,使零件彼此摞疊逐一拉削、并全程通過拉刀筒體,完成該零件外圈漸開線直齒及1200三等分直槽的拉削加工工序。一臺專機生產率可替代由13臺---~16臺高速滾齒機、插(銑)床組成的生產線;而后者的結構基本上是一臺將中型數控車床改形而成的專機。其專用數控系統使曲軸回轉的速度和轉角,與盤式車拉刀齒的每90間隙式轉角、逐刃跟進成車拉削的加工動作相匹配,使二者各自在回轉一圈與往復分度900的車拉削加工運動過程中,動作相互協調、和諧。其工件的質量、精度基本決定于盤狀拉刀徑向精度及專機進刀定位精度。一臺雙工位車--拉數控專機可替代10臺以上數控成形車床和5臺以上內銑式曲軸加工機床。該線其它專用數控機床一般都要求剛度、功率足夠,主軸回轉精度達到2~5μm,定位精度:±2~5μm,直線運動精度:5~10μm/300mm。
    一汽--大眾數控轎車生產線還設有激光焊接、激光表面淬火…等特種數控專用設備。
    縱觀一汽--大眾發動機、傳動器生產線機械制造工藝技術,其刀具切削與進給速度未達到某些論文中介紹的高速切削概念指標,但其生產效率是屬于高速加工的范疇。在生產實踐中,這種相對低速切削而高效的加工技術,通過了市場競爭環境的嚴格考核。
    我國所有引進的各條轎車自動生產線的管理、決策機制及產品設計分析、加工工藝技術基本上引用相應外國公司的模式和樣品。其加工技藝數據庫都是固化在各臺專用機床的數控系統內,我們對此往往知其然而不知其所以然。原因在于未深入、系統、有針對性地研究那些基礎共性技術,使引進產品國產化工作,在技術上處?quot;照瓢畫葫蘆不知究里"的被動狀態。研發轎車的源頭技術,基于"買來主義"。今后隨著轎車個性化產品的社會需求大量增加,缺少自主知識產權及系統研發能力的企業,在市場競爭中,將始終處于下風。

    2.4我國其它行業高速加工技術概況
    在我國航天、航空、汽輪機、模具…等行業,程度不同地應用了高速加工技術,其間的差距在于國家對該行低度胱式稹⒁日叩鬧С侄嚶肷伲約捌笠導頤嵌愿咚偌庸は低臣際躒鮮兜納鈑肭場O嘍雜誚緯抵圃煲刀裕飫?a href='http://www.rguyh.icu/mech_article' target=_blank>機械制造行業基本上是屬于工藝離散型制造業。其高速加工技術主要表征在對高速數控機床與刀具技術的應用上。目前已引進的加工中心、數控鏜銑床主軸轉速一般?000r.p.m(極少有12000r.p.m),快進速度≤40m/min。對高Si-Al鑄鋁、鍛鋁合金體,高強度鑄鐵及結構鋼件,多采用超細硬質合金、TiCN及TiAlN(進口)涂層硬質合金刀具材料和標準結構各類刀具加工。超硬刀具材料及專用結構刀具應用還較少,加之機床主軸轉速偏低,一般不能進入高速切削領域。以銑削加工為例,這些行業加工鋁合金工件:切削速度<1000 m/ min,進給速度<15 m/ min。每齒進刀<0.35 mm。車削:切削速度<700 m/ min。銑削鑄鐵、結構鋼(含不銹鋼)工件:切削速度<500 m/ min,進給速度<10m/ min,每齒進刀量<0.3 m m。上述行業中,企業內生產管理局網、網絡經營管理決策系統及生產技藝數據庫技術的應用方面,處于初級階段。基本上都沒有外聯生產經營通訊網絡。數控設備利用率僅為25%左右。預計"十五"期間,隨著我國加入WTO,在外來高速加工技術及全球化、區域化市場經濟的沖擊下,上述行業將會在應用高速加工技術方面發生跳躍式的進步與發展。

    2.5與國外的差距
    由于種種原因,我國一些高速加工技術基礎共性技術研究沒有優化、集成和推廣應用。國內企業大都從外國引進高速加工技術,存在差距理所當然。在此試述如下:
    零件毛坯制造技術:零件毛坯材料的選擇、成形工藝技術的優化,直接影響到后序機制工藝過程、生產節拍快慢和產品質量、成本,是產品全生命周期的起點。國內少有科技人員下功夫去潛心系統研究。跟蹤國外的快速成形工藝技術還未真正實用于企業生產流程中。更少有人從綠色制造、環保角度研討零件毛坯制造系統技術的變革與發展。
    高速刀具技術:差距主要表現在高性能刀具材料的研發(含表面涂層材料)、刀具制造工藝技術、刀具安全技術及刀具使用技術等領域。
高速機床技術:在市場經濟引進技術設備的帶動下,我國高速機床技術有了長足進步,差距在于機床關鍵功能部件的研發上,落后于市場需求。如轉速20000 r.p.m以上的大功率高剛度主軸、無刷環形扭矩電機、直線電機、快速響應數控系統…等在實用上處于空白;多功能復合機床設計、制造網絡、通訊網絡技術的應用,還處于初級階段……等。
    生產技藝數據庫:國內制造企業(尤其是國營企業)普遍未重視建立自身企業(行業)生產技藝系統數據庫,其中包含制造工藝流程及相關的技藝(Know How)、金屬(非金屬)切削數據庫、專家機制知識庫、企業內外有效資源數據庫……等。
    高速切削機理的基礎共性技術研究也處于初級階段。

    2.6高速加工、高速切削技術的誤區
    其一,高速機床技術=高速切削技術=高速加工技術;其二,高速加工技術放之企業而皆準。這兩種觀點,其實不然。機床主軸廻轉、直線運動速度高,不一定就是在進行高速切削(或加工),要考察刀具的直徑、刃齒數、零件表面狀況…等多方具體情況而論,反之亦然;高速加工技術放之企業不一定都準。要視產品的技術附加值多與少、加工技藝要求、市場需求、企業所擁有的人力、物力、技術及管理模式與管理技術…等具體情況而定。在企業技改中,對其引進、應用切不可盲從,更不?quot;邯鄲學步"。

3 高速加工技術發展趨勢

    3.1概述
    在社會生產中,機械制造業技術進步的源頭,存在于人類不斷解決由零件(產品)與刀具(工具)所組成一對技術矛盾的過程中;機床(設備)技術的發展,就是滿足零件(產品)的生產過程中,有關零件精度(質量)、生產率、生產成本、刀具(工具)軌跡及其它特種性能…等各方面的技術要求,廣義而言,機床(設備)也同屬工具類產品。機制科技領域里,零件(產品)、工具(刀具)與機床三者技術連體。研討高速加工技術時,要三位一體系統分析、考察;在當今信息時代,研討高速加工技術,必然要涉及到信息技術、自動化技術、經營管理技術及系統工程技術。信息技術內涵:以計算機技術為基礎的各類信息采集與處理技術、網絡通訊技術及各類數據庫的組建與運行技術等;自動化技術內涵:控制過程的數字化、智能化及信息化;經營管理技術含:以網絡通訊技術為基礎,企業運行機制與管理模式、產品市場營銷理念與技術、對各類信息采集、處理、決策和生產全過程的控制(綠色制造),以及本企業內外各類有效資源的集成與優化處理等。系統工程技術內涵豐富:企業與社會之間,產品制造與市場營銷、環保、生態平衡之間,各科技領域之間,各類產品之間的配套思維與操作運行…等都可具體化為某一系統技術工程,其中的每一環節即可為子項內容。
    我國的企業家們要應用高速加工技術,必備上述信息時代四個科技領域的科普基礎知識。

    3.2 二十一世紀企業內高速加工系統工程技術的內涵

二十一世紀企業內高速加工系統工程技術的內涵示意圖

    圖示,其由九個板塊、三個交叉貫聯的封閉環組成:企業的人/組織機構處于環的中心;產品、刀具工具、網絡經營管理決策系統及外部網絡門戶網站四板塊組成垂直信息平臺;網絡經營管理決策系統、外部網絡門戶網站、生產管理局網、生產技藝數據庫、CAD/CAM/CAE、機床量儀六板塊組成水平支撐平臺;產品、生產管理局網、CAD/CAM/CAE、生產技藝數據庫、刀具工具、機床量儀組成運行平臺,八個板塊均由雙剪頭指向封閉環心。
    當今的科技和企業均是以人才為本,組建相應的組織機構、管理模式與技術,才能健康經營與發展。故其處于環體的中央,交互聯絡、運行各板塊,使人、機、信息有機地融合;在全球化、區域化制造環境中,企業以贏利產品立足市場,以刀具工具、機床量儀為機制基礎,而信息平臺、支撐平臺共同交互完成企業內、外各類信息的通訊、采集、處理,對市場需求快速反應、決策,對企業的各類資源優化、配置、調度與經營銷售,保持企業的柔性、健壯性與敏捷性,雜檬諧【赫輝誦釁教ń笠的詰木霾摺⑸蘋⑸芾懟⒓捎胗嘔試礎茸酉罹嚀迨凳┯朐誦校芾磧胗嘔笠的詬魘菘狻?
    利用并通過網絡經營管理決策系統、外部網絡門戶網站、生產管理局網,企業還可與外界以網絡通訊方式,實現區域性網絡化生產和組建動態網絡聯盟企業,進而實施電子商務。

    3.3高速加工系統工程技術發展趨勢及應用前景簡要
    在全球一體化制造環境里,高速加工系統工程技術必然在各類制造企業中得到更廣泛應用。在二十一世紀,我國對其實用將呈跨越式的進步與發展。就其簡要分述如下:
    零件毛坯制造技術:快速成形技術的實用化,將進一步提升目前的精鑄、精鍛及其它成形制造技術,使其幾何尺寸精度能滿足少無切屑加工的要求,其材料的選擇將適應綠色制造工程的技術要求,零件材料的可加工性能將適應高速工削技術要求;
刀具技術:制造業中將普遍應用高速(超高速)干式切削技術。超硬刀具材料的應用、復合(組合)式各類高速切削刀具(工具)的結構設計與制造技術,將成為刀具(工具)品種發展的主導技術。其中無屑加工工藝的搓、擠、滾壓成形類刀具(工具)應用會更加廣泛;超硬刀具材料將在各類刀具的涂層材料、SiN陶瓷及Ti基陶瓷領域發展更快、應用更加廣泛;
    機床技術:隨著數控系統,關鍵功能部件、網絡通訊技術的進步與完善,企業將促使多軸聯動、多面高速加工中心,銑、車功能為一體的復合加工中心技術達到實用化;相應出現各類數控專用高效率加工機床;將更加廣泛應用激光技術于機械成形加工、切割加工領域;機床數控系統的功能將可實施網絡化通訊與生產,進一步提升數控機床的利用率;
    自動生產線:將以各類高速加工中心組成,大力發展柔性、敏捷制造工程技術;
    測量技術:隨著高速加工系統工程技術廣泛應用,數字化CCD激光圖形處理測量技術和隨機在線高速測量技術將廣泛應用于柔性數控生產線及數控專用高效率加工機床上;
    網絡技術:將在不斷進步的計算機技術支持下,大力發展寬帶網及網絡安全技術。

4 結語

    高速加工技術為機械制造企業快速響應市場信息提供了強有力的支持。而機械制造中,要實現高速加工,必須集成、優化多學科領域的基礎科研與知識,實施系統工程技術。進入二十一世紀,隨著加入WTO,我國正逐步融入全球化生產制造的序列中,隨著國外先進制造技術設備大量引進及大力實施國家"863"、 創新基金、國家重大科技產業工程項目…等重大科技計劃,綜合科學技術水平將日益提高,高速加工技術在國內機械制造業將日趨實用與普及。

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