我国高速加工系统工程技术现状及发展趋势(一)

作者：成都工具研究所 梁彦学

一、引言

    高速加工的概念有3个层次。对于某种机械零件而言，高速加工就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7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。对于整条自动生产线而言，高速加工的表征是以简捷工艺流程，以较短、较快的生产节拍的生产线进行生产加工。这就要求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），尽可能地缩短整条生产线的工艺流程：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）。对于某一产品而言，高速加工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、市场营销及反馈相关信息。这与敏捷制造工程技术理念有相同之处。

    高效加工与高速加工虽是一字之差，笔者认为其间内涵相差较大：一般而论，高效加工是泛指在确保零件质量的前提下，针对零件不同的特性、不同的要求，在预定时间内，快速而又经济地去除零件毛坯的余量。高速切削是其中的加工工艺之一，高效加工工艺还包括少无切削加工工艺（搓、挤、滚压加工工艺）、特种加工工艺（溶解、熔化、复合、综合、堆积、特种机械加工等）。

    高速加工系统工程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，要求企业的产品质量高、成本低、上市快、服务好、环境清洁和产品创新换代及时等，由此牵引高速加工技术不断发展。自20世纪80年代，高速加工技术基于传统金属（非金属）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不断增加，其生产条件为多品种、中小批量制造加工（在机械制造业中，这种生产模式将占到总产值的70%左右），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。

    20世纪末期，我国改革开放，变革计划经济体制，逐步建成有中国特色社会主义市场经济体系。实用的高速加工系统工程技术跟随着引进的先进数控自动生产线、刀具（工具）、数控机床（设备），在我国机械制造业中得到广泛应用，企业也融入了相应的现代管理模式、理念。企业家们对现代企业管理制度、机制和现代信息技术在未来对企业的可持续发展、市场竞争中的重要地位和作用，认识日益深刻。我国的社会主义市场经济环境，不仅促进了企业转制、技改和调整产业、产品结构，还为企业应用和发展高速加工系统工程技术展现出了良好而广阔的前景。

    二、引进轿车数控自动生产线中的高速加工技术

    20世纪80年代以来，我国相继从德、美、法和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，其技术水平处于国际20世纪90年代中期水平。

    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。同步引进了德国大众汽车公司的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1.5分钟/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，其余为社会配套。年产发动机27万台，传动器18万台。生产国际20世纪90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/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。

    一汽大众的捷达和奥迪轿车发动机、传动器关键零件毛坯均为精密铸造成形的高强度铸铁、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±0.3mm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。

    在一汽大众捷达、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。

    1. 刀具材料的选用

    整条生产线的刀具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。

    2. 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/min，走刀速度达1.5～3m/min，精度可达5～7级，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，径、轴向双向可调的高速密齿面铣刀，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，切削速度150m/min，快进速度4.6m/min，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，进给速度25m/min，班产1750件；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，在一次径向走刀中，完成10个侧面的铣削加工；传动器同步齿圈座的外圈渐开线齿及三等分直槽的加工，筒式专用外拉刀，三工位班产1440件，一次走刀拉削成形，拉削速度10m/min；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，叠加壳体回转运动，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、高效刀具与相应专用数控机床组合成的各加工工位，生产节拍为20～40s。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＃和100＃，其中以40＃、50＃和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，其高速动平衡精度≤2.5G。

    3. 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。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/min以下，快进在20m/min以内。主轴回转精度达到2～5μm，定位精度为±（2～5）μm，直线运动精度达5～10μm/300mm。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120°三等分直槽的拉削加工工序。一台专机生产率可替代由13～16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9°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90°的车拉削加工运动过程中，动作相互协调、和谐。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。

    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。

    我国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，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，是以现有引进生产自动线为本，持续从外国汽车公司进口相关信息和技术，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，我们未深入、系统、有针对性地研究这些基础共性技术，使引进产品国产化工作处于“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”。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工程研发能力的企业，在市场竞争中始终将处于下风。

    三、其他行业高速加工技术概况

    在我国航天、航空、汽轮机及模具等行业，不同程度地应用了高速加工技术，其间的差距在于国家对该行业投入资金、引进等政策的支持多与少，以及企业家们对高速加工系统技术认识的深与浅。相对于轿车制造业而言，这类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≤8000r/min（目前少量可大于等于12000r/min），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，加之机床主轴转速普遍偏低，一般为中速切削。以铣削加工为例，这些行业加工铝合金工件：切削速度＜1000m/min，进给速度＜15m/min，每齿进刀＜0.35mm。铣削铸铁、结构钢（含不锈钢）工件：切削速度＜500m/min，进给速度＜10m/min，每齿进刀量＜0.3mm。上述行业中，企业在网络经营管理决策系统及生产技艺数据库技术的应用等方面，处于初级阶段，基本上都没有外联生产经营通信网络，数控设备利用率仅为25%左右。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系统工程技术方面出现跳跃式的进步与发展。