汽車制造業中的高速加工技術

一、概述

　　面對制造行業日益激烈的國際性競爭，高速加工(HSC)已成為一個非常重要的技術研發方向。高速切削是一個相對概念。一般地，高速被定義為明顯超出普通切削速度的5~10倍。同時，高速切削不僅僅是切削速度的提高，還需要在制造技術全面進步和進一步創新的基礎上，包括驅動、刀具材料、涂層、刀具、測試、安全等技術的重大進步，才能達到的切削速度和進給速度的成倍提高，才能使制造業整體切削加工效率有顯著的提高。


　　銑削加工

　　高速切削工藝主要有以下幾方面的優點：

　　1) 縮短生產時間。 切削速度和進給速度的成倍提高，刀具消耗工具交換時間的增加可忽略不計，空運時間減少，整體切削加工效率有顯著的提高 ，加工時間明顯縮短。
　　2) 降低制造成本。 更快的生產力必然引起制造成本的下降。
　　3) 高速切削吸收能量。 一方面減少了工件在加工過程中的發熱(特別在銑削加工中)，工件升溫小；另一方面可加工硬質材料。
　　4) 改善工件的加工質量。 加工精度和切削表面的光潔度大大提高，減少人工后加工及輔助工時。

　　把當前的高速切削水平實用化，使我國機加工整體切削效率提高1～2倍，縮小與工業發達國家的差距，是我國從事切削加工與刀具技術的專業人員在新世紀的努力目標和面臨的重大挑戰。

　　二、汽車工業中的高速加工

　　高速加工最先應用于航天技術領域，主要加工大型整體零件、金屬去除量比較大從而生產時間比較長的工件。如今，隨著新的工藝不斷采用，超硬材料刀具、涂層刀具與合金材料刀具的不斷開發，高速加工在普通加工中也變得愈發重要。汽車工業中的高速加工中心、高速外銑、CBN砂輪高速磨削等應用十分普遍。

　　曲軸磨床CBN高速磨削

　　汽車制造業在高速加工的應用中以電主軸實現主軸高速和以直線電機實現高直線移動速度為主要特征，目的是力圖用高主軸轉速和高速直線進給運動的單主軸加工中心來替代多主軸但難以實現高主軸轉速和高速進給的組合機床。主軸最高轉速一般可達60000r/min，最大進給速度100m/min左右。電主軸融合了許多尖端技術，如一般采用復合陶瓷材料或電磁懸浮的高速軸承、高速電機技術、定時定量油氣潤滑、自動換刀裝置等等。

　　也有一些公司為降低成本，不用直線電機，而采用中空通冷卻液、加大直徑和加大導程的滾珠絲桿。

　　上海大眾在發動機制造過程中，逐步采用高速加工中心。

　　1 銑削加工

　　目前汽車工業中缸體、缸蓋大平面加工一般使用銑削技術。以灰鑄鐵材料缸體在高速加工中心上的銑削加工為例，采用了立方氮化硼(CBN)刀片，其切削速度可達到700～1500m/min(見圖一)。

　　銑削的生產效率大大提高，經綜合國內國外銑削缸體平面的切削用量見表1。在該工序中，安裝了切屑回收裝置，可消除切屑飛散造成的機械故障，減輕機床清潔保養作業的強度，從而提高設備運轉率。

　　對于鋁合金缸體、缸蓋均采用面銑刀進行高速切削加工。采用PCD刀片，銑刀直徑逐漸縮小，并向多工位復式加工發展。

　　2 磨削加工

　　曲軸加工中應用高速磨削，可大大提高加工柔性，CBN砂輪每修整一次，可加工600～800件曲軸(見圖2)。

　　凸輪軸采用CBN砂輪高速磨削已普遍在使用。 在外圓磨削中采用了JUNKER公司的點磨技術。其使用CBN砂輪在一次夾緊工件的條件下對凸輪進行加工。它具有高切削功率，高精度的工件幾何外形，均勻的高精度尺寸及外表面質量等優點。

　　3 車-車拉結合高速外銑

　　車車拉工藝將車削和車拉工藝結合在一起，使加工的柔性增大。不但可加工曲軸的主軸頸、連桿頸、法蘭和皮帶輪軸頸，而且還可同時加工軸頸的外圓軸肩、圓角或沿割槽。結合曲軸的高速外銑后可大大節省加工時間。

　　高速外銑

　　4 鉆削加工

　　在發動機生產過程中，孔加工的比例也比較高。尤其是缸蓋和缸體的孔加工作業量比較大。其中鉆削加工約占60%，其次為鏜削加工、攻絲加工。高速鉆削加工主要注意提高排屑性能，提高工具剛性，防止鉆尖過熱，回轉平衡性等問題。以上各點均需根據被加工材料特性采取相應措施。

　　三、切削刀具的應用

　　高速加工的發展史，就是刀具材料不斷進步的歷史。上海大眾建成初期采用的大部分刀具均為進口，國產化工作不斷取得突破，現在應用比較普遍的刀具主要有CBN和PCD刀具、涂層硬質合金刀具、陶瓷刀具等。

　　1 CBN及PCD刀具

　　高速切削的代表性工具材料是CBN以及PCD。端面銑削使用CBN刀具時，其切削速度可高達5000m/min。用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齒輪(60HRC)內孔，代替磨削，表面粗糙度可達0.22μm，已成為國內外汽車行業推廣的新工藝。凸輪軸和曲軸也采用CBN砂輪進行高速磨削；在缸體、缸蓋鋁合金材料銑削加工中則廣泛采用PCD刀具，考慮到高速回轉時將會產生很大的離心力，因此刀體采用高強度鋁合金材料制作(見圖4)。

　　凸輪軸CBN砂輪

　　2 硬質合金刀具及涂層技術

　　硬質件切削是高速切削技術的重要應用領域，即用單刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比傳統的磨削加工效率高，而且簡化了工藝方法和工藝環節，不僅節約了成本，而且更加柔性化。

　　在鉆削和銑削加工中，超細晶粒硬質合金適合于大多數應用，它們同時具有較高的韌性和優異的耐熱性，從而可將有利的切削刃槽形與較大的前角及后角融為一體，這些特征的直接反映是降低了切削力和切削溫度；在攻絲時，特別高的扭矩以及在較高切削速度下升高的溫度需要采用非常堅韌卻具有高耐熱性的切削材料。

　　我們采用內冷的硬質合金鉆頭代替過去的高速鋼鉆頭進行孔加工，攻螺紋也采用硬質合金絲錐來提高速度，曲軸攻螺紋甚至采用無切削擠壓式絲錐；凸輪軸軸頸加工現改用硬質件加工方式，刀具一次加工就可達到要求的表面光潔度，不需要再進行磨削。

　　為使切削工具既作到價格低廉，又具備優異的性能，可有效降低加工成本的技術，目前當首推涂層技術。現在高速加工使用的立銑刀，大都采用TiAIN系的復合多層涂鍍技術進行處理。

　　3 刀具夾持系統

　　刀具的夾持系統是支撐高速切削的重要技術，以前使用的7:24大錐度刀柄，軸向定位精度低，剛度差，在高速時主軸孔大頭在離心力作用下“張口”，使其剛度進一步降低，且不安全。目前兩面夾緊式工具系統被廣泛應用，上海大眾發動機廠大量采用了HSK工具系統。這種短錐柄采用錐面和端面同時定位，軸向重復精度比7:24刀柄提高3倍，達0.001mm，有效防止了軸向的竄動；徑向跳動提高2~3倍，達0.003mm，提高了抵抗徑向切削力的能力。刀具與夾具回轉平衡性能的優劣，不僅影響到加工精度和刀具壽命，而且也會影響機床的使用壽命。