机床技术发展新动态系列报道之四──高速加工与下一代新机床（一）中国机床工具工业协会１９９ ４年赴美、日考察工作组以往，主轴转速达１００００ｒ／ｍｉｎ左右的中、小型加工中心还不多 见，而在近几届美、日国际机床展览会上，这样高转速的机床较为普遍，而且达２００００、４０ ０００ｒ／ｍｉｎ也已出现，最高的达６００００～１０００００ｒ／ｍｉｎ。在机床结构上，与 之相适应的主轴和电机一体化也比以往有较大的增加，直线伺服电机也已开始应用。这说明，过去 仅限于加工铝、铜等有色金属的高速加工机床，已可用于加工铸铁、钢等黑色金属，应用面在扩大 。一、四个应用领域提高效率是所有工业部门永恒的追求。可以提高生产效率的高速加工的应用领 域，应该是很广阔的。但是，在当前的技术条件下，要实现高速加工，代价还较昂贵。因而，目前 暂时还限于以下４个领域。１．大批量生产领域其典型代表是汽车工业。１９２４年，美国人创造 了组合机床生产线，首先就应用于汽车工业。只要工件结构较长期不改变，它仍然是效率极高的装 备。但是，在科学技术飞快发展、市场竞争空前激烈的今天，产品更新换代周期缩短，品种由单一 走向多元，刚性的组合机床生产线的适应范围正在逐渐缩小。在７０年代末、８０年代初，人们用 加工中心或数控三轴单元（图１）组成ＦＴＬ（柔性生产线）来替代组合机床生产线。它得到了柔 性，如一条ＦＴＬ可生产２～２０个品种，但生产率赶不上组合机床生产线。高柔性和高生产率未 能兼得。自１９８５年起，美国汽车巨头Ｆｏｒｄ（福特）公司与机床巨头Ｉｌｌｇｅｒｓｏｌｌ 公司联手，合作来寻求可以“兼得”的方案。他们分析了组合机床高生产率来自多根轴同时加工， 如果能采用高速加工，将一根主轴的加工中心的生产率提高多倍，例如５倍，虽然是顺序加工，生 产率就可赶上５根轴同时加工的组合机床。他们还分析到，除了高的主轴转速外，几倍地提高机床 直线行程的速度，即进给速度，是几倍地提高生产率的关键。经过长达８年的努力，他们已取得成 功。图１数控三轴单元以他们合作研制的ＨＶＭ８００卧式加工中心（见图２，他们称之为“高速 模块”一ＨｉｇｈＶｅ－ｌｏｃｉｔｙＭｏｄｕｌｅ，简称ＨＶＭ，意思是供组成生产线的模块） 为例，其Ｘ油行程长达８００ｍｍ、主轴功率达６５ｋｗ的大型加工中心，其进给和快速速度高达 ７６．Ｚｍ／ｍｉｎ（３０００ｉｎ／ｍｉｎ），即不到Ｉｓ即可运行ｌｉｎ。每小于ｌｉｎ的行 程运行时间，要用毫秒计算。机床工作起来，就象不切削、跑空程一样，瞬息即走完一个行程，达 到了惊人的高速。他们开发的铝汽缸孔用的单轴错缸机床，虽然一个孔又一个孔地锐，生产率赶得 上用多轴组合机床同时螳削，而且孔的表面质量和刀具费用均优于组合机床（怪后市磨时间由４５ ５降为３０５；刀具费用减小５０％）。他们强调，这不是实验室的样品，已实际应用于Ｆｏｒｄ 的生产线图２去掉罩壳的ＨＶＭ８００卧式加工中心这类高速机床的成功应用，实现了高柔性和高 生产率的“兼有”，在机床发展史上是一个重大的突破。它有利于缩短新产品上市时间，可通过逐 步增加模块的方式，逐渐通向大批量生产，还允许在大批量生产过程中改进设计。当前，Ｉｎｇｅ ｒｓｏｌｌ仍同时生产组合机床、数控三轴单元和高速模块这三种类型的机床及其生产线，以满足 用户不同的需求。据称，在其装配车间面积的占用上，高速模块已占到一半。２．工件本身或刀具 系统刚度不足的加工领域航空、宇航和其他某些工业，为了最大限度减轻重量或其它目的，采用薄 壁、细筋的构件。由于其刚度差，不允许有较大的吃刀深度，故提高效率的唯一途径是提高切削速 度和进给速度。也是在航空和宇航部门，有时为了提高可靠性和降低成本，将原有多个板金件铆接 或焊接而成的组件，改为采用整体实心材料制造。这时，大的金属切除量和薄壁的特点，也要求采 用高速加工。在Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ，已有应用于这方面的产品。其铣削最薄壁的厚度仅为ｌｍｍ 。在大型工件上进行铣槽、铣腔、钻孔等工序，刀具的尺寸极小，由细长刀具一刀柄一主轴组成的 刀具系统的刚性极差，很容易产生颤振。这时，如能几十倍地提高主轴转速，就可以避开颤振区而 进入稳定区，还可以提高加工表面质量。在这种情况下，切削速度的绝对数值并不算高，但要求主 轴转速极高。以往不少厂家采用可换的增速刀柄来解决这个问题。因其增速幅度不大，现倾向于用 高速主轴来解决。３·加Ｈ复杂曲面的领域为了避免刀具干涉，往往采用球形端铣刀加工复杂曲面 。这类刀具刃口的线速度极低，加工出来的表面粗糙度极差，往往后续以手工修光或用电加工方式 修光。这不仅耗时长，还要制造复杂的电极，而且往往破坏了形状精度。而采用极高转速的主轴加 工，可以达到要求的表面质量，省掉后续工序。现在已有复杂曲面的模具，淬火以后，用ＣＢＮ刀 具进行高速铣削，达到镜面表面质量的实例。４．难加工材料的领域有些难加工材料，如镍基合金 、钛合金和纤维增强塑料等，在高速条件下变得容易加工，刀具磨损过快的问题也大为缓解，加工 精度和工件表面质量也有明显提高。以上４个领域，以汽车工业应用最为重要。纵观机床技术发展 的历史，每次巨大的技术进步，无一不是受到汽车工业需求推动的。可以预料，高速加工在汽车工 业刚刚开始的成功应用，将给世界机床工业以巨大的撞击。二、背景条件高速加工在实际生产中的 成功应用，离不开以下这些突破。１．在切削机理认知方面的突破过去认为，切削速度越高，切削 温度也越高。经过实验业已证明，当切削速度增至一定值（Ｖ—６００ｍ／ｍｉｎ左右）后，切削 速度再增高，切削温度反而降低。产生的切＃ＩＪ热绝大部分（＞９５％）被切屑带走了。单位切 削力也有类似的规律，即切削速度超过某一数值（约３００～５００ｍ／ｍｉｎ，被切削材料不同 而略有不同）后，单位切削力开始下降。在这之后，切削速度再增加，单位切削力近似保持不变。 这两点认知上的突破使人们认识到，大幅度提高切削速度不仅是可行的，而且还是有利可图的。通 过实验现已证明：高速加工允许的进给速度比常规可提高５～１０倍，单位时间材料切除率提高３ ～６倍，而且刀具耐用度可提高７０％，加工费用减少２０％～５０％，加工表面质量可达磨削的 水平，切削力／Ｊ’３０％，有利于加工细长、薄壁类刚性差的工件；被加工工件温升较低，可减 少工件热变形，残留在工件表面上的应力极小，产生毛刺的可能也大为减少，一般可省去后续的会 毛刺工序。过去认为，高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程，而现在认为，高转速、中切 深、快进给、多行程更为有利。不仅效率更高，而且刀具寿命更长，工件表面质量更好。目前，一 般认为，最佳的切削速度为：加工铸铁８００～２０００ｍ／ｍｉｎ，钢件４００～１６００ｍ／ ｍｉｎ，铝件２５００～４５００ｍ／ｍｉｎ，钛合金１５０～１０００ｍ／ｍｉｎ，纤维增强塑 料２０００～９０００ｍ／ｍｉｎ。在Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ，“高速模块”用的切削速度为：加工 航空、宇航铝合金２４３８ｍ／ｍｉｎ，汽车铝合金１８２９ｍ／ｍｉｎ，铸铁１２１９ｍ／ｍｉ ｎ。这些均比常规高出几倍至十几倍。２·刀具材料的突破近３０余年来，刀具材料可以说有４大 突破。（ｌ）硬质合金刀具涂层技术的应用，一举将刀具硬度由１５００～１８００ＨＶ提高到３ ０００～３８００ＨＶ，且可以兼有高硬度的刃部和高韧性的基体。这在过去被认为是不可兼得的 。（２）用晶须增强陶瓷刀具，如同将钢筋加入混凝土一样增强抗弯强度。从另一个途径使得高硬 度（ＨＶ＞３０００）与高韧性可以兼有。（３）用聚晶方法使立方氨化硼（ＣＢＮ），从只当作 磨料成为聚晶（ＰＣＢＮ）而用作刀片，硬度达３５００～４５００ＨＶ。ＰＣＢＮ刀片已成为以 切削淬硬钢代磨的首选刀具。前述Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ高速镑缸机用的镇刀，用的就是聚晶（ＰＣ ＢＮ）刀具。（４）同样，用聚晶方法使人造金刚石小颗粒成为聚晶金刚石（ＰＣＤ），也是将仅 作为磨料用的人造金刚石聚晶而成为刀片，其硬度可达６０００～１００００ＨＶ。这种刀片已应 用于车刀、立铣刀、周边铣刀、钻头等，进入了高速切削有色金属领域，有时也应用于切削黑色金 属。ＰＣＢＮ和ＰＣＤ均是先制成０．５～ｌｍｍ的薄片，然后烧结在硬质合金基体上成为刀片的 ，达到兼有高硬和高韧性的目的。同时也节约了贵重物质，降低了成本。以上这些突破，使得高速 加工的难点，已不在刀具方面，而在机床方面。可以说，机床结构技术的发展已落后于刀具技术。 可以断言，要使现有刀具技术潜力充分发挥，在机床结构方面还需相当长时间的努力。电力电子（ 又称功率电子）、调速和数控技术的突破，这方面下面还要提及这里不赘述。由于以上这些进展， 为发展高速加工提供了前提条件。（待续）（编辑宋业钧）·征订·《电气传动》是天津电气传动 设计研究所主办的技术刊物。他登载电气传动自动化方面的新理论、新技术、新成果及其在各行各 业中的实际应用文章，报道国内外电气传动自动化的最新动态。主要栏目有：交流传动、直流传动 、计算机应用、自动控制、国外信息、技术讲座等。本刊创刊于１９５９年，国内外公开发行，全 国各地邮局征订。双月刊，１６开本，６４页，每期定价。３．００元，邮发代号：６—８５。《 管道技术》于１９９３年创办，本刊主要报导管道工业的设计与研究；施工与维护；仪器设备与管 件；控制与测量等科研新成果、新工艺、新技术及新产品；使用与维护；国外新技术介绍；国内外 市场动态；行业活动；企业介绍等。国内外公开发行。邮发代号：８—１４５，定价：３．８０元 （双月刊）。《机床电器》设有研究开发：工艺材料、试验检测、ＰＣ应用、数控技术、应用交流、线路分析、故障分析、探讨争呜、国外技术信息等近２０个栏目。本刊国内外公开发行，双月刊６４页，单价：３．００元，邮发代号：６２—７７。机床技术发展新动态系列报道之四──高速加工与下一代新机床（一）容易加工，刀具磨损过快的问题也大为缓解，加工精度和工件表面质量
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