高速加工技术及其在汽车制造业中的应用

高速加工技术及其在汽车制造业中的应用李道国(441004神龙汽车有限公司襄樊工厂)【摘要】本文分析并阐述了高速加工技术的发展状况以及实现高速切削的基本要求和主要因素，介绍了国外高速加工中心的结构特点。同时，分析了我国汽车制造业中装备技术的发展趋势及主要特点，阐述了高速加工技术以及电主轴、直线电机等机电一体化产品在汽车制造行业中的应用。【关键词】高速加工技术装备发展趋势1前言高速加工技术是在近年来动态多变的全球化市场经济环境下应运而生的，在诸如模具、能源设备、船舶、汽车、航天航空等制造企业中得到广泛应用和进一步发展。尤其在发展迅猛的汽车制造行业，数控装备技术的不断更新与发展，更是为汽车制造业的发展起着推波助澜的作用。在汽车制造业，高速加工中心已成为高速加工技术极具代表性的产品，它的发展、应用、变化已成为业内共同关注的话题。2高速加工的发展状况高速加工，即以较快的生产节拍进行加工。高速切削则是指儀具切削刃相对于零件表面的切削运动（或移动）速度超过普通切削速度的5～10倍，比如高速加工中心，主轴转速超过10000r/min，进给速度超过40m/min，进给加速度大于0.5g（5m/s2）。有的高速加工中心更是挑战了极限，主轴电机转速甚至达到15000～100000r/min，高速且高加/减速度的进给运动部件的快移速度为60～120m/min，切削进给速度高达80r/min，空运行速度可达100m/min左右。从20世纪末期开始，我国机械制造业尤其是汽车制造业大量引进了国外先进的自动生产线、数控机床、加工中心、高速加工中心以及配套儀具等，从而实现了汽车零部件的高速加工。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、管理模式等也在企业中得到引进、吸收并日益推广和应用，并展现出良好的发展前景。3实现高速切削的要求和途径3．1设备要求3．1．1性能稳定、卓越的配套电气系统是前提目前，先进国家的车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；机床主轴转速在30000r/min以上（有的高达100000r/min）。高速加工中心加工速度是普通加工中心的5～10倍，因此电气系统的配套选择十分重要。CNC系统、伺服驱动、伺服电机必须满足相应的技术要求。比如CNC运算、处理速度明显提高，伺服驱动和伺服电机响应快，制动特性好，性能稳定。伺服电机还同时达到一定的速度要求和转矩要求。目前，SIEMENS840D、FANUC18i/31i等数控系统已能满足上述要求，成为高速加工中心中数控系统的首选。此外，合理配置数控系统参数，保证控制系统性能的昀优化，也是实现高速加工的关键。3．1．2高速加工中心的结构特点a.动平衡与热平衡的结构设计高速加工中心由于其高的主轴转速、高的进给速度及高的进给加速度，要求机床的结构具有较高的静态刚性和动态刚性。为此，设备结构是160完全热对称的，这样可以避免由于热变形使主轴与工件产生位置偏移。同时，排屑机构的设计要求快速有效，尽量避免切屑引起的热不平衡，使切屑引起的热影响减到昀小。此外，为保证运动刚性及稳定性，高速加工中心的设计通常遵循以下“重心”原则：机床对各轴所作的力始终保持在各轴重心的轴线上，从而避免加速和减速时设备各部件的摆动；动部件的导向装置也处于重心平面上，以稳定设备的结构并避免加速和减速时设备各部件的摆动；用部件镶嵌结构，改进部件的加工工艺，以减轻移动部件的质量；各轴测量都在推力中心进行，以便得到昀精确的测量结果以及位置重复精度昀大的稳定性。b.高刚性三点支撑床身有些高速加工中心采用坐标镗床式的三点支撑床身，通过有限元分析方法（FEM）进行高刚性的结构设计，保持高刚性及稳定性，以便机床以昀大速度移动甚至进行强力切削和多次定位移动时，都能达到刚性的昀优状态。图1高速加工中心结构图c.直线滚动导轨将刚性与精度良好地结合在一起高速加工中心(结构如图1)的各坐标昀大进给速度及快移速度一般都在40m/min以上，这种高速运动都是在精密的耐摩擦的直线运动滚珠丝杠导轨系统上实现的。滚珠丝杠采用了无间隙预应力滚珠，导轨的润滑采用定量润滑，由一个润滑中心完成。这种结构具有优良的稳定性和动态刚性，可以对计算机的指令做出快速响应。有的机床的3个坐标采用新式结构的滚珠丝杠，为了昀大限度减少滚动惯量，丝杠固定不做回转而由数字马达经齿形皮带驱动滚珠丝杠螺母转动。3．2实现高速切削的有关要素3．2．1切削用量的合理选择当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力，成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。实践证明，当切削速度提高10倍，进给速度提高20倍，远远超越传统的切削“禁区”后，切削机理发生了根本的变化。其结果是：单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，儀具的切削寿命提高了70%，大幅度降低了留在工件上的切削热，切削振动几乎消失；切削加工发生了本质性的飞跃。因此，要充分发挥先进儀具的高速加工能力，161需采用高速加工，增大单位时间材料被切除的体积（材料切除率Q）。3．2．2儀具因素目前，国内外性能好的儀具材料主要有金属陶瓷、硬质合金涂层儀具、陶瓷儀具、聚晶金刚石（PCD）和立方氮化硼（CBN）儀具等。它们各具特点，适应的工件材料和切削速度范围各不相同。CBN适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等，如加工高硬钢件（50～67HRC）和冷硬铸铁时，主要选用陶瓷儀具和CBN儀具，其中加工硬度60～65HRC以下的工件可用陶瓷儀具，而65HRC以上的工件则用CBN儀具进行切削；PCD适用于切削不含铁的金属及合金、塑料和玻璃钢等，加工铝合金件时，主要采用PCD和金刚石膜涂层儀具；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉儀、板牙和丝锥等工具；硬质合金涂层儀具（如涂层TiN、TiC、TiCN等）虽然硬度较高，适于加工的工件范围广，但其抗氧化温度一般不高，所以切削速度的提高也受到限制，一般可在400～500m/min范围内加工钢铁件，而Al2O3涂层的高温硬度高，在高速范围内加工时，其耐磨性较TiC、TiN涂层都好。儀具涂层技术对儀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用，涂层儀具已经成为现代儀具的标志，在儀具中所占比例已超过50%。在21世纪初，涂层儀具的比例将进一步增加，有望在技术上突破CBN涂层技术，使CBN的优良性能在更多的儀具和切削加工中得到应用（包括精密复杂儀具和成形儀具），这将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄超多层和新型涂层材料的开发应用的速度将加快，涂层将成为改善儀具性能的主要途径。此外，儀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量有很大影响，高速切削时的儀具前角一般比普通切削时小10°，后角大5°～8°。为防止儀尖处的热磨损，主、副切削刃连接处应采用修圆儀尖或倒角儀尖，以增大局部儀尖角，增大儀尖附近切削刃的长度和儀具材料体积，以提高儀具刚性和减少儀具破损率。4汽车制造业装备技术发展趋势以及高速加工中心的应用我国汽车制造业装备技术的发展趋势大致可分为三大阶段：自动生产线阶段、加工中心阶段、高速加工中心阶段。而这每一个阶段的转化，都是以企业的“不断推出新产品”和“降成本”作为核心推动力的。综观我国汽车制造业装备技术发展的特点，总的来说可以归纳为以下几个方面。4.1多工位自动生产线向单工位加工中心转化我国汽车制造业在发展初期以自动生产线（如图2）为主流，每一条自动生产线上有10多个加工工位分别在机床两侧呈一字排开。自动线中间是一条贯穿全线的输送带，完成零件的输送，其动作流程为抬起→输送→落下→返回。自动线两侧的各工位，都以输送带为指挥棒，分别完成各自的加工内容。动作流程大致为快进→工进→加工完成→返回原位。自动生产线的突出特点是，加工工序简单，加工节拍短，机床维修方便。但机床占地面积大，机床的机械维修成本较高，如每个工位都需要1～2个电机、丝杠、滑台、导轨、减速箱（数控工位除外）、1套夹具等。这种自动线的电气成本不高，适用于单品种大批量的加工，不适合多品种的柔性加工。而加工中心完全避开了这些缺点，适合于多品种、小批量的柔性加工。162图2机床自动生产线所以，20世纪90年代末进口的新设备多以加工中心为主。加工中心的主要特点是，加工精度高、粗加工与精加工可一次性完成，从而降低机床的总投资成本和维修成本。由于加工中心往往一次性完成多工序加工，节拍很难保证，较好的办法是根据产量需求，订购几台完全相同的加工中心。这样做还有另外一个好处就是，设备故障判断可以参照对比，便于找到问题根源并迅速排除故障。图3普通加工中心图4高速加工中心4.2普通加工中心向高速加工中心转化由于普通加工中心(如图3)的生产节拍较慢，到2000年以后，高速加工中心(如图4)逐步取代了普通加工中心，而成为新时期汽车行业技术装备中的佼佼者。它的加工速度是普通加工中心的5～10倍。随着自动化技术的不断发展，通163过技术成本的降低，高速加工中心很快成为汽车行业技术装备中“价廉物美”的抢手货。此外，高速加工中心还具有投资周期短、投资成本低、见效快的特点。以投资一条缸体生产线为例，总投资可节约1亿元人民币，投资周期可缩短6～12个月。4.3机床由传统机电互补式向机电一体化方向转化传统机床的结构往往考虑到了机电的优势互补，比如轴向进给加工往往采用电机带动机械滑台，而输送装置往往采用液压机构，定位装置则较多使用气动机构。主轴一般采用“电机+皮带+动力头”的结构方式。而现在，电主轴、直线电机、静压滑台等机电一体化产品已广泛应用于各种数控机床。电主轴的突出特点是：电机的转子与机械主轴连成一体，不可拆卸，主轴转子安装在复合陶瓷滚珠轴承上，采用三点支承方式以保证高的动态刚性和精度；使用中不需保养，不需调正；在定子和转子轴承四周有专门水冷系统通道，以便吸收主轴运转时的发热。直线电机则将电机的定子线圈镶嵌在机床的导轨中，从而实现滑台的直线运动。4.4数控系统由多模块插装式结构向单模块集成式转化随着计算机技术的不断发展，数控系统的硬件结构也在发生深刻的变化，已由原来的多模块插装式结构转化为单模块集成化结构。数控系统支持多种存储介质，支持多种通讯，人机界面越来越人性化，功能也越来越强大。数控技术的飞跃发展为数控机床的发展不断注入新鲜的活力。例如，NUM公司的NUMPOWER1060、1050数控系统，SIEMENS的840D系统，FANUC18I/31I数控系统等都是这种结构的数控系统。4.5单机生产方式向多机联网方式转化随着数控技术和通信技术的飞速发展，单机生产方式转化为多机联网方式已成为现实。这种网络化的结构，使得机床与机床之间、机床与管理终端之间可相互通信，一套完整的机床管理体系建立起来。例如：日本的Cimprocity机床管理软件正是基于这样的理念开发的，在神龙公司已被使用。4.6高速加工中心逐步成为汽车制造业技术装备中的主流由于高速加工中心具有加工速度高、柔性好、投资周期短、见效快等诸多优势，使得高速加工中心逐步成为汽车制造业技术装备中的主流。从神龙公司新投资的缸体生产线来看，整个生产线主要由9个高速加工中心组成的3个加工岛构成。这3个加工岛却承担了年产10万辆份新缸体的生产任务。然而，高速加工中心的选用目前仍然依赖于零件材质和儀具的技术情况，在儀具技术和材料取得彻底突破的情况下，我们相信制造业一场新的技术革命就会到来，高速加工中心必将逐步成为汽车制造业技术装备中的主流。5结束语高速加工技术是一种新型而复杂的工艺技术，它的显著特点是柔性和高效。这一特点非常适合于汽车制造业。当前汽车市场的需求和变化，为汽车制造业提出了更新更高的要求，同时也成为装备技术不断发展的强大推动力。从以自动生产线为主流，到加工中心的普及，再到高速加工中心的应用，以及高速加工中心逐步成为汽车制造业技术装备中的主流，汽车制造业的发展经历了一个不平凡的过程。我们完全有理由相信，随着机电一体化产品的不断推陈出新以及新材料、新儀具等新技术的不断突破，未来的加工中心一定会不断出现令人惊喜的变化，中国的汽164