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官方微信摘要 日前，由榮格會議有限公司舉辦，瓦爾特、新美科、福祿、福斯潤滑油、翰默、南京大地水刀、威士頓精密機械、安美等多家業內知名公司共同贊助的“第二屆高速切削技術研討會&rdqu...
日前，由榮格會議有限公司舉辦，瓦爾特、新美科、福祿、福斯潤滑油、翰默、南京大地水刀、威士頓精密機械、安美等多家業內知名公司共同贊助的“第二屆高速切削技術研討會”在(zai)上海成功舉辦。來自各(ge)大著名(ming)院校(xiao)、科研機構的(de)(de)(de)資深教授以及企業(ye)的(de)(de)(de)工程師和參會代(dai)表(biao)齊(qi)聚一(yi)堂，共同(tong)(tong)探討高速切削加工的(de)(de)(de)應用案例、工藝探討、技術服務(wu)，以及如(ru)何(he)發揮高速加工機床和刀具的(de)(de)(de)潛能等話題，同(tong)(tong)時(shi)現場還有專家為(wei)高速切削的(de)(de)(de)現狀(zhuang)及未來發展趨勢指點迷(mi)津。整場會議高潮迭起，參會代(dai)表(biao)們都認(ren)為(wei)好(hao)的(de)(de)(de)技術正在(zai)幫助越(yue)來越(yue)多的(de)(de)(de)行業(ye)邁向(xiang)新的(de)(de)(de)巔峰。
正確定義刀具壽命尤為重要
上汽集團乘用車公司發動機廠主任工程師，副教授吳抗美在《影響高速切削過程的一些因素》報告中說，在現代發動機廠中經常使用的高速刀具有PCDCBN刀(dao)具(ju)也有粉末冶金高速鋼和硬質合(he)金刀(dao)具(ju)，絕(jue)大多(duo)數(shu)刀(dao)具(ju)都是內(nei)冷刀(dao)具(ju)；高速切削(xue)過程中一些舉足輕重的因素往(wang)往(wang)決定(ding)(ding)高速加工的可(ke)行性、經濟性和穩定(ding)(ding)性，如(ru)切削(xue)液(ye)的選用、壓(ya)力、濃度(du)、溫度(du)等(deng)等(deng)；工件的結構工藝(yi)性；刀(dao)具(ju)刃口的幾何(he)形狀以及刀(dao)片(pian)的裝夾優化等(deng)等(deng)。
目前為止國內對于高速切削的大多數研究都聚焦在實驗室的切削實驗和高速切削的機理研究，而現實是高速切削在大多數大型汽車發動機加工行業內應用相當普及，世界一流的具有精密高剛度的電主軸的臥式加工中心或者專機，高效恒溫的冷卻潤滑液噴射壓力高達70巴，先進的(de)裝夾系統(tong)和更(geng)可(ke)(ke)靠(kao)刀具系統(tong)以及維護這(zhe)一切(qie)的(de)專業隊伍，與國外同行相比毫不(bu)遜色。而實際應用中更(geng)多地(di)考慮的(de)問題(ti)(ti)往(wang)往(wang)是(shi)高(gao)速(su)切(qie)削(xue)(xue)過(guo)程(cheng)伴生的(de)一些問題(ti)(ti)，對于企業來說穩定(ding)可(ke)(ke)靠(kao)高(gao)效地(di)實現大(da)規模生產的(de)重(zhong)大(da)課(ke)題(ti)(ti)是(shi)如何(he)經濟可(ke)(ke)靠(kao)的(de)控制高(gao)速(su)切(qie)削(xue)(xue)過(guo)程(cheng)。
一般地講來高速切削的條件常常是超硬刀具、高效的切削液、高剛度的加工系統；實際上往往遇到許多干擾因素，比如零件的結構工藝性、切削液的壓力和濃度、刀刃的抗沖擊強度、夾具的夾緊剛度等等。
吳教授認為以下幾方面會影響以下幾方面會影響高速切削：其一，零件的結構工藝性：實際應用中高速切削要求切削過程精確平穩地進行，消除切削過程中的沖擊，這種沖擊可能來自于鑄件表面的硬質點但更多的是工件幾何表面的不連續性，特別是對于那些沒有經過鈍化的金剛石刀具的鋒利切削刃極易破損，此外還要考慮減小切削過程的應力集中，加工面的易加工性等等；1.保證(zheng)可靠(kao)的(de)連(lian)續切(qie)(qie)削(xue)，防止出現切(qie)(qie)削(xue)斷續；對于高速切(qie)(qie)削(xue)過程中的(de)PCD刀具(ju)，加工(gong)表面(mian)的(de)斷續導致(zhi)刀刃瞬(shun)間沖擊破損。CBN刀具(ju)切(qie)(qie)入時工(gong)件的(de)尖角(jiao)導致(zhi)刀刃局部應力集中加劇刀具(ju)的(de)局部磨損和(he)(he)破損。復合(he)刀具(ju)的(de)切(qie)(qie)削(xue)工(gong)藝性(xing)，考慮(lv)各(ge)個(ge)刀刃切(qie)(qie)削(xue)狀態相互(hu)影響。其二，刀刃的(de)幾何參數和(he)(he)過小的(de)粗糙度(du)處理(li)。其三，潤(run)滑(hua)液壓力和(he)(he)濃度(du)：高速切(qie)(qie)削(xue)中潤(run)滑(hua)液的(de)作(zuo)用常常是(shi)舉足(zu)輕重的(de)，重視不(bu)同的(de)加工(gong)方式的(de)潤(run)滑(hua)液濃度(du)和(he)(he)壓力是(shi)必要(yao)的(de)。其四，機床(chuang)主軸穩定性(xing)：多采取(qu)連(lian)續的(de)加工(gong)速度(du)避免在工(gong)作(zuo)中變速，并選用動態剛性(xing)更好的(de)設(she)備(bei)主軸。
吳教授認為高速切除了大大提高加工效率和穩定的加工質量，同時也是經濟可行的，實際上現代發動機廠在刀具使用方面大多數刀具壽命都是受控的，根據加工零件的要求(或者SPC的(de)(de)控制線要(yao)求)制定(ding)的(de)(de)刀(dao)(dao)具控制壽命(ming)一般遠(yuan)離刀(dao)(dao)具的(de)(de)快速(su)磨損(sun)階(jie)段，當刀(dao)(dao)具到達規定(ding)壽命(ming)就會被(bei)撤換下(xia)來(lai)。(按(an)：與過去的(de)(de)加工方式比較，大(da)多數撤換下(xia)來(lai)的(de)(de)刀(dao)(dao)具基本(ben)上完好(hao)無損(sun))PCD刀(dao)(dao)具的(de)(de)價格可(ke)能是普(pu)通硬質(zhi)合(he)金(jin)刀(dao)(dao)具的(de)(de)10倍(bei)以上，但(dan)合(he)理(li)使用的(de)(de)高(gao)速(su)刀(dao)(dao)具壽命(ming)往往遠(yuan)大(da)于硬質(zhi)合(he)金(jin)刀(dao)(dao)具。
“正確定義刀具壽命對于現代發動機加工企業是非常重要的技術工作，而目前為止的刀具壽命規定大多數約定俗成—根據實際使用條件來確定，其中被冤殺的刀具往往不在少數；原因包括：對于一些加工精度較高的表面，PCD刀具(ju)(ju)的初期(qi)(qi)(qi)磨損導致被加工工件尺寸精(jing)度、位置精(jing)度超差；由(you)于工件材質、機床(chuang)設備、冷卻系統等等因(yin)素(su)不穩定，導致刀具(ju)(ju)的早(zao)期(qi)(qi)(qi)崩刃大(da)大(da)降(jiang)低(di)刀具(ju)(ju)壽命(ming)(ming)的預期(qi)(qi)(qi)；由(you)于刀具(ju)(ju)材料、幾何角(jiao)度不穩定導致加工壽命(ming)(ming)預期(qi)(qi)(qi)降(jiang)低(di)；由(you)于缺乏一套科學(xue)制定刀具(ju)(ju)壽命(ming)(ming)的方法(fa)和原則(ze)。
高速切削在航空中的應用
上海交通大學機械與動力工程學院教授，博士生導師，陳明博士在《高速切削技術在航空典型零件加工中應用》談到，航空結構件：結構整體化是新一代大型客機的發展趨勢，已經成為現代先進大型飛機設計制造領域的一個重要標志。航空整體結構件具有形狀復雜，材料去除率大的特征，大多為弱剛性薄壁結構。“航空鋁合金用量減少，鈦合金和復合材料用量增加。航空鋁合金整體結構件在飛機結構中依然占及其重要的地位，并且隨著新型鋁合金的開發，對加工工藝提出更高的要求。”陳教授說，高速切削技術是航空整體薄壁零件實現高效精密加工的唯一工藝，成為航空制造領域核心關鍵技術。
高速切削技術以高切速、大進給為主要特征，并且能大幅度降低切削力；切削熱大部分由切屑帶走從而降低溫度；較高的主軸轉速使得刀具的激振頻率避開薄壁結構工藝系統的振動頻率范圍，避免振動。“高速加工特別適合整體薄壁零件的加工，同時，高效數控工裝系統在也航空件加工中被廣泛應用”，陳教授認為，航空發動機的輕量化、整體化、新型冷卻結構制造技術正在向低成本、高效率方向發展；新材料構件制造技術出現較大突破；新工藝技術成為現代航空發動機發展的重大關鍵制造技術，并得到廣泛應用。
制造業未來趨勢：高效，節能，綠色
同濟大學現代制造研究所名譽所長，教授，博士生導師張曙在《高效加工的現狀及趨勢》的報告中指出，高效加工在某種程度上可以涵蓋高速加工，雖一字之差，高速加工卻不等于高效加工。高速加工是通過高切削速度來加以體現，主要目的是提高加工效率和表面質量。而高效加工包括更加廣泛的技術、經濟和社會內涵。“從不同的視角去看，高效加工關注重點也有所不同。”張教授強調。
張教授從三個視角為我們指引了制造企業的未來之路——技術視角：聚焦高效率。高效率是指該系統單位時間內的材料切除體積或加工的零件數量，即切削過程的效率，而非僅僅是切削速度。環境視角：聚焦高能效。順應發展低碳經濟的潮流，實現單位產出的能耗最小和廢棄物最少，資源利用最有效。經濟視角：聚焦高效益。是指社會和經濟綜合效益最高，而非僅僅是加工的成本或利潤。
談到聚焦高能效——高能效機床的愿景時，張教授表示應該從產品的整個生命周期審視，力求逐步實現：機床零部件由再生材料制造(循(xun)環、節能(neng))；機(ji)床(chuang)重(zhong)量和體積減(jian)少(shao)(shao)40%以上(省(sheng)材(cai)(cai)、節能(neng))；能(neng)源消(xiao)耗減(jian)少(shao)(shao)30~40%(減(jian)輕(qing)移(yi)動(dong)(dong)部(bu)件(jian)質量、提高傳(chuan)動(dong)(dong)效率(lv)(lv)、降低(di)空轉功率(lv)(lv)等節能(neng)措(cuo)施)；使用(yong)過程(cheng)的(de)廢棄物減(jian)少(shao)(shao)50~60%(減(jian)排)；報(bao)廢機(ji)床(chuang)的(de)材(cai)(cai)料100%可回收(循(xun)環、減(jian)排)。“輕(qing)量化方面(mian)，新材(cai)(cai)料的(de)加工(gong)值得關注”，張教(jiao)授說，采(cai)(cai)用(yong)碳素纖維、工(gong)程(cheng)陶瓷和夾心材(cai)(cai)料制造機(ji)床(chuang)移(yi)動(dong)(dong)部(bu)件(jian)，可以減(jian)少(shao)(shao)重(zhong)量，從而降低(di)慣性力的(de)負(fu)面(mian)影響以及(ji)驅動(dong)(dong)所需的(de)功率(lv)(lv)。采(cai)(cai)用(yong)天(tian)然花(hua)崗(gang)石或(huo)人造花(hua)崗(gang)石(樹脂混凝(ning)土)制造機(ji)床(chuang)床(chuang)身等非移(yi)動(dong)(dong)部(bu)件(jian)，可以提高機(ji)床(chuang)的(de)動(dong)(dong)態(tai)性能(neng)和熱穩定(ding)性。
“減重節能、動態補償，這是一種全新的機床節能的概念：大幅度減少機床移動部件的重量，既節省材料；又可降低機床使用時的驅動功率(能(neng)(neng)源消耗)”。張教授介紹說，傳統(tong)的(de)(de)(de)理念(nian)是：只(zhi)(zhi)有足夠的(de)(de)(de)剛(gang)(gang)度(du)才(cai)能(neng)(neng)保(bao)(bao)證(zheng)(zheng)加工(gong)精度(du)，提高剛(gang)(gang)度(du)就必然要增加機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)部件(jian)的(de)(de)(de)重量(liang)。而(er)保(bao)(bao)證(zheng)(zheng)剛(gang)(gang)度(du)和減(jian)少(shao)重量(liang)難道誓不兩立(li)？而(er)分(fen)析表明(ming)：機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)重量(liang)的(de)(de)(de)80%是用于“保(bao)(bao)證(zheng)(zheng)”機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)的(de)(de)(de)剛(gang)(gang)度(du)，而(er)只(zhi)(zhi)有20%用于滿足機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)運動(dong)學(xue)的(de)(de)(de)需要；因此機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)結構優化(hua)的(de)(de)(de)空間(jian)很大(da)。
張教授又詳細介紹了聚焦高效益——MQL(微量潤(run)滑)，他說，通常在切(qie)削(xue)加(jia)工中需要切(qie)削(xue)液(ye)(ye)(冷卻潤(run)滑液(ye)(ye))。切(qie)削(xue)液(ye)(ye)的(de)(de)采(cai)購、存貯、使用(yong)和廢(fei)棄(qi)(qi)處(chu)置需要專(zhuan)門(men)的(de)(de)技術和物流系統，費用(yong)很高，大約占加(jia)工成本10%~15%。同時，冷卻液(ye)(ye)的(de)(de)使用(yong)與處(chu)置不當會對環(huan)(huan)境(jing)造成污(wu)染，甚至(zhi)對人的(de)(de)健(jian)康造成危害(hai)。隨著對環(huan)(huan)保的(de)(de)重(zhong)視，處(chu)置切(qie)削(xue)液(ye)(ye)的(de)(de)維護成本和廢(fei)棄(qi)(qi)費用(yong)不斷上升。
目前花費在冷卻的總費用已經是刀具費用的2~3倍，采用微量潤滑MQL或干切削(xue)，正作為節省成本(ben)和節能(neng)減(jian)排的措施替代某些濕切削(xue)加(jia)工(gong)過(guo)程。MQL能(neng)幫助加(jia)工(gong)企業(ye)降低成本(ben)、提(ti)高刀(dao)具壽命、加(jia)工(gong)效(xiao)率及加(jia)工(gong)精度。
“數控機床的發展趨勢不僅是高速化，高速加工最終目標是提高生產效率和加工質量，與高效加工是一致的。高效加工除了提高加工效率外，還關注能源利用效率，以應對歐盟即將出臺的機床能效指令。”張教授說，目前機床用于切削的功率僅占總功率的25%，驅(qu)動、輔(fu)助裝置和損耗卻(que)占75%，節(jie)能或提(ti)高能效大有(you)可為。提(ti)高機床(chuang)能效的主要途徑是：采(cai)用(yong)新結構和新材(cai)料減輕(qing)部件重量(liang)達到節(jie)能，而采(cai)用(yong)干切削和MQL可實現節(jie)能減排。
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