高速加工技術(shù)的發(fā)展涉及到零科毛坯、刀具、機(jī)床、自動(dòng)控制與檢測(cè)等多種技術(shù)的綜合優(yōu)化，需要變革傳統(tǒng)的機(jī)加工工藝路線。高速加工是以較快生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行加工，提高切削和進(jìn)刀速度是高速加工技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。我國(guó)引進(jìn)的轎車零部件數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線上已廣泛應(yīng)用高速加工技術(shù)，其主要目的是在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡量縮短零件的機(jī)加工工藝路線，加快生產(chǎn)節(jié)拍(轎車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)節(jié)拍已縮短為30秒)，滿足轎車高質(zhì)量、高速率、低成本、大批量、杜會(huì)化生產(chǎn)的技術(shù)要求。高速加工技術(shù)必將帶動(dòng)零件毛坯制造、刀具(工具)、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)控制、在線檢側(cè)、材料等技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。隨著我國(guó)制造業(yè)加快融人全球化生產(chǎn)制造體系，預(yù)計(jì)高速加工技術(shù)將在信息化、柔性化機(jī)械加工領(lǐng)域得到進(jìn)一步發(fā)展和推廣應(yīng)用。

1．引言

對(duì)于機(jī)械零件而言，高速加工即是以較快的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行加工。一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍包括零件送進(jìn)－定位夾緊－刀具快進(jìn)，刀具工進(jìn)(在線檢測(cè))－刀具快退－工具松開、卸下－質(zhì)量檢測(cè)等基本生產(chǎn)環(huán)節(jié)。高速切削則是指刀具切削刃相對(duì)于零件表面的切削運(yùn)動(dòng)(或移動(dòng))速度超過普通切削5～10倍(主要體現(xiàn)在刀具快進(jìn)、工進(jìn)及快退三個(gè)環(huán)節(jié)上)，它是高速加工系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)子系統(tǒng)。對(duì)于整條生產(chǎn)自動(dòng)線而言，高速加工技術(shù)表征為以較簡(jiǎn)捷的工藝流程和較短、較快的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行生產(chǎn)加工。要實(shí)現(xiàn)高速加工，就必須突破傳統(tǒng)機(jī)械加工的觀念，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，改革原有加工工藝(方式)，或采用一工位多工序、一刀多刃的加工方式；或以車、鉸、銑削替代磨削；或以拉削、搓、擠、滾壓等加工工藝替代滾、插、銑削等加工工藝，盡可能縮短整條生產(chǎn)線的工藝流程。對(duì)于某一產(chǎn)品而言，高速加工技術(shù)體現(xiàn)為企業(yè)以較短的生產(chǎn)周期完成產(chǎn)品的信息采集與處理、設(shè)計(jì)開發(fā)、加工制造、市場(chǎng)營(yíng)銷及信息反饋，它與敏捷制造工程技術(shù)理念具有相似之處。

高速加工技術(shù)是在近代動(dòng)態(tài)多變的全球化市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生的。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，要求企業(yè)以質(zhì)量高、成本低、服務(wù)優(yōu)、交貨及時(shí)、更新?lián)Q代快、有利于環(huán)保的產(chǎn)品及時(shí)滿足市場(chǎng)不斷變化的需求，由此推動(dòng)高速加工技術(shù)不斷發(fā)展。自二十世紀(jì)八十年代起，高速加工技術(shù)在金屬(非金屬)傳統(tǒng)切削加工技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展成為一門綜合性系統(tǒng)工程技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)工藝流程型制造企業(yè)(如現(xiàn)代轎車生產(chǎn)企業(yè)等)。隨著對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品的市場(chǎng)需求不斷增加，多品種、單件小批制造加工模式具有巨大發(fā)展?jié)摿?/SPAN>(在機(jī)械制造業(yè)中，這種生產(chǎn)模式將占到總產(chǎn)值的70%)，因此，高速加工技術(shù)必將在生產(chǎn)工藝離散型或混和型企業(yè)(如模具、能源設(shè)備、船舶、航天航空等制造企業(yè))中得到大量應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。

二十世紀(jì)末期，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)軌和市場(chǎng)化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)大量引進(jìn)和開發(fā)先進(jìn)的數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床(設(shè)備)、刀具(工具)等，同時(shí)，包括高速加工技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)制造技術(shù)及其相關(guān)的生產(chǎn)模式、管理技術(shù)等也在企業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用，并展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。

2．我國(guó)引進(jìn)轎車數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線中的高速加工技術(shù)

二十世紀(jì)八十年代以來，我國(guó)相繼從德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)引進(jìn)了多條具有先進(jìn)水平的轎車數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線，使我國(guó)轎車制造業(yè)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。其中較典型的有從德國(guó)引進(jìn)的一汽一大眾捷達(dá)轎車和上海大眾桑塔納轎車自動(dòng)生產(chǎn)線。這些生產(chǎn)線具有二十世紀(jì)九十年代中期國(guó)際先進(jìn)水平，其中大量應(yīng)用了現(xiàn)代高速加工技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹一汽一大眾捷達(dá)轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器生產(chǎn)線，從中可對(duì)高速加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)有一些初步了解。

2.1 一汽－大眾捷達(dá)轎車數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線概況

一汽－大眾捷達(dá)轎車數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)器等高速生產(chǎn)線組成，與生產(chǎn)線同步引進(jìn)了德國(guó)大眾汽車公司的并行工程管理技術(shù)與管理模式，經(jīng)營(yíng)管理各條自動(dòng)線的生產(chǎn)運(yùn)行，年產(chǎn)轎車能力為15萬輛，制造節(jié)拍為1.50min/輛。發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器生產(chǎn)線共擁有627臺(tái)各種機(jī)加工設(shè)備，其中進(jìn)口設(shè)備253臺(tái)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備374臺(tái)，基本上屬于數(shù)控剛性自動(dòng)生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線生產(chǎn)國(guó)際二十世紀(jì)九十年代水平的4缸，6缸捷達(dá)、奧迪轎車五汽門電噴發(fā)動(dòng)機(jī)及配套傳動(dòng)器，年產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)27萬臺(tái)、傳動(dòng)器18萬臺(tái)，生產(chǎn)節(jié)拍為30～40s/臺(tái)，其中自行制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件9種、傳動(dòng)器零件27種，其余零件社會(huì)配套。生產(chǎn)線部分采用了風(fēng)冷干式切削加工技術(shù)，其機(jī)械加工工藝流程反映了當(dāng)代轎車制造業(yè)的先進(jìn)技術(shù)水平。轎車產(chǎn)品營(yíng)銷以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)為主。由于不擁有產(chǎn)品自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因此新車型的研發(fā)主要是在現(xiàn)有一汽－大眾捷達(dá)轎車生產(chǎn)自動(dòng)線的基礎(chǔ)上，持續(xù)從德國(guó)大眾汽車公司引進(jìn)相關(guān)技術(shù)和資料(上海大眾桑塔納轎車自動(dòng)生產(chǎn)線的情況與此類同)。

2.2 轎車發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器零件毛坯制造概況

一汽－大眾捷達(dá)、奧迪轎車發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器關(guān)鍵零件的毛坯均為精密鑄造成型的高強(qiáng)度鑄鐵、鑄鋁件以及精密模鍛的結(jié)構(gòu)鋼件，部分零件毛坯采用了精密粉末冶金燒結(jié)成型工藝。為滿足高速加工的需要，要求在批產(chǎn)工藝過程中材料可加工性能良好、穩(wěn)定，零件毛坯切削余量控制在1.2～4mm(±0.3mm)以內(nèi)。在生產(chǎn)線運(yùn)行初期，零件毛坯主要依靠進(jìn)口。自1997年起，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)經(jīng)多次攻關(guān)，先后解決了批產(chǎn)零件毛坯的精密成型工藝技術(shù)、零件材料各

化學(xué)元素的選配及熱處理工藝等技術(shù)難題，達(dá)到了高速加工自動(dòng)生產(chǎn)線對(duì)零件毛坯材料可加工性、尺寸精度一致性要求的技術(shù)指標(biāo)，目前傳動(dòng)器零件毛坯國(guó)產(chǎn)化率已達(dá)95%以上。

2.3 轎車發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器生產(chǎn)線的高速切削刀具、機(jī)床及加工工藝

在一汽－大眾捷達(dá)、奧迪轎車發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器生產(chǎn)線上，所用的切削刀具、輔具(工具)基本上均為進(jìn)口產(chǎn)品(來自49個(gè)外國(guó)公司)，關(guān)鍵工序的設(shè)備(機(jī)床)也大多為進(jìn)口專用剛性數(shù)控產(chǎn)品。其典型技術(shù)特點(diǎn)分述如下。

(1)刀具材料的選用

生產(chǎn)線所用刀具材料以超硬材料為主。采用CBN、SiN陶瓷、Ti基陶瓷、TiCN涂層刀具加工高強(qiáng)度鑄鐵件，銑削速度達(dá)2200m/min；采用PCD、超細(xì)硬質(zhì)合金刀具加工高Si-Al鑄件，銑削速度達(dá)2200m/min，鉆、鉸削速度達(dá)80～240m/min；采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷、TiCN涂層刀具加工精鍛結(jié)構(gòu)鋼件，車削速度達(dá)200m/mir；采用高Co粉末冶金高速鋼(表面涂覆TiCN涂層)整體拉刀、滾刀、剃齒刀以及硬質(zhì)合金機(jī)夾組合專用拉刀加工各種精鍛鋼件、鑄鐵件，拉削速度10～25m/min，滾削速度110m/min，剃齒切速170m/min。

(2)刀具典型結(jié)構(gòu)與加工工藝

零件孔加工刀具主要采用多刃復(fù)合式結(jié)構(gòu)(刀刃機(jī)夾、鑲焊組合)，以鉸、擠削替代磨削，在一次走刀過程中完成孔的精加工，轉(zhuǎn)速達(dá)3000r/min，走刀速度達(dá)1.5～3m/min，精度可達(dá)5～7級(jí)，表面粗糙度Ra0.7μm槍鉆轉(zhuǎn)速達(dá)8000r/min，Ra2μm；零件平面銑削刀具多采用密齒、過定位、重復(fù)夾緊結(jié)構(gòu)的徑向、軸向雙向可調(diào)高速密齒面銑刀，直徑φ250～400mm，軸向跳動(dòng)＜±0.0025mm；零件裝配平面的加工采用以銑代磨，表面粗糙度Ra0.7μm，不平度＜0.02mm；曲軸主軸頸、連桿軸頸的加工采用雙工位車一拉削專用刀具，刀盤直徑φ700mm，圓周裝有40片硬質(zhì)合金涂層刀片每10片為一組，切削速度150m/min，快進(jìn)速度4.6m/min，切削余量1.5～3mm(徑向)，班產(chǎn)量350件；曲軸主軸軸承蓋的加工采用側(cè)置、排列式機(jī)夾復(fù)合成形拉削專用刀具，安裝三種共713片可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金涂層TiCN刀片，進(jìn)給速度25m/min，班產(chǎn)量1750件，拉削余量1.5～3mm；缸體曲軸及缸蓋凸輪軸主軸的裝配圓弧面、側(cè)面的加工采用組合式、軸向串聯(lián)、機(jī)夾三面刃專用盤銑刀，由6～8個(gè)刀盤成組裝配，共安裝約146片機(jī)夾可轉(zhuǎn)位涂層刀片，在一次徑向走刀中完成10個(gè)側(cè)面的銑削加工，加工余量1.5～2mm；傳動(dòng)器同步齒圈座的外圈漸開線齒及三等分直槽的加工采用長(zhǎng)度為1800mm的筒式專用外拉刀一次走刀拉削成形，拉削速度l0m/min，三工位班產(chǎn)量1440件；發(fā)動(dòng)機(jī)5種傳動(dòng)軸上花鍵齒形(m＝0.8mm)的加工采用雙工位、成對(duì)配置的搓、擠無屑加工專用刀具，通過一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)將花鍵齒形搓擠成形，班產(chǎn)量800件；傳動(dòng)器齒輪的加工采用多頭小直徑涂層高速滾刀及徑向剃齒刀滾、剃成形，以剃代磨，班產(chǎn)量800件；差速器殼體內(nèi)球面的鏜削加工通過主軸內(nèi)置式機(jī)床推拉桿的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)鏜刀頭作二維半圓軌跡移動(dòng)，并疊加殼體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一次走刀完成球面成形鏜削加工；缸體汽缸孔的鏜削采用雙工位加工，由主軸內(nèi)置式機(jī)床的推拉桿機(jī)構(gòu)作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往走刀完成粗鏜，復(fù)走刀完成精鏜，切削速度達(dá)800m/min；零件軸端頭外圓柱面的加工采用成形組合外圓銑、鉸削專用工具，一次走刀多刃銑、鉸削完成外圓、端面粗加工，可替代單刃車削加工工藝。與上述結(jié)構(gòu)類似的專用高速、高效刀具還有很多，它們與相應(yīng)的專用數(shù)控機(jī)床組合成各個(gè)加工工位，生產(chǎn)節(jié)拍為20～40s。加工后零部件的精度與質(zhì)量60%～80%取決于數(shù)控機(jī)床及專用刀具的精度與質(zhì)量，20%～40%取決于零件毛坯的精度與質(zhì)量。在生產(chǎn)流程中，質(zhì)量監(jiān)測(cè)工序?yàn)闄C(jī)后抽檢。

發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器兩條生產(chǎn)線共有250多臺(tái)數(shù)控機(jī)床采用HSK高速空心工具柄，共計(jì)6個(gè)規(guī)格:32#，40#，50#，63#，80#，100#。其中以40#、50#、63#三種規(guī)格使用數(shù)量最多。HSK空心工具柄與上述各種多刃專用銑刀、復(fù)合式孔加工刀具等組成高速工具系統(tǒng)，完成250多個(gè)工序、工位的切削加工，其高速動(dòng)平衡精度≤2.5G。

(3)高速加工專用數(shù)控機(jī)床

一汽－大眾轎車發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器關(guān)鍵零部件的多數(shù)加工工藝突破了傳統(tǒng)的機(jī)加工理念，其專用高速數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不同于傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式。概括地講，機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是以各種高速多刃專用成形刀具和加工工藝為主導(dǎo)，以滿足生產(chǎn)線各加工工序、工位生產(chǎn)節(jié)拍均衡以及加工精度要求與質(zhì)量穩(wěn)定性為前提，在一次往復(fù)走刀過程中高速完成發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器各零部件的加工。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)性能、加工精度與質(zhì)量穩(wěn)定性、零部件材料性能等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，均按各加工工序、工位的具體技術(shù)要求分解為單一的技術(shù)指標(biāo)，因此機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷、數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，其加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)固化在數(shù)控系統(tǒng)中。這些機(jī)床一般都具備動(dòng)態(tài)剛度好、主軸回轉(zhuǎn)和行程定位精度高等特性，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速一般在6000r/min以下，快進(jìn)速度一般在20m/min以內(nèi)?，F(xiàn)分別以安裝筒式外形拉刀的拉削專用數(shù)控機(jī)床和曲軸加工專用數(shù)控車－拉機(jī)床為例作一分析。拉削專用數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:在三臺(tái)推力為60余噸的液壓千斤頂上固定豎裝三把柱狀專用外形拉刀筒體，通過PC機(jī)數(shù)控，將同步齒圈座零件半成品間歇式地自下推入、由上頂出，使零件彼此摞疊逐一拉削，并全程通過拉刀筒體，完成該零件外圈漸開線直齒及120°三等分直槽的拉削加工工序。一臺(tái)專用數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率即可替代由13～16臺(tái)高速滾齒機(jī)、插(銑)床組成的生產(chǎn)線。專用數(shù)控車－拉機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本上是由中型數(shù)控車床改型變化而成的專機(jī)，其專用數(shù)控系統(tǒng)可保證被加工曲軸的回轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)角與盤式車－拉刀的加工動(dòng)作(刀齒每隔9°作間歇式轉(zhuǎn)角，逐刃跟進(jìn)完成車－拉削)協(xié)調(diào)一致，曲軸每回轉(zhuǎn)一圈，車－拉刀完成一次往復(fù)分度90°的車－拉削加工。工件的加工精度與質(zhì)量主要取決于盤狀車－拉刀的徑向精度以及機(jī)床的進(jìn)刀定位精度。一臺(tái)雙工位專用數(shù)控車－拉機(jī)床可替代10臺(tái)以上數(shù)控成形車床和5臺(tái)以上內(nèi)銑式曲軸加工機(jī)床。該生產(chǎn)線上的專用數(shù)控機(jī)床均要求具有足夠的剛度和功率，主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)到2～5μm，定位精度達(dá)到土2～5Nm，直線運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到5～1Oμm/300mm。

一汽－大眾數(shù)控轎車生產(chǎn)線還配備有激光焊接、激光表面淬火等特種數(shù)控專用設(shè)備。

縱觀一汽－大眾轎車發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)器生產(chǎn)線應(yīng)用的機(jī)械制造工藝技術(shù)，雖然其刀具切削與進(jìn)給速度尚未達(dá)到某些論文中介紹的高速切削概念指標(biāo)，但其生產(chǎn)節(jié)拍與效率已屬于高速加工范疇。在生產(chǎn)實(shí)踐中，這種切削速度相對(duì)較低但生產(chǎn)效率很高的加工模式同樣具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

我國(guó)引進(jìn)的各條轎車自動(dòng)生產(chǎn)線的管理、決策機(jī)制以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工技術(shù)基本上是引用相應(yīng)外國(guó)公司的模式。由于主要的加工技術(shù)、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)大都固化在各種專用機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，因此我們對(duì)許多關(guān)鍵技術(shù)往往知其然而不知其所以然，這就使引進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化工作常常處于“照葫蘆畫瓢”的被動(dòng)模仿狀態(tài)。今后，隨著對(duì)轎車個(gè)性化產(chǎn)品的社會(huì)需求量不斷增加，缺少自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及系統(tǒng)研發(fā)能力的企業(yè)將在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中始終處于下風(fēng)。要解決這一問題，必須下大力氣深人、系統(tǒng)、有針對(duì)性地研究開發(fā)轎車制造的基礎(chǔ)共性技術(shù)源頭技術(shù)。

（轉(zhuǎn)載）