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官方微信摘要 日前，由榮格會(huì)議有限公司舉辦，瓦爾特、新美科、福祿、福斯?jié)櫥汀⒑材⒛暇┐蟮厮丁⑼款D精密機(jī)械、安美等多家業(yè)內(nèi)知名公司共同贊助的“第二屆高速切削技術(shù)研討會(huì)&rdqu...
日前，由榮格會(huì)議有限公司舉辦，瓦爾特、新美科、福祿、福斯?jié)櫥汀⒑材⒛暇┐蟮厮丁⑼款D精密機(jī)械、安美等多家業(yè)內(nèi)知名公司共同贊助的“第二屆高速切削技術(shù)研討會(huì)”在上海成功舉辦。來(lái)自各大著名院校、科研機(jī)構(gòu)的資深教授以及企業(yè)的工程師和參會(huì)代表齊聚一堂，共同探討高速切削加工的應(yīng)用案例、工藝探討、技術(shù)服務(wù)，以及如何發(fā)揮高速加工機(jī)床和刀具的潛能等話(huà)題，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)還有專(zhuān)家為高速切削的現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)指點(diǎn)迷津。整場(chǎng)會(huì)議高潮迭起，參會(huì)代表們都認(rèn)為好的技術(shù)正在幫助越來(lái)越多的行業(yè)邁向新的巔峰。
正確定義刀具壽命尤為重要
上汽集團(tuán)乘用車(chē)公司發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)主任工程師，副教授吳抗美在《影響高速切削過(guò)程的一些因素》報(bào)告中說(shuō)，在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)中經(jīng)常使用的高速刀具有PCDCBN刀具也有粉末冶金高速鋼和硬質(zhì)合金刀具，絕大多數(shù)刀具都是內(nèi)冷刀具；高速切削過(guò)程中一些舉足輕重的因素往往決定高速加工的可行性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，如切削液的選用、壓力、濃度、溫度等等；工件的結(jié)構(gòu)工藝性；刀具刃口的幾何形狀以及刀片的裝夾優(yōu)化等等。
目前為止國(guó)內(nèi)對(duì)于高速切削的大多數(shù)研究都聚焦在實(shí)驗(yàn)室的切削實(shí)驗(yàn)和高速切削的機(jī)理研究，而現(xiàn)實(shí)是高速切削在大多數(shù)大型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)加工行業(yè)內(nèi)應(yīng)用相當(dāng)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(zhuān)機(jī)，高效恒溫的冷卻潤(rùn)滑液噴射壓力高達(dá)70巴，先進(jìn)的裝夾系統(tǒng)和更可靠刀具系統(tǒng)以及維護(hù)這一切的專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍，與國(guó)外同行相比毫不遜色。而實(shí)際應(yīng)用中更多地考慮的問(wèn)題往往是高速切削過(guò)程伴生的一些問(wèn)題，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)穩(wěn)定可靠高效地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的重大課題是如何經(jīng)濟(jì)可靠的控制高速切削過(guò)程。
一般地講來(lái)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(tǒng)；實(shí)際上往往遇到許多干擾因素，比如零件的結(jié)構(gòu)工藝性、切削液的壓力和濃度、刀刃的抗沖擊強(qiáng)度、夾具的夾緊剛度等等。
吳教授認(rèn)為以下幾方面會(huì)影響以下幾方面會(huì)影響高速切削：其一，零件的結(jié)構(gòu)工藝性：實(shí)際應(yīng)用中高速切削要求切削過(guò)程精確平穩(wěn)地進(jìn)行，消除切削過(guò)程中的沖擊，這種沖擊可能來(lái)自于鑄件表面的硬質(zhì)點(diǎn)但更多的是工件幾何表面的不連續(xù)性，特別是對(duì)于那些沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(guò)程的應(yīng)力集中，加工面的易加工性等等；1.保證可靠的連續(xù)切削，防止出現(xiàn)切削斷續(xù)；對(duì)于高速切削過(guò)程中的PCD刀具，加工表面的斷續(xù)導(dǎo)致刀刃瞬間沖擊破損。CBN刀具切入時(shí)工件的尖角導(dǎo)致刀刃局部應(yīng)力集中加劇刀具的局部磨損和破損。復(fù)合刀具的切削工藝性，考慮各個(gè)刀刃切削狀態(tài)相互影響。其二，刀刃的幾何參數(shù)和過(guò)小的粗糙度處理。其三，潤(rùn)滑液壓力和濃度：高速切削中潤(rùn)滑液的作用常常是舉足輕重的，重視不同的加工方式的潤(rùn)滑液濃度和壓力是必要的。其四，機(jī)床主軸穩(wěn)定性：多采取連續(xù)的加工速度避免在工作中變速，并選用動(dòng)態(tài)剛性更好的設(shè)備主軸。
吳教授認(rèn)為高速切除了大大提高加工效率和穩(wěn)定的加工質(zhì)量，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)可行的，實(shí)際上現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)在刀具使用方面大多數(shù)刀具壽命都是受控的，根據(jù)加工零件的要求(或者SPC的控制線(xiàn)要求)制定的刀具控制壽命一般遠(yuǎn)離刀具的快速磨損階段，當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)規(guī)定壽命就會(huì)被撤換下來(lái)。(按：與過(guò)去的加工方式比較，大多數(shù)撤換下來(lái)的刀具基本上完好無(wú)損)PCD刀具的價(jià)格可能是普通硬質(zhì)合金刀具的10倍以上，但合理使用的高速刀具壽命往往遠(yuǎn)大于硬質(zhì)合金刀具。
“正確定義刀具壽命對(duì)于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)加工企業(yè)是非常重要的技術(shù)工作，而目前為止的刀具壽命規(guī)定大多數(shù)約定俗成—根據(jù)實(shí)際使用條件來(lái)確定，其中被冤殺的刀具往往不在少數(shù)；原因包括：對(duì)于一些加工精度較高的表面，PCD刀具的初期磨損導(dǎo)致被加工工件尺寸精度、位置精度超差；由于工件材質(zhì)、機(jī)床設(shè)備、冷卻系統(tǒng)等等因素不穩(wěn)定，導(dǎo)致刀具的早期崩刃大大降低刀具壽命的預(yù)期；由于刀具材料、幾何角度不穩(wěn)定導(dǎo)致加工壽命預(yù)期降低；由于缺乏一套科學(xué)制定刀具壽命的方法和原則。
高速切削在航空中的應(yīng)用
上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，陳明博士在《高速切削技術(shù)在航空典型零件加工中應(yīng)用》談到，航空結(jié)構(gòu)件：結(jié)構(gòu)整體化是新一代大型客機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)大型飛機(jī)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一個(gè)重要標(biāo)志。航空整體結(jié)構(gòu)件具有形狀復(fù)雜，材料去除率大的特征，大多為弱剛性薄壁結(jié)構(gòu)。“航空鋁合金用量減少，鈦合金和復(fù)合材料用量增加。航空鋁合金整體結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中依然占及其重要的地位，并且隨著新型鋁合金的開(kāi)發(fā)，對(duì)加工工藝提出更高的要求。”陳教授說(shuō)，高速切削技術(shù)是航空整體薄壁零件實(shí)現(xiàn)高效精密加工的唯一工藝，成為航空制造領(lǐng)域核心關(guān)鍵技術(shù)。
高速切削技術(shù)以高切速、大進(jìn)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(zhuǎn)速使得刀具的激振頻率避開(kāi)薄壁結(jié)構(gòu)工藝系統(tǒng)的振動(dòng)頻率范圍，避免振動(dòng)。“高速加工特別適合整體薄壁零件的加工，同時(shí)，高效數(shù)控工裝系統(tǒng)在也航空件加工中被廣泛應(yīng)用”，陳教授認(rèn)為，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化、整體化、新型冷卻結(jié)構(gòu)制造技術(shù)正在向低成本、高效率方向發(fā)展；新材料構(gòu)件制造技術(shù)出現(xiàn)較大突破；新工藝技術(shù)成為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重大關(guān)鍵制造技術(shù)，并得到廣泛應(yīng)用。
制造業(yè)未來(lái)趨勢(shì)：高效，節(jié)能，綠色
同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造研究所名譽(yù)所長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師張曙在《高效加工的現(xiàn)狀及趨勢(shì)》的報(bào)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(guò)高切削速度來(lái)加以體現(xiàn)，主要目的是提高加工效率和表面質(zhì)量。而高效加工包括更加廣泛的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)內(nèi)涵。“從不同的視角去看，高效加工關(guān)注重點(diǎn)也有所不同。”張教授強(qiáng)調(diào)。
張教授從三個(gè)視角為我們指引了制造企業(yè)的未來(lái)之路——技術(shù)視角：聚焦高效率。高效率是指該系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的材料切除體積或加工的零件數(shù)量，即切削過(guò)程的效率，而非僅僅是切削速度。環(huán)境視角：聚焦高能效。順應(yīng)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的潮流，實(shí)現(xiàn)單位產(chǎn)出的能耗最小和廢棄物最少，資源利用最有效。經(jīng)濟(jì)視角：聚焦高效益。是指社會(huì)和經(jīng)濟(jì)綜合效益最高，而非僅僅是加工的成本或利潤(rùn)。
談到聚焦高能效——高能效機(jī)床的愿景時(shí)，張教授表示應(yīng)該從產(chǎn)品的整個(gè)生命周期審視，力求逐步實(shí)現(xiàn)：機(jī)床零部件由再生材料制造(循環(huán)、節(jié)能)；機(jī)床重量和體積減少40%以上(省材、節(jié)能)；能源消耗減少30~40%(減輕移動(dòng)部件質(zhì)量、提高傳動(dòng)效率、降低空轉(zhuǎn)功率等節(jié)能措施)；使用過(guò)程的廢棄物減少50~60%(減排)；報(bào)廢機(jī)床的材料100%可回收(循環(huán)、減排)。“輕量化方面，新材料的加工值得關(guān)注”，張教授說(shuō)，采用碳素纖維、工程陶瓷和夾心材料制造機(jī)床移動(dòng)部件，可以減少重量，從而降低慣性力的負(fù)面影響以及驅(qū)動(dòng)所需的功率。采用天然花崗石或人造花崗石(樹(shù)脂混凝土)制造機(jī)床床身等非移動(dòng)部件，可以提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能和熱穩(wěn)定性。
“減重節(jié)能、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，這是一種全新的機(jī)床節(jié)能的概念：大幅度減少機(jī)床移動(dòng)部件的重量，既節(jié)省材料；又可降低機(jī)床使用時(shí)的驅(qū)動(dòng)功率(能源消耗)”。張教授介紹說(shuō)，傳統(tǒng)的理念是：只有足夠的剛度才能保證加工精度，提高剛度就必然要增加機(jī)床部件的重量。而保證剛度和減少重量難道誓不兩立？而分析表明：機(jī)床重量的80%是用于“保證”機(jī)床的剛度，而只有20%用于滿(mǎn)足機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)的需要；因此機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間很大。
張教授又詳細(xì)介紹了聚焦高效益——MQL(微量潤(rùn)滑)，他說(shuō)，通常在切削加工中需要切削液(冷卻潤(rùn)滑液)。切削液的采購(gòu)、存貯、使用和廢棄處置需要專(zhuān)門(mén)的技術(shù)和物流系統(tǒng)，費(fèi)用很高，大約占加工成本10%~15%。同時(shí)，冷卻液的使用與處置不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，甚至對(duì)人的健康造成危害。隨著對(duì)環(huán)保的重視，處置切削液的維護(hù)成本和廢棄費(fèi)用不斷上升。
目前花費(fèi)在冷卻的總費(fèi)用已經(jīng)是刀具費(fèi)用的2~3倍，采用微量潤(rùn)滑MQL或干切削，正作為節(jié)省成本和節(jié)能減排的措施替代某些濕切削加工過(guò)程。MQL能幫助加工企業(yè)降低成本、提高刀具壽命、加工效率及加工精度。
“數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)不僅是高速化，高速加工最終目標(biāo)是提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)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(guān)注能源利用效率，以應(yīng)對(duì)歐盟即將出臺(tái)的機(jī)床能效指令。”張教授說(shuō)，目前機(jī)床用于切削的功率僅占總功率的25%，驅(qū)動(dòng)、輔助裝置和損耗卻占75%，節(jié)能或提高能效大有可為。提高機(jī)床能效的主要途徑是：采用新結(jié)構(gòu)和新材料減輕部件重量達(dá)到節(jié)能，而采用干切削和MQL可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
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