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1、提高生产率是当前机械制造领域的主旋律提高生产率是当前机械制造领域的主旋律航天科技集团吴敏镜1 前言提高生产率是机械制造领域的永恒课题,也是当前机械制造领域普遍关注的大问题。为了达到这个目标,高速加工是当前高效的重要手段。同时应当考虑到当前发展的特点是难切削加工材料的大量出现,加工的难度明显增加;加工中也提出了迫切需要解决的许多课题,如硬切削;为了环境保护,要求少用或不用切削油剂,即干切削或半干切削;总之机械制造面临许多难题,在这样的情况下,为了提高生产率必须综合利用有关的切技术进步。特别是航空航天工业系统,由于是难加工材料多,结构复杂、研制周期又短、又是单件小批量生产的特点,如何提高生产率,缩
2、短生产周期,一直是长期关切的重要课题,所以在航空航天系统探索这个问题是刻不容缓的。从另一方面看,当前由于科技发展迅速,新技术、新工艺大量涌现,如何移植过来,十分迫切。我认为必须首先从观念上解决,同时应当将这技术具体化。值得注意的是提高生产率的方法是多方面的,这里可以举几个例子作介绍。众所周知,金刚石刀具的研磨难度十分大,最近日本报道,采用低碳含有量、低导热率的不锈钢3 0 4 ( 日本的牌号) 制造成圆盘,将金刚石压在4 0 0 0 r p m 回转的盘上,控制温度在8 0 0 ,金刚石的去除率惊人,达到了O 9 4m m 3 m i n 。在进行中,不用磨料,而是利用物理、化学的作用,被称为
3、热化学加工,这是打破常规的方法;最近的快速成型( R P ) ,可以在没有模具的情况下成型,省去了模具制造的周期;电火花线切割的切割速度在国内的快走丝机床上,可以达到7 0 m m 2 m i n ,而瑞士的A G I E 公司的可以达到5 0 0 m m 2 m i n ,而日本三菱电机达到了5 5 0 m m 2 m i n ;现在开展的高速磨削速度已经达到6 0 、1 2 0 m s ,甚至达到2 0 0m s ,在实验室中已经达到5 0 0m s ,其走刀量大,而一般的磨削速度仅为3 0 3 5m s 。还有一种是蠕动磨削,与高速磨削不同的是走刀量小,切深大,这两种技术所不同的是切削用
4、量,但是都是高效率加工,所以有人比喻是“龟兔赛跑“ 各有所长;1 9 3 1 年,德国的C a r lS a l o m o n提出了有名的预言,一般切削速度与切削热是同步增加的,但是经过一个切削不了的死谷,切削速度即使增加,会出现切削热下降,现在他的理论应当到了分晓的时刻,因为铝的切削速度已经达到了5 0 0 0 m m i n 。总之提高切削速度是提高生产率的重要手段,但是不是全部。高速加工主要体现在铣削方面,所以下面以机械加工中心为主作介绍。提高生产率是当前机械制造领域的主旋律2 机床的发展为高效高速加工创造了前提当前由于机床制造技术的迅速发展,在机械制造领域正在酝酿着巨大的变化,从数控
5、机床发展成机械加工中心,集约各种工序在一体,明显地缩短了辅助时间,提高了生产率,同时减少了工件的装夹,从而提高了加工精度。从航空航天系统的观点,普遍认为机床的这种发展,非常适合于单件小批量的生产,所以迅速地、比较多的在单件小批量的生产系统充实了这些装备,实践也表明了自动化的设备是符合航空航天系统制造的发展的需要的。当然从提高生产率的角度分析,除了自动化加工以外,仍然存在如何更进一步更合理地使用各种技术方面的进步。从机床的发展观察,机床是在进一步利用有关技术的进步,在迅速满足制造的需要而发展的。首先在机床主轴的高速化上显著提高了转速,高于1 0 0 0 0 r p m 的机床已经比较普遍。由于轴
6、承技术的进步,提供了可能;主轴的发展,最突出的是电主轴的发展,而且已经商品化。它的重要性,往往对润滑技术特别的关切,这许多年来,从油脂润滑发展到油雾润滑、油气润滑、环下( u n d e r - r a c e ) 润滑,甚至冷风润滑等,由于高速主轴的发展,油脂润滑油已经不能适应,油雾润滑污染的原因使用也在减少,而现在使用最为广泛的是油气润滑,更合理的是环下( u n d e r _ r a c e ) 润滑,使关键的内环得到更好的润滑。润滑性能的提高,使滚珠轴承也能承受高达7 0 0 0 0 r p m 的高转速,美国原来在机床主轴上,采用的高精度轴承是A B E C 7 级,现在已经发展到
7、A B E C 9 级,说明轴承的精度提高是必须的,现在由于材料的发展,又发展了陶瓷滚珠的应用,这使滚珠轴承性能更加提高,也是能保证主轴的高速化的需要。当然提高主轴转速,有采用气浮静压轴承或者液浮静压轴承,丽磁力轴承则能达到更高的水平。几年前,美国机床博览会上,美国的J L 和I n g e r s o l l 公司在展览会上推出了采用直线电机的高速机床,引起巨大的反响,在加大走刀速度方面起到了滚珠丝杠达不到的速度,但是当时因为成本太高,所以在具体的应用上,采用较少,而是采用加大丝杠的螺距,增加头数,或者制造成中空的大直径丝杠,通以温控的水,保持良好的温度,也有主张采用静压丝杠,但是从性能上仍
8、然是有比较大的差距,它最高可以达到加速度1 1 5 G ,而直线电机可以达到1 0 G 以上,当然在一般的机械加工中心上还是大多数。后来由于直线电机制造技术的进步,其成本也明显降低,应用便明显增加,在E M 0 2 0 0 3 的展览会上,展示的机床的采用已经十分普遍。如果从配合高速加工,应当是非直线电机莫属了。现在在电火花机床上也采用了直线电机,如日本的S O D I C K 甚至采用三个直线电机。只有走刀的高速化,高速加工才能真正得到实现。当然围绕高速加工仍有一系列的技术需要解决,例如,托板交换、工具交换的速度也要增大。以德国D I G M A 、C H m O N 、S T A M A
9、,日本的大隈、瑞士的M I K R O N 等公司是世界上有名的高速机械机床制造者。C H I R O N 的小型机械加工中心的工具交换时间已经达到提高生产率是当前机械制造领域的主旋律O 5 s 。同时也要求提高主轴的加减速度,使主轴能在极短的时间里停止或者达到最高速。现在已经可以达到2 s 左右。这些都是选择合适机床的依据。为了采用高效率加工的需要,机床的强度、刚度、稳定性、抗振性等都受到挑战,所以从设计方面采用C A D 的方法进行,预先打好基础;特别在结构材料上有了比较明显的变化,出现石质的材料取代传统的铸铁和钢,如花岗岩、陶瓷、人造花岗岩、人造大理石、在超精密机床上还有采用零膨胀系数的
10、微晶玻璃( 德国称为Z e r o d u r ,日本称为玻璃陶瓷) 。近几十年来,机床为了适应生产率的发展要求,在结构材料方面发生很大的变化,机床的性能有了长足的进步。我国也比较早由同济大学和北京第二机床厂研制成功人造花岗岩。我国在花岗岩的应用上已经有比较长的历史,特别是济南许多单位都能提供优质的花岗岩的制件。结构材料的发展也是有利于高效加工的。近年来的机床日新月异,变化非常迅速,高速化、复合化、多功能化、高精度化的发展明显,更多的主旋律是提高生产率。例如D M G 公司展示的激光铣削机械中心,将不同的工种集约在一台机床上;为了更好解决排屑,德国的E M A G 公司研制了倒置机械加工中心;
11、当前比较多的公司提供了5 轴机械a n - r _ 中心;特别是虚拟机床的出现,从机床的设计上发生了比较大的变化,现在它依旧在发展之中,从当前世界各大展览会上展示的情况分析,这几年发展趋于比较平稳状态,展出不见增加。3 切削工具的性能提高为高效高速j n - r 发展提供了可能性如果需要达到高效高速加工,切削工具是另外个重要的因素。当前切削工具的材料的发展,对加工的需要创造了比较好的条件。除了高速钢、硬质合金以外,陶瓷、金属陶瓷、超硬材料的发展是起到重要的作用。特别是陶瓷、超硬材料对高效高速加工的发展是有力的支持。更值得提到的是1 9 5 5 年,美国G E 公司以高温、高压合成超硬材料取得成
12、功,是促使切削领域中发生重大变化的时刻。在这基础上,很快出现了P C D 、P C B N ,这对难加工材料的切削、干切削、硬切削、超精密切削等的加工创造了前提。在切削加工的另一个方面,就是表面技术在切削工具上的应用,使传统的高速钢、硬质合金焕发了“青春“ ,P V D ( 物理气相沉积) 、C V D ( 化学气相沉积) 不断的推陈出新,由单层发展成多层、千层、复合涂层;现在又发展成纳米涂层;涂层的材料,从T i N 发展成A 1 2 0 3 、T i C 、Z r 0 2 等,又根据加工的要求,提高耐高温的性能,又发展了T i C N 、T i A I N ,T i S i N 、C r
13、S i N 等。也有为了减少摩擦力,采用软涂层的,例如沉积M o S 2 的,例如德国G u e h r i n g 公司采用的M o l y g l i d e ,这种涂层就是以M o S 2 为主的,它能减少切削中的摩擦系数。当然这要根据被加工件的特点,分别地应用在所需的加工上。现在涂层技术又发展到了超硬涂层( 类金提高生产率是当前机械制造领域的主旋律刚石、金刚石、立方氮化硼) ,更使切削加工的范围拓宽。特别值得提到的是薄膜涂层发展成为厚膜,它不同于天然金刚石的特点,是具有各向同性,现在已经在国内外得到应用,部分取代了天然金刚石。当然现在也已经解决了大颗粒单晶金刚石的合成技术,这些变化对我
14、国的影响非常深远。另外应当提到的是我国已经是世界合成金刚石产量最多的国家。这些都是有利于我国发展高效加工的潜力。为了适应高效高速的加工,辅助工具也是十分重要的手段,例如原来的组合夹具在机械加工中心上的应用,为了提高其强度,已经从槽系,发展成为孔系。目前比较典型的是E R O W A 和3 R 的组合工具的应用,已经从电加工,发展到机械加工中心上,不仅加快了节奏,更重要的是达到高精度,这些工具从原来的模具电加工发展到了切削加工领域。在带柄的切削工具方面所需的刀柄也在配合高效率、高精度的切削加工,发展了新型的结构,例如液压的、塑料的,现在又广泛采用热装的刀柄,其夹紧的精度明显提高,达到2 3 微米
15、。现在这种装置已经成熟,例如德国的Z O L L E R 公司已经将这样的装置直接按装在其对刀仪上,说明技术又向前推进了一步。从工具的进步,为高效的加工提供了有力的支持。4 为高效高速加工的普及创造条件高效高速加工是航空航天系统提高生产率的重要技术。众所周知,航空航天工业从产量的角度看,它是属于多品种小批量生产性质。因此从观念上,认为与自动化加工关系比较少,所以在考虑制造设备的时候,往往不采用自动化的装备的。但是自从N C 机床出现以后,特别是各种机械加工中心诞生后,人们的概念开始发生微妙的变化。但是反过来看,各种中心是否适应大量生产的需要,在看法上是有不同的观点,原因是各种中心的功能非常强,
16、如果应用在大量生产单一零件方面,则它的功能往往发挥不出来。自从引进为数不少的机械加工中心以后,经过这一、二十年来的实践,观念上发生变化,在小批量零件的加工,认为自动化加工不仅发挥了重要的作用,而且在周期上、质量上都有明显的提高,工装的数量也显著减少。所以综合认为机械加工中心等装备是适合航空航天系统的。特别在工序多、周期长,结构复杂的箱体零件的加工方面,更显得中心的优越性。为了进一步提高生产率,缩短研制周期、降低成本的需要,希望更合适的机床,所以一直在关切机床的发展,例如机床的复合化、多功能化、高速化、高精度化方面,近年来机床的发展是受到非常的欢迎。同时也看到切削工具材料的突飞猛进,新型结构的日新月异,特别在复合化的方面的进步,与机床的发展在同步进行。在这方面,尤其是高速化方面的发展,更是十分关心,普遍认为提高切削速度是提高生产率的重要途径,但是在引进装备时,却举足不前,引进的装备几乎很少有主轴超过1 0 0 0 0 r p m 机械加工中心。原因所在,对高速加工存在一种疑虑。根据德国的4提高生产率是当前机械制造领域的主旋律D M G 公司