發展中的復合加工技

    隨著金屬加工領域技術的不斷發展，傳統的加工理念已很難滿足人們對機加工高速度、高效率和高精度的要求。因此，這一領域要不斷改善和提高技術水平，以適應未來的需要。復合加工技術能夠滿足更高的技術要求，而這類技術也代表著未來金屬加工的發展方向。
    目前，世界上越來越多的復雜零件采用復合機床進行綜合加工。復合加工機床突出體現了工件在一次裝卡中完成大部分或全部加工工序，從而達到減少機床和夾具，提高工件加工精度，縮短加工周期和節約作業面積的目的。在復合加工中，刀具和機床始終是相輔相成，密不可分的。
    在本欄目中，記者邀請小巨人機床有限公司技術部部長劉金石先生、南京藍幟金屬加工技術有限公司汽車行業經理王永國博士、京瓷（天津）商貿有限公司上海分公司機械工具部部長張濤先生，分別針對復合加工機床和刀具的技術應用及發展趨勢暢談了各自的觀點。
技術要求和加工優勢

    劉金石先生：與普通的機床相比，復合機床可以進行工序復合型的加工如車、銑、鉆、鏜、磨和齒輪加工等，還可以進行跨類別的加工，如沖壓、激光淬火和金屬燒結等。由于復合加工機床可以將多種工序和多種工藝匯集到一臺設備上，所以零件經過一次裝夾后基本可以完成全部或絕大部分加工，這樣不僅減少了零件的裝夾次數和許多輔助的非加工時間，提高了生產效率，同時零件一次裝夾減少了人為造成的誤差，提高了整個零件的加工精度。對整個生產環境來說，由于設備的復合能力的提高，減少了零件加工所需的設備臺數和生產廠房的占地面積，減少了勞動力成本和固定資產的投入，降低了生產成本，更重要的是簡化了生產管理環節，提高了生產部門制造的柔性以及自動化的程度，提高了整個企業應對市場變化的能力。
    王永國博士：復合加工一般用于以下兩個方面：一是零件對加工效率的要求非常高，為了提高加工效率，把多道工序復合在一起加工；另一方面是兩個或多個加工面之間有嚴格的同軸度等位置精度的要求，為了達到這個精度，把相關的兩個或多個加工面復合到一起加工。
    復合加工對機床、刀具、夾具和工件等組成的工藝系統提出了更高的要求。首先，多道工序復合到一起，要考慮機床的功率和精度是否合適。如果機床的功率不夠或者機床的精度不夠高時，不適合復合加工。其次，復合加工的刀具設計、制造難度加大，要充分考慮刀具加工時的干涉問題、刀具的強度以及確保內冷卻液的流量等問題。另外，如果加工一個加工面的刀具出了問題，整把復合刀具就達到壽命，所以對刀具的設計和制造也提出了更高的要求。復合加工的夾具設計要充分考慮到整個加工過程的受力情況；復合加工對工件的材料要求內部結構均勻、機械性能穩定。最后，復合加工應盡可能做到粗加工之間或精加工之間進行復合。

圖2 鋁合金零件

    張濤先生：同時具備車削、銑削功能的復合加工中心用刀具與以往的普通刀具相比，對低抵抗、高效率的要求更為突出。針對這種要求，京瓷開發了擁有世界領先的高效率、低抵抗、系列化的端銑刀具（MEC、MECX），這些產品與傳統的端銑刀具相比，具有切削抵抗小、刀刃數多、進給量大等特點，可實現高效率的加工。
常見問題及解決方式
    劉金石先生：從機床的角度看，在零件的復合加工中通常會遇到的問題就是盲目地、求大求全地擴大設備的復合加工能力，但這在實際加工中總是有限度的，因為要受到可實現性、機床經濟性和社會配套環境等諸多因素的影響。

圖3 組合PCD刀具

    數控復合加工機床不是由各種實現不同工藝的單臺機床經過簡單疊加而形成的，而是由新研發的具備復合加工要求的基本技術模塊組成，例如：容納各種類型刀具的自動刀庫模塊；能夠使用各種刀具的用于切削的主軸模塊；使主軸可以擺動的B軸功能模塊和主軸具備空間移動能力的模塊等，因此，對于上述問題，要更好地發展復合加工技術，必須要采用新工藝、新概念，開發新型的復合加工功能模塊才能解決。
    張濤先生：由于復合加工的特殊性，可能會出現刀具過早磨損的現象，這就需要刀具產品必須同時具有很強的韌性、很好的耐磨性，能夠進行大進給、重切削以及硬材料的切削加工。另外，刀具產品還應該具有很好的精度和穩定性，能夠適應高速的切削環境，并具有良好的斷屑結構。

圖4 發動機鑄鐵缸體

    復合加工中刀具出現的大部分問題都可以通過在制定刀具方案和設計、制造刀具時把機床、刀具、夾具和工件等因素綜合考慮，選擇最佳方案得到解決。

    王永國博士：在零件的復合加工中，最常見的是復合加工刀具的一個或其中幾個加工面的切削刃出現磨損或破損而達到壽命，這主要是刀具設計考慮不周或者是由于工件材料不均勻等造成的，重新改進設計或要求提高零件毛坯的質量可解決這類問題。另外，有時也會碰到排屑不暢影響加工面的質量，這主要是排屑槽的設計不合理和冷卻液的流量不夠等造成的，可通過改進這兩方面使問題得到解決。另外，有時也會碰到刀具強度不夠造成加工過程不穩定。
    首先要開發可對應各種被削材的工具材料，同時設計上要保證實現良好的排屑處理的斷屑槽形狀，研制既保證可實現高進給又能實現高精度加工的刀具。
產品技術亮點
    劉金石先生：小巨人機床有限公司的車銑復合加工中心在動力輸出以及自動化、智能化等方面的性能表現較為突出。我公司車銑復合加工中心QTN250MS（見圖8）配置的是內藏式電主軸，主軸電機與主軸做成一體，不需要皮帶傳動也不需要聯軸器，主軸本身就是主軸電機，可以實現高速和高精度的定位和插補，提高了復合加工能力。 QTN250MS的動力銑軸由交流伺服主軸電機提供，峰值功率上可以達到5.5kW，相當于一個小型的加工中心主軸的功率，可以使用直徑50mm的面銑刀，而且每個刀座都可以配置動力刀具，這樣的功率和刀具能力具有很寬廣的加工范圍，提高了零件復合加工的能力。配合第二主軸的功能，可以進行工序間零件的交換，一次裝夾后，可以完成一個工件兩個工序的完整加工，不僅提高了加工效率，而且因為交換是由機床自身來完成，減少了人為誤差，提高了零件的加工精度。

圖6 多功能復合刀具

    在自動化及智能化方面，我公司的全系列數控車床配置了智能電動尾座。電動智能尾座采用伺服電機和絲杠驅動，通過穩定機構和對伺服電機電流環的控制，實現由程序設定的推力值，可以實現對任意長度的被加工零件進行超快速的推力設定。整個過程是由程序自動進行而不需要人工干預，數控系統會自動對零件的長度進行判斷，并且調整到程序設定的推力值。在零件加工過程中，隨時可以改變推力的大小，比如，開始切削時一般對毛坯進行去除多于結構的粗加工，這時可以在程序中設定一個大的推力值如2KN，隨著毛坯在局部或整體剛性的變弱，可以適當地由程序設定遞減的推力值如1.8KN、1.6KN、1.2KN……這樣可以有效地減小由于推力過大造成的變形，盡可能提高零件的精加工精度。
    王永國博士：我公司在復合加工刀具方面具有很強的技術優勢。以圖2所示鋁合金零件（AlSi9）的加工為例，同軸的各個加工面可以不經過粗加工，直接用圖3所示組合PCD刀具一次進刀加工出來（轉速4 000r/min，進給800mm/min）。一方面，切削效率非常高（切削時間只需要10s左右），另一方面，各內孔面的同軸度非常高（小于 0.003mm）；同時，各內孔面的表面粗糙等可達鏡面。這類復合刀具目前只有少數幾家刀具公司能夠設計、制造。

圖7 復合加工刀具HSK

    圖 4所示為國外某公司發動機鑄鐵缸體，圖4是其加工過程中采用的可以同時加工3個直徑的內孔面、一個15°倒角面和一個45°倒角面的復合刀具。由于刀具的長徑比較大，3個內孔面的同軸度和表面粗糙度要求高，因此選用帶導條、可調刀片式復合刀具。由于缸體材料為鑄鐵，可根據效率等要求選用涂層硬質合金或 CBN刀片，導條可以是硬質合金CBN或多層材料。實際使用的效果非常好，完全達到了零件的各項精度要求。此種刀具代表孔加工的最高水平，對刀具的設計、制造要求非常高；同時對切削液的種類、濃度以及壓力等有嚴格的要求。
    張濤先生：我公司主要針對機床設備主軸工作的具體要求，開發適用于主軸頭安裝的各種車削刀具，另外，公司也在積極地開發適應現代生產條件的專用復合刀具，擴大復合刀具產品的種類和應用領域，滿足更多客戶的需求，力爭用一個刀具完成原來必需要使用多個刀具才能進行的各種加工，實現一刀多功能。復合加工刀具HSK見圖7。
復合加工刀具/機床的選擇
    劉金石先生：單臺設備性能的提高，為提高生產效率所帶來的貢獻是非常有限的，只有整個工廠的制造模式和管理模式的變革，才能讓生產效率得到飛躍式的提高。因此，復合加工設備的使用要考慮整個工廠的環境，要和整個工廠的生產模式進行匹配。先進的數字化制造工廠使用的設備都是復合程度高、自動化程度高的設備，這樣才能和生產管理模式相對應。如果工廠內只有部分復合化的設備，其他都是普通的設備，那么這個工廠生產效率的提高就會大打折扣，因為管理模式可能因為設備的差異不能提高到一個更高的層次。因此，復合加工機的選擇，要和工廠內的設備和管理環境進行整體性的匹配，一般是復合程度越高的生產設備對應的生產管理模式也越先進。

圖8 QTM250MS型車銑復合加工中心

    王永國博士：復合刀具確實可以提高加工效率和零件的精度，但是并不是所有場合都適合采用復合刀具。只有機床、刀具、夾具和工件等組成的工藝系統滿足一定的條件時，并且零件的生產效率和精度有較高的要求時，復合刀具才能發揮其優勢。另外，由于復合刀具的技術含量高，價格昂貴，對刀具的使用條件有很高的要求，因此，在選擇是否使用復合刀具時一定要全面考慮，最好請復合刀具方面的專家一起論證加工方案。

    張濤先生：在以車削為基礎的復合加工中，應該側重選擇通用性良好的可廣泛使用的刀具材質，并盡可能搭配排屑范圍廣的可進行良好切屑處理的斷屑槽形狀；在以銑削為基礎的復合加工中，則應該側重選擇既可實現低切削抵抗又能保證高效率加工的刀具。
技術趨勢
    劉金石先生：復合加工技術的技術集成和技術復合是數控機床技術最活躍的發展趨勢之一，目前已由機加工復合發展到非機加工復合，進而發展到零件制造和管理信息及應用軟件的兼容，目的在于實現復雜形狀零件的全部加工及生產過程集約化管理，提高了整個生產系統的柔性和制造效率。隨著復合技術和信息技術的融合，制造工廠正在進入一個全新的時代，即數字化柔性制造時代。
    王永國博士：復合加工在汽車行業的應用會越來越廣泛。這是由以發動機和變速箱為代表的汽車零部件制造的特點決定的。一方面，汽車行業屬于大批量生產，對效率的要求高，汽車行業零件的精度要求遠遠高于傳統的制造業；另一方面，汽車行業目前大量采用高精度的加工中心，為復合刀具的使用創造了條件。另外，在其他行業，在生產效率和加工的精度要求較高的場合，復合刀具也會得到廣泛使用。
    張濤先生：復合加工技術是屬于已經基本成熟的技術，其應用領域將會不斷地深化。復合加工不會僅僅應用于目前較為常見的“車銑中心”中，進行對一些箱體類零件、曲軸以及其他一些結構復雜、加工難度大的工件進行加工，隨著行業、技術的發展，我們認為這種技術會向齒輪加工、塑性加工等多方面延伸。