隨著金屬加工領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工理念已很難滿足人們對機(jī)加工高速度、高效率和高精度的要求。因此，這一領(lǐng)域要不斷改善和提高技術(shù)水平，以適應(yīng)未來的需要。復(fù)合加工技術(shù)能夠滿足更高的技術(shù)要求，而這類技術(shù)也代表著未來金屬加工的發(fā)展方向。
    目前，世界上越來越多的復(fù)雜零件采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行綜合加工。復(fù)合加工機(jī)床突出體現(xiàn)了工件在一次裝卡中完成大部分或全部加工工序，從而達(dá)到減少機(jī)床和夾具，提高工件加工精度，縮短加工周期和節(jié)約作業(yè)面積的目的。在復(fù)合加工中，刀具和機(jī)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(jī)床有限公司技術(shù)部部長劉金石先生、南京藍(lán)幟金屬加工技術(shù)有限公司汽車行業(yè)經(jīng)理王永國博士、京瓷（天津）商貿(mào)有限公司上海分公司機(jī)械工具部部長張濤先生，分別針對復(fù)合加工機(jī)床和刀具的技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢暢談了各自的觀點。
技術(shù)要求和加工優(yōu)勢

    劉金石先生：與普通的機(jī)床相比，復(fù)合機(jī)床可以進(jìn)行工序復(fù)合型的加工如車、銑、鉆、鏜、磨和齒輪加工等，還可以進(jìn)行跨類別的加工，如沖壓、激光淬火和金屬燒結(jié)等。由于復(fù)合加工機(jī)床可以將多種工序和多種工藝匯集到一臺設(shè)備上，所以零件經(jīng)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(shù)和許多輔助的非加工時間，提高了生產(chǎn)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(chǎn)環(huán)境來說，由于設(shè)備的復(fù)合能力的提高，減少了零件加工所需的設(shè)備臺數(shù)和生產(chǎn)廠房的占地面積，減少了勞動力成本和固定資產(chǎn)的投入，降低了生產(chǎn)成本，更重要的是簡化了生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)部門制造的柔性以及自動化的程度，提高了整個企業(yè)應(yīng)對市場變化的能力。
    王永國博士：復(fù)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(fù)合在一起加工；另一方面是兩個或多個加工面之間有嚴(yán)格的同軸度等位置精度的要求，為了達(dá)到這個精度，把相關(guān)的兩個或多個加工面復(fù)合到一起加工。
    復(fù)合加工對機(jī)床、刀具、夾具和工件等組成的工藝系統(tǒng)提出了更高的要求。首先，多道工序復(fù)合到一起，要考慮機(jī)床的功率和精度是否合適。如果機(jī)床的功率不夠或者機(jī)床的精度不夠高時，不適合復(fù)合加工。其次，復(fù)合加工的刀具設(shè)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(nèi)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(fù)合刀具就達(dá)到壽命，所以對刀具的設(shè)計和制造也提出了更高的要求。復(fù)合加工的夾具設(shè)計要充分考慮到整個加工過程的受力情況；復(fù)合加工對工件的材料要求內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、機(jī)械性能穩(wěn)定。最后，復(fù)合加工應(yīng)盡可能做到粗加工之間或精加工之間進(jìn)行復(fù)合。

圖2 鋁合金零件

    張濤先生：同時具備車削、銑削功能的復(fù)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(fā)了擁有世界領(lǐng)先的高效率、低抵抗、系列化的端銑刀具（MEC、MECX），這些產(chǎn)品與傳統(tǒng)的端銑刀具相比，具有切削抵抗小、刀刃數(shù)多、進(jìn)給量大等特點，可實現(xiàn)高效率的加工。
常見問題及解決方式
    劉金石先生：從機(jī)床的角度看，在零件的復(fù)合加工中通常會遇到的問題就是盲目地、求大求全地擴(kuò)大設(shè)備的復(fù)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(xiàn)性、機(jī)床經(jīng)濟(jì)性和社會配套環(huán)境等諸多因素的影響。

圖3 組合PCD刀具

    數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床不是由各種實現(xiàn)不同工藝的單臺機(jī)床經(jīng)過簡單疊加而形成的，而是由新研發(fā)的具備復(fù)合加工要求的基本技術(shù)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(fā)展復(fù)合加工技術(shù)，必須要采用新工藝、新概念，開發(fā)新型的復(fù)合加工功能模塊才能解決。
    張濤先生：由于復(fù)合加工的特殊性，可能會出現(xiàn)刀具過早磨損的現(xiàn)象，這就需要刀具產(chǎn)品必須同時具有很強的韌性、很好的耐磨性，能夠進(jìn)行大進(jìn)給、重切削以及硬材料的切削加工。另外，刀具產(chǎn)品還應(yīng)該具有很好的精度和穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)高速的切削環(huán)境，并具有良好的斷屑結(jié)構(gòu)。

圖4 發(fā)動機(jī)鑄鐵缸體

    復(fù)合加工中刀具出現(xiàn)的大部分問題都可以通過在制定刀具方案和設(shè)計、制造刀具時把機(jī)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(fù)合加工中，最常見的是復(fù)合加工刀具的一個或其中幾個加工面的切削刃出現(xiàn)磨損或破損而達(dá)到壽命，這主要是刀具設(shè)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(jìn)設(shè)計或要求提高零件毛坯的質(zhì)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(zhì)量，這主要是排屑槽的設(shè)計不合理和冷卻液的流量不夠等造成的，可通過改進(jìn)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(wěn)定。
    首先要開發(fā)可對應(yīng)各種被削材的工具材料，同時設(shè)計上要保證實現(xiàn)良好的排屑處理的斷屑槽形狀，研制既保證可實現(xiàn)高進(jìn)給又能實現(xiàn)高精度加工的刀具。
產(chǎn)品技術(shù)亮點
    劉金石先生：小巨人機(jī)床有限公司的車銑復(fù)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(xiàn)較為突出。我公司車銑復(fù)合加工中心QTN250MS（見圖8）配置的是內(nèi)藏式電主軸，主軸電機(jī)與主軸做成一體，不需要皮帶傳動也不需要聯(lián)軸器，主軸本身就是主軸電機(jī)，可以實現(xiàn)高速和高精度的定位和插補，提高了復(fù)合加工能力。 QTN250MS的動力銑軸由交流伺服主軸電機(jī)提供，峰值功率上可以達(dá)到5.5kW，相當(dāng)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(fù)合加工的能力。配合第二主軸的功能，可以進(jìn)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(jī)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(fù)合刀具

    在自動化及智能化方面，我公司的全系列數(shù)控車床配置了智能電動尾座。電動智能尾座采用伺服電機(jī)和絲杠驅(qū)動，通過穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和對伺服電機(jī)電流環(huán)的控制，實現(xiàn)由程序設(shè)定的推力值，可以實現(xiàn)對任意長度的被加工零件進(jìn)行超快速的推力設(shè)定。整個過程是由程序自動進(jìn)行而不需要人工干預(yù)，數(shù)控系統(tǒng)會自動對零件的長度進(jìn)行判斷，并且調(diào)整到程序設(shè)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(jìn)行去除多于結(jié)構(gòu)的粗加工，這時可以在程序中設(shè)定一個大的推力值如2KN，隨著毛坯在局部或整體剛性的變?nèi)酰�可以適當(dāng)?shù)赜沙绦蛟O(shè)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(fù)合加工刀具方面具有很強的技術(shù)優(yōu)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(jīng)過粗加工，直接用圖3所示組合PCD刀具一次進(jìn)刀加工出來（轉(zhuǎn)速4 000r/min，進(jìn)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(nèi)孔面的同軸度非常高（小于 0.003mm）；同時，各內(nèi)孔面的表面粗糙等可達(dá)鏡面。這類復(fù)合刀具目前只有少數(shù)幾家刀具公司能夠設(shè)計、制造。

圖7 復(fù)合加工刀具HSK

    圖 4所示為國外某公司發(fā)動機(jī)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(nèi)孔面、一個15°倒角面和一個45°倒角面的復(fù)合刀具。由于刀具的長徑比較大，3個內(nèi)孔面的同軸度和表面粗糙度要求高，因此選用帶導(dǎo)條、可調(diào)刀片式復(fù)合刀具。由于缸體材料為鑄鐵，可根據(jù)效率等要求選用涂層硬質(zhì)合金或 CBN刀片，導(dǎo)條可以是硬質(zhì)合金CBN或多層材料。實際使用的效果非常好，完全達(dá)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(shè)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(yán)格的要求。
    張濤先生：我公司主要針對機(jī)床設(shè)備主軸工作的具體要求，開發(fā)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(fā)適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)條件的專用復(fù)合刀具，擴(kuò)大復(fù)合刀具產(chǎn)品的種類和應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)行的各種加工，實現(xiàn)一刀多功能。復(fù)合加工刀具HSK見圖7。
復(fù)合加工刀具/機(jī)床的選擇
    劉金石先生：單臺設(shè)備性能的提高，為提高生產(chǎn)效率所帶來的貢獻(xiàn)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(chǎn)效率得到飛躍式的提高。因此，復(fù)合加工設(shè)備的使用要考慮整個工廠的環(huán)境，要和整個工廠的生產(chǎn)模式進(jìn)行匹配。先進(jìn)的數(shù)字化制造工廠使用的設(shè)備都是復(fù)合程度高、自動化程度高的設(shè)備，這樣才能和生產(chǎn)管理模式相對應(yīng)。如果工廠內(nèi)只有部分復(fù)合化的設(shè)備，其他都是普通的設(shè)備，那么這個工廠生產(chǎn)效率的提高就會大打折扣，因為管理模式可能因為設(shè)備的差異不能提高到一個更高的層次。因此，復(fù)合加工機(jī)的選擇，要和工廠內(nèi)的設(shè)備和管理環(huán)境進(jìn)行整體性的匹配，一般是復(fù)合程度越高的生產(chǎn)設(shè)備對應(yīng)的生產(chǎn)管理模式也越先進(jìn)。

圖8 QTM250MS型車銑復(fù)合加工中心

    王永國博士：復(fù)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(fù)合刀具。只有機(jī)床、刀具、夾具和工件等組成的工藝系統(tǒng)滿足一定的條件時，并且零件的生產(chǎn)效率和精度有較高的要求時，復(fù)合刀具才能發(fā)揮其優(yōu)勢。另外，由于復(fù)合刀具的技術(shù)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(fù)合刀具時一定要全面考慮，最好請復(fù)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(chǔ)的復(fù)合加工中，應(yīng)該側(cè)重選擇通用性良好的可廣泛使用的刀具材質(zhì)，并盡可能搭配排屑范圍廣的可進(jìn)行良好切屑處理的斷屑槽形狀；在以銑削為基礎(chǔ)的復(fù)合加工中，則應(yīng)該側(cè)重選擇既可實現(xiàn)低切削抵抗又能保證高效率加工的刀具。
技術(shù)趨勢
    劉金石先生：復(fù)合加工技術(shù)的技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是數(shù)控機(jī)床技術(shù)最活躍的發(fā)展趨勢之一，目前已由機(jī)加工復(fù)合發(fā)展到非機(jī)加工復(fù)合，進(jìn)而發(fā)展到零件制造和管理信息及應(yīng)用軟件的兼容，目的在于實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的全部加工及生產(chǎn)過程集約化管理，提高了整個生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和制造效率。隨著復(fù)合技術(shù)和信息技術(shù)的融合，制造工廠正在進(jìn)入一個全新的時代，即數(shù)字化柔性制造時代。
    王永國博士：復(fù)合加工在汽車行業(yè)的應(yīng)用會越來越廣泛。這是由以發(fā)動機(jī)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(yè)屬于大批量生產(chǎn)，對效率的要求高，汽車行業(yè)零件的精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的制造業(yè)；另一方面，汽車行業(yè)目前大量采用高精度的加工中心，為復(fù)合刀具的使用創(chuàng)造了條件。另外，在其他行業(yè)，在生產(chǎn)效率和加工的精度要求較高的場合，復(fù)合刀具也會得到廣泛使用。
    張濤先生：復(fù)合加工技術(shù)是屬于已經(jīng)基本成熟的技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�會不斷地深化。�?fù)合加工不會僅僅應(yīng)用于目前較為常見的“車銑中心”中，進(jìn)行對一些箱體類零件、曲軸以及其他一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大的工件進(jìn)行加工，隨著行業(yè)、技術(shù)的發(fā)展，我們認(rèn)為這種技術(shù)會向齒輪加工、塑性加工等多方面延伸。