一、我國(guó)機(jī)械制造工業(yè)面臨的形勢(shì)

近年高新技術(shù)獲得飛躍的發(fā)展，這一方面使機(jī)械制造工業(yè)采用了新技術(shù)，提高了機(jī)械制造的技術(shù)水平，同時(shí)，由于高新技術(shù)和國(guó)防工業(yè)發(fā)展的需要，促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)技術(shù)水平的迅速提高。

近年來我國(guó)機(jī)械工業(yè)獲得迅速發(fā)展，現(xiàn)在中國(guó)已是一個(gè)制造大國(guó)：中國(guó)已能生產(chǎn)電腦，DVD，半導(dǎo)體，各種家電和電信設(shè)備等精密產(chǎn)品，并且價(jià)格低廉。2003年，統(tǒng)計(jì)中國(guó)生產(chǎn)了世界上29%的彩色電視機(jī)，世界上24%的洗衣機(jī)，16%的電冰箱，50%以上的空調(diào)機(jī)，70%的玩具，55%的照相機(jī)，30%的微波爐，42%的顯示器，75%的鐘表，50%縫紉機(jī)，83%的小型拖拉機(jī)，40%的自行車，44%的摩托車。收錄機(jī)年產(chǎn)量2.4億臺(tái)，占全球份額的70%，DVD機(jī)2000萬臺(tái)，占70%，電話機(jī)9600萬臺(tái)，占50%以上，微特電機(jī)30億臺(tái)，占60%，一次性電池170億只，占40%，人造金剛石微粉10億克拉，占60%以上。中國(guó)生產(chǎn)的這些機(jī)電產(chǎn)品，已經(jīng)銷售到世界各國(guó)。我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，自1992年實(shí)施擴(kuò)大開放政策以來，保持平均15%以上的年增長(zhǎng)率。2002年和2003年的產(chǎn)量達(dá)到325.1萬輛和444.39萬輛。

中國(guó)制造業(yè)規(guī)模已達(dá)世界第四位，僅次于美國(guó)、日本和德國(guó)。在鋼鐵、水泥、化纖、化肥、電視機(jī)、摩托車等年產(chǎn)量都是世界第一。但制造業(yè)大而不強(qiáng)，是制造大國(guó)而不是制造強(qiáng)國(guó)。例如鋼鐵(年產(chǎn)量超過2億噸)，我們大量出口低價(jià)鋼材而進(jìn)口高附加值的合金鋼。機(jī)床也是出口亷價(jià)的簡(jiǎn)單機(jī)床，而進(jìn)口昂貴的數(shù)控和精密機(jī)床。中國(guó)制造業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，僅是美國(guó)的1/25，日本的1/26。中國(guó)很多機(jī)械產(chǎn)品價(jià)雖亷，而質(zhì)量也低，突出的例子，如鉆頭，價(jià)格是國(guó)外的1/10，而壽命也是國(guó)外的1/10。在世界企業(yè)的500強(qiáng)中，中國(guó)的制造業(yè)僅有兩家。

但中國(guó)不僅不是一個(gè)制造強(qiáng)國(guó)，而且是一個(gè)制造水平很低的國(guó)家。只是由于中國(guó)勞動(dòng)力工資很低，因而在中國(guó)大量生產(chǎn)的只是勞動(dòng)密集型產(chǎn)品(很多還是外國(guó)品牌)。而高水平高質(zhì)量的產(chǎn)品，如精密和數(shù)控機(jī)床，飛機(jī)，汽車，精密儀器，精密微電子設(shè)備，還都需要大量進(jìn)口，一些重要精密尖端產(chǎn)品還自己不能生產(chǎn)，受制于外國(guó)。

現(xiàn)在世界制造工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)極為激烈，我們需要盡快努力，使中國(guó)早日真正成為一個(gè)制造強(qiáng)國(guó)。近年來制造技術(shù)發(fā)展迅速，大量新技術(shù)被應(yīng)用到制造業(yè)中，先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展極為迅速。

中國(guó)制造工業(yè)存在的問題：

1）機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品落后，國(guó)外已是新的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并且產(chǎn)品不斷更新，而我國(guó)生產(chǎn)的往往是老的產(chǎn)品，產(chǎn)品更新很慢，而且很多高水平高質(zhì)量的產(chǎn)品還不能制造。如精密機(jī)床和數(shù)控機(jī)床，飛機(jī)，汽車，精密儀器，精密微電子設(shè)備，還都需要大量進(jìn)口，一些重要精密尖端產(chǎn)品自己不能生產(chǎn)，受制于外國(guó)。

2）不掌握產(chǎn)品核心技術(shù)，引進(jìn)的機(jī)電產(chǎn)品很多使用外國(guó)的專利(很多還是外國(guó)品牌)，核心技術(shù)沒有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不僅要交專利費(fèi)，并且不能修攺改進(jìn)。

3）機(jī)床裝備數(shù)量雖多，但構(gòu)成比十分落后。據(jù)2002年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)機(jī)床擁有量383萬臺(tái)，居世界第一，但其中屬于國(guó)際先進(jìn)水平的僅占1.5%，屬國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的也只占9%，設(shè)備總體構(gòu)成比十分落后。

4）制造技術(shù)落后：制造技術(shù)工藝落后，加工棈度低，工作效率和生產(chǎn)效率低。生產(chǎn)周期長(zhǎng)，新產(chǎn)品試制周期長(zhǎng)，流動(dòng)資金占用多。

5）管理落后，非生產(chǎn)人員比例大。以機(jī)床工業(yè)為例，1996年我國(guó)機(jī)床工業(yè)員工共36.9萬人，工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后，現(xiàn)今約20萬人，仍居世界第一(美國(guó)5.8萬人，德國(guó)7萬人，日本4萬人)，機(jī)床工業(yè)員工人數(shù)雖多，但機(jī)床產(chǎn)量、產(chǎn)值、質(zhì)量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的人均產(chǎn)值僅為美國(guó)的1/25，日本的1/26。

6）研究費(fèi)用及人力投入少，技術(shù)創(chuàng)新少。

現(xiàn)在世界制造工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)極為激烈，當(dāng)前我們的任務(wù)應(yīng)盡快努力，使中國(guó)早日從制造大國(guó)變成為一個(gè)真正制造強(qiáng)國(guó)。為此必須：

1）研制并發(fā)展先進(jìn)的高水平的產(chǎn)品，機(jī)電一體化的新產(chǎn)品。
2）使用先進(jìn)的制造技術(shù)，近年來制造技術(shù)發(fā)展迅速，大量新技術(shù)被應(yīng)用到制造業(yè)中，先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展極為迅速，提高加工產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率。
3）采用先進(jìn)的管理技術(shù)
4）從思想上重視技術(shù)創(chuàng)新，掌握核心技術(shù)。

近年來機(jī)械工業(yè)技術(shù)水平提高迅速，競(jìng)爭(zhēng)劇烈。我們面臨的形勢(shì)是是嚴(yán)峻的，亟需積極努力，加速發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，提高我國(guó)機(jī)械制造工業(yè)的技術(shù)水平。只有提高機(jī)械工業(yè)技術(shù)水平，才有可能將我國(guó)從一個(gè)制造大國(guó)轉(zhuǎn)變成一個(gè)制造強(qiáng)國(guó)。下面簡(jiǎn)單介紹先進(jìn)制造技術(shù)的幾個(gè)主要方面的發(fā)展情況。

二、 高速切削技術(shù)的發(fā)展

金屬切削加工作為制造技術(shù)中最主要的工藝技術(shù)，決定著制造業(yè)中零件的加工效率、精度、質(zhì)量和成本。即使到下個(gè)世紀(jì)切削加工仍將是機(jī)械制造業(yè)最基本最大量的工藝技術(shù)，必須給予充分重視。

高速切削技術(shù)經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的探索和研究，進(jìn)入二十世紀(jì)90年代以后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已在生產(chǎn)中開始應(yīng)用，明顯的提高切削效率，受到極大的重視高速切削技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，涉及高速機(jī)床、刀具、切削工藝、數(shù)控技術(shù)、切削動(dòng)力學(xué)等多項(xiàng)技術(shù)。

1. 高速切削的速度定義

高速切削速度不能簡(jiǎn)單地用某一切削速度數(shù)值來定義，不同的切削條件，具有不同的高速切削速度范圍。不同的工件材料的大致高速切削速度范圍如圖1所示。高速銑削鋼時(shí)，切削速度的下限是500-800m/min，高速銑削鋁合金時(shí)，切削速度的下限是3000-5500m/min。

圖1 高速切削速度定義

2.高速切削的主要優(yōu)點(diǎn)

1）隨切削速度提高，材料切除效率增加，大幅度提高加工教率，降低加工成本。
2）切削速度提高，切削力隨之減少，平均切削力可下降30%。這對(duì)降低高轉(zhuǎn)速主軸的功耗有明顯影響，并有利于低剛性和薄壁零件的加工。
3）高速切削平時(shí)采用小切深，大進(jìn)給，并且切削力降低，使加工表面質(zhì)量明顯提高，并有利于低剛性零件的加工。
4）高速切削大量的切削熱隨切屑排出，大致在90%以上，加工工件的溫升小，有利于降低工件的熱變形和減小加工的殘留內(nèi)應(yīng)力。
5）從切削動(dòng)力學(xué)分析，機(jī)床轉(zhuǎn)速提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床的低階固有頻率，這有利于降低加工表面粗糙度。
6）高速切削可代替磨削用于淬硬工件的粗加工和半精加工，不僅明顯提高加工效率，而且不用切削液，有利于環(huán)境保護(hù)。

高速切削已用于加工多種不同零件，圖2是幾種加工零件實(shí)例，可看到多種不同材料的復(fù)雜結(jié)抅零件，包含自由曲面的零件等，都已可用高速切削技術(shù)加工。航空工業(yè)中的大型鋁合金機(jī)架，使用高速銑削，提高加工效率，效果特別明顯。

a)鋁合金箱模具 b)手機(jī)模具 c)塑料水瓶模具


d)單齒輪箱 e)石墨電極 f)汽輪機(jī)葉片
圖2 高速切削加工零件實(shí)例

3. 高速切削對(duì)機(jī)床的要求

高速切削機(jī)床成為高速切削機(jī)床發(fā)展的首要條件。高速切削對(duì)機(jī)床有很高的要求，是高技術(shù)機(jī)床。高速切削機(jī)床主軸要求很高的轉(zhuǎn)速，很高的進(jìn)給速度和加速度，機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)有很高的靜、動(dòng)剛度和優(yōu)良的力學(xué)性能。高速切削機(jī)床相當(dāng)大部分是多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，同時(shí)又常是精密機(jī)床，，不僅可減少切削工時(shí)，并可減少后續(xù)的精加工，效益十分明顯。

高速主軸是高速切削機(jī)床的最核心部件，近年來高精度陶瓷軸承和新潤(rùn)滑技術(shù)的應(yīng)用，使高速主軸的轉(zhuǎn)速?gòu)那皫啄甑?5000～30000r/min又提高到最新的30000～45000r/min。現(xiàn)高速主軸，多數(shù)采用內(nèi)置式電機(jī)，精密陶瓷軸承，油氣潤(rùn)滑，內(nèi)部循環(huán)冷卻，密封結(jié)構(gòu)。圖3 所示是一種典型高速主軸結(jié)構(gòu)。

典型高速主軸結(jié)構(gòu) 圖4 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌 圖5 高速棈密臥式鏜銑加工中心(DIXI)

高速切削時(shí)要求甚高的進(jìn)給速度和加速度，傳統(tǒng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)已不能滿足要求。現(xiàn)在多數(shù)高速切削機(jī)床采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，進(jìn)給速度甚至高達(dá)80-120m/min。圖4所示是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌。

高速切削機(jī)床現(xiàn)在相當(dāng)大部分是多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床或加工中心，同時(shí)又常是精密機(jī)床，可以加工出非常復(fù)雜和精密的零件，大大節(jié)省加時(shí)間。瑞士DIXI公司以生產(chǎn)精密臥式坐標(biāo)鏜床而聞名于世，現(xiàn)在也已攺生產(chǎn)多坐標(biāo)數(shù)控聯(lián)動(dòng)高速臥式精密加工中心。圖5所示為DIXI公司的DHP40型高速棈密臥式鏜銑加工中心，其主軸最高轉(zhuǎn)速為24000r/min。

高速切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)都應(yīng)有很高的靜、動(dòng)剛度和優(yōu)良的力學(xué)性能。

4. 高速切削對(duì)刀具的要求

高速切削對(duì)刀具有極嚴(yán)的要求：

1）使用優(yōu)質(zhì)刀具材料 高速切削的刀具必須使用優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金、涂層刀具，超硬材料刀具，如陶瓷刀具，CBN刀具或金剛石刀具等，以保證刀具有較長(zhǎng)的切削壽命。
2）刀柄結(jié)抅 高速切削的刀具在甚高轉(zhuǎn)速下工作，原來的7：24錐柄接觸不可靠，如圖6所示，錐面很難良好接觸。高速切削的刀具現(xiàn)在常采用短錐柄，要求定位錐面和端面同時(shí)接觸，以獲得很高的接觸剛度和精度。圖7所示是這種高速切削用的HSK40刀柄系列。
3）高速切削的刀柄結(jié)構(gòu)必須能保證快速換刀，快速換刀時(shí)間現(xiàn)在一般僅為數(shù)秒鐘。
4）高速切削的刀具使用前必須經(jīng)過精密動(dòng)平衡，以免工作時(shí)發(fā)生振動(dòng)。

6 7：24錐柄接觸不可靠 圖7 高速切削的HSK40刀柄系列

5. 高速切削對(duì)控制系統(tǒng)的要求

高速切削的控制系統(tǒng)，要求有高速大容量的數(shù)據(jù)計(jì)算處理能力。高速運(yùn)動(dòng)部件的慣性很大，在啟動(dòng)加速和減速停止時(shí)，都有很大的加速度，要求控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的快速控制性能。在加工時(shí)，如作曲線軌跡運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生很大的向心加速度，可能達(dá)到4~6m/s2。因此在加工拐角和圓弧時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的慣性將影響運(yùn)動(dòng)精度，編程控制系統(tǒng)必須加以修正。

6. 高速切削對(duì)安全和環(huán)保的要求

高速切削時(shí)，刀具轉(zhuǎn)速甚高，切屑以極高速度飛出，必須有安全防護(hù)裝置。高速切削時(shí)，一般不使用切削液，有利于環(huán)境保護(hù)。