高速銑削加工效率的計算與分析

   隨著高速切削技術的發展，高速銑削工藝的應用日益廣泛，越來越受到制造業的企業和科研工作者的關註。信息產業部某研究所自1999年7月從瑞士MIKRON公司購進第一臺HSM-700型高速立式銑削中心後，2001年10月又購進三臺HSM-700型高速銑床用於生產。筆者通過對這批先進高速銑床的加工效率進行深入、細致的調查研究，對比瞭不同銑床的加工效率，推導瞭高速銑削加工效率的計算公式。

1 加工效率的計算
    按照傳統切削理論，切削加工效率ZW(cm3/min)可通過下列公式計算：ZW=v·f·ap (1)
式中v———切削速度
    f———進給量
    ap———切削深度
    根據分析與研究，我們認為式(1)不適用於高速銑削加工效率的計算，原因主要有兩點：
    1)高速銑床的主軸轉速相當高(如HSM-700型高速銑床最高轉速達42000r/min,，加工平面時轉速也在35000r/min,以上)，如此高的轉速使刀具並非每一轉都在切削金屬；
    2)在實際加工中，設定的轉速和進給量隻是最大轉速和最大進給量，實際的刀具轉速和進給量時刻都在變化(HSM-700機床的自測功能可以顯示整個切削過程中的變化情況)，切削過程中的實際轉速和進給量總是從較低值迅速達到較高值又很快降到較低值，如此反復變化，這是銑削過程的客觀反映，而不像車削過程中可以保持轉速和進給量恒定不變。
    因此，我們提出用單位時間內的金屬去除量Z(cm3/min)表示加工效率，即
 (2)
式中W———切削過程總的金屬去除量(cm3)
    t———切削時間(<0,)
    式(2)更符合高速銑削的實際情況，用式(2)很容易實現對高速銑削加工效率的計算，同時也便於不同銑床加工效率的比較。

圖1 零件示意圖

    例如，原來在普通銑床上加工圖1所示零件，為瞭縮短生產周期，一部分零件現采用高速銑床加工。這樣，可通過該零件的加工來比較兩種加工設備的加工效率。由於該零件的表面質量要求不高，高速銑削和普通銑削均能達到要求。事實上，高速銑削加工出的零件表面粗糙度要比普通銑削加工低1~2個等級。
    用單位時間內的金屬去除量Z=W/t(cm3/min) 表示加工效率。試驗中取銑削加工過程中的幾個時間段，記錄加工時間，測量在各個時間段零件加工前後的體積差，通過式(2)計算得到Z值。通過多次測量計算取Z的平均值，該平均值即可視為較準確的Z值。對於圖1所示零件的高速銑削過程，由式(2)算得的Z值為

按照傳統切削理論即按式(1)計算得

比較Z高速和ZW，顯然ZW與該零件實際的高速銑削加工效率相差很大。

2 不同銑床加工效率的比較
    某研究所目前用於生產的銑 床除HSM-700型高速銑床外，還有國產的立式銑床和進口的銑削中心。國產銑床是二十世紀九十年代初購進的北京第一機床廠生產的XK5040-1型立式升降臺銑床(以下簡稱國產普通銑床)，目前主要用於零件粗加工及少量鑄鐵件和鋼件的加工；進口銑削中心是美國產VF-0 HAAS型銑削中心(以下簡稱進口普通銑床)，可用於粗加工和精加工。
對於圖1所示零件，在國產普通銑床上加工的切削效率為

在進口普通銑床上加工的切削效率為

將Z高速分別與Z國普和Z進普進行比較，有

    由上述計算和比較可以看出，在高速銑床上加工該零件的金屬去除率相當高，與國產普通銑床相比其優勢更為明顯(據操作工人反映，甚至出現過高速銑床加工效率比國產普通銑床快10倍以上的情況)。當然，對於不同材質、不同形狀和不同加工要求的零件，不同銑床的加工效率並不相同。對於加工面積較大的大型零件或形狀特別復雜的零件，高速銑床具有更為顯著的加工效率優勢。高速銑床的效率優勢主要體現為高的刀具轉速n和高的進給速度Vf。在實際加工中，進給速度Vf 對加工效率的影響往往更大。

3 考慮成本因素的加工效率 比較
    比較加工效率必須帶有一定的約束條件，應結合企業的實際情況，考慮加工效率與生產成本的關系。用式(2)求得的加工效率Z除以加工成本C來表示考慮瞭成本因素的加工效率E(cm3/min?萬元)，即 
    式(3)中，為計算簡便，設加工成本C 主要為制造費用(包括設備成本、設備維護費用、刀具損耗費用等)，並假設高速銑床、國產普通銑床、進口普通銑床的日常維護費用相等。為瞭能客觀地反映實際加工效率，對2001年1月到2002年5月這一較長時間段內的機床使用情況進行比較：
    瑞士MICRON HSM-700型高速銑床每臺價值人民幣C0高速=200萬元；由於機床零部件價格昂貴，用於機床非日常維護的費用(包括故障檢修、更換零部件等)為C2高速=9.5萬元；在高速銑床上使用的刀具均為進口銑刀，價格較為昂貴，再加上缺少針對不同刀具和零件材料的切削用量規范，使得高速銑刀的使用成本較高，因此，從去年初至今，高速銑刀損耗費用為C3高速=14,548.13元。
    美國產VF-0 HAAS型銑削中心是1998年進口的普通銑削中心，當時價值人民幣C0進普=80萬元 ；機床使用性能較好，除日常維護外，至今沒有出現需要維修的故障，C2進普=0.45萬元；與高速銑床一樣，所使用的刀具均為進口銑刀，除正常的刀具磨損外，很少出現刀具非正常損耗，銑刀損耗費用為C3進普=2,195.26元。
    1992年從北京第一機床廠購進的XK5040-1型立式升降臺銑床，當時價值人民幣C0國普=60萬元 ；目前主要用於零件粗加工，雖然精度不高，但性能還比較穩定，除日常維護外，未出現大故障。2000年對其操作系統進行瞭改造(換裝瞭西門子操作系統)，改造和檢修的費用為C2國普=6.45萬元；在 此機床上既使用進口刀具也使用國產刀具，銑刀損耗費用為C3國普=1,377.62元。
    設機床的使用年限為20年，按照直線折舊法，機床每年折舊5%，則到2002年，三種銑床的當前成本分別為：

    由式(3)可求得考慮成本時三種不同銑床 的加工效率分別為

    由計算結果可以看出，考慮成本因素後，高速銑削不再具有顯著的效率優勢(與進口普通銑削中心的加工效率接近)。這一比較結果說明，目前高速銑削的使用成本還比較高(其設備成本、維護費用和刀具損耗費用都比普通機床高出很多)。
    盡管目前采用高速銑削還達不到經濟的切削效率，但並不說明高速銑削不具優勢。首先，上文對銑削效率經濟性的分析僅考慮瞭生產成本，並沒有考慮時間效益。在技術飛速發展的今天，時間往往是更重要的經濟因素。高速銑削加工在縮短加工工時方面的優勢是很明顯的。其次，上文所作加工效率比較是在高速銑床和普通銑床均能加工同一種零件的前提下進行的，事實上許多不適合(或不能)在普通銑床上加工的零件(如薄壁零件或對加工表面質量要求較高的零件)隻能用高速銑床加工。第三，高速銑削技術作為一種新的加工技術在我國正經歷不斷發展的過程，為瞭獲得高速銑削的經濟加工效率，必須深入研究高速銑削機理，加快進行高速銑削工藝的科研開發，同時加強生產管理，提高操作者素質。相信隨著對高速銑削技術研究的不斷深入，加工的經濟性等問題將得到很好解決。

4 結論
    *生產實踐表明，高速銑床加工零件覆蓋面廣，特別適用於加工面積較大、形狀復雜的精密零部件。零件加工精度高，廢品率低。
    *傳統的切削加工效率公 式不適用於高速銑削，用單位時間內的金屬去除量來表述高速銑削的加工效率更為準確。
    *單從機床的切削效率來看，高速銑床 要高出普通銑床好幾倍，但目前高速銑床的使用成本較高。在選擇工藝方案時，可以考慮用普通銑床進行粗加工，用高速銑床進行半精加工和精加工。
    *隻有深入開展高速銑削技術的科研開發，才能充分發揮高速銑床的加工效率優勢。