张曙 同济大学 现代制造技术研究所名誉所长

高效加工的概念

人类社会的文明进步与生产力的提高是分不开的，而生产效率是生产力的重要组成部分，因此不断提高加工效率是机床与工具产业可持续发展的永恒主题。

1. 高效加工的内涵

高效加工（High Performance Machining）与高速加工（High Speed
Machining）有什么区别？高效加工在某种程度上可以涵盖高速加工，而高速却不等于高效。高速加工是通过切削速度和进给速度的提高来加以体现， 而高效加工则包括更加广泛的内涵，而且从不同的视角去看，关注重点也有所不同，如图1所示。

（1）技术视角：聚焦高效率。高效率是指该系统单位时间内的材料切除体积或加工的零件数量，即切削过程的效率。
（2）经济视角：聚焦高效益。高效益是指该系统的投入产出比，即零件加工的成本或利润。
（3）环境视角：聚焦高能效。是否顺应发展低碳经济要求而采取有效的措施实现节能减排的要求。高效和高速加工在理念、过程和机床三方面的对比如图2 所示。

图2 高效加工与高速加工的对比

2. 高效加工是一个系统工程加工过程是由机床、刀具、切削液三者相互作用下完成的。机床的生产效率出自刀尖，采用先进的刀具和合理的切削参数，提高和优化加工系统的材料切除率，减少切除单位体积切屑所需能耗，提高单位能耗所创造的价值是实施高效加工的重要环节。

切削液是参与切削过程的中间介质，它不直接创造价值，但却是加工过程的主要的污染源。随着刀具涂层技术的进步，干切削加工将会逐步获得应用。当前，采用微量润滑技术是推广高效加工的首选方案。

高效加工的机床

高效加工把提高和优化材料切除率放在首位。例如，在铣削时增大切屑截面积和每齿的进给量就意味需要更大的切削功率。因此，高效加工机床必须具有足够的刚度和更大的主轴功率和切削扭矩。

例如，航空航天零件在高效与高速加工时对电主轴功率特性要求就明显不同，其中一例如图3 所示。

图3 高效与高速加工对电主轴的要求

1. DST Ecospeed 系列加工中心
德国DS-Technology 公司在多年积累的航空零件制造经验的基础上，推出Ecospeed 系列高效加工中心，其总体配置如图4 所示。
从图中可见，主轴头配置在可沿X 轴向移动的立柱上，并且可沿立柱上的垂直导轨作Y 方向的移动。主轴头安装在由三杆并联机构的运动平台上，可实现主轴头的伸缩移动（Z 轴）和X-Y 平面内的偏转。因此，该机床配置的特点是5 个轴的运动都由刀具这一方完成，而工件是固定不动，这对大型飞机结构件加工是非常有利的。此外，该机床的工作台可以翻转90º，使工件可以在水平位置装卸，而在垂直位置加工，使得效切除的大量切屑得以迅速排走。

图4 Ecospeed高效加工中心

Ecospeed 高效加工中心加工飞机结构件与上世纪70 年代采用的龙门铣床加工工艺方案相比，每小时的切除率从小于100 dm3/h 提高到接近700 dm3/h，而飞机结构件的平均加工时间从接近600 h 降低到100 h 以下，充分显示了高效加工的综合效益，如图5 所示。

图5 Ecospeed高效加工中心的效益

2. Mikron HPM 系列高效加工中心瑞士GF AC 集团的Mikron 公司在产品谱中将高效加工中心（HPM 系列）和高速加工中心（HSM系列）加以明确区别。HPM 系列突出了高切除率的特点，主要针对汽车、航空航天工业。HSM 系列突出了高切除率的特点，主要针对模具工业。两个系列相近规格的机床在总体配置和主要技术特性方面的区别在于：① 主轴特性；② 工作台承载能力；③ 排屑系统；④ 回转轴配置；⑤ 工件装卸和操作者位置。详细内容见表1。

高效源自技术集成

1. 切削参数优化
高效加工的特点是高切除率，不同的加工方法构成材料切除率的参数是不一样的，就铣削而言，切削深度a p 起到重要的作用。铣削过程的切削力是不连续的，特别是在高效切削时由于切削深度大而容易造成切削过程的不稳定。但研究表明，铣削过程是一个非线性的，切削深度a p 与切削速度v c 存在一种多W 形的关系，即当主轴处于特定的转速范围内，即使采用较大的切深也能保持切削过程的稳定，并获得理想的切屑形状，如图6 所示。如何才能够快捷和准确地找到高效切削的稳定区，优化切削参数，就需要借助基于加工系统动力学分析的切削过程仿真软件，例如CutPro 或ShopPro 等。

图7 加工导航的原理

日本大隈公司为了提高加工效率以及消除由于加工过程出现自激振动
而在工件表面产生的振纹，开发了加工导航系统（Machining Navi）。它的原理是借助话筒采集加工过程的声音，当出现自激振动时，切削过程的声音频率较高，强度也出现峰值，机床数控系统就可以自动调整主轴转速，从不稳定区域转到稳定区域，从而抑制加工过程出现的振纹，提高价格表面的质量，如图7 所示。
2. 智能化
对Mikron HPM 系列高效加工中心可选用加工过程监控模块，以便用
户能够观察铣削过程是否正常。其原理是在电主轴壳体中前端轴承附近安装了加速度传感器，使铣削过程中产生的振动可以加速度“g 载荷”值的形式显示。振动大小在0 ～ 10g 范围内分为10 级，0 ～ 3 g 表示加工过程处于良好状态，3 ～ 7 g 表示加工过程需要调整，否则将导致主轴和刀具的寿命的降低，7 ～ 10 g 表示危险状态，如果继续工作，将造成主轴、机床、刀具和工件的损坏。该系统还可预测在该振动级主轴部件可以工作多长时间，即主轴寿命还有多长。在过程监控系统中也可由用户设定一个g 极限值，超过此值时，系统报警和自动停机。
3. 自动化
高效加工不仅体现在切削过程，还应该考虑如何缩短辅助时间，才能
达到高效率和高效益的目标。就工件流而言，主要是采用托板交换装置使工件的装卸时间与加工时间重合，机床上的工件加工完毕后快速地与已经安装在托板待加工工件进行交换。例如，在HPM1000U 高效加工中心的托板交换装置如图8 所示。

图8 托板交换装置

进一步提升高效加工的效果仅依靠切削加工技术是不够的，还涉及许多相关领域：如智能化、自动化、网络化等，需要传感技术、测量技术和自适应技术的配合，高效源自集技术之大成。