现代切削技术

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1、现代切削技术超高速切削技术1超高速切削技术简介20世纪30年代初，德国著名的机械切削物理学家萨洛蒙(CarlSalomon)分析和总结了大 量的切削加工试验速度与温度的曲线,首次提出了超高速切削加工的理论。他指出:在常规 的切削速度范围内切削温度确实随着切削速度的增大而升高 ;而且在超过一定的切削速度 后,由于切削温度的升高超过了刀具的承受能力,刀具的硬度会剧烈降低,刀具发软并出现剧 烈磨损,使切削加工无法继续进行。但是,当切削速度继续增大,达到甚至超过一定的数值后, 如果再增加切削速度,此时的切削温度不但不会升高,反而会降低,甚至会低于刀具可以承受 的温度,这样就可能重新利用现有的刀具进行超

2、高速加工,大幅度地减少切削加工的时间,提 高设备的生产效率,这便是超高速切削加工的概念。屮舵切削的X域E切 i判度超岛迷叨削的帆域(:削常 诞规 城的 切2.超高速切削速度加TT甘U削速披范fflWmin)抑T.捞料切削速F笙范车削7(X) -70IX错甘金加00T500就削30061XMJ铜含金9005000站削200H(AJ钢6003000磨削肌 00IQ500谡削2U5W|诙合金ISOIQW堀削506500纤堆增强犁轲2000， 90003. 超高速切削特点 设备的加工效率高超高速切削加工比常规切削加工的主轴运转速度高出 56 倍,进给速度也相应提高 510 倍,这样,在单位时间内,刀具

3、对材料的切除速度可以提高 36 倍,因而零件的加工时间 通常可以缩短到原来的 1/3,甚至 1/5,从而极大地提高了设备的加工效率和设备利用率 ,缩 短了产品的生产周期,可实现对产品进行快速制造。这一特点在新产品开发过程中显得尤其 重要。既缩短了研制周期,又增强了企业的竞争力。 加工时切削力小与常规的切削加工相比,超高速切削加工时的切削力至少可以降低 30%甚至 40%,这对 于诸如细长轴、薄壁件等低刚度、精微零件来讲,其意义相当重大。超高速切削可以减少零 件在加工过程中的变形,提高零件的加工精度。不仅如此,采用超高速切削加工时,单位功率 材料切除率可以提高 40%以上,刀具的使用寿命可以提高

4、 70%以上。刀具使用寿命的延长, 不仅可以节省生产成本,还可以节约加工时间,同时也避免了频繁更换刀具所带来的刀具装 夹定位误差,对提高零件的加工精度有极大的意义。 工件的热变形小由于超高速切削加工的过程极为迅速 ,95%以上的切削热来不及传给工件,而是被切屑 直接而迅速地带走,零件不会由于温度的升高产生弯翘或膨胀变形。因而,超高速切削加工 特别适用于加工容易发生热变形的零件。 工件的加工精度高、加工质量好由于超高速切削加工的切削力和切削热影响小,使刀具和工件的热变形小,工件表面的 残余应力小,这样就可保持尺寸的精确性。同时,由于切屑被飞快地切离工件,可以使工件达 到极高的表面质量。 设备在加

5、工过程中状态稳定由于超高速旋转刀具切削加工时的激振频率高,已经远远地超出了机床-工件-刀具加 工工艺系统的固有频率范围。因此,不会造成上述加工工艺系统的振动,使整个加工过程平 稳,有利于提高加工精度和表面质量。 创造良好的技术经济效益采用超高速切削加工能取得常规的切削加工无法获得的技术经济效益 ,如缩短加工时 间、提高生产率;可以加工低刚度的零件;零件加工精度高、表面质量好;提高刀具寿命和机 床利用率;节省了换刀辅助时间和刀具刃磨费用等。4. 超高速切削加工的关键技术a 超高速切削加工设备的主轴系统由于超高速切削加工设备的主轴系统是在超高速条件下运转的 ,传统的齿轮变速和带 传动方式已明显不能

6、适应其要求,取而代之的是具有宽调速功能的交流变频电动机。这种电 动机通常将其空心转子直接套装在机床的主轴上 ,取消了从主电动机到机床主轴的一切中 间传动环节,使机床主传动的机械结构得到了极大地简化 ,形成了一种新型的功能 部件主 轴单元。为了适应切削加工的超高速特点,主轴单元具有很大的驱动功率和转矩,具有较宽 的调速范围,同时还有一系列监控主轴振动、轴承和电动机温度升高等运行参数的传感器、 测试控制和报警系统,以确保主轴单元在超高速运转下的可靠性和安全性。b 超高速切削加工设备的进给系统 超高速切削加工设备的进给系统是超高速加工设备的重要组成部分 ,是评价超高速加 工设备性能优劣与否的重要指标

7、之一,是维持超高速切削中刀具正常工作的必要条件。超高 速切削在提高主轴速度的同时,必须提高进给速度,并且要求进给运动能够做到既可以瞬时 达到高速,也可以瞬时停车等动作。否则,不但无法发挥超高速切削加工的优势,还会使刀具 处于恶劣的工作条件下,加剧刀具的磨损。另外,由于进给系统的跟踪误差对加工精度的影 响很大,这就要求超高速切削加工的进给系统还应具有较大的加速度和较高的定位精度。c 超高速轴承技术为了适应主轴系统的超高速运转,必须采用与之相匹配的高速精密轴承。由于业已存在 的诸多优点,滚动轴承成为目前国内外的科技人员在设计和制造超高速机床时的首选。为了 提高滚动轴承的极限转速,科技人员纷纷采用提

8、高轴承的制造精度,合理选择高硬度、耐高 温的轴承材料以及改进轴承结构等方法,使超高速轴承技术得到了很大的发展。据了解,目 前最先进的超高速轴承技术可以满足50000100000r/min以上的主轴转速。d 超高速切削加工的刀具技术 由于超高速切削加工自身的超高速特点,要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要 小,并且具有优异的力学性能、热稳定性、抗冲击性和极高的耐磨性能。进入21世纪以来, 正是由于切削刀具材料的迅猛发展,才使超高速切削加工技术能够得以实施。目前适合于超 高速切削加工的刀具材料主要有涂层材料、金属陶瓷材料、聚晶金刚石、立方氮化硼等,特 别是聚晶金刚石刀具和聚晶立方氮化硼刀具的发展

9、和应用 ,极大地推动了超高速切削加工 的发展,使之走向更加广泛的应用领域。5.工程应用 中航工业洪都公司为提高经济效益和飞机制造水平，多年来一直致力于高速铣削的研 究与在生产中的推广，特别是在加工飞机薄壁件和大樑中广泛应用高速切削技术，使生产 效率和产品质量都大大提高。干式切削首先，要了解切削液在传统切削过程中的作用。切削液通常是大多数机加工中不可缺 少的生产要素之一，对保证加工精度、提高表面质量和生产效率具有重要作用。随着全球 环境意识的增强以及环保法规的要求越来越严格，切削液对环境的负面作用也越来越明显切削液是造成环境污染的主要来源，在我国，据不完全统计仅机械行业废乳化液的日 排放量已达近

10、亿吨，可见问题的严重。对环境无污染的绿色制造被认为是可持续发展的现 代制造业模式。而在加工过程中不用任何切削液的干切削正是控制环境污染源头的一项绿 色制造工艺，它可获得洁净、无污染的切屑，省去了切削液及其处理等大量费用，可进一 步降低生产成本。据统计，二十年前，切削液的费用不到工件成本的 3%左右，目前，在高生产率的生产 企业，切削液的供给、保养及回收处理费用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而 刀具费用仅占2%-5%。在与切削液有关的总费用中，有22%左右是切削液的处理费用。据 估计，如果 20%的切削加工采用干式切削加工，总的制造成本可降低 1.6%。3。干式切削 可以摆脱切削液

11、的弊端，降低成本。因此，未来切削加工的方向是不用或用尽量少的切削液。随着耐高温刀具材料和涂层 技术的发展，使得干加工在机械制造领域变为可能。干切削技术就是在这样的历史背景下 应运而生，并从九十年代中期以来迅速发展起来的，其发展历史至今不过十年，是先进制 造技术的一个前沿研究课题。干式切削的特点（1）切屑干净清洁无污染，易于回收和处理（2）省去了切削液传输，回收，过滤等装置及相应的费用，简化了生产系统，降低了生产 成本（3）省去了切削液与切屑的分离装置及相应的电气设备。机床结构紧凑，减少占地面积（4）不会产生环境污染（5）不会产生与切削液有关的安全事故及质量事故。干切削的主要条件采用新型的刀具材

12、料 干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、 耐热冲击和抗粘结性。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是:超细硬质合金、陶瓷、 立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料。超细硬质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具 有很好的耐磨性和耐高温性，可制作大前角的深孔钻头和刀片，用于铣削和钻削的干式加 工。陶瓷刀具（AI203,Si3N4）等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此 很适合于一般目的的干切削而无须冷却液。但是这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不 适用于进行断续切削。也就是说，陶瓷刀具较适合用于进行干车削而不适用于干铣削。立 方氮化硼（CBN）材料

13、的硬度很高，达HV3200HV4000,仅次于金刚石，热传导率好，达1300W/MK,具有良好的高温化学稳定性，在1200C下热稳定性很好。采用CBN刀具加工 铸铁，可大大提高切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。聚晶金刚石PCD）刀 具硬度非常高，可达HV7000HV8000，热导率可达2100 W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具 切削时产生的热能可以很快从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差oPCD 刀具比较适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。干式切削采用涂层技术涂层刀具分两大类:一类是硬涂层刀具，如TiN,TIC和A1203等涂层刀具。这类刀具表 面硬度高，耐磨性好。其

14、中TIC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而TiN涂层刀具则 有较高的抗“月牙洼磨损能力。另一类是“软涂层刀具，如:MOS2,W S等涂层刀具。这类涂 层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能有效减少 切削力和降低切削温度。例如瑞士开发的“MOVIC”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层MOS2。 切削实验表明:未涂层丝锥只能加工20 个螺孔;用 TiAlN 涂层丝锥时可加工1000 个螺孔， 而MoS2涂层的丝锥可加工4000个螺孔。高速钢和硬质合金经过PVD涂层处理后，可以 用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的CBN刀具，在经过涂层处理后也可用来加工 钢、铝

15、合金和其他超硬合金。实际上 ，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开 来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂 层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速 干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。TiAIN涂层和Mo2软涂层还可交替涂覆， 形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优 点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。 干式切削刀具几何参数设计干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液，刀具和

16、切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角，但前角增大后， 刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有 足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀 具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。日本三菱金属公司开发出一种适用于干切削的“回转型车刀”，该刀具采用圆形超硬刀 片，刀片的支持部分装有轴承，在加工中刀片能自动回转，使切削刃始终保持锋利，具有 工效高、加工质量好、刀具寿命长等特点。干切削的主要效果经切削实验表明：高速切削时采用干切削，刀具寿命不低于湿切削，因为浇注切削液 会产

17、生不均匀性及不易渗入切削区：用硬质合金钻头等在提高速度、减少进给量情况下加 工表面质量相同于湿切削；涂覆的硬质合金钻头、拉刀产生的力与力矩与湿切削相同。 干切削工程应用日本三菱公司推出了世界上第一套干式滚切系统。它采用的切削速度是传统滚切速度的）倍，可达到200m/min。干式滚切对滚刀有特殊的要求，三菱公司设计的专用干式滚刀， 采用 MACH7 高速钢，表面涂有专用涂层，有助于散热并减少刀具损耗，其寿命可延长到一 般湿切方式的 5 倍。这一系统在加工汽车末级传动齿轮、大型载重齿轮、汽车小齿轮及行 星齿轮时效果都很理想，生产成本至少降低40%。美国格里森公司用硬质合金滚刀在Phoenix机床上

18、用干式切削法加工锥齿轮，与传统 的高速钢刀具湿式切削法相比，降低切削时间为 50%，而且齿轮的表面粗糙度显著降低和 几何精度也大大提高，加工精度可达AGMA1213级。该公司生产的GP系列滚齿机，以其 独特的设计，使其干切质量能与湿切质量媲美。其床身设计成大角度斜坡，以利切屑流动。 床身内部循环冷却，以利于维持热平衡。此外，机床还配有一套真空除屑除尘系统。这一 系列滚齿机，滚切转速可达3000r/min。硬切削硬切削是指用超硬刀具对硬度高于50HRC的高硬度钢和高硬度铸铁的精密加工方法， 是一种“以切代磨”的新工艺，也是高速切削技术的一个新应用领域。目前硬切削用的超 硬刀具主要有：涂层超细颗粒

19、硬质合金刀具、金属陶瓷刀具AL_2 O_3Si_3 N_4）、 立方氮化硼（CBN）、人造聚晶金刚石刀具（PCD）等。通常，被加工工件材料主要包括铸铁、 高速钢、轴承钢等钢铁材料，有时也涉及高温合金、钛合金等难加工材料。目前，硬切削这种新工艺正在许多工业部门采用，如汽车制造厂用这种方法对传动轴、 各类轴传动链、发动机、制动盘和制动转子进行半精加工和精加工，飞机制造厂用这种方 法制造副翼齿轮和起落架等。机床、工具、医用设备、汽车零件等都把硬切削作为其生产 过程的一个组成部分。图3 PCBN刀具硬切削与传统磨削加工相比，硬切削工艺具有如下优点：1.加工效率高。硬切削往往采用大切削深度、高的工件转速

20、，其金属切除率通常为模型加 工的34倍。车削加工一次装夹可完成多种表面，而磨削则需要多次安装，因此，其辅助 时间短、加工效率高。2. 设备投资少。用硬切削不需用专用刀具、专用机械和夹具，而磨削则要求使用磨床，硬 切削则可在现有的NC或CNC车削中心上进行。3. 硬切削可使零件获得良好的整体加工精度。硬切削中生产的大部分热量被切屑带走，从 而保持零件的热稳定性，不会产生像磨削加工那样的表面烧伤和裂纹，且有优良的加工表 面质量。4. 硬切削是洁净的加工工艺。在大多数情况下，硬切削无需冷却液。这样，硬切削可省去与冷却液有关的装置、降低生产成本、简化生产系统。而且硬切削形成的切屑干净清洁， 回收处理容

21、易，而磨削会产生磨屑和冷却液的混合物，这是不能再利用的废物，会污染环 境。硬切削研究的发展趋势向精密化方向发展 硬切削加工的研究经历了粗加工、精加工和超精密加工的发展阶段，从国外的一些比 较研究工作可以看出，硬切削加工在某些特定的条件下，不仅加工表面粗糙度低于磨削表 面。随着硬切削向精密化方向研究的不断深入，相对于磨削加工，硬切削所具有的独特优 势将更加凸现。向绿色化方向发展 硬切削以不用或少用切削液的方式进行难加工材料的切削，相对于普通的磨削加工， 更加符合环境保护的需要。随着环保政策和法规的逐渐完善，国外更加重视可持续制造的 研究，从干切、准干切、低温切削等方面进行环境保护研究；从机床、刀

22、具、工艺等方面 建立优化模型进行节省能耗的研究；从硬切削刀具回收重用的性能分析和比较研究进行材 料循环使用的探索，这些环保、节能、回收的研究，充分体现了社会对绿色制造的需求。 向集成化方向发展高硬度钢是一种难加工材料，硬切削是基于高速切削技术的一种先进制造技术。虽然 硬切削工艺已经有了许多成功的应用，为了使难加工材料在加工效率、加工质量、加工成 本等方面获得更好的效果，硬切削研究在关键技术进一步深入的同时，正朝着技术集成的 方向发展: 在硬切削加工的同时对工件材料激光预热、对刀具液氮冷却; 车铣组合硬切; 振动辅助硬切，这些不同技术的组合应用，都取得了良好的试验效果，为提高硬切削加工 性能展示

23、了一个值得关注的发展方向。精密和超精密加工超精密加工发展现状 超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界 各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技 术及设备出口。超精密加工技术，是现代机械制造业最主要的发展方向之一。在提高机电产品的性能、 质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技 术.超精密加工是指亚微米级（尺寸误差为0.30.03um,表面粗糙度为Ra0.030.005 um）和纳米级（精度误差为0.03um,表面粗糙度小于Ra0.005 um）精度的加工。实现这些 加工所采取的工艺方

24、法和技术措施,则称为超精加工技术。加之测量技术、环境保障和材 料等问题,人们把这种技术总称为超精工程。精密加工和超精密加工的优点超精密切削是用天然金刚石刀具进行的。天然金刚石具有极高的硬度、耐磨性、强度、抗 粘结性和摩擦系数小等特点,用它切削铝、铜合金及非金属材料能达到超精密加工的精度 和表面粗糙度要求,并具有很高的刀具寿命。金刚石晶体具有各向异性的特点,若选取不 同的晶面使金刚石刀具切削性能不同,在切削时对切削变形、加工表面质量和刀具寿面产 生不同影响。因此，应找出最佳晶面进行仔细磨制出所需的几何参数，其中最重要的是刀 具尖圆弧半径和刃口钝圆半径，通常刀尖圆弧半径达到0.10.3 微米，刃口

25、钝圆半径达到 0.10.2 微米。刃口圆弧半径是影响切削过程规律的主要因素，因为它的大小决定了刃口 的锋利程度。有实验可知刃口圆弧半径减小，使切削变形、切削力减小，切削是产生的积 屑瘤、冷硬和残余应力对加工表面质量的影响也小。超精密加工的缺点精密加工和超精密加工技术加工精度高，所以加工效率比较低。对设备要求比较高， 要求设备高精度，高刚度，高稳定性，高自动化，维护费用较高，所以成本较高；以及我 国技术的不成熟，对国外技术依赖严重。精密加工超精密加工主要包括的三个领域：(1) 超精密切削加工如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用 于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的

26、加工。(2) 超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加 工。(3) 超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加 工，线宽可达O.lum。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达25nm。超精密加工的应用领域：超精密制造技术是随着测量技术的发展而发展的。Renishaw、Heidenhain及SONY等 公司发展了分辨率均可以达到lnm的测量元件；美国HP公司、英国Taylor、美国zygo等 公司的测量仪器均可以满足纳米测量的需求。超精密制造技术在国际上已经得到广泛应用 与国防工业有关的如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件、被送入太空的哈勃望远镜(HST)、 飞机发动机转子叶片等；与集成电路(IC)有关的硅片加工(要求硅片的加工表面粗糙度Ra 一般小于2nm，最高要求达O.lnm)；此外光刻设备和硅片加工设备的精度要求到亚微米 和纳米级。导弹惯性仪表的精度、激光陀螺仪的平面反射镜的精度、红外制导的导弹反射 镜等，其表面粗糙度均要求达到纳米级。另外，光学非球曲面零件面形制造精度要求已达 入/(3050),表面粗糙度要求WO. 5nm。