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*切削加工技術綜述
閱讀：703 發(fā)布時間：2011-4-51 引言
20世紀80年代以來，隨著化市場競爭日趨激烈，為爭取技術優(yōu)勢，各國紛紛開展*制造技術的研究與開發(fā)。伴隨著信息技術的不斷發(fā)展，*制造技術一方面發(fā)展了以數控機床為基礎的自動化加工技術，另一方面發(fā)展了各種新的加工方法和加工工藝，比較典型的有（超）高速切削、干切削、硬切削、（超）精密切削技術等。微機械（或微型裝置）是另一個新型研究領域，其加工技術的開發(fā)具有巨大的產業(yè)化應用前景。虛擬切削加工技術是在計算機上借助虛擬現實、立體建模和仿真技術，檢驗產品的設計合理性和可加工性，對產品的加工過程進行模擬與仿真，預測產品的加工質量、制造周期、使用性能等，以便及時修改設計，縮短產品的研制周期，獲得*產品質量、zui低生產成本和zui短開發(fā)周期。本文主要綜述（超）高速切削、干切削、硬切削、（超）精密切削、虛擬切削加工技術的主要研究內容及其關鍵技術。
2 高速切削加工技術
提高切削速度一直是切削加工領域十分關注并為之不懈努力的重要目標。雖然目前國內外專家尚未對高速切削的切削速度的界定達成共識，但通常認為高速切削的切削速度比常規(guī)切削速度高5~10倍以上。
高速切削加工技術是在機床結構及材料、機床設計制造技術、高速主軸系統、快速進給系統、高性能CNC控制系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高精度測量測試技術、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關硬件與軟件技術綜合應用的基礎上發(fā)展起來的。因此，高速切削加工是一個復雜的系統工程，高速切削加工技術體系（見圖1）是機床、刀具、工件、加工工藝、切削過程監(jiān)控、切削機理等諸多方面的有機集成。
圖1 高速切削加工技術體系
高速切削加工具有以下特點：①切削力隨著切削速度的提高而下降；②切削產生的熱量絕大部分被切屑帶走；③加工表面質量提高；④在高速切削范圍內機床的激振頻率遠離工藝系統的固有頻率范圍。以上特點有利于提高生產效率；有利于改善工件的加工精度和表面質量；有利于減少模具加工中的手工拋光；有利于減小工件變形；有利于使用小直徑刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料；有利于加工較大零部件；可替代其它加工工藝（如磨削），獲得顯著的經濟效益。但是，隨著切削速度的提高，刀具壽命會下降。
目前，航空制造業(yè)（尤其是大型整體鋁合金薄壁飛機結構件的加工）、模具制造業(yè)、汽車制造業(yè)等行業(yè)均已積極采用高速切削加工技術。在實際生產應用中，應根據具體加工情況合理選用高速機床和加工工藝，不同的生產領域和加工對象對高速機床的性能要求和適用的工藝方法是有區(qū)別的。適于高速切削加工的工件材料包括鋁合金、鋼、鑄鐵、鉛、銅及銅合金等，隨著高速切削加工技術的發(fā)展，其適用材料的范圍已進一步拓寬到模具鋼、鈦合金、不銹鋼、鎳基合金、纖維增強合成樹脂等難加工材料?，F在，傳統切削工藝能夠加工的工件材料高速切削幾乎都能加工，而傳統切削工藝很難加工的工件材料（如鎳基合金、鈦合金、纖維增強塑料等）在高速切削條件下將變得易于切削。常用工件材料的高速切削速度范圍見表1。目前，高速切削加工技術主要應用于車削和銑削工藝。隨著各類高速切削機床的開發(fā)，高速切削工藝范圍將進一步擴大，高速切削將涵蓋所有的傳統加工范疇，包括從粗加工到精加工，從車削、銑削到鏜削、鉆削、拉削、鉸削、攻絲、滾齒等。各種加工工藝對應的高速切削速度范圍見表2。
表1 不同工件材料對應的（超）高速切削線速度范圍
| 工件材料 | 高速切削速度 （m/min） | 超高速切削速度 （m/min） |
| 纖維增強塑料 | 1000～8000 | >8000 |
| 鋁合金 | 1000～7000 | >7000 |
| 銅合金 | 900～5000 | >5000 |
| 灰鑄鐵 | 800～3000 | >3000 |
| 鋼 | 500～2000 | >2000 |
| 鈦合金 | 100～1000 | >1000 |
表2 不同加工工藝對應的高速切削線速度范圍
| 加工工藝 | 高速切削速度 （m/min） |
| 車削 | 700～7000 |
| 銑削 | 300～6000 |
| 鉆削 | 200～1100 |
| 拉削 | 30～75 |
| 鉸削 | 20～500 |
3 干切削加工技術
在切削加工中，使用切削液對于降低切削溫度、斷屑與排屑、改善零件加工質量均可起到重要作用，但同時也存在諸多弊端，例如：切削液系統的購置、使用與維護需花費大量資金，增大加工成本；切削液需定期更換、添加防腐劑等，增加了加工輔助時間；因切削液加注過程的不連續(xù)性及冷卻程度的不均勻性，使刀具產生不規(guī)則的冷、熱交替變化，容易使刀刃產生裂紋，引起刀具破損，從而降低刀具使用壽命；切削液是機械加工中的重要污染源，可污染空氣、水源和土壤，需花費大量資金進行防護和治理；切削液中的有害物質對工人的健康及安全也具有一定危害。為此，作為一種綠色制造工藝的干切削加工技術應運而生。
干式切削由于缺少切削液的潤滑、冷卻、沖洗和排屑斷屑等功能，導致刀具與工件、切屑之間摩擦加劇，切削力增大，切屑變形加劇，切削熱急劇增加，導致切削區(qū)溫度顯著升高，刀具耐用度降低，同時工件加工質量不易保證。為使干切削加工可順利進行，達到甚至超過濕切削時的加工質量、生產率和刀具耐用度，就必須通過分析干切削的各種特定邊界條件和影響干切削的各種因素，尋求相應的技術解決方案及措施來彌補不使用切削液的缺陷。例如：干切削刀具材料必須具有*的紅硬性和熱韌性、良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結性。聚晶金剛石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）等超硬材料刀具、陶瓷刀具、涂層刀具等均可較好滿足干切削的要求。某些刀具涂層材料具有類似切削液的功能，可隔離切削熱，在較長時間內保持刀尖硬度和鋒利性，使刀具材料不易發(fā)生化學反應。此外，應針對不同的工件材料和切削用量設計刀具結構、幾何參數和相應的斷屑槽，以滿足干切削的加工要求。干切削對加工機床的特殊要求主要為保證快速散熱和快速排屑。
目前，干切削加工技術已廣泛應用于鑄鐵、鋼、鋁、鈦、鎂等及其合金的切削加工。鑄鐵是適合干切削的典型加工材料，采用PCBN刀具干切削鑄鐵的常用切削用量見表3。PCBN刀具干車削灰鑄鐵時，前角一般選用-5°～-7°，以承受較大的切削力；粗加工用PCBN刀片的刃口強化與主偏角、前角的配合十分重要；粗加工刀片的刃口倒棱幾何尺寸為-20°×0.02mm，精加工刀片的刃口倒棱幾何尺寸為-20°×0.1mm。
表3 PCBN刀具干切削鑄鐵的切削用量
| 工序 | 工件材料 | 切削速度 （m/min） | 進給量 （mm/r） |
| 粗加工 （ap>0.64） | 珠光體灰鑄鐵（<240HB） | 450～1060 | 0.25～0.50 |
| 珠光體灰鑄鐵（>240HB） | 305～610 | 0.25～0.50 | |
| 珠光體軟鑄鐵 | 550～1200 | 0.15～0.30 | |
| 白口鑄鐵 | 60～120 | 0.25～0.75 | |
| 精加工 （ap<0.64） | 珠光體灰鑄鐵（<240HB） | 450～1060 | 0.25～0.50 |
| 珠光體灰鑄鐵（>240HB） | 305～610 | 0.25～0.50 | |
| 珠光體軟鑄鐵 | 600～1500 | 0.10～0.15 | |
| 白口鑄鐵 | 90～180 | 0.25～0.75 |
由于高速切削具有切削力小、散熱快、加工穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此干切削加工應盡可能采用較高切削速度。干切削技術與高速切削技術的有機結合可獲得生產效率高、加工質量好、無環(huán)境污染等多重技術經濟效益。此外，進行干切削加工時，為減小切削力、降低切削溫度，還可采取某些特殊工藝措施，如激光輔助干切削、液氮冷卻干切削、準干切削等。
4 硬切削加工技術
硬切削是指對高硬度（>54HRC）材料直接進行切削加工。硬切削工件材料包括淬硬鋼、冷硬鑄鐵、粉末冶金材料及其它特殊材料。硬切削通?？芍苯幼鳛閦ui終精加工工序，而傳統加工常以磨削作為zui終工序。與磨削相比，硬切削具有如下優(yōu)點：①加工靈活性強，精度易于保證；②硬切削的加工成本低于磨削（通常僅為磨削的1/4）；③硬切削不需要機床、刀具和夾具，在現有加工設備上即可實現；④硬切削的生產效率高于磨削；⑤磨削產生的磨屑與廢液混合物易污染環(huán)境，難以處理和再利用；而硬切削易于實現干切削，產生的切屑可再利用。由于硬切削具有以上優(yōu)勢，因此“以切代磨”已成為切削加工的發(fā)展趨勢之一。
目前，硬切削主要用于車削、銑削等加工工藝，并已在許多工業(yè)制造部門得到應用，如汽車傳動軸、發(fā)動機、制動盤、制動轉子的半精加工和精加工，飛機副翼齒輪、起落架的切削加工，機床工具、醫(yī)用設備等行業(yè)也開始大量應用硬切削加工技術。
硬切削對加工機床的主要要求為剛性好、基礎穩(wěn)定、工作軸運動精度高等。由于硬切削的切削力較大，切削溫度較高，為保證加工精度、表面質量及刀具壽命，硬切削時必須精心選擇刀具材料、刀具幾何參數和切削用量。硬切削的適用刀具材料主要有PCBN、陶瓷、高性能金屬陶瓷、涂層硬質合金、超細晶粒硬質合金等。刀具材料選定后，應盡量選用強度較高的刀片形狀和較大的刀尖圓弧半徑，PCBN刀具和陶瓷刀具一般應采用負前角（≤－5°）。一般來說，被加工材料硬度越高，硬切削的切削速度應越?。皇褂肞CBN刀具的切削速度應高于其它刀具材料，PCBN刀具切削淬硬鋼（≥50HRC）的切削用量見表4。
表4 PCBN刀具切削淬硬鋼的切削用量
| 工序 | 工件材料 | 切削速度 （m/min） | 進給量 （mm/r） |
| 粗加工 （ap>0.64） | 淬硬高碳鋼 | 90～140 | 0.10～0.30 |
| 淬硬合金鋼 | 90～120 | 0.10～0.30 | |
| 淬硬工具鋼 | 60～90 | 0.10～0.20 | |
| 精加工 （ap>0.64） | 淬硬高碳鋼 | 120～180 | 0.10～0.20 |
| 淬硬合金鋼 | 120～150 | 0.10～0.20 | |
| 淬硬工具鋼 | 75～110 | 0.10～0.20 |
5 微細、精密和超精密切削加工技術
微細加工技術是指對微型機械、微小尺寸零件的加工技術。隨著航空航天、國防工業(yè)、現代醫(yī)學以及生物工程技術的發(fā)展，各種小型化、微型化設備和微小尺寸零件的應用越來越多，各種微型機械和微型機電系統（MEMS）的制造對微細加工技術提出了新的要求，向現有制造技術的加工極限挑戰(zhàn)，發(fā)展精密加工、超微細加工和納米加工技術已成為現代*制造技術的一個發(fā)展方向。
微細加工除可通過電子束加工、離子束加工、化學加工等特種加工方法實現外，還可通過微細、超微細切削加工來實現。高精度機床和超穩(wěn)定加工環(huán)境是實現微細切削加工的重要條件。由于微細切削的切削深度極小（通常小于材料的晶粒直徑），切削只能在晶粒內進行，此時的切削方式相當于對一個個不連續(xù)體進行切削，使微細切削具有斷續(xù)切削的性質。選用精細研磨的金剛石刀具，用（1 0 0）或（1 10）晶面作為刀具的前、后刀面，在濕式切削條件下可實現對微量加工性（可用納米級表面粗糙度及在某一加工長度上對刀具磨損的忽略性來定義）好的工件材料（如非晶體材料或有精細晶粒結構的材料）的微細切削加工。
通常將加工精度在0.1～1µm、加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm的加工稱為精密加工；將加工精度高于0.1µm、加工表面粗糙度小于Ra0.01µm 的加工稱為超精密加工。精密和超精密切削加工的實現需要具備超精密機床設備和刀具、超穩(wěn)定的工作環(huán)境、超精密測量技術及儀器、用計算機技術進行實時檢測和誤差補償等。
鏡面銑削和金剛石車削是zui常用的兩種超精密加工方法。鏡面銑削的切削速度一般在30m/s以上，可加工塑性材料如銅、鋁、鎳等，也可加工脆性材料如硅、鍺、CaF2和ZnS等。鏡面銑削的主要應用領域是光學元器件的加工。
金剛石車削早期主要用于加工有色金屬材料（如無氧銅、鋁合金等），主要加工零件是各種光學系統中的反射鏡。金剛石車削除可用于加工有機玻璃、各種塑料制品（如照相機的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等）外，還可用于加工陶瓷、復合材料等。為了切除極薄切屑，要求金剛石車刀切削刃的刃口半徑極?。?lt;0.05～0.1µm）。目前，在科研和生產中經常遇到一些納米（nm）級的幾何形狀精度和表面質量要求，如精密軸、孔的圓度和圓柱度、精密球體（如陀螺球、計量用標準球）的球度、制造集成電路用單晶硅基片的平面度、光學、激光透鏡和反射鏡的平面度等，依靠傳統加工方法已難以達到此類納米加工要求，而采用超精密切削技術可達到納米級加工水平，這已被日本Ikawa和美國LLL實驗室的合作研究結果所證實：用刃磨得極為鋒利的單晶金剛石刀具切削有色金屬和非金屬材料可獲得Ra0.002～0.02µm的鏡面；用雙坐標數控超精密機床可加工出幾何精度*的球面和非球曲面；經精細研磨達到*刃口鋒銳度的金剛石刀具可切除厚度僅為1nm的切屑。
目前精密和超精密切削加工零件主要是感光鼓、磁盤、多面鏡、遺跡平面、球面和非球面的激光發(fā)射鏡等，工件材料多為銅、鋁及其合金、非電解鍍鎳層、塑料以及陶瓷等硬脆材料。上述零件可達到的加工精度見表5。
表5 精密零件的加工精度
| 加工零件 | 加工精度（µm） |
| 激光光學零件 | 表面粗糙度Ra0.01～0.006 形狀精度0.1 |
| 磁頭 | 表面粗糙度Rmax0.02 平面度0.01，尺寸精度±2.5 |
| 多面鏡 | 表面粗糙度Rmax00.01～0.006 反射率85%～90%，平面度0.04，l/5～l/10 |
| 磁盤 | 表面粗糙度Ra0.01～0.004 表面波度0.02～0.01 |
| 塑料透鏡用非球面模具 | 表面粗糙度Rmax0.01 形狀精度1～0.3 |
| 陀螺儀浮球 | 球度0.2～0.6 表面粗糙度0.1 |
| 激光陀螺平面反射鏡 | 平面度0.05 表面粗糙度0.001 |
| 雷達波導管 | 內腔表面粗糙度0.01～0.02 平面度和垂直度0.1～0.2 |
6 虛擬切削加工技術
虛擬切削加工技術是在對零件幾何參數、材料物理性能、加工過程切削參數以及加工物理過程（受力變形、熱變形等）進行全面物理建模的基礎上，利用計算機數值仿真技術對加工過程的動態(tài)情況和加工結果進行實際綜合分析的一種新興技術。為分析加工過程及結果，可根據NC加工機床的實際狀況用NC代碼驅動虛擬加工環(huán)境中的NC機床進行虛擬切削加工，它可描述刀具的真實運動軌跡，完成碰撞、干涉檢查，還可逼真地描述加工后工件的形位誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度等屬性，并將虛擬成品零件與設計零件進行比較，如零件精度不能滿足設計要求，則可對工藝參數（進給量、切削速度等）或工件裝夾方式進行調整改進，如有必要還可對零件的結構設計進行完善，以提高其可加工性。通過虛擬切削加工可得到一個優(yōu)化的加工方案，據此進行實際加工，可提高加工成功率，減少原材料消耗，改善產品質量，降低生產成本和縮短產品開發(fā)周期。
虛擬切削加工與傳統切削加工的區(qū)別在于它生產的是數字化產品，而不是實際產品，它的zui大好處是不需消耗實際資源和能量。
7 結語
據估計，切削加工約占機械制造工作量的30%～40%，*每年約有1億噸鋼料通過刀具切削而成為切屑，*每年切削加工耗資約2500 億美元。與*水平相比，目前我國的切削加工技術水平還比較低，努力研究和開發(fā)高速切削、硬切削、干切削、精密切削、虛擬切削等*切削加工技術，對于提高我國機械制造技術水平和機電產品性能、質量及市場競爭力，推動*制造技術的發(fā)展都具有重要意義