国内外先进切削加工理论

国内外先进切削加工理论

1 引言

20世纪80年代以来，随着全球化市场竞争日趋激烈，为争取技术优势，各国纷纷开展先进制造技术的研究与开发。伴随着信息技术的不断发展，先进制造技术一方面发展了以数控机床为基础的自动化加工技术，另一方面发展了各种新的加工方法和加工工艺，比较典型的有(超)高速切削、干切削、硬切削、(超)精密切削技术等。微机械(或微型装置)是另一个新型研究领域，其加工技术的开发具有巨大的产业化应用前景。虚拟切削加工技术是在计算机上借助虚拟现实、立体建模和仿真技术，检验产品的设计合理性和可加工性，对产品的加工过程进行模拟与仿真，预测产品的加工质量、制造周期、使用性能等，以便及时修改设计，缩短产品的研制周期，获得最佳产品质量、最低生产成本和最短开发周期。本文主要综述(超)高速切削、干切削、硬切削、(超)精密切削、虚拟切削加工技术的主要研究内容及其关键技术。

2 高速切削加工技术

提高切削速度一直是切削加工领域十分关注并为之不懈努力的重要目标。虽然目前国内外专家尚未对高速切削的切削速度的界定达成共识，但通常认为高速切削的切削速度比常规切削速度高5~10倍以上。

高速切削加工技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC 控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件与软件技术综合应用的基础上发展起来的。因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，高速切削加工技术体系(见图1)是机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控、切削机理等诸多方面的有机集成。

高速切削加工具有以下特点：①切削力随着切削速度的提高而下降；②切削产生的热量绝大部分被切屑带走；③加工表面质量提高；④在高速切削范围内机床的激振频率远离工艺系统的固有频率范围。以上特点有利于提高生产效率；有利于改善工件的加工精度和表面质量；有利于减少模具加工中的手工抛光；有利于减小工件变形；有利于使用小直径刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料；有利于加工较大零部件；可替代其它加工工艺(如磨削)，获得显著的经济效益。但是，随着切削速度的提高，刀具寿命会下降。

目前，航空制造业(尤其是大型整体铝合金薄壁飞机结构件的加工)、模具制造业、汽车制造业等行业均已积极采用高速切削加工技术。在实际生产应用中，应根据具体加工情况合理选用高速机床和加工工艺，不同的生产领域和加工对象对高速机床的性能要求和适用的工艺方法是有区别的。适于高速切削加工的

工件材料包括铝合金、钢、铸铁、铅、铜及铜合金等，随着高速切削加工技术的发展，其适用材料的范围已进一步拓宽到模具钢、钛合金、不锈钢、镍基合金、纤维增强合成树脂等难加工材料。现在，传统切削工艺能够加工的工件材料高速切削几乎都能加工，而传统切削工艺很难加工的工件材料(如镍基合金、钛合金、纤维增强塑料等)在高速切削条件下将变得易于切削。常用工件材料的高速切削速度范围见表1。目前，高速切削加工技术主要应用于车削和铣削工艺。随着各类高速切削机床的开发，高速切削工艺范围将进一步扩大，高速切削将涵盖所有的传统加工范畴，包括从粗加工到精加工，从车削、铣削到镗削、钻削、拉削、铰削、攻丝、滚齿等。各种加工工艺对应的高速切削速度范围见表2。

表1 不同工件材料对应的(超)高速切削线速度范围

表2 不同加工工艺对应的高速切削线速度范围

3 干切削加工技术

在切削加工中，使用切削液对于降低切削温度、断屑与排屑、改善零件加工质量均可起到重要作用，但同时也存在诸多弊端，例如：切削液系统的购置、使用与维护需花费大量资金，增大加工成本；切削液需定期更换、添加防腐剂等，增加了加工辅助时间；因切削液加注过程的不连续性及冷却程度的不均匀性，使刀具产生不规则的冷、热交替变化，容易使刀刃产生裂纹，引起刀具破损，从而降低刀具使用寿命；切削液是机械加工中的重要污染源，可污染空气、水源和土壤，需花费大量资金进行防护和治理；切削液中的有害物质对工人的健康及安全也具有一定危害。为此，作为一种绿色制造工艺的干切削加工技术应运而生。

干式切削由于缺少切削液的润滑、冷却、冲洗和排屑断屑等功能，导致刀具与工件、切屑之间摩擦加剧，切削力增大，切屑变形加剧，切削热急剧增加，导致切削区温度显著升高，刀具耐用度降低，同时工件加工质量不易保证。为使干切削加工可顺利进行，达到甚至超过湿切削时的加工质量、生产率和刀具耐用度，就必须通过分析干切削的各种特定边界条件和影响干切削的各种因素，寻求相应的技术解决方案及措施来弥补不使用切削液的缺陷。例如：干切削刀具材料必须具有极高的红硬性和热韧性、良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等均可较好满足干切削的要求。某些刀具涂层材料具有类似切削液的功能，可隔离切削热，在较长时间内保持刀尖硬度和锋利性，使刀具材料不易发生化学反应。此外，应针对不同的工件材料和切削用量设计刀具结构、几何参数和相应的断屑槽，以满足干切削的加工要求。干切削对加工机床的特殊要求主要为保证快速散热和快速排屑。

目前，干切削加工技术已广泛应用于铸铁、钢、铝、钛、镁等及其合金的切削加工。铸铁是适合干切削的典型加工材料，采用PCBN刀具干切削铸铁的常用切削用量见表3。PCBN刀具干车削灰铸铁时，前角一般选用-5°～-7°，以承受较大的切削力；粗加工用PCBN刀片的刃口强化与主偏角、前角的配合十分重要；粗加工刀片的刃口倒棱几何尺寸为-20°×0.02mm，精加工刀片的刃口倒棱几何尺寸为-20°×0.1mm。

表3 PCBN刀具干切削铸铁的切削用量

由于高速切削具有切削力小、散热快、加工稳定性好等优点，因此干切削加工应尽可能采用较高切削速度。干切削技术与高速切削技术的有机结合可获得生产效率高、加工质量好、无环境污染等多重技术经济效益。此外，进行干切削加工时，为减小切削力、降低切削温度，还可采取某些特殊工艺措施，如激光辅助干切削、液氮冷却干切削、准干切削等。

4 硬切削加工技术

硬切削是指对高硬度(>54HRC)材料直接进行切削加工。硬切削工件材料包括淬硬钢、冷硬铸铁、粉末冶金材料及其它特殊材料。硬切削通常可直接作为最终精加工工序，而传统加工常以磨削作为最终工序。与磨削相比，硬切削具有如下优点：①加工灵活性强，精度易于保证；②硬切削的加工成本低于磨削(通

常仅为磨削的1/4)；③硬切削不需要专用机床、刀具和夹具，在现有加工设备上即可实现；④硬切削的生产效率高于磨削；⑤磨削产生的磨屑与废液混合物易污染环境，难以处理和再利用；而硬切削易于实现干切削，产生的切屑可再利用。由于硬切削具有以上优势，因此“以切代磨”已成为切削加工的发展趋势之一。

目前，硬切削主要用于车削、铣削等加工工艺，并已在许多工业制造部门得到应用，如汽车传动轴、发动机、制动盘、制动转子的半精加工和精加工，飞机副翼齿轮、起落架的切削加工，机床工具、医用设备等行业也开始大量应用硬切削加工技术。

硬切削对加工机床的主要要求为刚性好、基础稳定、工作轴运动精度高等。由于硬切削的切削力较大，切削温度较高，为保证加工精度、表面质量及刀具寿命，硬切削时必须精心选择刀具材料、刀具几何参数和切削用量。硬切削的适用刀具材料主要有PCBN、陶瓷、高性能金属陶瓷、涂层硬质合金、超细晶粒硬质合金等。刀具材料选定后，应尽量选用强度较高的刀片形状和较大的刀尖圆弧半径，PCBN刀具和陶瓷刀具一般应采用负前角(≤－5°)。一般来说，被加工材料硬度越高，硬切削的切削速度应越小；使用PCBN刀具的切削速度应高于其它刀具材料，PCBN刀具切削淬硬钢(≥50HRC)的切削用量见表4。

表4 PCBN刀具切削淬硬钢的切削用量

5 微细、精密和超精密切削加工技术

微细加工技术是指对微型机械、微小尺寸零件的加工技术。随着航空航天、国防工业、现代医学以及生物工程技术的发展，各种小型化、微型化设备和微小尺寸零件的应用越来越多，各种微型机械和微型机电系统(MEMS)的制造对微细加工技术提出了新的要求，向现有制造技术的加工极限挑战，发展精密加工、超微细加工和纳米加工技术已成为现代先进制造技术的一个发展方向。

微细加工除可通过电子束加工、离子束加工、化学加工等特种加工方法实现外，还可通过微细、超微细切削加工来实现。高精度机床和超稳定加工环境是实现微细切削加工的重要条件。由于微细切削的切削深度极小(通常小于材料的晶粒直径)，切削只能在晶粒内进行，此时的切削方式相当于对一个个不连续体进行切削，使微细切削具有断续切削的性质。选用精细研磨的金刚石刀具，用(1 0 0)或(1 10)晶面作为刀具的前、后刀面，在湿式切削条件下可实现对微量加工性(可用纳米级表面粗糙度及在某一加工长度上对刀具磨损的忽略性来定义)好的工件材料(如非晶体材料或有精细晶粒结构的材料)的微细切削加工。

通常将加工精度在0.1～1μm、加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm的加工称为精密加工；将加工精度高于0.1μm、加工表面粗糙度小于Ra0.01μm 的加工称为超精密加工。精密和超精密切削加工的实现需要具备超精密机床设备和刀具、超稳定的工作环境、超精密测量技术及仪器、用计算机技术进行实时检测

和误差补偿等。

镜面铣削和金刚石车削是最常用的两种超精密加工方法。镜面铣削的切削速度一般在30m/s以上，可加工塑性材料如铜、铝、镍等，也可加工脆性材料如硅、锗、CaF2和ZnS等。镜面铣削的主要应用领域是光学元器件的加工。

金刚石车削早期主要用于加工有色金属材料(如无氧铜、铝合金等)，主要加工零件是各种光学系统中的反射镜。金刚石车削除可用于加工有机玻璃、各种塑料制品(如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等)外，还可用于加工陶瓷、复合材料等。为了切除极薄切屑，要求金刚石车刀切削刃的刃口半径极小(<0.05～0.1μm)。目前，在科研和生产中经常遇到一些纳米(nm)级的几何形状精度和表面质量要求，如精密轴、孔的圆度和圆柱度、精密球体(如陀螺球、计量用标准球)的球度、制造集成电路用单晶硅基片的平面度、光学、激光透镜和反射镜的平面度等，依靠传统加工方法已难以达到此类纳米加工要求，而采用超精密切削技术可达到纳米级加工水平，这已被日本Ikawa和美国LLL实验室的合作研究结果所证实：用刃磨得极为锋利的单晶金刚石刀具切削有色金属和非金属材料可获得Ra0.002～0.02μm的镜面；用双坐标数控超精密机床可加工出几何精度极高的球面和非球曲面；经精细研磨达到极高刃口锋锐度的金刚石刀具可切除厚度仅为1nm的切屑。

目前精密和超精密切削加工零件主要是感光鼓、磁盘、多面镜、遗迹平面、球面和非球面的激光发射镜等，工件材料多为铜、铝及其合金、非电解镀镍层、塑料以及陶瓷等硬脆材料。上述零件可达到的加工精度见表5。

表5 精密零件的加工精度

6 虚拟切削加工技术

虚拟切削加工技术是在对零件几何参数、材料物理性能、加工过程切削参数以及加工物理过程(受力变形、热变形等)进行全面物理建模的基础上，利用计算机数值仿真技术对加工过程的动态情况和加工结果进行实际综合分析的一种新兴技术。为分析加工过程及结果，可根据NC加工机床的实际状况用NC代码驱动虚拟加工环境中的NC机床进行虚拟切削加工，它可描述刀具的真实运动轨迹，完成碰撞、干涉检查，还可逼真地描述加工后工件的形位误差、几何尺寸误差和表面粗糙度等属性，并将虚拟成品零件与设计零件进行比较，如零件精度不能满足设计要求，则可对工艺参数(进给量、切削速度等)或工件装夹方式进行调整改进，如有必要还可对零件的结构设计进行完善，以提高其可加工性。通过虚拟切削加工可得到一个优化的加工方案，据此进行实际加工，可提高加工成功率，减少原材料消耗，改善产品质量，降低生产成本和缩短产品开发周期。

虚拟切削加工与传统切削加工的区别在于它生产的是数字化产品，而不是实际产品，它的最大好处是不需消耗实际资源和能量。

7 结语

据估计，切削加工约占机械制造工作量的30%～40%，全世界每年约有1亿吨钢料通过刀具切削而成为切屑，全世界每年切削加工耗资约2500 亿美元。与世界先进水平相比，目前我国的切削加工技术水平还比较低，努力研究和开发高速切削、硬切削、干切削、精密切削、虚拟切削等先进切削加工技术，对于提高我国机械制造技术水平和机电产品性能、质量及市场竞争力，推动先进制造技术的发展都具有重要意义。