先進切削加工技術綜述.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-先進切削加工技術綜述山東大學劉戰(zhàn)強王兆輝劉逢時1引言20世紀80年代以來，隨著全球化市場競爭日趨激烈，為爭取技術優(yōu)勢，各國紛紛開展先進制造技術的研究與開發(fā)。伴隨著信息技術的不斷發(fā)展，先進制造技術一方面發(fā)展了以數(shù)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(chǎn)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(xiàn)實、立體建模和仿真技術，檢驗產(chǎn)品的設計合理性和可加工性，對產(chǎn)品的加工過程進行模擬與仿真，預測產(chǎn)品的加工質(zhì)量、制造周期、使用性能等，以便及時修改設計，縮短產(chǎn)品的研制周期，獲得最佳產(chǎn)品質(zhì)量、最低生產(chǎn)成本和最短開發(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(nèi)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(nèi)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510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(tǒng)、快速進給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高效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(tǒng)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。-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-圖1高速切削加工技術體系高速切削加工具有以下特點：切削力隨著切削速度的提高而下降；切削產(chǎn)生的熱量絕大部分被切屑帶走；加工表面質(zhì)量提高；在高速切削范圍內(nèi)機床的激振頻率遠離工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍。以上特點有利于提高生產(chǎn)效率；有利于改善工件的加工精度和表面質(zhì)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(jīng)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(chǎn)應用中，應根據(jù)具體加工情況合理選用高速機床和加工工藝，不同的生產(chǎn)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(xiàn)在，傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-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100080008000鋁合金100070007000銅合金90050005000灰鑄鐵80030003000鋼50020002000鈦合金10010001000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7007000銑削3006000鉆削2001100拉削3075鉸削205003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(zhì)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(tǒng)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(chǎn)生不規(guī)則的冷、熱交替變化，容易使刀刃產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量、生產(chǎn)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-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-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極高的紅硬性和熱韌性、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(nèi)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(shù)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-200.02mm，精加工刀片的刃口倒棱幾何尺寸為-200.1mm。表3PCBN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(ap0.64)珠光體灰鑄鐵(240HB)3056100.250.50珠光體軟鑄鐵55012000.150.30白口鑄鐵601200.250.75精加工(ap0.64)珠光體灰鑄鐵(240HB)3056100.250.50珠光體軟鑄鐵60015000.100.15白口鑄鐵901800.250.75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(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好、無環(huán)境污染等多重技術經(jīng)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