現(xiàn)代切削技術

1、現(xiàn)代切削技術 超高速切削技術超高速切削技術簡介20世紀30年代初,德國著名的機械切削物理學家薩洛蒙(CarlSalomon)分析和總結了大量的切削加工試驗速度與溫度的曲線,首次提出了超高速切削加工的理論。他指出:在常規(guī)的切削速度范圍內切削溫度確實隨著切削速度的增大而升高;而且在超過一定的切削速度后,由于切削溫度的升高超過了刀具的承受能力,刀具的硬度會劇烈降低,刀具發(fā)軟并出現(xiàn)劇烈磨損,使切削加工無法繼續(xù)進行。但是,當切削速度繼續(xù)增大,達到甚至超過一定的數(shù)值后,如果再增加切削速度,此時的切削溫度不但不會升高,反而會降低,甚至會低于刀具可以承受的溫度,這樣就可能重新利用現(xiàn)有的刀具進行超高速加工,大幅

2、度地減少切削加工的時間,提高設備的生產效率,這便是超高速切削加工的概念。 超高速切削速度超高速切削特點設備的加工效率高超高速切削加工比常規(guī)切削加工的主軸運轉速度高出56倍,進給速度也相應提高510倍,這樣,在單位時間內,刀具對材料的切除速度可以提高36倍,因而零件的加工時間通?？梢钥s短到原來的1/3,甚至1/5,從而極大地提高了設備的加工效率和設備利用率,縮短了產品的生產周期,可實現(xiàn)對產品進行快速制造。這一特點在新產品開發(fā)過程中顯得尤其重要。既縮短了研制周期,又增強了企業(yè)的競爭力。加工時切削力小與常規(guī)的切削加工相比,超高速切削加工時的切削力至少可以降低30%甚至40%,這對于諸如細長軸、薄壁件

3、等低剛度、精微零件來講,其意義相當重大。超高速切削可以減少零件在加工過程中的變形,提高零件的加工精度。不僅如此,采用超高速切削加工時,單位功率材料切除率可以提高40%以上,刀具的使用壽命可以提高70%以上。刀具使用壽命的延長,不僅可以節(jié)省生產成本,還可以節(jié)約加工時間,同時也避免了頻繁更換刀具所帶來的刀具裝夾定位誤差,對提高零件的加工精度有極大的意義。工件的熱變形小 由于超高速切削加工的過程極為迅速,95%以上的切削熱來不及傳給工件,而是被切屑直接而迅速地帶走,零件不會由于溫度的升高產生彎翹或膨脹變形。因而,超高速切削加工特別適用于加工容易發(fā)生熱變形的零件。工件的加工精度高、加工質量好 由于超高

4、速切削加工的切削力和切削熱影響小,使刀具和工件的熱變形小,工件表面的殘余應力小,這樣就可保持尺寸的精確性。同時,由于切屑被飛快地切離工件,可以使工件達到極高的表面質量。設備在加工過程中狀態(tài)穩(wěn)定 由于超高速旋轉刀具切削加工時的激振頻率高,已經遠遠地超出了機床-工件-刀具加工工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍。因此,不會造成上述加工工藝系統(tǒng)的振動,使整個加工過程平穩(wěn),有利于提高加工精度和表面質量。創(chuàng)造良好的技術經濟效益 采用超高速切削加工能取得常規(guī)的切削加工無法獲得的技術經濟效益,如縮短加工時間、提高生產率;可以加工低剛度的零件;零件加工精度高、表面質量好;提高刀具壽命和機床利用率;節(jié)省了換刀輔助時間和刀具刃

5、磨費用等。超高速切削加工的關鍵技術a超高速切削加工設備的主軸系統(tǒng) 由于超高速切削加工設備的主軸系統(tǒng)是在超高速條件下運轉的,傳統(tǒng)的齒輪變速和帶傳動方式已明顯不能適應其要求,取而代之的是具有寬調速功能的交流變頻電動機。這種電動機通常將其空心轉子直接套裝在機床的主軸上,取消了從主電動機到機床主軸的一切中間傳動環(huán)節(jié),使機床主傳動的機械結構得到了極大地簡化,形成了一種新型的功能 部件主軸單元。為了適應切削加工的超高速特點,主軸單元具有很大的驅動功率和轉矩,具有較寬的調速范圍,同時還有一系列監(jiān)控主軸振動、軸承和電動機溫度升高等運行參數(shù)的傳感器、測試控制和報警系統(tǒng),以確保主軸單元在超高速運轉下的可靠性和安全

6、性。b超高速切削加工設備的進給系統(tǒng) 超高速切削加工設備的進給系統(tǒng)是超高速加工設備的重要組成部分,是評價超高速加工設備性能優(yōu)劣與否的重要指標之一,是維持超高速切削中刀具正常工作的必要條件。超高速切削在提高主軸速度的同時,必須提高進給速度,并且要求進給運動能夠做到既可以瞬時達到高速,也可以瞬時停車等動作。否則,不但無法發(fā)揮超高速切削加工的優(yōu)勢,還會使刀具處于惡劣的工作條件下,加劇刀具的磨損。另外,由于進給系統(tǒng)的跟蹤誤差對加工精度的影響很大,這就要求超高速切削加工的進給系統(tǒng)還應具有較大的加速度和較高的定位精度。c超高速軸承技術 為了適應主軸系統(tǒng)的超高速運轉,必須采用與之相匹配的高速精密軸承。由于業(yè)已

7、存在的諸多優(yōu)點,滾動軸承成為目前國內外的科技人員在設計和制造超高速機床時的首選。為了提高滾動軸承的極限轉速,科技人員紛紛采用提高軸承的制造精度,合理選擇高硬度、耐高溫的軸承材料以及改進軸承結構等方法,使超高速軸承技術得到了很大的發(fā)展。據了解,目前最先進的超高速軸承技術可以滿足50000100000r/min以上的主軸轉速。d超高速切削加工的刀具技術 由于超高速切削加工自身的超高速特點,要求刀具材料與被加工材料的化學親合力要小,并且具有優(yōu)異的力學性能、熱穩(wěn)定性、抗沖擊性和極高的耐磨性能。進入21世紀以來,正是由于切削刀具材料的迅猛發(fā)展,才使超高速切削加工技術能夠得以實施。目前適合于超高速切削加工

8、的刀具材料主要有涂層材料、金屬陶瓷材料、聚晶金剛石、立方氮化硼等,特別是聚晶金剛石刀具和聚晶立方氮化硼刀具的發(fā)展和應用,極大地推動了超高速切削加工的發(fā)展,使之走向更加廣泛的應用領域。5.工程應用中航工業(yè)洪都公司為提高經濟效益和飛機制造水平，多年來一直致力于高速銑削的研究與在生產中的推廣，特別是在加工飛機薄壁件和大樑中廣泛應用高速切削技術，使生產效率和產品質量都大大提高。干式切削 首先，要了解切削液在傳統(tǒng)切削過程中的作用。切削液通常是大多數(shù)機加工中不可缺少的生產要素之一，對保證加工精度、提高表面質量和生產效率具有重要作用。隨著全球環(huán)境意識的增強以及環(huán)保法規(guī)的要求越來越嚴格，切削液對環(huán)境的負面作用

9、也越來越明顯。 切削液是造成環(huán)境污染的主要來源，在我國，據不完全統(tǒng)計僅機械行業(yè)廢乳化液的日排放量已達近億噸，可見問題的嚴重。對環(huán)境無污染的綠色制造被認為是可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代制造業(yè)模式。而在加工過程中不用任何切削液的干切削正是控制環(huán)境污染源頭的一項綠色制造工藝，它可獲得潔凈、無污染的切屑，省去了切削液及其處理等大量費用，可進一步降低生產成本。 據統(tǒng)計，二十年前，切削液的費用不到工件成本的3%左右，目前，在高生產率的生產企業(yè)，切削液的供給、保養(yǎng)及回收處理費用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而刀具費用僅占2%-5%。在與切削液有關的總費用中，有22%左右是切削液的處理費用。據估計，如果20

10、%的切削加工采用干式切削加工，總的制造成本可降低1.6%。3。干式切削可以擺脫切削液的弊端，降低成本。 因此，未來切削加工的方向是不用或用盡量少的切削液。隨著耐高溫刀具材料和涂層技術的發(fā)展，使得干加工在機械制造領域變?yōu)榭赡?。干切削技術就是在這樣的歷史背景下應運而生，并從九十年代中期以來迅速發(fā)展起來的，其發(fā)展歷史至今不過十年，是先進制造技術的一個前沿研究課題。干式切削的特點（1）切屑干凈清潔無污染，易于回收和處理（2）省去了切削液傳輸，回收，過濾等裝置及相應的費用，簡化了生產系統(tǒng)，降低了生產成本（3）省去了切削液與切屑的分離裝置及相應的電氣設備。機床結構緊湊，減少占地面積（4）不會產生環(huán)境污染（

11、5）不會產生與切削液有關的安全事故及質量事故。干切削的主要條件采用新型的刀具材料 干切削不僅要求刀具材料具有極高的紅硬性和熱韌性，而且還必須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結性。目前應用于干式切削加工的刀具材料主要是:超細硬質合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金剛石等超硬度材料。超細硬質合金可以提高普通硬質合金的韌性，具有很好的耐磨性和耐高溫性，可制作大前角的深孔鉆頭和刀片，用于銑削和鉆削的干式加工。陶瓷刀具(Al203,Si3N4)等材料的硬度在高溫下也很少降低，即具有很好的紅硬性，因此很適合于一般目的的干切削而無須冷卻液。但是這類材料一般較脆，即熱韌性不好，故不適用于進行斷續(xù)切削。也就是說，陶瓷刀

12、具較適合用于進行干車削而不適用于干銑削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，達HV3200HV4000，僅次于金剛石，熱傳導率好，達1300W/MK，具有良好的高溫化學穩(wěn)定性，在1200下熱穩(wěn)定性很好。采用CBN刀具加工鑄鐵，可大大提高切削速度，用于加工淬火鋼，可以以車削代替磨削。聚晶金剛石(PCD)刀具硬度非常高，可達HV7000HV8000，熱導率可達2100 W/MK，線膨脹系數(shù)小。PCD刀具切削時產生的熱能可以很快從刀尖傳遞到刀體，從而減少刀具熱變形引起的加工誤差。PCD刀具比較適用于干式加工銅、鋁及鋁合金工件。干式切削采用涂層技術 涂層刀具分兩大類:一類是“硬”涂層刀具，如TiN,T

13、IC和Al203等涂層刀具。這類刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂層刀具抗后刀面磨損的能力特別強，而TiN涂層刀具則有較高的抗“月牙洼”磨損能力。另一類是“軟”涂層刀具，如:MOS2,W S等涂層刀具。這類涂層刀具也稱為“自潤滑刀具”，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.01左右，能有效減少切削力和降低切削溫度。例如瑞士開發(fā)的“MOVIC”涂層絲錐，刀具表面涂覆有一層MOS2。切削實驗表明:未涂層絲錐只能加工20個螺孔;用TiAlN涂層絲錐時可加工1000個螺孔，而MoS2涂層的絲錐可加工4000個螺孔。高速鋼和硬質合金經過PVD涂層處理后，可以用于干切削。原來只適用于進行鑄鐵干切削的CB

14、N刀具，在經過涂層處理后也可用來加工鋼、鋁合金和其他超硬合金。實際上 ，涂層有類似于冷卻液的功能，它產生一層保護層，把刀具與切削熱隔離開來，使熱量很少傳到刀具，從而能在較長的時間內保持刀尖的堅硬和鋒利。表面光滑的涂層還可以減少摩擦來降低切削熱，保持刀具材料不受化學反應的作用，因為在大多數(shù)高速干切削中，高溫對化學反應有很大的催化作用。TiAlN涂層和Mo2軟涂層還可交替涂覆，形成一個多涂層刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系數(shù)小、切屑易流出的優(yōu)點，有優(yōu)良的替代冷卻液的功能。在干切削技術中，刀具涂層發(fā)揮著非常重要的作用。干式切削刀具幾何參數(shù)設計干切削刀具通常以月牙洼磨損為主要失效原因，這是

15、因為加工中沒有切削液，刀具和切屑接觸區(qū)域的溫度升高所致。因此，通常應使刀具有大的前角和刃傾角，但前角增大后，刀刃強度會受影響，此時應配以適宜的負倒棱或前刀面加強單元，這樣使刀尖和刃口會有足夠體積的材料和較合理的方式承受切削熱和切削力，同時減輕了沖擊和月牙洼擴展對刀具的不利影響，使刀尖和刃口可在較長的切削時間里保持足夠的結構強度。日本三菱金屬公司開發(fā)出一種適用于干切削的“回轉型車刀”，該刀具采用圓形超硬刀片，刀片的支持部分裝有軸承，在加工中刀片能自動回轉，使切削刃始終保持鋒利，具有工效高、加工質量好、刀具壽命長等特點。干切削的主要效果 經切削實驗表明：高速切削時采用干切削，刀具壽命不低于濕切削，

16、因為澆注切削液會產生不均勻性及不易滲入切削區(qū)：用硬質合金鉆頭等在提高速度、減少進給量情況下加工表面質量相同于濕切削；涂覆的硬質合金鉆頭、拉刀產生的力與力矩與濕切削相同。干切削工程應用 日本三菱公司推出了世界上第一套干式滾切系統(tǒng)。它采用的切削速度是傳統(tǒng)滾切速度的)倍，可達到200m/min。干式滾切對滾刀有特殊的要求，三菱公司設計的專用干式滾刀，采用MACH7高速鋼，表面涂有專用涂層，有助于散熱并減少刀具損耗，其壽命可延長到一般濕切方式的5倍。這一系統(tǒng)在加工汽車末級傳動齒輪、大型載重齒輪、汽車小齒輪及行星齒輪時效果都很理想，生產成本至少降低40%。 美國格里森公司用硬質合金滾刀在Phoenix機

17、床上用干式切削法加工錐齒輪，與傳統(tǒng)的高速鋼刀具濕式切削法相比，降低切削時間為50%，而且齒輪的表面粗糙度顯著降低和幾何精度也大大提高，加工精度可達AGMA1213級。該公司生產的GP系列滾齒機，以其獨特的設計，使其干切質量能與濕切質量媲美。其床身設計成大角度斜坡，以利切屑流動。床身內部循環(huán)冷卻，以利于維持熱平衡。此外，機床還配有一套真空除屑除塵系統(tǒng)。這一系列滾齒機，滾切轉速可達3000r/min。硬切削硬切削是指用超硬刀具對硬度高于50HRC的高硬度鋼和高硬度鑄鐵的精密加工方法，是一種“以切代磨”的新工藝，也是高速切削技術的一個新應用領域。目前硬切削用的超硬刀具主要有：涂層超細顆粒硬質合金刀具

18、、金屬陶瓷刀具(AL_2 O_3 、Si_3 N_4)、立方氮化硼（CBN）、人造聚晶金剛石刀具（PCD）等。通常，被加工工件材料主要包括鑄鐵、高速鋼、軸承鋼等鋼鐵材料，有時也涉及高溫合金、鈦合金等難加工材料。目前，硬切削這種新工藝正在許多工業(yè)部門采用，如汽車制造廠用這種方法對傳動軸、各類軸傳動鏈、發(fā)動機、制動盤和制動轉子進行半精加工和精加工，飛機制造廠用這種方法制造副翼齒輪和起落架等。機床、工具、醫(yī)用設備、汽車零件等都把硬切削作為其生產過程的一個組成部分。 圖3 PCBN刀具硬切削與傳統(tǒng)磨削加工相比，硬切削工藝具有如下優(yōu)點：1.加工效率高。硬切削往往采用大切削深度、高的工件轉速，其金屬切除率

19、通常為模型加工的34倍。車削加工一次裝夾可完成多種表面，而磨削則需要多次安裝，因此，其輔助時間短、加工效率高。2.設備投資少。用硬切削不需用專用刀具、專用機械和夾具，而磨削則要求使用磨床，硬切削則可在現(xiàn)有的NC或CNC車削中心上進行。3.硬切削可使零件獲得良好的整體加工精度。硬切削中生產的大部分熱量被切屑帶走，從而保持零件的熱穩(wěn)定性，不會產生像磨削加工那樣的表面燒傷和裂紋，且有優(yōu)良的加工表面質量。4.硬切削是潔凈的加工工藝。在大多數(shù)情況下，硬切削無需冷卻液。這樣，硬切削可省去與冷卻液有關的裝置、降低生產成本、簡化生產系統(tǒng)。而且硬切削形成的切屑干凈清潔，回收處理容易，而磨削會產生磨屑和冷卻液的混

20、合物，這是不能再利用的廢物，會污染環(huán)境。硬切削研究的發(fā)展趨勢向精密化方向發(fā)展硬切削加工的研究經歷了粗加工、精加工和超精密加工的發(fā)展階段，從國外的一些比較研究工作可以看出，硬切削加工在某些特定的條件下，不僅加工表面粗糙度低于磨削表面。隨著硬切削向精密化方向研究的不斷深入，相對于磨削加工，硬切削所具有的獨特優(yōu)勢將更加凸現(xiàn)。向綠色化方向發(fā)展 硬切削以不用或少用切削液的方式進行難加工材料的切削，相對于普通的磨削加工，更加符合環(huán)境保護的需要。隨著環(huán)保政策和法規(guī)的逐漸完善，國外更加重視可持續(xù)制造的研究，從干切、準干切、低溫切削等方面進行環(huán)境保護研究；從機床、刀具、工藝等方面建立優(yōu)化模型進行節(jié)省能耗的研究；

21、從硬切削刀具回收重用的性能分析和比較研究進行材料循環(huán)使用的探索，這些環(huán)保、節(jié)能、回收的研究，充分體現(xiàn)了社會對綠色制造的需求。向集成化方向發(fā)展高硬度鋼是一種難加工材料，硬切削是基于高速切削技術的一種先進制造技術。雖然硬切削工藝已經有了許多成功的應用，為了使難加工材料在加工效率、加工質量、加工成本等方面獲得更好的效果，硬切削研究在關鍵技術進一步深入的同時，正朝著技術集成的方向發(fā)展: 在硬切削加工的同時對工件材料激光預熱、對刀具液氮冷卻; 車銑組合硬切;振動輔助硬切，這些不同技術的組合應用，都取得了良好的試驗效果，為提高硬切削加工性能展示了一個值得關注的發(fā)展方向。精密和超精密加工超精密加工發(fā)展現(xiàn)狀超

22、精密加工技術的發(fā)展，直接影響到一個國家尖端技術和國防工業(yè)的發(fā)展，因此世界各國對此都極為重視，投入很大力量進行研究開發(fā)，同時實行技術保密，控制關鍵加工技術及設備出口。 超精密加工技術，是現(xiàn)代機械制造業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。在提高機電產品的性能、質量和發(fā)展高新技術中起著至關重要的作用，并且已成為在國際競爭中取得成功的關鍵技術. 超精密加工是指亞微米級(尺寸誤差為0.30.03m，表面粗糙度為Ra0.030.005m)和納米級(精度誤差為0.03m，表面粗糙度小于 Ra0.005m)精度的加工。實現(xiàn)這些加工所采取的工藝方法和技術措施，則稱為超精加工技術。加之測量技術、環(huán)境保障和材料等問題，人們把這種技術總稱為超精工程。精密加工和超精密加工的優(yōu)點超精密切削是用天然金剛石刀具進行的。天然金剛石具有極高的硬度、耐磨性、強度、抗粘結性和摩擦系數(shù)小等特點，用它切削鋁、銅合金及非金屬材料能達到超精密加工的精度和表面粗糙度要求，并具有很高的刀具壽命。金剛石晶體具有各向異性的特點，若選取不同的晶面使金剛石刀具切削性能不同，在切削時對切削變形、加工表面質量和刀具壽面產生不同影響。因此，應找出最佳晶面進行仔細磨制出所需的幾何參數(shù)，其中最重要的是刀具尖圓弧半徑和刃口鈍圓半徑，通常刀尖圓弧半徑達到0.10.3微米，刃口鈍圓半徑達到0.10.2微米。刃口圓弧半