現(xiàn)代切削工藝技術(shù)研究進(jìn)展

現(xiàn)代切削工藝技術(shù)研究進(jìn)展

2013-11-4

報(bào)告提綱0制造技術(shù)分類1現(xiàn)代切削工藝技術(shù)產(chǎn)生的背景2精密切削工藝技術(shù)（振動切削、微細(xì)切削、塑性（延性域）切削）3高效切削工藝技術(shù)（高速切削、高速磨削）4綠色切削工藝技術(shù)（干式切削、磨削淬硬）0制造技術(shù)分類

按照在由原材料或毛坯制造成為零件的過程中，質(zhì)量m的變化，可分為Δm=0,Δm>0,Δm<0三種類型，不同類型采用不同的工藝方法。

Δm=0：材料成形工藝（變形加工）

Δm>0：材料累加工藝（堆積、結(jié)合加工）

Δm<0：材料去除工藝（切削加工）0.1Δm=0的制造過程（變形加工）利用模型使原材料形成毛坯或零件的工藝方法。常用成形工藝方法有鑄造、鍛造、沖壓、注塑等。

0.2Δm>0的制造過程（堆積、結(jié)合加工）將零件以微元疊加或連接的方式逐漸累加形成的工藝方法。常用的工藝方法有:RPM（光固化法SLA、選區(qū)片層粘結(jié)法LOM、激光選區(qū)燒結(jié)法SLS、熔積法FDM、三維打印法等）表面覆層技術(shù)（電鍍和化學(xué)鍍、涂料涂裝工藝、氣相沉積

等）表面滲入、注入連接成形（機(jī)械連接、膠接、焊接）0.3Δm＜0的制造過程（去除加工）

按照一定的方式從毛坯上去除多余材料形成符合技術(shù)要求的零件的工藝方法。主要包括切削加工和特種加工?，F(xiàn)代化加工設(shè)備先進(jìn)的刀具與工具1

現(xiàn)代切削工藝技術(shù)產(chǎn)生的背景1.1大量難加工材料的出現(xiàn)和應(yīng)用超硬材料：淬硬鋼、工程陶瓷、復(fù)合材料、工業(yè)搪瓷、石材等，大多數(shù)材料硬度高于250HBS；

超塑材料：銅合金、鋅合金、鋁合金、鈦合金和高溫合金等，其最大伸長率可達(dá)1000％，有的甚至2000％；高強(qiáng)度材料：包括高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，如加有稀土元素的SiMnCrMoV系列鋼，抗拉強(qiáng)度為170～190kgf/mm2，斷裂韌度可達(dá)250～280kgf/mm2

；半導(dǎo)體材料：硅（Silicon）,鍺(GermaniumGalliumArsenide),砷化鎵(GalliumArsenide)等；玻璃材料：納鈣玻璃（Soda-LimeGlass）,光學(xué)玻璃(BK7)等。難加工材料的特性與切削加工特點(diǎn)之間的關(guān)系1.2加工精度要求越來越高

18世紀(jì)，加工精度為1mm；19世紀(jì)末，0.05mm；20世紀(jì)50年代末，實(shí)現(xiàn)了μm級的加工精度；目前達(dá)到10nm的精度水平。例如：1kg陀螺其質(zhì)心偏離0.5nm，會引起100m導(dǎo)彈射程誤差，50m軌道誤差；民兵Ⅲ型洲際導(dǎo)彈陀螺儀精度為0.03-0.05o，命中精度誤差為500m；人造衛(wèi)星軸承孔軸表面粗糙度1nm，其圓度和圓柱度均以nm為單位；飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，則發(fā)動機(jī)效率89%→94%；1.3產(chǎn)品更新越來越快,生產(chǎn)周期越來越短生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變小批量→少品種大批量→多品種變批量21世紀(jì)的產(chǎn)品特征

個(gè)性化和多樣化產(chǎn)品制造定制化、模塊化，滿足不同消費(fèi)者喜好

壽命周期不斷縮短摩爾定律-微處理器芯片性能每18個(gè)月提高1倍，而價(jià)格卻保持不變

智能化包括產(chǎn)品自身智能和生產(chǎn)設(shè)施工具的智能1.4可持續(xù)戰(zhàn)略的實(shí)施和人類環(huán)境意識的增加要求制造工藝的革新

當(dāng)前資源匱泛，污染嚴(yán)重環(huán)境問題不能以犧牲今后幾代人的利益為代價(jià)由粗放經(jīng)營、掠奪式開發(fā)向集約型、可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變

綠色產(chǎn)品全壽命周期無污染、低資源消耗和可回收利用

綠色制造的提出

基于上述背景制造技術(shù)發(fā)生了巨大的變革。*特種加工技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用*快速成型(RP)技術(shù)的發(fā)明及應(yīng)用

*傳統(tǒng)切削技術(shù)朝著兩個(gè)方向發(fā)展：

1）工藝系統(tǒng)（機(jī)床、工件、刀具）的改善

2）精密、高效、清潔的切削工藝技術(shù)的發(fā)明與創(chuàng)新2.0金剛石切削與精密磨削2.1振動切削技術(shù)2.2微細(xì)切削技術(shù)2.3塑性（延性域)切削技術(shù)2精密切削工藝技術(shù)2.1.1振動切削的原理2.1.2振動切削的分類2.1.3振動鉆削2.1.4振動切削技術(shù)的發(fā)展趨勢2.1振動切削技術(shù)

振動切削方法首先由日本宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授于60年代提出的。目前，在日本、中國、俄羅斯、德國、韓國、印度、美國、奧地利、英國等開展了廣泛的研究與生產(chǎn)應(yīng)用。振動切削的應(yīng)用解決了我國飛機(jī)起落架、渦輪盤、薄壁件等國防關(guān)鍵制造難題，降低廢品率帶來上千萬元的經(jīng)濟(jì)效益。2.1.1振動切削的原理2.1.1振動切削的原理

實(shí)現(xiàn)振動切削的條件：

整個(gè)振動周期可分為三個(gè)階段：

切削階段（AB段）刀-屑分離階段（BD段）再切削階段（CD段）2.1.2振動切削的分類

按加工方式可分為：振動車削、振動鉆削、振動銑削、振動攻絲、振動磨削等

按振動方向可分為：吃刀抗力方向、進(jìn)刀抗力方向和主切削力方向振動切削。2.1.2振動切削的分類按振動性質(zhì)可分為：自激振動切削和強(qiáng)迫振動切削。

按振動頻率可分為：超聲波振動切削和低頻振動切削。a)直線振動切削b)彎曲振動切削c)橢圓振動切削三種不同振動切削方式的示意圖

特殊形式的振動切削2.1.3振動鉆削f,Afrfrfrnnnfc,θcfc,θcf,A

實(shí)現(xiàn)振動鉆削的三種方式1、實(shí)現(xiàn)方式2振動鉆削裝置3、運(yùn)動學(xué)原理－斷續(xù)切削原理3、運(yùn)動學(xué)原理－斷續(xù)切削原理3、運(yùn)動學(xué)原理－變角切削原理

軸向振動鉆削的分離沖擊特性BCDacAAachO0O1R3R0R1R2Evf,A刀具工件3、運(yùn)動學(xué)原理－分離沖擊特性4、工藝效果－斷屑排屑效果

普通鉆削時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的切屑形態(tài)（fr=0.02mm/rev）

普通鉆削和振動鉆削的切屑形態(tài)比較（f=40Hz、A=11.3μm）

振動鉆削的切屑尺寸比較（n=1800rpm、fr=0.01mm/r、A=16.5μm）

振動鉆削的切屑尺寸驗(yàn)證（n=400rpm、fr=0.1mm/r、f=22Hz、A=0.5mm）

（a）振幅的影響（f=62Hz）（b）振動頻率的影響（A=80μm）排屑效果驗(yàn)證試驗(yàn)(φ6mm麻花鉆、工件材料45#鋼、n=930mm/r)4、工藝效果－入鉆偏移（a）普通鉆削（b）振動鉆削

普通鉆削和振動鉆削微孔的入鉆偏移4、工藝效果－加工質(zhì)量（a）干切削表面劃傷表面劃傷(b)MQL圖9普通鉆削時(shí)不同潤滑方式下的表面形貌（n=2400rpm、

fr=0.03mm/r）(a)干切削圖12振動鉆削時(shí)不同潤滑方式下的表面形貌

(n=2400rpm,fr=0.03mm/rev,f=60Hz,A=16.5μm)(b)MQL振動鉆削的毛刺高度（工件材料：工業(yè)鋁L5,刀具材料：高速鋼麻花鉆，干切削，內(nèi)孔孔徑Φ3mm，n=1350rpn，fr=0.02mm/r,f=90Hz）

鉆削毛刺的形成示意圖5、振動攻絲的工藝效果

＊可靠、適用的振動切削裝置的開發(fā)；＊新材料的實(shí)驗(yàn)研究及工藝參數(shù)優(yōu)化；＊振動切削系統(tǒng)（過程）的非線性研究；＊振動切削過程的有限元仿真。2.1.4振動切削技術(shù)的發(fā)展趨勢2.2.1微機(jī)械的發(fā)展及其特征2.2.2微細(xì)切削的工藝特點(diǎn)2.2.3微細(xì)切削機(jī)床2.2.4微細(xì)切削刀具2.2.5微細(xì)切削的工藝效果2.2.6微細(xì)切削未來研究方向2.2微細(xì)切削技術(shù)1微機(jī)械的發(fā)展

微小機(jī)械

1-10mm；微機(jī)械

1μm-1mm；納米機(jī)械

1nm-1μm。

1959年，RichardPFeynman（1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者）就提出了微型機(jī)械的設(shè)想;

1987年美國加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60～12μm的利用硅微型靜電機(jī);

日本通產(chǎn)省1991年開始啟動一項(xiàng)為期10年、耗資250億日元的微型大型研究計(jì)劃，研制兩臺樣機(jī)；

微型機(jī)械是一門交叉科學(xué)，隨著微電子學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)等的不斷發(fā)展，微型機(jī)械具備了更好的發(fā)展基礎(chǔ)。

2.2.1微機(jī)械的發(fā)展及其特征2微機(jī)械的特征

體積小、精度高、重量輕如直徑如發(fā)絲的齒輪、開動3mm大小的汽車、花生米大的飛機(jī)、在5mm2內(nèi)放置1000臺的微型發(fā)動機(jī)。

性能穩(wěn)定、可靠性高微機(jī)械體積小，熱膨脹、噪聲、撓曲等影響小，具有抗干擾性，可在較差環(huán)境下穩(wěn)定的工作。

能耗低、靈敏度、工作效率高不存在信號延遲問題，可進(jìn)行高速工作。消耗的能量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)械如5*5*0.7mm3微型泵流速是比其體積大得多的小型泵流量的1000倍。

多功能和智能化集傳感器、執(zhí)行器、信號處理和電子控制電路為一體，易于實(shí)現(xiàn)多功能化和智能化。

制造成本低類似半導(dǎo)體制造工藝。全球最小的硅基MEMS麥克風(fēng)芯片

（1.2mm×1.3mm×0.4mm）3微細(xì)加工的主要方法

微型機(jī)械加工技術(shù)作為微型機(jī)械的最關(guān)鍵技術(shù)，也必將有一個(gè)大的發(fā)展。

當(dāng)前，微細(xì)加工方法很多，有微細(xì)切削、特種加工技術(shù)、光刻加工、體刻蝕加工、面刻蝕加工、LIGA(制版、電鑄成形和微注塑)、分子裝配技術(shù)等1尺度效應(yīng)*切削力隨切削深度的減小而變大；*由于零件尺度的減小，傳統(tǒng)的切削理論已經(jīng)變得不適應(yīng)，出現(xiàn)了微摩擦學(xué)、微電子學(xué)等。2.2.2微細(xì)切削的工藝特點(diǎn)2精度的衡量方式的變化以去除微粒的尺寸大小來衡量3各切削分力的變化主切削力小于橫向切削力2.2.3微細(xì)切削機(jī)床

微細(xì)切削加工對所用的加工設(shè)備要求很高，其所用的加工設(shè)備應(yīng)滿足以下要求：1高精度（靜態(tài)精度、動態(tài)精度）當(dāng)前高水平超精密機(jī)床的主軸回轉(zhuǎn)精度大多在0.02～0.03μm，導(dǎo)軌的直線度在0.025/100000內(nèi)，定位精度為0.013μm，重復(fù)定位精度在0.006μm左右，進(jìn)給分辨率在0.003μm，分度精度在0.5秒內(nèi)。2高剛度（精剛度和動剛度）3高穩(wěn)定性和保持性（良好的耐磨性、抗振性以及熱穩(wěn)定性）4高自動化

微細(xì)切削機(jī)床朝著微型化和工序集成化的兩個(gè)方向發(fā)展

微小型化機(jī)床概念是Dutta等人在1970年首次提出的，當(dāng)時(shí)只是作為硅微細(xì)加工制作的微電機(jī)一種應(yīng)用，但是并沒有被廣泛地接受。1990年，日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)研究院機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室（MEL）提出了微型制造系統(tǒng)即微型工廠的概念，并于1996年開發(fā)了世界上第一臺微型車床，體積32×25×30.5mm3，重量約100g，主軸電機(jī)額定功率1.5W，轉(zhuǎn)速為10000r/min。切削黃銅獲得表面粗糙度Rmax1.5μm，圓度2.5μm，加工出的最小外圓直徑為60μm。切削試驗(yàn)中的功率消耗僅為普通機(jī)床的1/500。2001年美國國家科學(xué)基金會(NSF)資助了“Micro/Meso-ScaleMachineToolSystems”研究計(jì)劃資助所研制的兩臺微小型機(jī)床試驗(yàn)臺，本體尺寸為250×150×200mm3和60×90×100mm3，主軸最高轉(zhuǎn)速分別為150000r/min和320000r/min。二者都采用了閉環(huán)反饋控制，且裝備了測力傳感器測量微細(xì)切削力。

在國內(nèi)，哈工大精密加工研究所研制的三軸微小型立式銑床，其尺寸300×300×290mm3，主軸最大轉(zhuǎn)速為160000r/min，最大徑向跳動為1μm，驅(qū)動系統(tǒng)重復(fù)定位精度0.25μm，速度范圍1μm～250mm/s；采用全閉環(huán)控制分辨率可達(dá)0.1μm。

北京理工大學(xué)研制的微細(xì)車銑加工中心，銑削主軸最高轉(zhuǎn)速60,000rpm，車削主軸最高轉(zhuǎn)速8,000rpm，四軸可控，重復(fù)定位精度達(dá)到微米級。

目前國外制備的微型刀具一般采取線電極電火花磨削(WEDG)技術(shù)和聚焦離子束(FIB)加工技術(shù)，對高速鋼和細(xì)晶粒硬質(zhì)合金進(jìn)行刻蝕加工，實(shí)現(xiàn)刀具的成型和精度控制。2.2.4微細(xì)切削刀具美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用聚焦離子束技術(shù)制備出的微細(xì)銑刀2.2.5微細(xì)切削的工藝效果微細(xì)銑削加工的直徑為

1mm，表面高度差為30μm，表面粗糙度為Rz0.058μm

座體零件的結(jié)構(gòu)特征：1整體尺寸

16mm×8mm2回轉(zhuǎn)表面的不同圓周上布置多個(gè)臺階面3零件上有多個(gè)微小孔，孔徑在0.5mm～2.6mm之間，最大深徑比為6，孔徑誤差為0.02mm。4回轉(zhuǎn)表面上布置有兩個(gè)等深圓弧槽（0.3mm×3mm），槽寬誤差為0.02mm。*微細(xì)切削過程監(jiān)控，特別是刀具磨損破損監(jiān)控及數(shù)控誤差；*微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)；*微細(xì)切削毛刺的預(yù)報(bào)、控制和去除技術(shù)；*適合于微細(xì)切削的機(jī)床開發(fā)和研制。2.2.6微細(xì)切削的未來研究方向2.3塑性（延性域）切削技術(shù)2.3.1塑性切削的提出

2.3.2實(shí)現(xiàn)塑性切削的條件

2.3.3塑性切削的特性

2.3.4發(fā)展展望2.3.1塑性切削的提出磨削加工

中間裂紋(15.9

m)

樹枝狀裂紋(17.8m)人字形裂紋(19.9m)*

粗磨所導(dǎo)致的表層損傷:*Pei,Z.J.etal.Int.JMach.ToolsManu.,39(7),1999,pp.1103-1116.磨床脆性材料常用的加工技術(shù)(晶片材料)即使采用精磨:表層損傷的厚度也大約在7m左右.化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical-MechanicalPolishingCMP)

工時(shí)長成本高環(huán)境污染

硅片拋光1實(shí)現(xiàn)塑性切削的可能

切削過程中位錯(cuò)產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展共存，并且兩者相互抑制。加工脆性材料時(shí)，通過施加大的壓應(yīng)力可以使抑制裂紋擴(kuò)展，激發(fā)位錯(cuò)發(fā)生。2.3.2實(shí)現(xiàn)塑性切削的條件塑性切削的切削變形

脆性切削的切削變形

凹槽表面

塑性切削模式

脆性切削模式半導(dǎo)體材料,例如硅（Silicon）,鍺（Germanium）、砷化鎵（GalliumArsenide）等玻璃材料,例如納鈣玻璃（Soda-LimeGlass）,光學(xué)玻璃(BK7)等陶瓷材料,例如硬質(zhì)合金（TungstenCarbide）,氮化硅（SiliconNitride）等東芝超精密車床(a)塑性切削表面 (b)拋光表面

(d)dmqx=40nm (e)dmax=50nm (f)dmax=66nm(a)dmax=10nm (b)dmax=20nm (c)dmax=30nm刀具刃口半徑為45nm（以硅片切削為例）:2產(chǎn)生大壓應(yīng)力的臨界條件刀具刃口半徑為335nm:dc=118nm dc=178nm dc=298nmdmax=307nmdmax=320nmdmax=325nmdmax=337nm

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，切削加工過程中產(chǎn)生很高壓應(yīng)力產(chǎn)生的條件是：臨界切削深度應(yīng)小于刀具的刃口半徑；刀具刃口半徑的應(yīng)該磨的非常小，達(dá)到納米級水平,所以這種技術(shù)又被稱為納米塑性切削技術(shù);并且被加工材料強(qiáng)度越大，實(shí)現(xiàn)塑性切削所需的刃口半徑越小。

刀具的超聲振動能夠以動態(tài)方式產(chǎn)生大的壓應(yīng)力。2.3.3塑性切削的特性

切深方向分力Ft

遠(yuǎn)大于主切削力Fc(r=Ft/Fc)。切削力:Yanetal.,Wear,255,2003,pp.1280-1387.塑性切削形成的表面:掃描電鏡（SEM）照片原子力顯微鏡（AFM）照片表面粗糙度:

加工硅片的理想表面粗糙度

Ra

是1.07nm。

(f=10

m/rev,R=0.5mm)

刀具磨損嚴(yán)重，使用壽命大為減小。刀具磨損:Yanetal.,Wear,255,2003,pp.1280-1387.2.3.4發(fā)展展望*刀具使用壽命的提高和適合納米塑性切削的刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)的開發(fā)；*開發(fā)新的適合于實(shí)踐應(yīng)用的納米塑性切削的方式；*納米塑性切削機(jī)理的研究。3.1高速切削（highspeedcutting）3.2高速磨削（highspeedgrinding）3高效切削技術(shù)3.1高速切削（highspeedcutting）3.1.1高速切削的提出3.1.2高速切削的關(guān)鍵技術(shù)3.1.3高速切削的應(yīng)用1刀具材料和切削加工速度發(fā)展

20世紀(jì)前，碳素鋼，耐熱溫度低于200oC，10m/min；

20世紀(jì)初，高速鋼，500-600oC，30-40m/min；

20世紀(jì)30年代，硬質(zhì)合金，800-1000oC，數(shù)百米/min;

目前陶瓷、金剛石、立方氮化硼，1000oC以上，一千至數(shù)千米/min。3.1.1高速切削的提出2高速切削的理論基礎(chǔ)高化速指標(biāo)：dm*n（直徑×轉(zhuǎn)速）>1×106即為高速3高速切削特征切削力低切削變形小，切屑流出速度加快，切削力比常規(guī)降低30-90%,刀具耐用度提高70%；熱變形小溫升不超過3oC，90%切削熱被切屑帶走；材料切除率高單位時(shí)間內(nèi)切除率可提高3-5倍；高精度切削激振頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床系統(tǒng)固有頻率，加工平穩(wěn)、振動小，可實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工。減少工序工件加工可在一道工序中完成，稱為“一次過”技術(shù)（Onepassmaching）。

1高速切削機(jī)床

主軸轉(zhuǎn)速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速進(jìn)給40-80m/min；高速電主軸部件＋滾珠絲杠或直線電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)＋32位或64位多CPU的CNC控制系統(tǒng)＋強(qiáng)力高壓冷卻系統(tǒng)（切屑）＋溫控循環(huán)水（冷卻主軸電機(jī)、主軸軸承和直線電機(jī)等）＋更完備的安全措施。3.1.2高速切削的關(guān)鍵技術(shù)德國Heckert

公司SKM400型臥式加工中心SKM400型臥式加工中心主軸系統(tǒng)

SKM400型臥式加工中心的主要技術(shù)參數(shù)HSKA63刀柄規(guī)格31主軸功率／kw15000主軸轉(zhuǎn)速（r/min）1g最大加速度100快速移動速度／（m/min）400×400數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺尺寸／mm650×650×650主軸運(yùn)動范圍／mm2高速切削的刀具系統(tǒng)對刀具系統(tǒng)要求：切削熱更多流向刀具，要求抗磨損；必須具有良好的平衡性，可靠定位，高地安全性。刀具材料：刀具材料與被加工材料的化學(xué)親合力要小，并且具有優(yōu)異的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、抗沖擊性和耐磨性。硬質(zhì)合金涂層刀具（韌性和抗彎強(qiáng)度好、涂層材料高溫耐磨性好）、陶瓷刀具（與金屬親和力小，熱擴(kuò)散磨損小，高溫硬度好，但韌性較差）、聚晶金剛石刀具（摩擦因數(shù)低，耐磨性強(qiáng)，導(dǎo)熱性好）、立方氮花硼刀具（硬度高，耐磨性好，高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，壽命長）。雙定位刀柄結(jié)構(gòu)：當(dāng)超過15000r/min時(shí)，離心力將使主軸錐孔擴(kuò)張，降低刀柄連接剛度；該結(jié)構(gòu)刀柄錐部和端面同時(shí)與主軸定位，軸向重復(fù)定位精度可達(dá)0.001mm。

主要應(yīng)用于汽車工業(yè)大批生產(chǎn)、難加工材料、超精密微細(xì)切削、