現(xiàn)代切削工藝技術(shù)研究進(jìn)展

1、現(xiàn)代切削工藝技術(shù)研究進(jìn)展 2013-11-4 報告提綱0 0 制造技術(shù)分類制造技術(shù)分類1 1 現(xiàn)代切削工藝技術(shù)產(chǎn)生的背景現(xiàn)代切削工藝技術(shù)產(chǎn)生的背景2 2 精密切削工藝技術(shù)（振動切削、微細(xì)切削、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）塑性（延性域）切削）3 3 高效切削工藝技術(shù)（高速切削、高速磨削）高效切削工藝技術(shù)（高速切削、高速磨削）4 4 綠色切削工藝技術(shù)（干式切削、磨削淬硬）綠色切削工藝技術(shù)（干式切削、磨削淬硬）0 0 制造技術(shù)分類制造技術(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)量按照在由原材料或毛坯制造成為零件的過程中，質(zhì)量mm的變化，可分為的變化，可分為m=

2、0, m0, m0, m0m0：材料累加工藝（堆積、結(jié)合加工）：材料累加工藝（堆積、結(jié)合加工） m0m00.2 m0的制造過程（堆積、結(jié)合加工）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。常用的工藝方法有: :n RPM RPM （光固化法（光固化法SLASLA、選區(qū)片層粘結(jié)法、選區(qū)片層粘結(jié)法LOM LOM 、 激光選區(qū)激光選區(qū)燒結(jié)法燒結(jié)法SLSSLS、熔積法、熔積法FDMFDM、三維打印法等）、三維打印法等）n 表面覆層技術(shù)（電鍍和化學(xué)鍍表面覆層技術(shù)（電鍍和化學(xué)鍍 、涂料涂裝工藝涂料涂裝

3、工藝 、氣相沉積氣相沉積 等）等）n 表面滲入、注入表面滲入、注入n 連接成形（機(jī)械連接、膠接、焊接）連接成形（機(jī)械連接、膠接、焊接）0.3 m0.3 m0 0的制造過程（去除加工）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)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。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)備現(xiàn)代化加工設(shè)備先進(jìn)的刀具與工具先進(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 1.1 大量難加工材料的出現(xiàn)和應(yīng)用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

4、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170190kgf/mm2，斷裂韌度可達(dá)250280kgf/mm2 ；半導(dǎo)體材料：硅（ Silicon ）,鍺(Germanium Gallium Arsenide), 砷化鎵(Gallium Arsenide)等；玻璃材料：納鈣玻璃（ Soda-Lime Glass）,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 1.2 加工精度要求

5、越來越高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m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；民兵型洲際導(dǎo)彈陀螺儀精度為0.03-0.05，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 60m12m，粗糙度由Ra0.5m0.2m，則發(fā)動機(jī)效率 89% 94%；1.3 1.3 產(chǎn)品更新越來越快產(chǎn)品更新越來越快, ,生產(chǎn)周期越來越短生產(chǎn)周期越來越短生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變 小批量少

6、品種大批量多品種變批量2121世紀(jì)的產(chǎn)品特征世紀(jì)的產(chǎn)品特征 個性化和多樣化 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個月提高1倍，而價格卻保持不變 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 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

7、 * 傳統(tǒng)切削技術(shù)朝著兩個方向發(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

8、低廢品率帶來上千萬元的經(jīng)濟(jì)效益。2.1.1 振動切削的原理振動切削的原理2.1.1 2.1.1 振動切削的原理振動切削的原理 實(shí)現(xiàn)振動切削的條件： 整個振動周期可分為三個階段： 切削階段（AB段） 刀-屑分離階段（BD段） 再切削階段（CD段）2vaf2.1.2 2.1.2 振動切削的分類振動切削的分類 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 2.1.2 振動切削的分類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

9、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 2.1.3 振動鉆削振動鉆削f , Afrfrfrnnnfc ,cfc ,cf , 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軸向振動鉆削的分離沖擊特性BCDacAAachO0O1R3R0R1R2Evf, A刀具刀具工件工件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

10、=40Hz、A=11.3m） 振動鉆削的切屑尺寸比較（n=1800rpm、fr=0.01mm/r、A=16.5m） 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=80m ）排屑效果驗(yàn)證試驗(yàn)(6mm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 普通鉆削時不同潤滑方式下的表面形貌（n=2400rpm、 fr=0.03mm/r） (a)

11、 干切削圖12 振動鉆削時不同潤滑方式下的表面形貌 (n=2400rpm, fr=0.03mm/rev, f=60Hz, A=16.5m)(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3mm，n =1350rpn，fr=0.02mm/r, f=90Hz） 鉆削毛刺的形成示意圖 5 5、振動攻絲的工藝效果、振動攻絲的工藝效果 可靠、適用的振動切削裝置的開發(fā)；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；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；振動切削系統(tǒng)（過程）的非線性研究； 振動切削過程的有限元

12、仿真。振動切削過程的有限元仿真。2.1.4 2.1.4 振動切削技術(shù)的發(fā)展趨勢2.2.1 2.2.1 微機(jī)械的發(fā)展及其特征2.2.2 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 1m-1mm； 納米機(jī)械 1nm-1m。 1959年，Richard P Feynman（1965年諾貝爾物理獎獲得者）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6012m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)

13、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 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1

14、000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 （1.2mm1.3mm0.4mm）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 2.2.2 微細(xì)切削的工藝特

15、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0.020.03m，導(dǎo)軌的直線度在0.025/100000內(nèi)，定位精度為0.013m，重復(fù)定位精度在0.006m左右，進(jìn)給分辨率在0.003m，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方向發(fā)展 微小型化機(jī)床概念是

16、Dutta等人在1970年首次提出的，當(dāng)時只是作為硅微細(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322530.5mm3，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Rmax1.5m，圓度2.5m，加工出的最小外圓直徑為60m。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-Scale Machine Tool Systems”研

17、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250150200mm3和6090100mm3，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300300290mm3，主軸最大轉(zhuǎn)速為160000r/min，最大徑向跳動為1m，驅(qū)動系統(tǒng)重復(fù)定位精度0.25m，速度范圍1m250mm/s；采用全閉環(huán)控制分辨率可達(dá)0.1m。 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

18、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30m，表面粗糙度為Rz0.058m 座體零件的結(jié)構(gòu)特征：1 整體尺寸16mm8mm2 回轉(zhuǎn)表面的不同圓周上布置多個臺階面3 零件上有多個微小孔，孔徑在0.5mm2.6mm之間，最大深徑比為6，孔徑誤差為0.02mm。4 回轉(zhuǎn)表面上布置有兩個等深圓弧槽（0.3mm3mm），槽寬誤

19、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、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 2.3.1 塑性切削的提出塑性切削的提出 2.3.2 2.3.2 實(shí)現(xiàn)塑性切削的條件實(shí)現(xiàn)塑性切削的條件 2.3.3 2.3.3 塑性切削的特性塑性切削的特性 2.3.4 2.3.4 發(fā)展展望發(fā)展展望2.3.1 2.3.1 塑性切削的提出塑性切削的提出磨削加工磨削加工 中間裂紋 (15.9m) 樹枝狀裂紋 (17.8m) 人字形裂紋 (1

20、9.9m)* 粗磨所導(dǎo)致的表層損傷粗磨所導(dǎo)致的表層損傷: :* Pei, Z.J. et al. Int. J Mach. Tools Manu., 39 (7), 1999, pp. 1103-1116. 磨床脆性材料常用的加工技術(shù) (晶片材料)即使采用精磨即使采用精磨: :表層損傷的厚度也大約在表層損傷的厚度也大約在 7 7 mm左右左右. .化學(xué)機(jī)械拋光化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical-Mechanical Polishing CMP) 工時長工時長 成本高成本高 環(huán)境污染環(huán)境污染 硅片拋光1 1 實(shí)現(xiàn)塑性切削的可能實(shí)現(xiàn)塑性切削的可能 切削過程中位錯產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展共存，并且兩者相互抑制。

21、加工脆性材料時，通過施加大的壓應(yīng)力可以使抑制裂紋擴(kuò)展，激發(fā)位錯發(fā)生。2.3.2 2.3.2 實(shí)現(xiàn)塑性切削的條件實(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 300m A A 凹槽表面凹槽表面 塑性切削模式塑性切削模式 脆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（Gallium Arsenide）等玻璃材料, 例如納鈣玻璃（Soda-Lime Glass）,光學(xué)玻璃(BK7) 等陶瓷材料, 例如硬質(zhì)合金（ Tungsten Carbide）, 氮化硅（Silicon Nitride）等東芝超精密車床(a) 塑性切削表面 (b)

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

23、的通過試驗(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：條件是：v 臨界切削深度應(yīng)小于刀具的刃口半徑；v 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。 Diamond tool dc = Critical chip thickness Cut surface plane Surface damage depth Uncut shoulder Microfracture damage zone yc f Damage transition line Tool center 刀具的超聲振動能夠以動態(tài)方

24、式產(chǎn)生大的壓應(yīng)力。2.3.3 2.3.3 塑性切削的特性塑性切削的特性 切深方向分力 Ft 遠(yuǎn)大于主切削力 Fc (r = Ft / Fc)。切削力切削力: : Yan et al., Wear, 255, 2003, pp. 1280-1387.塑性切削形成的表面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 Ra R O f 表面粗糙度表面粗糙度: : 加工硅片的理想表面粗糙度 Ra 是 1.07nm。 (f = 10m/rev, R = 0.5mm) 刀具磨損嚴(yán)重，使用壽命大為減小。刀具磨損刀具磨損: : Yan et al., Wear, 255, 2003,

25、pp. 1280-1387. 2.3.4 2.3.4 發(fā)展展望發(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)；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開發(fā)新的適合于實(shí)踐應(yīng)用的納米塑性切削的方式；式；* * 納米塑性切削機(jī)理的研究。納米塑性切削機(jī)理的研究。3.1 高速切削（high speed cutting）3.2 高速磨削（high speed grinding）3 高效切削技術(shù)3.1 高速切削（high speed cutting）3.1.1 高速切削的提出3.1.2 高速切削的關(guān)鍵技術(shù)

26、3.1.3 高速切削的應(yīng)用1 1 刀具材料和切削加工速度發(fā)展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200C，10m/min； 20世紀(jì)初，高速鋼，500-600C，30-40m/min； 20世紀(jì)30年代，硬質(zhì)合金，800-1000C，數(shù)百米/min; 目前陶瓷、金剛石、立方氮化硼，1000C以上， 一千至數(shù)千米/min。3.1.1 高速切削的提出2 2 高速切削的理論基礎(chǔ)高速切削的理論基礎(chǔ)高化速指標(biāo)：dm*n（直徑轉(zhuǎn)速）1106即為高速3 高速切削特征高速切削特征 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

27、溫升不超過3C，90%切削熱被切屑帶走； 材料切除率高 單位時間內(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)（One pass maching）。 1 高速切削機(jī)床高速切削機(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)

28、德國 Heckert 公司SKM 400 型臥式加工中心SKM 400 型臥式加工中心主軸系統(tǒng)型臥式加工中心主軸系統(tǒng) SKM 400 型臥式加工中心的主要技術(shù)參數(shù)型臥式加工中心的主要技術(shù)參數(shù)HSK A63刀柄規(guī)格刀柄規(guī)格31主軸功率主軸功率kw15000主軸轉(zhuǎn)速（主軸轉(zhuǎn)速（r/min）1g最大加速度最大加速度100快速移動速度（快速移動速度（m/min）400400數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺尺寸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺尺寸mm650650650主軸運(yùn)動范圍主軸運(yùn)動范圍mm2 高速切削的刀具系統(tǒng)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

29、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，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、復(fù)雜曲面加工等不同領(lǐng)域。航空工業(yè)-飛機(jī)鋁合金零件、薄層腹板

30、件等直接高速切削加工，不再鉚接。汽車制造-高速加工中心將柔性生產(chǎn)線效率提高到組合機(jī)床生產(chǎn)線水平。模具制造-對淬硬鋼模具型腔直接加工，節(jié)省電加工和手工研磨等工序。3.1.3 高速切削的應(yīng)用3.2 高速磨削3.2.1 3.2.1 高速磨削基礎(chǔ)高速磨削基礎(chǔ)3.2.2 3.2.2 高速磨削關(guān)鍵技術(shù)高速磨削關(guān)鍵技術(shù)3.2 高速磨削基礎(chǔ) 高速磨削是提高磨削效率和降低工件表面粗糙度的有效措施，它與普通磨削的區(qū)別在于用很高的磨削速度和進(jìn)給速度。最高磨削速度達(dá)500m/s；實(shí)際應(yīng)用磨削速度在100m/s250m/s。高速磨削特點(diǎn)：盡可能的提高磨削速度，若切除率不變，則單磨粒切削厚度降低，磨削力減小，降低表面粗糙

31、度，并且加工剛度小的零件時易于保證精度要求；維持原切削力，可提高進(jìn)給速度，降低加工時間，提高生產(chǎn)效率。可使粗精合而為一。磨削切削用量對比表磨削切削用量對比表磨削參數(shù)磨削參數(shù)高高502000中中60低低220低低0.110比金屬切除率比金屬切除率Q/(mm3/(mms)高高80250高高80250低低2060低低2060砂輪周速砂輪周速Vs/(m/s)高高0.510高高130低低0.050.5高高130工件進(jìn)給速度工件進(jìn)給速度Vw/(m/min)大大0.130小小0.0030.05大大0.130小小0.0010.05磨削深度磨削深度ap/mm高效深磨高效深磨(HEDG)精密高速磨精密高速磨(PU

32、HSG)高速磨削高速磨削緩進(jìn)給緩進(jìn)給磨削磨削普通磨削普通磨削磨削方法磨削方法高速主軸 須配有連續(xù)自動動平衡裝置3.2.2 3.2.2 高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)高速主軸動平衡系統(tǒng)1-信號傳送單元 2-緊固發(fā)蘭盤 3-內(nèi)裝電子驅(qū)動平衡塊 4-磨床主軸 高速磨削砂輪要求：機(jī)械強(qiáng)度高，磨粒突出要大，結(jié)合劑耐磨性要好，高速磨削時要安全可靠。砂輪基體：必須考慮高速離心力作用；砂輪磨粒-立方氮化硼和金剛石。高速砂輪典型結(jié)構(gòu)腹板變截面等力矩結(jié)構(gòu)，無中心法蘭孔多個小螺孔安裝固定，降低法蘭孔應(yīng)力冷卻潤滑液V液等于V砂： 冷卻潤滑效果好V液大于V砂： 清洗效果好a) V液大于V砂 b) V液略大于V砂

33、c) V液= V砂冷卻潤滑液出口流速的影響4.1 干式切削工藝4.2 磨削淬硬技術(shù)4 4 綠色切削工藝技術(shù)綠色切削工藝技術(shù)4.1 干式切削工藝 4.1.1 干式切削的提出 4.1.2 完全干式切削 4.1.3 半干式切削 4.1.1 干式切削的提出1 切削液的負(fù)面影響切削液的負(fù)面影響* 增加制造成本 據(jù)德國最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：與切削液有關(guān)的成本相當(dāng)于全部生產(chǎn)成本的15%30%，而工具費(fèi)用僅占加工成本的2%4%；* 增加環(huán)境污染 切削液是機(jī)械加工中造成環(huán)境污染的重要根源。在我國，僅機(jī)械工業(yè)廢乳化液的日排放量據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已近億噸，可見其問題的嚴(yán)重性；* 危害工人健康2 2 少無切削液技術(shù)的提出少無切

34、削液技術(shù)的提出 研究表明：傳統(tǒng)切削液的冷卻、潤滑、排屑等作用在加工過程中并未得到充分有效地發(fā)揮。例如高速切削會在刀具周圍產(chǎn)生離心高速、高壓氣流，依靠常規(guī)加大切削液流量、降低切削溫升的辦法已不能達(dá)到理想的效果；微小內(nèi)表面加工。 因此，人們試圖不用或少用切削液，以適應(yīng)降低成本，減少環(huán)境污染的要求，這就是方興未艾的少無切削液技術(shù)。干式切削工藝是一種節(jié)約資源型的綠色切削工藝技術(shù)，過去僅局限于鑄鐵材料的加工，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸擴(kuò)展到不銹鋼等其它材料。4.1.2 完全干式切削 完全干式切削法，也叫高速干式切削法。機(jī)床主軸高速回轉(zhuǎn)(通常在2000060000r/min)，使用高強(qiáng)度刀具，小切深、大走刀，進(jìn)行超高速

35、切削加工。切削熱90%以上被切屑帶走，通過切削工藝條件的改變來實(shí)現(xiàn)無切削液化加工，其效率高、成本低，而機(jī)床、刀具投入的技術(shù)與成本很高。 目前，歐、美國家較為流行，德國處于國際領(lǐng)先水平。據(jù)2001年統(tǒng)計(jì)，德國已有8%左右的企業(yè)采用了這一技術(shù)，預(yù)計(jì)到2005年德國將有20%以上的企業(yè)采用這一技術(shù)。 n干式車削加工干式車削加工n關(guān)鍵問題：關(guān)鍵問題：n選擇適合干式車削的刀具；選擇適合干式車削的刀具；n改進(jìn)刀具幾何形狀；改進(jìn)刀具幾何形狀；n確定干車削加工條件。確定干車削加工條件。 n應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例：n如采用如采用GE超硬磨料公司的超硬磨料公司的PCBN刀具進(jìn)行旋風(fēng)刀具進(jìn)行旋風(fēng)銑削加工絲杠螺紋，以硬旋

36、風(fēng)銑削取代軟車削和精磨銑削加工絲杠螺紋，以硬旋風(fēng)銑削取代軟車削和精磨工序，提高效率近工序，提高效率近100倍。倍。4.1.2 完全干式切削n干式滾切加工干式滾切加工n關(guān)鍵問題：關(guān)鍵問題：n提高滾切速度；提高滾切速度；n快速排屑技術(shù)；快速排屑技術(shù)；n開發(fā)高性能的高速滾刀等。開發(fā)高性能的高速滾刀等。n應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例：n如采用硬質(zhì)合金或陶瓷刀具進(jìn)行完全干式加工如采用硬質(zhì)合金或陶瓷刀具進(jìn)行完全干式加工的新型滾齒機(jī)；的新型滾齒機(jī)；n如滾削汽車變速箱中的普通齒輪，用硬質(zhì)合金如滾削汽車變速箱中的普通齒輪，用硬質(zhì)合金滾刀進(jìn)行干滾削；滾刀進(jìn)行干滾削；1 MQL(微量潤滑)切削 一種國外較為流行的半干式切削方法，在常溫壓縮空氣中混入微量的無公害油霧代替大量切削液，對切削點(diǎn)實(shí)施冷卻、潤滑和排屑。 4.1.3 半干式切削 MQL 噴霧系統(tǒng)實(shí)物圖箱體壓力表油罐出油管進(jìn)氣口2 液氮冷卻（氮?dú)饬髑?/p>