先進(jìn)切削加工技術(shù)課件

1、第二章 先進(jìn)切削加工技術(shù) 先進(jìn)切削加工技術(shù)前言2.1 高速切削技術(shù)2.2 綠色切削技術(shù)2.3 硬態(tài)切削加工技術(shù)2.4 超精密切削加工技術(shù)前言本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章教學(xué)重點(diǎn)導(dǎo)入案例本章學(xué)習(xí)目標(biāo)了解高速切削加工技術(shù)的優(yōu)越性、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用；掌握電主軸和直線驅(qū)動(dòng)進(jìn)給單元的結(jié)構(gòu)特性了解綠色切削的方法構(gòu)成；明確干式切削和準(zhǔn)干式切削技術(shù)的特點(diǎn)、發(fā)展及應(yīng)用；掌握實(shí)施干式切削的必要條件和干式切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征掌握硬態(tài)切削的概念、明確實(shí)施硬態(tài)切削的必要條件和切削用量的選擇原則；了解硬態(tài)切削的特點(diǎn)及應(yīng)用了解金剛石刀具超精密切削加工的機(jī)理；明確超精密切削對(duì)刀具的要求及機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征本章教學(xué)重點(diǎn) 知識(shí)要點(diǎn) 能力要求 相關(guān)知

2、識(shí)高速切削技術(shù)掌握電主軸和直線驅(qū)動(dòng)進(jìn)給單元的結(jié)構(gòu)特性；了解高速切削的優(yōu)越性及應(yīng)用高速切削的優(yōu)越性和關(guān)鍵技術(shù)；電主軸典型油-水熱交換系統(tǒng)；陶瓷球軸承油-氣潤(rùn)滑系統(tǒng)干式切削和準(zhǔn)干式切削技術(shù)掌握干式切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征；了解準(zhǔn)干式切削的特征實(shí)施干式切削的必要條件；準(zhǔn)干式切削的特點(diǎn)；微量潤(rùn)滑切削技術(shù)硬態(tài)切削技術(shù)掌握硬態(tài)切削的概念和實(shí)施的必要條件；明確硬態(tài)切削的特點(diǎn)；了解硬態(tài)切削的應(yīng)用硬態(tài)切削概念及特點(diǎn)；硬態(tài)切削刀具和機(jī)床結(jié)構(gòu)特征；切削用量的選擇超精密切削技術(shù)明確金剛石刀具的結(jié)構(gòu)、超精密切削機(jī)床結(jié)構(gòu)特征超精密切削加工的刀具；超精密切削機(jī)床的主軸部件、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和微量進(jìn)給裝置導(dǎo)入案例切削加工是機(jī)械制造的基

3、礎(chǔ)方法，據(jù)估計(jì)，切削加工約占機(jī)械加工總量的95%左右。如加工Pilatus PC12飛機(jī)的主梁（圖1），在以前的設(shè)計(jì)中是由156個(gè)不同零件組成，加工極為復(fù)雜，廢品率也極高。而如今采用高速銑削加工，零件的數(shù)量減少到3個(gè)。與以前的制造方法相比，不僅減輕了構(gòu)件重量，還提高加工精度，降低了廢品率和成本。高速加工還特別適用于模具型腔的加工（圖2、圖3）案例圖片2.1高速切削技術(shù)2.1.1概述2.1.2高速切削加工的優(yōu)越性2.1.3高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)2.1.4高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用2.1.1概述提出：高速切削理論是德國(guó)切削物理學(xué)家薩洛蒙（Carl Salomon）1931年4月提出的。薩洛蒙曲線高速切

4、削概念高速切削的速度范圍薩洛蒙曲線在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)（見(jiàn)圖2-1中A區(qū)），切削溫度隨著切削速度的提高而升高。但是當(dāng)切削速度提高到某一數(shù)值之后，切削速度再提高，切削溫度反而降低，且該切削速度值與工件材料的種類有關(guān)。對(duì)每一種工件材料都存在一個(gè)速度范圍，在這個(gè)速度范圍內(nèi)（圖2-1中B區(qū)），由于切削溫度過(guò)高，刀具材料無(wú)法承受，即切削加工不可能進(jìn)行，稱該區(qū)為“死谷”。薩洛蒙曲線薩洛蒙曲線帶來(lái)的啟示：若能越過(guò)這個(gè)“死谷”，在高速區(qū)（見(jiàn)圖2-1中C區(qū)）進(jìn)行切削加工，則有可能用現(xiàn)有刀具材料進(jìn)行高速切削，其切削溫度與常規(guī)切削時(shí)基本相同，從而可大幅度提高生產(chǎn)效率。薩洛蒙曲線圖高速切削概念高速切削是個(gè)相對(duì)概念，目

5、前尚無(wú)統(tǒng)一定義，一般指采用超硬刀具材料，通過(guò)大幅度的提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)提高材料切除率和加工質(zhì)量的現(xiàn)代切削加工技術(shù)。 高速切削的速度范圍一般認(rèn)為是常規(guī)切削速度的510倍。目前鋁合金材料的高速切削速度范圍為20007500m/min，鑄鐵為9005000m/min，鋼為9005000m/min，鈦合金達(dá)1501000m/min，纖維增強(qiáng)塑料為20009000m/min。2.1.2 高速切削加工的優(yōu)越性1.切削加工效率高 ：高速切削加工的速度是常規(guī)切削加工的510倍，進(jìn)給速度隨著切削速度的提高也相應(yīng)提高510倍，使單位時(shí)間內(nèi)材料的切除率可提高35倍。2.切削力減小：由于高速切削時(shí)切削速度高，切

6、屑流出速度加快，切削變形減小，從而使切削力比常規(guī)切削降低30%以上 。2.1.2高速切削加工的優(yōu)越性3.加工精度高：高速切削時(shí)切削力減小，切削熱還來(lái)不及傳給工件，從而減少了切削過(guò)程中的變形，提高了加工精度。 4.能獲得較好的表面完整性 ：在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，可采用較小的進(jìn)給量，從而減小了加工表面的粗糙度值；又由于切削力小且變化幅度小，機(jī)床的激振頻率遠(yuǎn)大于工藝系統(tǒng)的固有頻率，加工平穩(wěn)，切削振動(dòng)小，加工表面質(zhì)量可提高12級(jí)；切削熱傳入工件的比率大幅度減少，加工表面的受熱時(shí)間短，切削溫度低，加工表面可保持良好的物理力學(xué)性能。 2.1.2高速切削加工的優(yōu)越性5.節(jié)省制造資源:高速切削時(shí)，單位功率的金

7、屬切除率顯著增大、能耗低、工件的制造時(shí)間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例，故高速切削技術(shù)完全符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。6.可切削難加工材料:高速切削加工時(shí)，由于切削力小，切屑變形阻力小，刀具磨損小，因而可加工一些難加工材料。2.1.3高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)包括： 1.高速切削機(jī)床技術(shù) 2.高速切削刀具技術(shù) 3.高速切削刀具的監(jiān)測(cè)技術(shù)高速切削對(duì)機(jī)床的要求機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削的首要條件和關(guān)鍵因素。高速切削對(duì)機(jī)床提出的新要求主要有：1.主軸要有高轉(zhuǎn)速、大功率和大扭矩2.進(jìn)給速度也要相應(yīng)提高，以保證刀具每齒進(jìn)給量基本不變3.進(jìn)給系統(tǒng)要有很大

8、的加速度高速切削機(jī)床技術(shù) 高速切削機(jī)床包括：（1）高速電主軸單元（2）高速電主軸用軸承（3）電主軸的冷卻和軸承的潤(rùn)滑（4）高速直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元高速電主軸單元高速電主軸單元是高速加工機(jī)床最關(guān)鍵的基礎(chǔ)部件。高速機(jī)床的高速主軸在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升速和降速并在指定位置準(zhǔn)確停車，這就要求主軸具有很高的角加速度。電主軸的定義定義：如果將交流變頻電動(dòng)機(jī)直接裝在機(jī)床主軸上，即采用內(nèi)裝式無(wú)殼電動(dòng)機(jī)，其空心轉(zhuǎn)子采用壓配方法直接裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體中，就形成了內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)主軸，簡(jiǎn)稱“電主軸”。零傳動(dòng)的概念概念：形成“電主軸”，這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就是機(jī)床的主軸，主軸單元的殼體就是電動(dòng)機(jī)

9、機(jī)座，從而實(shí)現(xiàn)了變頻電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。由于它們?nèi)∠藦闹麟姍C(jī)到機(jī)床主軸之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，所以稱為“零傳動(dòng)”。電主軸單元的特點(diǎn)電主軸單元振動(dòng)小，由于采用直接傳動(dòng)，減少了高精密齒輪等關(guān)鍵零件，消除了齒輪傳動(dòng)誤差，也簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)高速加工中快速換刀時(shí)的主軸定位等。圖2-2為滾珠軸承高速電主軸單元的結(jié)構(gòu)。 滾珠軸承高速電主軸單元高速電主軸用軸承高速主軸單元設(shè)計(jì)中軸承的選擇與設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的。目前電主軸采用的軸承主要有：1.滾珠軸承2.空氣靜壓軸承3.液體動(dòng)靜壓軸承4.磁懸浮軸承滾珠軸承由于滾珠軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾珠會(huì)產(chǎn)生很大的離心力和陀螺力矩，所以高速

10、機(jī)床廣為采用陶瓷混合軸承，即滾珠用密度小的熱壓燒結(jié)Si3N4陶瓷材料制作，滾道仍然用軸承鋼。這種軸承具有轉(zhuǎn)速高、精度高、剛度高、溫升小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。價(jià)格雖比同規(guī)格同精度等級(jí)的鋼質(zhì)軸承高22.5倍，但使用壽命長(zhǎng)36倍?？諝忪o壓軸承空氣靜壓軸承用于高精度、高轉(zhuǎn)速、輕載荷的場(chǎng)合。使用空氣靜壓軸承的主軸單元，轉(zhuǎn)速可達(dá)150000r/min以上，但輸出的扭矩和功率很小，主要用于工件的光整加工。 液體動(dòng)靜壓軸承液體動(dòng)靜壓軸承是采用液體的動(dòng)力和靜力相結(jié)合的方法，使主軸在油膜中支撐旋轉(zhuǎn)，徑向和軸向跳動(dòng)小，軸承剛度高、阻尼特性好、壽命長(zhǎng)，目前主要用于重載大功率場(chǎng)合，粗精加工均適用。磁懸浮軸承磁懸浮軸承是利用磁

11、力將主軸無(wú)接觸地懸浮起來(lái)的新型智能化軸承。具有高精度、高轉(zhuǎn)速、高剛度、無(wú)磨損、不需潤(rùn)滑和密封等優(yōu)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷和在線監(jiān)控，是超高速主軸理想的主軸軸承。但是價(jià)格太高 。電主軸的冷卻由于電動(dòng)機(jī)直接安裝在主軸上，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱會(huì)直接影響主軸的工作精度。解決的辦法之一就是在電動(dòng)機(jī)定子的外面加一帶螺旋槽的鋁質(zhì)冷卻套。機(jī)床工作時(shí)，冷卻油水不斷在冷卻套的螺旋槽中流動(dòng)，從而把電動(dòng)機(jī)發(fā)出的熱量及時(shí)帶走。冷卻油水的流量可根據(jù)電動(dòng)機(jī)發(fā)出的熱量來(lái)計(jì)算。圖2-3是廣東工業(yè)大學(xué)研制的GD-3型電主軸的油-水熱交換系統(tǒng)圖。GD-3型電主軸的油-水熱交換系統(tǒng)圖軸承的潤(rùn)滑在目前采用的三種潤(rùn)滑方式（油脂潤(rùn)滑、噴油潤(rùn)滑和油-氣

12、潤(rùn)滑）中，以油-氣潤(rùn)滑效果最好。油-氣潤(rùn)滑是一種新型的較為理想的滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑方式，圖2-4為其潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖。它利用分配閥對(duì)所需潤(rùn)滑的不同部位，按照其實(shí)際需要，定時(shí)、定量地供給油-氣混合物，能保證滾動(dòng)軸承的各個(gè)不同部位既不缺潤(rùn)滑油，又不會(huì)因潤(rùn)滑油過(guò)量而造成更大的溫升，并可將油霧污染降至最低程度 。油-氣潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖高速直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元高速切削加工不僅要有高的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速,對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)也有很高的要求： 進(jìn)給速度要相應(yīng)地提高，以保證刀具的每齒進(jìn)給量基本不變，否則會(huì)嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和刀具使用壽命； 加速度要大，最大應(yīng)達(dá)110g。由于加工時(shí)，一般工作臺(tái)的行程只有幾十毫米或幾百毫米，在很高的進(jìn)給速

13、度下，只有瞬間達(dá)到高速或高速行程中的瞬間準(zhǔn)停，高速直線運(yùn)動(dòng)才有意義； 進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要好，能實(shí)現(xiàn)快速的伺服控制和誤差補(bǔ)償，達(dá)到較高的定位精度和剛度，以進(jìn)行高效的精密加工。直線電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生1993德國(guó)Ex-cell-O公司在漢諾威國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上展出了世界上第一臺(tái)帶有直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的HSC-240型高速加工中心，該機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速為24000r/min，工作臺(tái)最大進(jìn)給速度為60m/min。幾乎與此同時(shí)，美國(guó)Ingersoll公司在HVM-800型高速加工中心上，主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，工作臺(tái)最大進(jìn)給速度76.2m/min。直線電動(dòng)機(jī)在加工中心上的應(yīng)用，轟動(dòng)了國(guó)際機(jī)床界和學(xué)術(shù)界

14、。直線電動(dòng)機(jī)用于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)直線電動(dòng)機(jī)用于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:速度高。無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不受離心力作用，可容易實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)，目前最大進(jìn)給速度可達(dá)90180m/min；加速度大。起動(dòng)推力大，可實(shí)現(xiàn)靈敏的加速和減速，其最大加速度高達(dá)210g；定位精度高。一般以光柵尺為定位測(cè)量元件,并采用閉環(huán)控制，工作臺(tái)的定位精度高達(dá)0.10.01；行程不受限制。由于直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)是一段一段地連續(xù)鋪在機(jī)床床身上,次級(jí)鋪到哪里,初級(jí)(工作臺(tái))就可運(yùn)動(dòng)到哪里。直線電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)直線電動(dòng)機(jī)用于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的缺點(diǎn)是: 由于電磁鐵熱效應(yīng)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)有較大的熱影響，需附設(shè)冷卻系統(tǒng) 存在電磁場(chǎng)干擾，

15、需設(shè)置防護(hù)裝置以阻擋切屑； 有較大功率損失； 缺少力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，需增加工作臺(tái)制動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)； 由于電磁吸力作用，造成裝配困難。高速直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元高速直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元的組成 主要由直線電動(dòng)機(jī)、工作臺(tái)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、精密測(cè)量反饋系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)等組成，如圖2-5廣東工業(yè)大學(xué)研制的GD-3型直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元所示。 GD-3型直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元 高速直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元的組成高速直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元的組成： 1.直線電動(dòng)機(jī) 2.工作臺(tái) 3.導(dǎo)軌 4.精密測(cè)量反饋系統(tǒng) 5.防護(hù)系統(tǒng) 直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī) 能滿足機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)大推力要求的直線電動(dòng)機(jī)主要是交流直線電動(dòng)機(jī)。按勵(lì)磁方式可分為交流感應(yīng)（異步）直線電動(dòng)機(jī)和

16、交流永磁（同步）直線電動(dòng)機(jī)兩種。圖2-6為感應(yīng)異步直線電動(dòng)機(jī)截面圖，采用的是動(dòng)短初級(jí)、定長(zhǎng)次級(jí)的結(jié)構(gòu)形式。帶三相繞組的初級(jí)6通過(guò)冷卻板3(內(nèi)有多路冷卻油道)用螺釘5反裝在工作臺(tái)4上。帶鼠籠展開(kāi)型柵條的次級(jí)2通過(guò)冷卻板用螺釘8裝在直線電動(dòng)機(jī)的底座7上，然后再固定在機(jī)床床身上。感應(yīng)異步直線電動(dòng)機(jī)截面圖工作臺(tái)工作臺(tái) 安裝有直線電動(dòng)機(jī)的工作臺(tái)是高速直線進(jìn)給單元的移動(dòng)部件，其質(zhì)量大小對(duì)進(jìn)給單元的靜動(dòng)態(tài)特性影響很大。直線電動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最大加速度與包括工作臺(tái)在內(nèi)的進(jìn)給單元的質(zhì)量成反比，如圖2-7所示。 直線電動(dòng)機(jī)的加速度與質(zhì)量的關(guān)系曲線減輕工作臺(tái)質(zhì)量的方法為設(shè)法減輕工作臺(tái)的質(zhì)量，可從兩個(gè)方面入手： 選用高

17、強(qiáng)度輕質(zhì)材料制造工作臺(tái)，如鈦合金TC4和碳纖維增強(qiáng)塑料等； 對(duì)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如對(duì)工作臺(tái)的截面形狀和尺寸進(jìn)行有限元分析和最優(yōu)化設(shè)計(jì)。導(dǎo)軌導(dǎo)軌 由于直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元的運(yùn)動(dòng)速度高，工作時(shí)導(dǎo)軌將承受很大的動(dòng)載荷和靜載何，并受到多方面的顛覆力矩。另外，工作臺(tái)與導(dǎo)軌間的摩擦也會(huì)影響進(jìn)給單元的加速度和發(fā)熱等。因此必須選用高精度、高剛度和承載能力大的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，并選用摩擦系數(shù)小的材料。精密測(cè)量反饋系統(tǒng)精密測(cè)量反饋系統(tǒng) 由于直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)已與機(jī)床工作臺(tái)合二為一，故只能采用閉環(huán)控制。此時(shí)工作臺(tái)的載荷的變化就是一種外界干擾，如調(diào)節(jié)不好，就很可能產(chǎn)生振蕩而使系統(tǒng)失穩(wěn)，故直線電動(dòng)機(jī)的伺服控制難度大，要求高。

18、 防護(hù)系統(tǒng)防護(hù)系統(tǒng) 由于直線電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)是敞開(kāi)的，故其工作環(huán)境必須采取防磁措施，以免吸住帶磁性的切屑、刀具與工件；同時(shí)還要防止磁性微粒吸入電動(dòng)機(jī)的初級(jí)與次級(jí)間隙中，以保證電動(dòng)機(jī)的正常工作?？蛇x用三維折疊式密封罩直線電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)防護(hù)起來(lái)。高速切削刀具技術(shù)刀具技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速切削的重要保證。高速切削時(shí)的一個(gè)主要問(wèn)題是刀具磨損，另外，由于高速切削時(shí)離心力和振動(dòng)的影響，刀具必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能。設(shè)計(jì)刀具時(shí)，必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮刀具的磨損、強(qiáng)度、剛度和精度等方面因素。高速切削刀具技術(shù)設(shè)計(jì)刀具時(shí)，需考慮的因素： （1）適用于高速切削的刀具材料 （2）高速切削刀具的結(jié)構(gòu) （3）高速切削

19、刀具的刀柄結(jié)構(gòu) （4）適用于高速切削的新型夾頭 （5）高速切削刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡適用于高速切削的刀具材料高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬度、高強(qiáng)度和耐磨性；高韌度、抗沖擊能力強(qiáng)；高的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性；抗熱沖擊能力強(qiáng)等。 適用于高速切削的刀具材料刀具的材料有 1）涂層刀具材料 2）陶瓷刀具 3）金屬陶瓷刀具 4）聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具 5）聚晶金剛石（PCD）刀具 涂層刀具材料涂層刀具是通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）涂層技術(shù)，在刀具基體上涂覆金屬化合物薄膜，以獲得優(yōu)良的切削性能，達(dá)到提高刀具表面的硬度和耐磨性，獲得優(yōu)良的切削性能。用于高速切削刀具的涂層主要有硬涂

20、層（在刀具表面涂TiC、TiN、TiAlN等）和軟涂層（涂MoS2、WS2、TaS2等）兩類。硬涂層刀具硬度高、耐磨性好。 軟涂層刀具涂層的主要成分為具有低摩擦系數(shù)的固體潤(rùn)滑材料，從而使刀具材料具有很低的摩擦系數(shù)。 涂層刀具的涂層可以是單涂層、雙涂層、多涂層或由幾種涂層材料復(fù)合而成的復(fù)合涂層。 陶瓷刀具陶瓷刀具材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩大類，是通過(guò)在氧化鋁和氮化硅基體中分別加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等制成。陶瓷刀具有很高的硬度（HRA9296）和耐磨性；良好的熱穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能。金屬陶瓷刀具金屬陶瓷（Cermet）又稱為鈦基硬質(zhì)合金，主要包括高耐磨性TiC基硬質(zhì)合金（TiC+N

21、i或Mo）、高韌性TiC基硬質(zhì)合金（TiC+TaC+WC）、強(qiáng)韌性TiN基硬質(zhì)合金（以TiN為主體）、高強(qiáng)韌性TiCN基硬質(zhì)合金（TiCN+NbC）等。與硬質(zhì)合金刀具相比，優(yōu)點(diǎn)：耐熱性好、耐磨性好、抗“月牙洼”磨損能力高，缺點(diǎn)：韌性不足、導(dǎo)熱性差、耐熱應(yīng)力變化能力差、抗機(jī)械沖擊性能較差。不適合用于斷續(xù)切削和帶黑皮冷硬層工件（如冷硬鑄鐵）的切削，不宜用于濕式切削。 聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具聚晶立方氮化硼（PCBN）是立方氮化硼（CBN）顆粒加結(jié)合劑在高溫高壓下燒結(jié)而成的非天然材料。優(yōu)點(diǎn)：高硬度，優(yōu)良的耐磨性和熱穩(wěn)定性；高化學(xué)惰性，與鐵系材料在2000時(shí)才發(fā)生反應(yīng)；良好的導(dǎo)熱性，且導(dǎo)熱系數(shù)隨

22、著溫度的升高而逐漸增大適用于：高速切削淬硬鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金等硬態(tài)材料或耐磨性高的材料。表2-2為不同CBN含量的PCBN刀具的加工用途。不同CBN含量的PCBN刀具的加工用途聚晶金剛石（PCD）刀具聚晶金剛石是由金剛石微粉與少量結(jié)合劑在高溫超高壓下燒結(jié)而成。特點(diǎn)：硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好，但與黑色金屬在加工中會(huì)產(chǎn)生化學(xué)親和力作用。適用場(chǎng)合：不能用來(lái)加工淬硬鋼材料，而適合有色金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷、非金屬材料、復(fù)合材料的切削加工，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。高速切削刀具的結(jié)構(gòu)高速切削刀具結(jié)構(gòu)有： 1）機(jī)夾可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu) 2）刀片的夾緊方式 3）刀體材料及結(jié)構(gòu)機(jī)夾可轉(zhuǎn)位

23、結(jié)構(gòu)隨著各種涂層刀片應(yīng)用的日益擴(kuò)大，可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)已成為車刀、銑刀、鏜刀和鉆頭結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流，可實(shí)現(xiàn)高效化，因此高速切削刀具多采用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)。刀片的夾緊方式由于高速切削的速度是常規(guī)切削速度的510倍以上，當(dāng)機(jī)床主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，工件、夾具與刀具積累的很大能量就有可能釋放出來(lái)，造成重大事故。故要求設(shè)計(jì)十分可靠的刀片夾緊結(jié)構(gòu)和刀體結(jié)構(gòu)，尤其是高速回轉(zhuǎn)的銑刀和鏜刀。銑刀刀片夾緊方式設(shè)計(jì)高速切削用的銑刀，其刀片夾緊方式不允許采用摩擦力夾緊，而必須選用帶中心孔的刀片通過(guò)螺釘實(shí)現(xiàn)夾緊，并要控制螺釘在靜止?fàn)顟B(tài)下夾緊刀片時(shí)的預(yù)應(yīng)力不要過(guò)大，以免螺釘產(chǎn)生塑性變形，降低夾緊系統(tǒng)失效轉(zhuǎn)速。刀體材料及結(jié)構(gòu)從減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

24、的角度考慮，刀體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)減輕質(zhì)量，選用比重輕、強(qiáng)度高的材料；減小直徑、增加高度。目前有的高速面銑刀刀體采用高強(qiáng)度鋁合金制造。由于刀體上的刀片槽、容屑槽、鍵槽等會(huì)引起應(yīng)力集中，降低刀體強(qiáng)度，因此刀體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免采用貫通式刀槽，減少尖角，防止應(yīng)力集中。同時(shí)，還應(yīng)減少機(jī)夾零件的數(shù)量；刀體結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸，使其重心通過(guò)銑刀軸線。高速切削刀具的刀柄結(jié)構(gòu)高速切削刀具的刀柄與機(jī)床主軸相連，高速切削時(shí)，為使刀具保持足夠的夾持力，以避免離心力造成刀具的損壞，對(duì)刀具的裝夾裝置也提出了相應(yīng)的要求： 較高的定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度（指刀具與刀柄、刀柄與機(jī)床主軸的連接精度；每次換刀后刀具系統(tǒng)精度的一致性）；

25、 足夠的連接剛度； 裝夾牢固可靠； 結(jié)構(gòu)要利于快速換刀； 具有較好的互換性。實(shí)心錐柄的缺點(diǎn)加工中心等NC機(jī)床多年來(lái)一直采用傳統(tǒng)的7:24實(shí)心錐柄工具系統(tǒng)，這種實(shí)心錐柄具有以下缺點(diǎn)： 由于只靠錐面結(jié)合，刀柄與主軸的連接剛性較低； 采用自動(dòng)換刀方式安裝刀具時(shí)，重復(fù)定位精度較低，難以實(shí)現(xiàn)高精度加工； 當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，主軸前端在離心力作用下會(huì)發(fā)生膨脹，易導(dǎo)致主軸與刀柄錐面脫離，使徑向跳動(dòng)急劇增大，從而降低刀柄接觸剛度，如圖2-8所示。因此，傳統(tǒng)的長(zhǎng)錐刀柄不適宜用于高速切削加工。高速離心造成7:24刀柄-主軸系統(tǒng)變形高速切削刀柄種類刀柄種類有： 1）德國(guó)的HSK刀柄 2）KM刀柄 3）BIG-PLUS

26、刀柄德國(guó)的HSK刀柄以1:10錐度代替?zhèn)鹘y(tǒng)的7:24，其工作原理如圖2-9（a）所示，是靠鎖緊力及主軸內(nèi)孔的彈性膨脹來(lái)補(bǔ)償端面間隙。其結(jié)構(gòu)形式有A、B、C、D、E、F六種型式，如圖2-9（b）所示，每一種型式又有多種尺寸規(guī)格。A、B型為自動(dòng)換刀刀柄，C、D型為手動(dòng)換刀刀柄，E、F型為無(wú)鍵連接，適用于超高速切削用刀柄。由于HSK刀柄質(zhì)量輕、重復(fù)精度好、連接面短，可以縮短換刀時(shí)間，因此適應(yīng)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，有利于高速自動(dòng)換刀和機(jī)床的小型化。德國(guó)的HSK刀柄KM刀柄采用1:10短錐空心柄，其結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。KM刀柄配合長(zhǎng)度短，僅為標(biāo)準(zhǔn)7:24錐柄相近規(guī)格長(zhǎng)度的1/3，部分解決了端面與錐面同時(shí)定位而

27、產(chǎn)生的干涉問(wèn)題。另一方面，KM刀柄與主軸錐孔間的配合過(guò)盈量較高，可達(dá)HSK刀柄結(jié)構(gòu)的25倍，其連接剛度比HSK刀柄還要高，夾緊力的傳遞方式與HSK不同為鋼球傳遞，而HSK為筒夾。同時(shí)，與其他類型的空心錐柄連接相比，相同法蘭外徑采用的錐柄直徑較小，因而主軸錐孔在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)擴(kuò)張小，高速性能好。KM刀柄與主軸連接結(jié)構(gòu)BIG-PLUS刀柄如圖2-11所示。刀柄的錐度仍然是7:24。其工作原理是：將刀柄裝入主軸錐孔鎖緊前，端面的間隙小。鎖緊后利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹補(bǔ)償端面間隙，使刀柄端面與主軸端面貼緊，從而增大其剛度。這種刀柄同樣采用了過(guò)定位，因而必須嚴(yán)格控制其形狀精度和位置精度，其制造工藝難度比HSK

28、刀柄還要高。但從適應(yīng)機(jī)床轉(zhuǎn)速進(jìn)一步高速化的發(fā)展要求，1:10短錐空心柄則更有發(fā)展前途。BIG-PLUS刀柄適用于高速切削的新型夾頭高速切削夾頭種類有： 1）液壓夾頭 2）力膨脹夾頭 3）熱裝式夾頭 4）動(dòng)平衡夾頭液壓夾頭在夾頭孔的周圍是一個(gè)液壓腔，刀具裝入夾頭后，用螺栓推動(dòng)油腔頂部活塞使夾頭孔內(nèi)壁膨脹，從而夾緊刀具。這種夾頭精度高、剛性大、操作方便。不足是對(duì)刀具的尺寸公差要求較嚴(yán)；過(guò)松時(shí)可能達(dá)不到應(yīng)有的夾持力。力膨脹夾頭夾頭內(nèi)孔呈三棱形，在裝夾刀具時(shí)，先用輔助裝置在三棱孔的三個(gè)頂點(diǎn)施加預(yù)先調(diào)整好的力，使刀夾內(nèi)孔變形成圓，把刀具裝入刀夾后再除去變形外力，刀夾孔彈性回復(fù)，刀具就被夾持在孔內(nèi)，如圖2

29、-12所示。這種夾頭裝夾精度高、操作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)較低，但需增加一套輔助的加力裝置。力膨脹夾頭熱裝式夾頭夾緊原理應(yīng)用了金屬材料熱脹冷縮的特點(diǎn)，在夾頭加熱處于膨脹狀態(tài)時(shí)，將刀具柄部插入，夾頭冷卻收縮后，即可將刀具夾緊。這種夾頭結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單；夾持精度高、剛度大、能傳遞較大的扭矩，可承受更大的離心力，故非常適合夾持加工淬硬模具鋼的硬質(zhì)合金立銑刀。圖2-13所示為德國(guó)OTTO BLLZ公司新開(kāi)發(fā)的熱裝式夾頭，采用高能場(chǎng)感應(yīng)加熱線圈，可在10秒內(nèi)將刀柄內(nèi)孔加熱，刀具裝入后，60秒內(nèi)即可完全冷卻，從而實(shí)現(xiàn)了刀具的快速更換。熱裝式夾頭動(dòng)平衡夾頭圖2-14所示是法國(guó)EPB公司生產(chǎn)的帶有一對(duì)配重的動(dòng)平衡環(huán)夾

30、頭，可在一定程度上補(bǔ)償裝夾刀具后產(chǎn)生的不平衡量。其不平衡量在出廠時(shí)就給出了可調(diào)整到的數(shù)值。法國(guó)EPB公司生產(chǎn)的動(dòng)平衡夾頭高速切削刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡高速切削對(duì)刀具系統(tǒng)（刀片、刀柄、刀盤及夾緊機(jī)構(gòu)等）的動(dòng)平衡性能提出了很高的要求，因?yàn)楦咚偾邢鲿r(shí)刀具系統(tǒng)不平衡產(chǎn)生的離心力，會(huì)使主軸軸承承受方向不斷變化的徑向力作用而加速磨損并引起機(jī)床振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致刀具磨損壽命縮短、停機(jī)時(shí)間增加、加工表面粗糙度值增大，工件加工精度降低。引起刀具系統(tǒng)不平衡的因素引起刀具系統(tǒng)不平衡的因素主要有：刀具結(jié)構(gòu)的不平衡、刀柄不平衡、刀具及夾頭的安裝不對(duì)稱和殘余不平衡等。離心力與主軸轉(zhuǎn)速、刀具不平衡量間的關(guān)系假如刀具在距回轉(zhuǎn)中心e（m

31、m）處存在等效的不平衡質(zhì)量m（g），刀具的不平衡量U（gmm）可定義為刀具不平衡質(zhì)量與其偏心距的乘積，即U=me。設(shè)G為反映刀具不平衡量與回轉(zhuǎn)速度間關(guān)系的函數(shù)，則有式中， 回轉(zhuǎn)角速度。刀具產(chǎn)生的離心力Fe（N）為離心力與主軸轉(zhuǎn)速、刀具不平衡量間的關(guān)系曲線圖2-15為刀具不平衡引起的離心力Fe與主軸轉(zhuǎn)速n0、刀具不平衡量間U的關(guān)系曲線減少刀具系統(tǒng)的不平衡量的方法由圖2-15可知，主軸轉(zhuǎn)速的提高，將使離心力成平方倍數(shù)增大。即離心力是高速切削時(shí)的主要載荷。為確保高速切削的安全性，必須消除或盡可能減少刀具系統(tǒng)的不平衡量。如： 選擇平衡性能更好的刀柄。 對(duì)刀具系統(tǒng)除進(jìn)行靜平衡外，還必須根據(jù)其轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行

32、動(dòng)平衡。高速切削刀具平衡標(biāo)準(zhǔn)目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的高速切削刀具平衡標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采用ISO1940-1標(biāo)準(zhǔn)中的G值作為平衡標(biāo)準(zhǔn)也有不同看法。國(guó)外一些企業(yè)以G1（即刀具以10000r/min的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)軸與刀具中心軸線的偏心距為1 ）作為平衡標(biāo)準(zhǔn)；有的企業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)速6000r/min以上的高速切削刀具以G2.5作為平衡標(biāo)準(zhǔn)。平衡標(biāo)準(zhǔn)可參見(jiàn)圖2-16中的G1或G2.5。高速切削刀具和刀柄系統(tǒng)平衡要求圖刀具動(dòng)平衡儀圖2-17為德國(guó)HAIMER公司研發(fā)的一種刀具動(dòng)平衡儀。它能夠使裝上刀具的刀具系統(tǒng)不平衡量達(dá)到0.5gmm以下，即平衡等級(jí)達(dá)到0.4。刀具動(dòng)平衡儀高速切削刀具的監(jiān)測(cè)技術(shù)高速切削刀具的監(jiān)測(cè)技術(shù)主

33、要包括以下幾方面：（1）通過(guò)監(jiān)測(cè)切削力來(lái)在線控制刀具的磨損；（2）通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)床功率間接獲得刀具磨損信息；（3）在線監(jiān)測(cè)刀具的破損，對(duì)切削過(guò)程中的不正常跡象實(shí)行報(bào)警和安全保護(hù)控制。2.1.4高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用高速切削技術(shù)主要應(yīng)用于： 1.航空航天工業(yè) 2.模具制造業(yè) 3.汽車制造業(yè) 4.難加工材料的加工航空航天工業(yè)飛機(jī)制造業(yè)是最早采用高速切削的行業(yè)?，F(xiàn)代飛機(jī)上的大型多筋薄壁構(gòu)件采用整體加工技術(shù)代替過(guò)去的鉚接、焊接等工藝，即直接在實(shí)體毛坯上進(jìn)行“掏空”加工以形成多筋薄壁構(gòu)件，其金屬切除量相當(dāng)大，這正是高速切削的用武之地。采用高速切削加工，可使加工效率提高710倍，其尺寸精度和表面質(zhì)量都達(dá)到無(wú)需

34、再光整加工的水平。如美國(guó)波音公司制造F15戰(zhàn)斗機(jī)上的一個(gè)11英尺長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)件（如圖2-18示）。F15戰(zhàn)斗機(jī)上的零件模具制造業(yè)模具型腔的加工過(guò)去一直采用機(jī)械加工電火花加工研磨拋光的加工工藝，加工效率低、成本高。高速切削為模具制造業(yè)提供了新契機(jī)，它切削力小，加工表面粗糙度值也很小（Ra0.4 ），可以銑削淬硬的模具鋼。模具制造業(yè)實(shí)例圖2-19為在德國(guó)產(chǎn)的Hermle C800V機(jī)床上高速銑削加工的注塑模具，總加工時(shí)間為僅90多分鐘。圖2-20所示的高精度沖壓模具是在瑞士米克朗（Mikron）公司研制的高速加工中心上切削完成的。實(shí)例圖片汽車制造業(yè)汽車制造業(yè)是高速切削加工的又一應(yīng)用領(lǐng)域。為滿足市場(chǎng)個(gè)性

35、化的需求，目前對(duì)于技術(shù)要求變化較快的汽車零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)的箱體、氣缸蓋等大多已采用高速加工中心替代組合機(jī)床剛性生產(chǎn)線。高速加工中心已將柔性生產(chǎn)線的效率提高到組合機(jī)床生產(chǎn)線的水平。難加工材料的加工鎳基高溫合金和鈦合金具有優(yōu)良的使用性能,常用來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如果采用高速切削加工，則可大幅度提高生產(chǎn)效率，減小刀具磨損，提高零件的表面質(zhì)量。傳統(tǒng)方法切削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，對(duì)刀具的刻劃作用十分嚴(yán)重，刀具磨損非?？?。用聚晶金剛石刀具進(jìn)行高速切削加工，不僅可防止出現(xiàn)“層間剝離”，而且生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好。此外，干式切削和硬態(tài)切削也是高速切削擴(kuò)展的領(lǐng)域。2.2 綠色切削技術(shù)產(chǎn)生原因：由于傳統(tǒng)切削中大量使用切

36、削液，其負(fù)面影響直接危害操作者的身體健康；造成了環(huán)境污染問(wèn)題；增加了制造成本；切削液中的S、Cl等添加劑會(huì)造成被加工零件的晶間腐蝕，而引起質(zhì)量事故等原因，從而產(chǎn)生了綠色切削技術(shù)。綠色切削技術(shù)的概念概念：對(duì)生態(tài)大環(huán)境和加工現(xiàn)場(chǎng)小環(huán)境均無(wú)負(fù)作用(或負(fù)作用很小)的情況下，在加工過(guò)程中產(chǎn)生的少量“三廢”(廢氣、廢液和廢渣)在鏈條末端可回收或自然降解，達(dá)到無(wú)公害的環(huán)保要求，對(duì)人類健康和環(huán)境沒(méi)有危害的切削技術(shù)。綠色切削技術(shù)的分類按照切削工藝構(gòu)成分類，可以將綠色切削技術(shù)分為干式切削技術(shù)、準(zhǔn)干式切削技術(shù)、低溫切削技術(shù)和氣體射流冷卻切削技術(shù)（如圖2-21示）。綠色切削技術(shù)的分類2.2 綠色切削技術(shù)2.2.1 干

37、式切削技術(shù)2.2.2 準(zhǔn)干式切削技術(shù)2.2.3 低溫切削2.2.4 氣體射流冷卻切削技術(shù)2.2.1干式切削技術(shù)概念：干式切削技術(shù)是指在切削加工中為保護(hù)環(huán)境、降低成本而完全不使用任何冷卻潤(rùn)滑液的切削技術(shù)。干式切削技術(shù)通常應(yīng)用于高速切削場(chǎng)合，所以又稱為高速干式切削。2.2.1 干式切削技術(shù)1.干式切削技術(shù)的特點(diǎn)2.實(shí)現(xiàn)干式切削加工的關(guān)鍵技術(shù)3.干式切削的工藝技術(shù)4.干式切削技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用干式切削技術(shù)的特點(diǎn)（1）不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，對(duì)操作者也不會(huì)產(chǎn)生與切削液有關(guān)的健康危害。（2）省去了與切削液有關(guān)的傳輸、回收、過(guò)濾等裝置及相應(yīng)的費(fèi)用，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)，降低了零件加工成本。（3）形成的切屑干爽、清潔、無(wú)

38、污染，易于回收處理。干式切削技術(shù)的特點(diǎn)（4）省去了切削液與切屑的分離裝置及相應(yīng)的電氣設(shè)備，使機(jī)床結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少了機(jī)床占地面積。（5）不會(huì)發(fā)生與切削液有關(guān)的質(zhì)量事故。實(shí)現(xiàn)干式切削加工的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)干式切削加工的關(guān)鍵技術(shù): 1.干式切削的刀具技術(shù) 2.干式切削的機(jī)床技術(shù)干式切削的刀具技術(shù)實(shí)現(xiàn)干式切削的最大技術(shù)難題是刀具，它是使干式切削加工得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。對(duì)干式切削刀具的材料和結(jié)構(gòu)提出了更高的要求：高的可靠性高的耐熱性、抗沖擊和高溫力學(xué)性能適應(yīng)難加工材料和新型材料加工的需要干式切削的刀具技術(shù)實(shí)現(xiàn)干式切削刀具應(yīng)考慮的因素：刀具的材料刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化刀具的材料超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金：特

39、別能承受較高溫度的切削,具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌度,適用于制作干式切削的鉆頭和銑刀。PCD（聚晶金剛石）刀具：有很高的硬度和熱導(dǎo)率,適合干式切削有色金屬和耐磨的高性能復(fù)合材料,但不能加工黑色金屬。CBN（立方氮化硼）：硬度和耐磨性僅次于金剛石,有優(yōu)良的紅硬性、化學(xué)穩(wěn)定性和低摩擦系數(shù),是高速干切削HRC50以上淬硬鋼和冷硬鑄鐵等黑色金屬的理想刀具材料。刀具的材料金屬陶瓷：硬度和沖擊性好、熱硬性差,故多用于精加工和半精加工。陶瓷：具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn),是相對(duì)廉價(jià)的干式切削刀具材料,但其強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能差,適用于灰鑄鐵和鋼的干式切削。涂層刀具：涂層與切削液有著相似

40、的功能,它把刀具與切削熱隔離開(kāi),使熱量不會(huì)或很少傳到刀具上,從而能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持刀具的堅(jiān)硬和鋒利。同時(shí)涂層還保持刀具材料不受化學(xué)反應(yīng)的作用。刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化1.增大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度：在干式切削加工韌性材料時(shí),斷屑槽的斷屑性能起著十分關(guān)鍵的作用?？舍槍?duì)不同的工件材料和切削用量,設(shè)計(jì)相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸,提高切屑折斷能力和對(duì)切屑流動(dòng)方向的控制能力。刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化2.采用較大前角：研究表明高速干切削刀具的失效形式主要是“月牙洼”磨損,所以一般都采用較大的前角以減少切屑與前刀面的接觸面積。為彌補(bǔ)大前角對(duì)刃口強(qiáng)度的削弱,常配以加強(qiáng)刃甚至前刀面上帶有加強(qiáng)筋（如圖2

41、-22示）。前刀面有加強(qiáng)肋的刀片刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化3.采用熱管式刀具或液氮冷卻刀具：可加速刀具的冷卻以降低切削溫度。圖2-23所示為熱管式車刀和熱管式面銑刀。這種刀具是一種自冷卻刀具，可大大降低切削溫度，提高冷卻效果。圖2-24所示為一種采用液氮冷卻刀具的方法。熱管式刀具液氮冷卻刀具干式切削的機(jī)床技術(shù)由于干式切削加工機(jī)床不再使用切削液,必然導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)及布局的變化,主要體現(xiàn)在對(duì)機(jī)床的隔熱性能、排屑速度、洗塵效果和機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件的剛度等方面提出了更高要求。 (1)選用剛度高的高速機(jī)床 (2)采用快速排屑布局 (3)采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)母魺岽胧└墒角邢鞯墓に嚰夹g(shù)干式切削應(yīng)根據(jù)不同

42、的工件材料、刀具材料和切削要求，對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以使切削加工在最佳條件下進(jìn)行。如：金剛石與鐵元素有很強(qiáng)的化親合力，故金剛石刀具不宜用來(lái)切削鋼鐵工件；切削鈦合金和含鈦的不銹鋼、高溫合金時(shí)，不宜選用含鈦的硬質(zhì)涂層刀具進(jìn)行干式切削，因二者間有較強(qiáng)的親合作用等。干式切削技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用干式切削技術(shù)主要應(yīng)用于：（1）車削（2）銑削（3）鉆削、鉸削和鏜削（4）螺紋加工（5）齒輪加工（6）拉削在鉆削中的應(yīng)用德國(guó)Titex公司開(kāi)發(fā)了一含鈷量較高的超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金鉆鉆頭“ALPHA22”（圖2-25示）。該鉆頭刃形經(jīng)過(guò)專門優(yōu)化，適用加工l/d=78的深孔。在齒輪加工中的應(yīng)用Ford公司用硬質(zhì)合金滾刀進(jìn)行干式

43、滾齒（如圖2-26示），加工成本可下降44%，且滾刀壽命比高速鋼滾刀濕式切削提高6倍。2.2.2 準(zhǔn)干式切削技術(shù)概念：介于傳統(tǒng)濕式切削與完全干式切削二者間的加工技術(shù)稱為準(zhǔn)干切削技術(shù)。工作機(jī)理：在保持切削工作的最佳狀態(tài)（即不縮短刀具壽命，不降低加工表面質(zhì)量等）的同時(shí)，使切削液的用量最少。特點(diǎn)：在減少環(huán)境污染的同時(shí)，減小了切削過(guò)程中的摩擦，降低了溫度，減小了刀具磨損，提高了工件加工質(zhì)量。準(zhǔn)干式切削技術(shù)的種類準(zhǔn)干式切削技術(shù)的種類 1.微量潤(rùn)滑（MQL）切削技術(shù) 2.低溫微量潤(rùn)滑切削 3.霧化冷卻潤(rùn)滑技術(shù) 4.水蒸汽冷卻切削微量潤(rùn)滑（MQL）切削技術(shù)概念：它是將一定壓力壓縮空氣與微量的潤(rùn)滑劑混合霧化，

44、然后高速噴射到切削區(qū)。切削液以高速霧粒供給，增加了潤(rùn)滑劑的滲透性，從而使刀具切屑接觸區(qū)得到冷卻和潤(rùn)滑，大大減少刀具切屑及刀具加工表面間的摩擦。作用：降低切削溫度，減小刀具磨損，提高加工效率和加工表面質(zhì)量。低溫微量潤(rùn)滑切削概念：低溫微量潤(rùn)滑切削（MQLAC）是MQL切削技術(shù)和低溫風(fēng)冷切削技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是一種新型準(zhǔn)干式切削技術(shù)。即把壓縮空氣降至零下幾十?dāng)z氏度，再與潤(rùn)滑油混合汽化，效果比一般壓縮空氣要好。作用：延長(zhǎng)刀具的使用壽命，抑制積屑瘤的產(chǎn)生，提高加工表面精度。霧化冷卻潤(rùn)滑技術(shù)概念：采用霧滴汽化方法對(duì)切削區(qū)進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。特點(diǎn)：降低了摩擦和摩擦熱，延長(zhǎng)了刀具壽命；更容易實(shí)現(xiàn)工件的微米級(jí)精加工;潤(rùn)

45、滑效果明顯，當(dāng)冷卻潤(rùn)滑液中的水分蒸發(fā)后，潤(rùn)滑成分滯留在工作區(qū)并在加工表面上形成潤(rùn)滑薄膜，同時(shí)也保持了機(jī)床的干燥。水蒸汽冷卻切削概念：水蒸汽冷卻切削是將水蒸汽噴射到切削區(qū)，以達(dá)到冷卻潤(rùn)滑的一種切削方法。組成：由水蒸汽發(fā)生裝置、水蒸汽傳輸與控制系統(tǒng)和機(jī)床系統(tǒng)組成。特點(diǎn)：大大加強(qiáng)了冷卻潤(rùn)滑劑的滲入能力；冷卻均勻；減小切削力和工件表面粗糙度值；提高硬質(zhì)合金刀具的使用壽命；水蒸汽價(jià)格低廉又無(wú)污染，是一種很好的綠色潤(rùn)滑劑。2.2.3 低溫切削概念：低溫切削技術(shù)是指在機(jī)械加工中采用不同冷卻方法，使工件材料的切削區(qū)處于低溫下進(jìn)行切削加工的方法。低溫切削的種類低溫切削的種類： 1.低溫風(fēng)冷切削 2.液氮冷卻切削

46、低溫風(fēng)冷切削概念：低溫風(fēng)冷切削是在加工過(guò)程中用-100-10的冷風(fēng)強(qiáng)烈沖刷加工區(qū)，從而降低刀具和工件溫度的一種切削技術(shù)。切削系統(tǒng)的組成：由冷風(fēng)發(fā)生裝置和切削加工系統(tǒng)組成。低溫風(fēng)冷切削的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可顯著降低切削區(qū)溫度，提高刀具耐磨性，延長(zhǎng)刀具使用壽命，改善加工表面質(zhì)量，且對(duì)環(huán)境完全無(wú)污染。它可以顯著而均勻地降低加工區(qū)、刀具及工件的溫度，利用材料的低溫脆性，在韌性降低、塑性減小的情況下完成切屑和工件的分離，有效地抑制刀具磨損，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工質(zhì)量。低溫風(fēng)冷切削尚須解決的問(wèn)題尚須解決的問(wèn)題：（1）切屑收集；（2）冷風(fēng)的噪聲等問(wèn)題；（3）純風(fēng)冷卻時(shí)刀具的潤(rùn)滑問(wèn)題；（4）工件的防銹問(wèn)

47、題。液氮冷卻切削概念：液氮冷卻切削是采用液氮使切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進(jìn)行切削加工。兩種應(yīng)用形式：一種是利用瓶裝壓力將液氮像切削液一樣直接噴射到切削區(qū)；另一種是利用液氮受熱蒸發(fā)循環(huán)來(lái)間接冷卻刀具或工件。液氮冷卻切削的優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)：與傳統(tǒng)的切削方法相比，刀具磨損明顯減少，切削溫度降低了30%，工件表面加工質(zhì)量得到很大改善。液氮冷卻切削對(duì)于鈦合金、低合金鋼、軟鋼及一些高塑(韌)性復(fù)合材料等難加工材料的加工都非常有效。2.2.4 氣體射流冷卻切削技術(shù)概念：氣體射流冷卻切削技術(shù)是采用射流形式，將空氣、氮?dú)?、水蒸汽等氣體作冷卻潤(rùn)滑劑沖刷切削區(qū)而獲得冷卻效果的綠色切削技術(shù)。2.3 硬態(tài)切削加工技術(shù)概念：硬態(tài)切削

48、是指把淬硬鋼的車削作為精加工的工藝方法。2.3 硬態(tài)切削加工技術(shù)2.3.1 硬態(tài)切削的優(yōu)越性2.3.2 實(shí)施硬態(tài)切削的必要條件2.3.3 硬態(tài)切削技術(shù)的應(yīng)用2.3.1 硬態(tài)切削的優(yōu)越性硬態(tài)切削的優(yōu)越性：（1）有利于環(huán)境保護(hù)（2）經(jīng)濟(jì)效益好（3）可獲得良好的整體加工精度和表面質(zhì)量（4）提高了加工柔性2.3.2 實(shí)施硬態(tài)切削的必要條件實(shí)施硬態(tài)切削的必要條件： 1.硬態(tài)切削刀具 2.硬態(tài)切削機(jī)床 3.硬態(tài)切削的切削用量硬態(tài)切削刀具對(duì)刀具的要求：（1）刀具材料（2）刀片形狀及幾何參數(shù)刀具材料 1）PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具： 硬度高、耐熱、耐蝕、耐磨、切削速度高且壽命長(zhǎng)，刀刃鋒利,切削力小,加工精

49、度高,表而粗糙度低可重磨使用。 2）陶瓷刀具：具有良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，與金屬的親合力小，不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，但硬度和耐磨性不如PCBN，適合切削硬度低于55HRC的工件。 3）新型硬質(zhì)合金和涂層刀具：具有很好的耐磨性和耐高溫性，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性均比PCBN和陶瓷材料高，價(jià)格低，用于加工硬度低于50HRC的工件。刀片形狀及幾何參數(shù)形狀選擇：對(duì)各種材料的刀片來(lái)說(shuō)，應(yīng)選擇強(qiáng)度高、散熱條件好的刀片形狀和盡可能大的刀尖圓弧半徑，通常首選圓形刀片，其次是100菱形、正方形、80菱形等。幾何參數(shù)特點(diǎn)：硬態(tài)切削時(shí)刀片幾何參數(shù)的特點(diǎn)為較大的負(fù)前角和較大的后角并預(yù)磨出負(fù)倒棱。硬態(tài)切削機(jī)床對(duì)機(jī)床要求：機(jī)床應(yīng)

50、具有高剛度、高轉(zhuǎn)速和大功率等特點(diǎn)；硬態(tài)切削機(jī)床導(dǎo)軌的精度要高、直線性要好、間隙要小，不能有爬行現(xiàn)象。硬態(tài)切削還要求機(jī)床具有良好的熱穩(wěn)定性，以保證連續(xù)生產(chǎn)時(shí)的加工精度。同時(shí)，刀具、工件、夾具也應(yīng)有足夠的剛性。硬態(tài)切削的切削用量切削用量的選擇：由于PCBN和陶瓷刀具材料具有優(yōu)越的耐熱性和耐磨性，故可選擇較高的切削速度和較大的切削深度，較小的進(jìn)給量。2.3.3 硬態(tài)切削技術(shù)的應(yīng)用我國(guó)硬態(tài)干式切削技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究和探索，也取得了一定的進(jìn)展，有些工廠開(kāi)始應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行零件的精加工，達(dá)到了磨削的效果。如：寶鋼、上海某汽車變速箱廠、蘭州某機(jī)械廠等企業(yè)都取得巨大的成果。硬態(tài)切削技術(shù)存在的問(wèn)題硬態(tài)干式切削技

51、術(shù)作為一種綠色制造技術(shù)，是未來(lái)切削加工發(fā)展的一個(gè)方向，盡管在我國(guó)的應(yīng)用已取得了一些進(jìn)展，但要在實(shí)際生產(chǎn)中使其進(jìn)一步推廣，還必須解決下列主要問(wèn)題。（1）對(duì)硬態(tài)切削機(jī)理缺乏深入研究 （2）缺乏合理的加工參數(shù)選擇方案（3）缺乏合適的刀具選擇方法（4）對(duì)硬態(tài)干式切削技術(shù)的宣傳還不夠2.4 超精密切削加工技術(shù)概念：超精密切削加工是適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的一種機(jī)械加工新工藝，它是借助鋒利的金剛石刀具對(duì)工件進(jìn)行車削或銑削，主要用于加工低粗糙度和高形狀精度的有色金屬和非金屬零件。應(yīng)用范圍：加工陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠(yuǎn)鏡的反射鏡，紅外反射鏡和紅外透鏡，雷達(dá)的波導(dǎo)管內(nèi)腔，計(jì)算機(jī)磁盤，激光打印機(jī)的多面棱鏡，錄像機(jī)的磁

52、頭，復(fù)印機(jī)的硒鼓等；還在國(guó)防和尖端技術(shù)的發(fā)展中起著重要的作用。2.4 超精密切削加工技術(shù)2.4.1 金剛石刀具超精密切削機(jī)理2.4.2 超精密切削加工的刀具2.4.3 超精密切削加工機(jī)床2.4.4 超精密切削加工的工作環(huán)境2.4.1 金剛石刀具超精密切削機(jī)理金剛石刀具超精密切削機(jī)理與一般切削機(jī)理有很大的不同。金剛石刀具在切削時(shí)，其背吃刀量 可在1 以下，刀具可能處于工件晶粒內(nèi)部切削狀態(tài)，即切除晶粒的一部分，保留另一部分。從切削力和切削熱方面來(lái)看，切削力要超過(guò)分子或原子間巨大的結(jié)合力，從而使刀刃承受很大的剪切應(yīng)力，并產(chǎn)生很大的熱量，這對(duì)于普通的刀具材料是無(wú)法承受的。從刀刃銳利度方面來(lái)看，普通材料

53、刀具的切削刃不可能刃磨得非常銳利，平刃性也難保證。2.4.2 超精密切削加工的刀具1.超精密切削對(duì)刀具的要求2.金剛石刀具切削部分的幾何形狀3.金剛石刀具前后刀面晶面的選擇4.金剛石刀具的結(jié)構(gòu)和金剛石的固定方法5.金剛石刀具的研磨超精密切削對(duì)刀具的要求為實(shí)現(xiàn)超精密切削，刀具應(yīng)具有如下性能： （1）極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量，以保證刀具有很長(zhǎng)的壽命和很高的尺寸耐用度。 （2）刀具刃口能磨得極其鋒銳，刃口圓弧半徑極小，能實(shí)現(xiàn)超薄切削厚度。 （3）刀刃無(wú)缺損，切削時(shí)刃形將復(fù)印在加工表面上，能得到極光滑的鏡面。 （4）刀具與工件材料的抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性小、摩擦系數(shù)低，能得到極好的加工

54、表面完整性。金剛石刀具切削部分的幾何形狀（1）刀頭形式：金剛石刀具的主切削刃和副切削刃之間采用過(guò)渡刃對(duì)加工表面起修光作用，有利于獲得好的加工表面質(zhì)量。國(guó)外金剛石刀具較多采用圓弧修光刃，切削時(shí)修光刃留下的殘留面積極小，對(duì)刀容易，使用方便，但刀具研磨較費(fèi)時(shí)，價(jià)格高。國(guó)內(nèi)在加工圓柱面、圓錐面和端平面時(shí)，多采用直線修光刃，其制造研磨容易，但對(duì)刀時(shí)修光刃與進(jìn)給方向的一致性要求較高。金剛石刀具切削部分的幾何形狀（2）刀具切削角度 ： 由于金剛石的脆性，在保證獲得較小的加工表面粗糙度前提下，為增加刀刃的強(qiáng)度，應(yīng)采用較大的刀具楔角，故刀具的前角和后角都取得較小。圖2-31所示是美國(guó)Contour精密刀具公司的

55、標(biāo)準(zhǔn)金剛石車刀。它采用圓弧修光刃，修光刃圓弧半徑R=0.51.5mm由用戶自選。 圓弧修光刃金剛石車刀金剛石刀具前后刀面晶面的選擇金剛石刀具前后刀面晶面的選擇應(yīng)考慮下列幾個(gè)因素:刀具耐磨性好；刀刃強(qiáng)度高,不易產(chǎn)生微觀崩刃；刀具與被加工材料間摩擦系數(shù) 低,使切削變形小，加工表面質(zhì)量高；制造研磨容易。綜合比較，推薦選用（100）晶面做刀具的前、后面，可使刀刃的微觀強(qiáng)度高，不易產(chǎn)生微觀崩刃，易研磨出鋒銳、完善、高質(zhì)量的金剛石刀具刃口、延長(zhǎng)刀具的耐用度。金剛石刀具的結(jié)構(gòu)和金剛石的固定方法金剛石車刀的結(jié)構(gòu) ： 經(jīng)常把金剛石固定在小刀頭上，小刀頭再用螺釘或壓板固定在車刀刀桿上。也有將金剛石直接固定在車刀刀

56、桿上。金剛石在小刀頭上的固定方法：有機(jī)械夾固法、粉末冶金固定法、粘結(jié)或釬焊固定法。Sumitomo公司推出一次性使用不重磨的精密金剛石刀具。該刀具將小顆粒的金剛石釬焊在硬質(zhì)合金片上，再用螺釘將硬質(zhì)合金片夾固在車刀桿上（見(jiàn)表2-3）。一次性使用的不重磨精密金剛石刀頭金剛石刀具的研磨一顆單晶金剛石毛坯要制成精密金剛石刀具，需經(jīng)過(guò)以下過(guò)程:晶體定向檢查粗研磨精研磨檢驗(yàn)。影響粗研磨效率的因素有：研磨方向、速度和壓力、使用的金剛石微粉的粒度等。影響精研磨質(zhì)量的因素主要有：磨料粒度、研磨盤質(zhì)量、研磨方向、精密拋光等。2.4.3 超精密切削加工機(jī)床1.對(duì)超精密切削加工機(jī)床的性能要求2.超精密切削加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)超精密切削加工機(jī)床的性能要求超精密切削加工機(jī)床是保證超精密加工的首要條件，用于超精密切削加工的機(jī)床必須具有： （1）很高的精度，主要指標(biāo)有主軸的回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度、定位精度、重復(fù)定位精度、分辨率及分度精度。 （2）較高的靜剛度、動(dòng)剛度和熱剛度。 （3）較高的穩(wěn)定性，在使用過(guò)程中應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間保持高精度、抗干擾、抗振動(dòng)，有良好的耐磨性，能穩(wěn)定工作。 （4）應(yīng)配有精密的微進(jìn)給系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，以實(shí)現(xiàn)微量切削。超精密切削加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)超精密切削加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)包括：