1 引言
20世紀80年代以來糠赦，隨著全球化市場競爭日趨激烈勿见，為爭取技術(shù)優(yōu)勢盹挑，各國紛紛開展先進制造技術(shù)的研究與開發(fā)长尼。伴隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展睦键，先進制造技術(shù)一方面發(fā)展了以數(shù)控機床為基礎(chǔ)的自動化加工技術(shù)，另一方面發(fā)展了各種新的加工方法和加工工藝瞻替，比較典型的有(超)高速切削栗沫、干切削、硬切削遥倦、(超)精密切削技術(shù)等谤绳。微機械(或微型裝置)是另一個新型研究領(lǐng)域，其加工技術(shù)的開發(fā)具有巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景袒哥。虛擬切削加工技術(shù)是在計算機上借助虛擬現(xiàn)實缩筛、立體建模和仿真技術(shù)，檢驗產(chǎn)品的設(shè)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瞎抛，預(yù)測產(chǎn)品的加工質(zhì)量艺演、制造周期、使用性能等桐臊，以便及時修改設(shè)計钞艇，縮短產(chǎn)品的研制周期，獲得最佳產(chǎn)品質(zhì)量豪硅、最低生產(chǎn)成本和最短開發(fā)周期。本文主要綜述(超)高速切削挺物、干切削懒浮、硬切削、(超)精密切削盘胯、虛擬切削加工技術(shù)的主要研究內(nèi)容及其關(guān)鍵技術(shù)删广。
2 高速切削加工技術(shù)
提高切削速度一直是切削加工領(lǐng)域十分關(guān)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刚驶，但通常認為高速切削的切削速度比常規(guī)切削速度高5~10倍以上剩知。
高速切削加工技術(shù)是在機床結(jié)構(gòu)及材料、機床設(shè)計制造技術(shù)牙吼、高速主軸系統(tǒng)瞭剧、快速進給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)柱称、高性能刀夾系統(tǒng)盘挠、高性能刀具材料及刀具設(shè)計制造技術(shù)、高效高精度測量測試技術(shù)臼磁、高速切削機理遗挚、高速切削工藝等諸多相關(guān)硬件與軟件技術(shù)綜合應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。因此吊磕，高速切削加工是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程勃犬，高速切削加工技術(shù)體系(見圖1)是機床、刀具挎狸、工件扣汪、加工工藝、切削過程監(jiān)控锨匆、切削機理等諸多方面的有機集成私痹。
高速切削加工具有以下特點：①切削力隨著切削速度的提高而下降；②切削產(chǎn)生的熱量絕大部分被切屑帶走统刮；③加工表面質(zhì)量提高紊遵；④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)量暗膜；有利于減少模具加工中的手工拋光匀奏；有利于減小工件變形；有利于使用小直徑刀具学搜；有利于加工薄壁零件和脆性材料娃善；有利于加工較大零部件；可替代其它加工工藝(如磨削)瑞佩，獲得顯著的經(jīng)濟效益聚磺。但是，隨著切削速度的提高智谓，刀具壽命會下降莹宁。
目前，航空制造業(yè)(尤其是大型整體鋁合金薄壁飛機結(jié)構(gòu)件的加工)嚎蛀、模具制造業(yè)审腺、汽車制造業(yè)等行業(yè)均已積極采用高速切削加工技術(shù)。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中缰畦，應(yīng)根據(jù)具體加工情況合理選用高速機床和加工工藝确列，不同的生產(chǎn)領(lǐng)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肥稠、鋼我昵、鑄鐵、鉛玫桅、銅及銅合金等因震，隨著高速切削加工技術(shù)的發(fā)展，其適用材料的范圍已進一步拓寬到模具鋼鳞编、鈦合金汁蝶、不銹鋼、鎳基合金论悴、纖維增強合成樹脂等難加工材料∫疵蓿現(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膀估，而傳統(tǒng)切削工藝很難加工的工件材料(如鎳基合金幔亥、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察纯。常用工件材料的高速切削速度范圍見表1帕棉。目前，高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于車削和銑削工藝饼记。隨著各類高速切削機床的開發(fā)香伴，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即纲，從車削具帮、銑削到鏜削、鉆削低斋、拉削停迫、鉸削、攻絲司逗、滾齒等擎若。各種加工工藝對應(yīng)的高速切削速度范圍見表2。
表1 不同工件材料對應(yīng)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
| 1000～8000
| >8000
|
| 鋁合金
| 1000～7000
| >7000
|
| 銅合金
| 900～5000
| >5000
|
| 灰鑄鐵
| 800～3000
| >3000
|
| 鋼
| 500～2000
| >2000
|
| 鈦合金
| 100～1000
| >1000 |
|
表2 不同加工工藝對應(yīng)的高速切削線速度范圍
| 加工工藝
| 高速切削速度
(m/min)
|
| 車削
| 700～7000
|
| 銑削
| 300～6000
|
| 鉆削
| 200～1100
|
| 拉削
| 30～75
|
| 鉸削
| 20～500 | |
3 干切削加工技術(shù)
在切削加工中改佛，使用切削液對于降低切削溫度漂肖、斷屑與排屑、改善零件加工質(zhì)量均可起到重要作用史糕，但同時也存在諸多弊端，例如：切削液系統(tǒng)的購置诞书、使用與維護需花費大量資金锤知，增大加工成本；切削液需定期更換快檀、添加防腐劑等贩纵，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都晶，使刀具產(chǎn)生不規(guī)則的冷懒叛、熱交替變化，容易使刀刃產(chǎn)生裂紋耽梅，引起刀具破損薛窥，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眼姐，可污染空氣诅迷、水源和土壤，需花費大量資金進行防護和治理众旗；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罢杉。為此，作為一種綠色制造工藝的干切削加工技術(shù)應(yīng)運而生贡歧。
干式切削由于缺少切削液的潤滑滩租、冷卻、沖洗和排屑斷屑等功能利朵，導致刀具與工件律想、切屑之間摩擦加劇，切削力增大，切屑變形加劇搂物，切削熱急劇增加蝠笔，導致切削區(qū)溫度顯著升高，刀具耐用度降低囱蕴，同時工件加工質(zhì)量不易保證床少。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)量朋堪、生產(chǎn)率和刀具耐用度橘疚，就必須通過分析干切削的各種特定邊界條件和影響干切削的各種因素，尋求相應(yīng)的技術(shù)解決方案及措施來彌補不使用切削液的缺陷盹扮。例如：干切削刀具材料必須具有極高的紅硬性和熱韌性胶僵、良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性字拒。聚晶金剛石(PCD)隘勾、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料刀具、陶瓷刀具投嫂、涂層刀具等均可較好滿足干切削的要求捏章。某些刀具涂層材料具有類似切削液的功能，可隔離切削熱川梅，在較長時間內(nèi)保持刀尖硬度和鋒利性疯兼，使刀具材料不易發(fā)生化學反應(yīng)。此外贫途，應(yīng)針對不同的工件材料和切削用量設(shè)計刀具結(jié)構(gòu)吧彪、幾何參數(shù)和相應(yīng)的斷屑槽，以滿足干切削的加工要求丢早。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姨裸。
目前，干切削加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于鑄鐵怨酝、鋼啦扬、鋁、鈦凫碌、鎂等及其合金的切削加工扑毡。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盛险。PCBN刀具干車削灰鑄鐵時瞄摊，前角一般選用-5°～-7°，以承受較大的切削力颅婴；粗加工用PCBN刀片的刃口強化與主偏角颈缆、前角的配合十分重要葡料；粗加工刀片的刃口倒棱幾何尺寸為-20°×0.02mm，精加工刀片的刃口倒棱幾何尺寸為-20°×0.1mm梧货。
表3 PCBN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
(ap>0.64)
| 珠光體灰鑄鐵(<240HB)
| 450～1060
| 0.25～0.50
|
| 珠光體灰鑄鐵(>240HB)
| 305～610
| 0.25～0.50
|
| 珠光體軟鑄鐵
| 550～1200
| 0.15～0.30
|
| 白口鑄鐵
| 60～120
| 0.25～0.75
|
精加工
(ap<0.64)
| 珠光體灰鑄鐵(<240HB)
| 450～1060
| 0.25～0.50
|
| 珠光體灰鑄鐵(>240HB)
| 305～610
| 0.25～0.50
|
| 珠光體軟鑄鐵
| 600～1500
| 0.10～0.15
|
| 白口鑄鐵
| 90～180
| 0.25～0.75 |
由于高速切削具有切削力小佃贞、散熱快、加工穩(wěn)定性好等優(yōu)點镐催，因此干切削加工應(yīng)盡可能采用較高切削速度隶俄。干切削技術(shù)與高速切削技術(shù)的有機結(jié)合可獲得生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好椅豆、無環(huán)境污染等多重技術(shù)經(jīng)濟效益剿蹦。此外，進行干切削加工時沽叠，為減小切削力叹盼、降低切削溫度，還可采取某些特殊工藝措施菊榨，如激光輔助干切削运杭、液氮冷卻干切削、準干切削等函卒。
4 硬切削加工技術(shù)
硬切削是指對高硬度(>54HRC)材料直接進行切削加工辆憔。硬切削工件材料包括淬硬鋼、冷硬鑄鐵谆趾、粉末冶金材料及其它特殊材料躁愿。硬切削通撑驯荆可直接作為最終精加工工序沪蓬，而傳統(tǒng)加工常以磨削作為最終工序。與磨削相比来候，硬切削具有如下優(yōu)點：①加工靈活性強跷叉，精度易于保證；②硬切削的加工成本低于磨削(通常僅為磨削的1/4)营搅；③硬切削不需要專用機床云挟、刀具和夾具，在現(xiàn)有加工設(shè)備上即可實現(xiàn)转质；④硬切削的生產(chǎn)效率高于磨削园欣；⑤磨削產(chǎn)生的磨屑與廢液混合物易污染環(huán)境，難以處理和再利用埠限；而硬切削易于實現(xiàn)干切削幔膝，產(chǎn)生的切屑可再利用。由于硬切削具有以上優(yōu)勢旦珊，因此“以切代磨”已成為切削加工的發(fā)展趨勢之一抑驹。
目前毕模，硬切削主要用于車削、銑削等加工工藝盈侣，并已在許多工業(yè)制造部門得到應(yīng)用腌哎，如汽車傳動軸、發(fā)動機瘩穆、制動盤晰淋、制動轉(zhuǎn)子的半精加工和精加工，飛機副翼齒輪嘉容、起落架的切削加工架独，機床工具、醫(yī)用設(shè)備等行業(yè)也開始大量應(yīng)用硬切削加工技術(shù)饿呢。
硬切削對加工機床的主要要求為剛性好脖旱、基礎(chǔ)穩(wěn)定、工作軸運動精度高等介蛉。由于硬切削的切削力較大萌庆，切削溫度較高，為保證加工精度币旧、表面質(zhì)量及刀具壽命践险，硬切削時必須精心選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)和切削用量吹菱。硬切削的適用刀具材料主要有PCBN巍虫、陶瓷、高性能金屬陶瓷鳍刷、涂層硬質(zhì)合金规揪、超細晶粒硬質(zhì)合金等叼稍。刀具材料選定后，應(yīng)盡量選用強度較高的刀片形狀和較大的刀尖圓弧半徑，PCBN刀具和陶瓷刀具一般應(yīng)采用負前角(≤－5°)铅夷。一般來說脓杉，被加工材料硬度越高扫矾，硬切削的切削速度應(yīng)越忻唇伞；使用PCBN刀具的切削速度應(yīng)高于其它刀具材料蝇莲，PCBN刀具切削淬硬鋼(≥50HRC)的切削用量見表4胶勾。
表4 PCBN刀具切削淬硬鋼的切削用量
| 工序
| 工件材料
| 切削速度
(m/min)
| 進給量
(mm/r)
|
粗加工
(ap>0.64)
| 淬硬高碳鋼
| 90～140
| 0.10～0.30
|
| 淬硬合金鋼
| 90～120
| 0.10～0.30
|
| 淬硬工具鋼
| 60～90
| 0.10～0.20
|
精加工
(ap>0.64)
| 淬硬高碳鋼
| 120～180
| 0.10～0.20
|
| 淬硬合金鋼
| 120～150
| 0.10～0.20
|
| 淬硬工具鋼
| 75～110
| 0.10～0.20 |
5 微細、精密和超精密切削加工技術(shù)
微細加工技術(shù)是指對微型機械闭腊、微小尺寸零件的加工技術(shù)爹窥。隨著航空航天、國防工業(yè)行翘、現(xiàn)代醫(yī)學以及生物工程技術(shù)的發(fā)展相吭，各種小型化秧朝、微型化設(shè)備和微小尺寸零件的應(yīng)用越來越多，各種微型機械和微型機電系統(tǒng)(MEMS)的制造對微細加工技術(shù)提出了新的要求郊拄，向現(xiàn)有制造技術(shù)的加工極限挑戰(zhàn)噩振，發(fā)展精密加工、超微細加工和納米加工技術(shù)已成為現(xiàn)代先進制造技術(shù)的一個發(fā)展方向楚陶。
微細加工除可通過電子束加工钻寿、離子束加工、化學加工等特種加工方法實現(xiàn)外左刽，還可通過微細捺信、超微細切削加工來實現(xiàn)。高精度機床和超穩(wěn)定加工環(huán)境是實現(xiàn)微細切削加工的重要條件欠痴。由于微細切削的切削深度極小(通常小于材料的晶粒直徑)迄靠，切削只能在晶粒內(nèi)進行，此時的切削方式相當于對一個個不連續(xù)體進行切削喇辽，使微細切削具有斷續(xù)切削的性質(zhì)掌挚。選用精細研磨的金剛石刀具，用(1 0 0)或(1 10)晶面作為刀具的前菩咨、后刀面吠式，在濕式切削條件下可實現(xiàn)對微量加工性(可用納米級表面粗糙度及在某一加工長度上對刀具磨損的忽略性來定義)好的工件材料(如非晶體材料或有精細晶粒結(jié)構(gòu)的材料)的微細切削加工。
通常將加工精度在0.1～1μm抽米、加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm的加工稱為精密加工特占；將加工精度高于0.1μm、加工表面粗糙度小于Ra0.01μm 的加工稱為超精密加工云茸。精密和超精密切削加工的實現(xiàn)需要具備超精密機床設(shè)備和刀具是目、超穩(wěn)定的工作環(huán)境、超精密測量技術(shù)及儀器谎拴、用計算機技術(shù)進行實時檢測和誤差補償?shù)取?
鏡面銑削和金剛石車削是最常用的兩種超精密加工方法荚谢。鏡面銑削的切削速度一般在30m/s以上和月，可加工塑性材料如銅呐品、鋁、鎳等逸铆，也可加工脆性材料如硅垒汉、鍺、CaF2和ZnS等苦钱。鏡面銑削的主要應(yīng)用領(lǐng)域是光學元器件的加工盛闻。
金剛石車削早期主要用于加工有色金屬材料(如無氧銅、鋁合金等)避晾，主要加工零件是各種光學系統(tǒng)中的反射鏡悼晨。金剛石車削除可用于加工有機玻璃抑昨、各種塑料制品(如照相機的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等)外蛙梆，還可用于加工陶瓷赚铅、復(fù)合材料等。為了切除極薄切屑扶踊，要求金剛石車刀切削刃的刃口半徑極小(<0.05～0.1μm)泄鹏。目前，在科研和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到一些納米(nm)級的幾何形狀精度和表面質(zhì)量要求秧耗，如精密軸备籽、孔的圓度和圓柱度、精密球體(如陀螺球分井、計量用標準球)的球度车猬、制造集成電路用單晶硅基片的平面度、光學尺锚、激光透鏡和反射鏡的平面度等诈唬，依靠傳統(tǒng)加工方法已難以達到此類納米加工要求，而采用超精密切削技術(shù)可達到納米級加工水平缩麸，這已被日本Ikawa和美國LLL實驗室的合作研究結(jié)果所證實：用刃磨得極為鋒利的單晶金剛石刀具切削有色金屬和非金屬材料可獲得Ra0.002～0.02μm的鏡面铸磅；用雙坐標數(shù)控超精密機床可加工出幾何精度極高的球面和非球曲面；經(jīng)精細研磨達到極高刃口鋒銳度的金剛石刀具可切除厚度僅為1nm的切屑杭朱。
目前精密和超精密切削加工零件主要是感光鼓阅仔、磁盤、多面鏡窑笑、遺跡平面秕射、球面和非球面的激光發(fā)射鏡等，工件材料多為銅综界、鋁及其合金瞎角、非電解鍍鎳層、塑料以及陶瓷等硬脆材料贴祷。上述零件可達到的加工精度見表5覆靖。
表5 精密零件的加工精度
| 加工零件
| 加工精度(μm)
|
| 激光光學零件
| 表面粗糙度Ra0.01～0.006
形狀精度0.1
|
| 磁頭
| 表面粗糙度Rmax0.02
平面度0.01，尺寸精度±2.5
|
| 多面鏡
| 表面粗糙度Rmax00.01～0.006
反射率85%～90%胎汁，平面度0.04午禽，l/5～l/10
|
| 磁盤
| 表面粗糙度Ra0.01～0.004
表面波度0.02～0.01
|
| 塑料透鏡用非球面模具
| 表面粗糙度Rmax0.01
形狀精度1～0.3
|
| 陀螺儀浮球
| 球度0.2～0.6
表面粗糙度0.1
|
| 激光陀螺平面反射鏡
| 平面度0.05
表面粗糙度0.001
|
| 雷達波導管
| 內(nèi)腔表面粗糙度0.01～0.02
平面度和垂直度0.1～0.2 |
6 虛擬切削加工技術(shù)
虛擬切削加工技術(shù)是在對零件幾何參數(shù)、材料物理性能究勺、加工過程切削參數(shù)以及加工物理過程(受力變形绿锋、熱變形等)進行全面物理建模的基礎(chǔ)上，利用計算機數(shù)值仿真技術(shù)對加工過程的動態(tài)情況和加工結(jié)果進行實際綜合分析的一種新興技術(shù)酱劫。為分析加工過程及結(jié)果澄港，可根據(jù)NC加工機床的實際狀況用NC代碼驅(qū)動虛擬加工環(huán)境中的NC機床進行虛擬切削加工椒涯，它可描述刀具的真實運動軌跡，完成碰撞回梧、干涉檢查逐工，還可逼真地描述加工后工件的形位誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度等屬性漂辐，并將虛擬成品零件與設(shè)計零件進行比較泪喊，如零件精度不能滿足設(shè)計要求，則可對工藝參數(shù)(進給量髓涯、切削速度等)或工件裝夾方式進行調(diào)整改進袒啼，如有必要還可對零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行完善，以提高其可加工性纬纪。通過虛擬切削加工可得到一個優(yōu)化的加工方案蚓再，據(jù)此進行實際加工，可提高加工成功率包各，減少原材料消耗摘仅，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期问畅。
虛擬切削加工與傳統(tǒng)切削加工的區(qū)別在于它生產(chǎn)的是數(shù)字化產(chǎn)品谍益，而不是實際產(chǎn)品，它的最大好處是不需消耗實際資源和能量款萎。
7 結(jié)語
據(jù)估計逐点，切削加工約占機械制造工作量的30%～40%，全世界每年約有1億噸鋼料通過刀具切削而成為切屑饭里，全世界每年切削加工耗資約2500 億美元辞垦。與世界先進水平相比，目前我國的切削加工技術(shù)水平還比較低健乾，努力研究和開發(fā)高速切削怎棋、硬切削、干切削煌害、精密切削象人、虛擬切削等先進切削加工技術(shù)，對于提高我國機械制造技術(shù)水平和機電產(chǎn)品性能斧壮、質(zhì)量及市場競爭力物虑，推動先進制造技術(shù)的發(fā)展都具有重要意義纤悉。
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