现代切削工艺技术研究进展

现代切削工艺技术研究进展

2013-11-4

报告提纲0制造技术分类1现代切削工艺技术产生的背景2精密切削工艺技术（振动切削、微细切削、塑性（延性域）切削）3高效切削工艺技术（高速切削、高速磨削）4绿色切削工艺技术（干式切削、磨削淬硬）0制造技术分类

按照在由原材料或毛坯制造成为零件的过程中，质量m的变化，可分为Δm=0,Δm>0,Δm<0三种类型，不同类型采用不同的工艺方法。

Δm=0：材料成形工艺（变形加工）

Δm>0：材料累加工艺（堆积、结合加工）

Δm<0：材料去除工艺（切削加工）0.1Δm=0的制造过程（变形加工）利用模型使原材料形成毛坯或零件的工艺方法。常用成形工艺方法有铸造、锻造、冲压、注塑等。

0.2Δm>0的制造过程（堆积、结合加工）将零件以微元叠加或连接的方式逐渐累加形成的工艺方法。常用的工艺方法有:RPM（光固化法SLA、选区片层粘结法LOM、激光选区烧结法SLS、熔积法FDM、三维打印法等）表面覆层技术（电镀和化学镀、涂料涂装工艺、气相沉积

等）表面渗入、注入连接成形（机械连接、胶接、焊接）0.3Δm＜0的制造过程（去除加工）

按照一定的方式从毛坯上去除多余材料形成符合技术要求的零件的工艺方法。主要包括切削加工和特种加工。现代化加工设备先进的刀具与工具1

现代切削工艺技术产生的背景1.1大量难加工材料的出现和应用超硬材料：淬硬钢、工程陶瓷、复合材料、工业搪瓷、石材等，大多数材料硬度高于250HBS；

超塑材料：铜合金、锌合金、铝合金、钛合金和高温合金等，其最大伸长率可达1000％，有的甚至2000％；高强度材料：包括高强度钢和超高强度钢，如加有稀土元素的SiMnCrMoV系列钢，抗拉强度为170～190kgf/mm2，断裂韧度可达250～280kgf/mm2

；半导体材料：硅（Silicon）,锗(GermaniumGalliumArsenide),砷化镓(GalliumArsenide)等；玻璃材料：纳钙玻璃（Soda-LimeGlass）,光学玻璃(BK7)等。难加工材料的特性与切削加工特点之间的关系1.2加工精度要求越来越高

18世纪，加工精度为1mm；19世纪末，0.05mm；20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度；目前达到10nm的精度水平。例如：1kg陀螺其质心偏离0.5nm，会引起100m导弹射程误差，50m轨道误差；民兵Ⅲ型洲际导弹陀螺仪精度为0.03-0.05º，命中精度误差为500m；人造卫星轴承孔轴表面粗糙度1nm，其圆度和圆柱度均以nm为单位；飞机发动机叶片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，则发动机效率89%→94%；1.3产品更新越来越快,生产周期越来越短生产方式的转变小批量→少品种大批量→多品种变批量21世纪的产品特征

个性化和多样化产品制造定制化、模块化，满足不同消费者喜好

寿命周期不断缩短摩尔定律-微处理器芯片性能每18个月提高1倍，而价格却保持不变

智能化包括产品自身智能和生产设施工具的智能1.4可持续战略的实施和人类环境意识的增加要求制造工艺的革新

当前资源匮泛，污染严重环境问题不能以牺牲今后几代人的利益为代价由粗放经营、掠夺式开发向集约型、可持续发展转变

绿色产品全寿命周期无污染、低资源消耗和可回收利用

绿色制造的提出

基于上述背景制造技术发生了巨大的变革。*特种加工技术的出现与应用*快速成型(RP)技术的发明及应用

*传统切削技术朝着两个方向发展：

1）工艺系统（机床、工件、刀具）的改善

2）精密、高效、清洁的切削工艺技术的发明与创新2.0金刚石切削与精密磨削2.1振动切削技术2.2微细切削技术2.3塑性（延性域)切削技术2精密切削工艺技术2.1.1振动切削的原理2.1.2振动切削的分类2.1.3振动钻削2.1.4振动切削技术的发展趋势2.1振动切削技术

振动切削方法首先由日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授于60年代提出的。目前，在日本、中国、俄罗斯、德国、韩国、印度、美国、奥地利、英国等开展了广泛的研究与生产应用。振动切削的应用解决了我国飞机起落架、涡轮盘、薄壁件等国防关键制造难题，降低废品率带来上千万元的经济效益。2.1.1振动切削的原理2.1.1振动切削的原理

实现振动切削的条件：

整个振动周期可分为三个阶段：

切削阶段（AB段）刀-屑分离阶段（BD段）再切削阶段（CD段）2.1.2振动切削的分类

按加工方式可分为：振动车削、振动钻削、振动铣削、振动攻丝、振动磨削等

按振动方向可分为：吃刀抗力方向、进刀抗力方向和主切削力方向振动切削。2.1.2振动切削的分类按振动性质可分为：自激振动切削和强迫振动切削。

按振动频率可分为：超声波振动切削和低频振动切削。a)直线振动切削b)弯曲振动切削c)椭圆振动切削三种不同振动切削方式的示意图

特殊形式的振动切削2.1.3振动钻削f,Afrfrfrnnnfc,θcfc,θcf,A

实现振动钻削的三种方式1、实现方式2振动钻削装置3、运动学原理－断续切削原理3、运动学原理－断续切削原理3、运动学原理－变角切削原理

轴向振动钻削的分离冲击特性BCDacAAachO0O1R3R0R1R2Evf,A刀具工件3、运动学原理－分离冲击特性4、工艺效果－断屑排屑效果

普通钻削时不同转速下的切屑形态（fr=0.02mm/rev）

普通钻削和振动钻削的切屑形态比较（f=40Hz、A=11.3μm）

振动钻削的切屑尺寸比较（n=1800rpm、fr=0.01mm/r、A=16.5μm）

振动钻削的切屑尺寸验证（n=400rpm、fr=0.1mm/r、f=22Hz、A=0.5mm）

（a）振幅的影响（f=62Hz）（b）振动频率的影响（A=80μm）排屑效果验证试验(φ6mm麻花钻、工件材料45#钢、n=930mm/r)4、工艺效果－入钻偏移（a）普通钻削（b）振动钻削

普通钻削和振动钻削微孔的入钻偏移4、工艺效果－加工质量（a）干切削表面划伤表面划伤(b)MQL图9普通钻削时不同润滑方式下的表面形貌（n=2400rpm、

fr=0.03mm/r）(a)干切削图12振动钻削时不同润滑方式下的表面形貌

(n=2400rpm,fr=0.03mm/rev,f=60Hz,A=16.5μm)(b)MQL振动钻削的毛刺高度（工件材料：工业铝L5,刀具材料：高速钢麻花钻，干切削，内孔孔径Φ3mm，n=1350rpn，fr=0.02mm/r,f=90Hz）

钻削毛刺的形成示意图5、振动攻丝的工艺效果

＊可靠、适用的振动切削装置的开发；＊新材料的实验研究及工艺参数优化；＊振动切削系统（过程）的非线性研究；＊振动切削过程的有限元仿真。2.1.4振动切削技术的发展趋势2.2.1微机械的发展及其特征2.2.2微细切削的工艺特点2.2.3微细切削机床2.2.4微细切削刀具2.2.5微细切削的工艺效果2.2.6微细切削未来研究方向2.2微细切削技术1微机械的发展

微小机械

1-10mm；微机械

1μm-1mm；纳米机械

1nm-1μm。

1959年，RichardPFeynman（1965年诺贝尔物理奖获得者）就提出了微型机械的设想;

1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～12μm的利用硅微型静电机;

日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机；

微型机械是一门交叉科学，随着微电子学、材料学、信息学等的不断发展，微型机械具备了更好的发展基础。

2.2.1微机械的发展及其特征2微机械的特征

体积小、精度高、重量轻如直径如发丝的齿轮、开动3mm大小的汽车、花生米大的飞机、在5mm2内放置1000台的微型发动机。

性能稳定、可靠性高微机械体积小，热膨胀、噪声、挠曲等影响小，具有抗干扰性，可在较差环境下稳定的工作。

能耗低、灵敏度、工作效率高不存在信号延迟问题，可进行高速工作。消耗的能量远小于传统机械如5*5*0.7mm3微型泵流速是比其体积大得多的小型泵流量的1000倍。

多功能和智能化集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化。

制造成本低类似半导体制造工艺。全球最小的硅基MEMS麦克风芯片

（1.2mm×1.3mm×0.4mm）3微细加工的主要方法

微型机械加工技术作为微型机械的最关键技术，也必将有一个大的发展。

当前，微细加工方法很多，有微细切削、特种加工技术、光刻加工、体刻蚀加工、面刻蚀加工、LIGA(制版、电铸成形和微注塑)、分子装配技术等1尺度效应*切削力随切削深度的减小而变大；*由于零件尺度的减小，传统的切削理论已经变得不适应，出现了微摩擦学、微电子学等。2.2.2微细切削的工艺特点2精度的衡量方式的变化以去除微粒的尺寸大小来衡量3各切削分力的变化主切削力小于横向切削力2.2.3微细切削机床

微细切削加工对所用的加工设备要求很高，其所用的加工设备应满足以下要求：1高精度（静态精度、动态精度）当前高水平超精密机床的主轴回转精度大多在0.02～0.03μm，导轨的直线度在0.025/100000内，定位精度为0.013μm，重复定位精度在0.006μm左右，进给分辨率在0.003μm，分度精度在0.5秒内。2高刚度（精刚度和动刚度）3高稳定性和保持性（良好的耐磨性、抗振性以及热稳定性）4高自动化

微细切削机床朝着微型化和工序集成化的两个方向发展

微小型化机床概念是Dutta等人在1970年首次提出的，当时只是作为硅微细加工制作的微电机一种应用，但是并没有被广泛地接受。1990年，日本通产省工业技术研究院机械工程实验室（MEL）提出了微型制造系统即微型工厂的概念，并于1996年开发了世界上第一台微型车床，体积32×25×30.5mm3，重量约100g，主轴电机额定功率1.5W，转速为10000r/min。切削黄铜获得表面粗糙度Rmax1.5μm，圆度2.5μm，加工出的最小外圆直径为60μm。切削试验中的功率消耗仅为普通机床的1/500。2001年美国国家科学基金会(NSF)资助了“Micro/Meso-ScaleMachineToolSystems”研究计划资助所研制的两台微小型机床试验台，本体尺寸为250×150×200mm3和60×90×100mm3，主轴最高转速分别为150000r/min和320000r/min。二者都采用了闭环反馈控制，且装备了测力传感器测量微细切削力。

在国内，哈工大精密加工研究所研制的三轴微小型立式铣床，其尺寸300×300×290mm3，主轴最大转速为160000r/min，最大径向跳动为1μm，驱动系统重复定位精度0.25μm，速度范围1μm～250mm/s；采用全闭环控制分辨率可达0.1μm。

北京理工大学研制的微细车铣加工中心，铣削主轴最高转速60,000rpm，车削主轴最高转速8,000rpm，四轴可控，重复定位精度达到微米级。

目前国外制备的微型刀具一般采取线电极电火花磨削(WEDG)技术和聚焦离子束(FIB)加工技术，对高速钢和细晶粒硬质合金进行刻蚀加工，实现刀具的成型和精度控制。2.2.4微细切削刀具美国Sandia国家实验室应用聚焦离子束技术制备出的微细铣刀2.2.5微细切削的工艺效果微细铣削加工的直径为

1mm，表面高度差为30μm，表面粗糙度为Rz0.058μm

座体零件的结构特征：1整体尺寸

16mm×8mm2回转表面的不同圆周上布置多个台阶面3零件上有多个微小孔，孔径在0.5mm～2.6mm之间，最大深径比为6，孔径误差为0.02mm。4回转表面上布置有两个等深圆弧槽（0.3mm×3mm），槽宽误差为0.02mm。*微细切削过程监控，特别是刀具磨损破损监控及数控误差；*微细切削刀具的设计和制造技术；*微细切削毛刺的预报、控制和去除技术；*适合于微细切削的机床开发和研制。2.2.6微细切削的未来研究方向2.3塑性（延性域）切削技术2.3.1塑性切削的提出

2.3.2实现塑性切削的条件

2.3.3塑性切削的特性

2.3.4发展展望2.3.1塑性切削的提出磨削加工

中间裂纹(15.9

m)

树枝状裂纹(17.8m)人字形裂纹(19.9m)*

粗磨所导致的表层损伤:*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术(晶片材料)即使采用精磨:表层损伤的厚度也大约在7m左右.化学机械抛光(Chemical-MechanicalPolishingCMP)

工时长成本高环境污染

硅片抛光1实现塑性切削的可能

切削过程中位错产生和裂纹扩展共存，并且两者相互抑制。加工脆性材料时，通过施加大的压应力可以使抑制裂纹扩展，激发位错发生。2.3.2实现塑性切削的条件塑性切削的切削变形

脆性切削的切削变形

凹槽表面

塑性切削模式

脆性切削模式半导体材料,例如硅（Silicon）,锗（Germanium）、砷化镓（GalliumArsenide）等玻璃材料,例如纳钙玻璃（Soda-LimeGlass）,光学玻璃(BK7)等陶瓷材料,例如硬质合金（TungstenCarbide）,氮化硅（SiliconNitride）等东芝超精密车床(a)塑性切削表面 (b)抛光表面

(d)dmqx=40nm (e)dmax=50nm (f)dmax=66nm(a)dmax=10nm (b)dmax=20nm (c)dmax=30nm刀具刃口半径为45nm（以硅片切削为例）:2产生大压应力的临界条件刀具刃口半径为335nm:dc=118nm dc=178nm dc=298nmdmax=307nmdmax=320nmdmax=325nmdmax=337nm

通过试验发现，切削加工过程中产生很高压应力产生的条件是：临界切削深度应小于刀具的刃口半径；刀具刃口半径的应该磨的非常小，达到纳米级水平,所以这种技术又被称为纳米塑性切削技术;并且被加工材料强度越大，实现塑性切削所需的刃口半径越小。

刀具的超声振动能够以动态方式产生大的压应力。2.3.3塑性切削的特性

切深方向分力Ft

远大于主切削力Fc(r=Ft/Fc)。切削力:Yanetal.,Wear,255,2003,pp.1280-1387.塑性切削形成的表面:扫描电镜（SEM）照片原子力显微镜（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)

刀具磨损严重，使用寿命大为减小。刀具磨损:Yanetal.,Wear,255,2003,pp.1280-1387.2.3.4发展展望*刀具使用寿命的提高和适合纳米塑性切削的刀具材料和刀具结构的开发；*开发新的适合于实践应用的纳米塑性切削的方式；*纳米塑性切削机理的研究。3.1高速切削（highspeedcutting）3.2高速磨削（highspeedgrinding）3高效切削技术3.1高速切削（highspeedcutting）3.1.1高速切削的提出3.1.2高速切削的关键技术3.1.3高速切削的应用1刀具材料和切削加工速度发展

20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，10m/min；

20世纪初，高速钢，500-600ºC，30-40m/min；

20世纪30年代，硬质合金，800-1000ºC，数百米/min;

目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000ºC以上，一千至数千米/min。3.1.1高速切削的提出2高速切削的理论基础高化速指标：dm*n（直径×转速）>1×106即为高速3高速切削特征切削力低切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规降低30-90%,刀具耐用度提高70%；热变形小温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；材料切除率高单位时间内切除率可提高3-5倍；高精度切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工平稳、振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。减少工序工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过”技术（Onepassmaching）。

1高速切削机床

主轴转速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速进给40-80m/min；高速电主轴部件＋滚珠丝杠或直线电机的进给系统＋32位或64位多CPU的CNC控制系统＋强力高压冷却系统（切屑）＋温控循环水（冷却主轴电机、主轴轴承和直线电机等）＋更完备的安全措施。3.1.2高速切削的关键技术德国Heckert

公司SKM400型卧式加工中心SKM400型卧式加工中心主轴系统

SKM400型卧式加工中心的主要技术参数HSKA63刀柄规格31主轴功率／kw15000主轴转速（r/min）1g最大加速度100快速移动速度／（m/min）400×400数控回转工作台尺寸／mm650×650×650主轴运动范围／mm2高速切削的刀具系统对刀具系统要求：切削热更多流向刀具，要求抗磨损；必须具有良好的平衡性，可靠定位，高地安全性。刀具材料：刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性。硬质合金涂层刀具（韧性和抗弯强度好、涂层材料高温耐磨性好）、陶瓷刀具（与金属亲和力小，热扩散磨损小，高温硬度好，但韧性较差）、聚晶金刚石刀具（摩擦因数低，耐磨性强，导热性好）、立方氮花硼刀具（硬度高，耐磨性好，高温化学稳定性好，寿命长）。双定位刀柄结构：当超过15000r/min时，离心力将使主轴锥孔扩张，降低刀柄连接刚度；该结构刀柄锥部和端面同时与主轴定位，轴向重复定位精度可达0.001mm。

主要应用于汽车工业大批生产、难加工材料、超精密微细切削、