第一篇：難加工材料超聲輔助切削加工技術

難加工材料超聲輔助切削加工技術

高性能合金（如高溫合金、鈦合金、高強度鋼等）、復合材料、硬脆材料（如光學玻璃、工程陶瓷和功能晶體）等先進材料具有優異的性能，在航空、航天、軍工、電子和汽車等領域得到越來越廣泛的應用。復合材料具有密度低、比強度和比模量高、可設計性強、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能好和結構尺寸穩定性好等優點，在航空航天領域主要用于制造如機翼、尾舵、剎車盤、制動鼓、儀器艙段、支架等復雜結構件和零件。這些經過成型制備的復合材料結構件和零件上，許多連接裝配和附件安裝用的孔、窗口、型腔和安裝定位面等需要進行精密機械加工。航空航天領域典型的復合材料和硬脆材料結構件和零件如圖1 所示。這些結構件和零件不僅對加工精度和加工質量要求高，而且對加工效率也有很高要求。由于這些復合材料硬脆材料具有硬度高、脆性大和耐磨性好等特點，材料切削加工性差，零件加工要求高，很難用傳統機械加工方法和加工工具進行加工。因此，如何實現難加工材料零件的高質高效精密加工已成為當前國內外關注的課題。為了適應各種先進材料不斷擴大的應用需求，一方面，傳統機械加工技術通過自身的不斷更新發展以及與其他相關技術的融合，在一些難加工材料加工領域(尤其在加工、鋁合金和鈦合金結構件加工等)表現出了加工精度和加工效率方面的優勢。另一方面，利用光、電、聲、熱、化學、磁和原子能等能量進行加工的特種加工方法（包括、超聲、、電化學、高壓水切割等）得到了較快的發展，在一些高性能合金和硬脆材料等難加工材料加工領域顯示出一定的優越性。但是，無論是傳統機械加工，還是特種加工方法，多數是直接利用單一能量進行加工，在加工效率、精度、表面質量和工具壽命等方面必然存在一定缺點和局限。于是，利用多種形式能量的綜合作用的復合加工技術出現了。復合加工技術可以根據加工材料特性以及加工精度和效率的要求，通過傳統加工和特種加工方法的復合，不同特種加工方法的復合等多種形式組合出各具特點的新的復合加工方法，達到優勢互補，成為機械加工技術的重要發展方向之一。

超聲加工作為20 世紀初發展并開始應用于工業領域的一種非常有效的特種加工方法，特別適合于加工玻璃、陶瓷、石英、金剛石、硅等各種硬脆材料，并已得到了廣泛應用。將超聲加工與傳統的切削加工結合所形成新的加工技術是一種典型的復合加工技術，多年來的研究和應用實踐表明，這一復合加工技術既充分發揮了機械加工和超聲加工這兩種加工技術的優點，又彌補了兩種技術的局限和不足，因而具有一些突出優點。超聲輔助切削加工技術不僅可以有效降低切削力、提高加工質量、減小磨損和提高加工效率，而且拓展了可加工材料和可加工零件的適用范圍和應用領域。近年來，國內外研究人員針對難加工材料的超聲輔助切削加工開展了大量的研究，一些機床生產商還開發了超聲輔助切削加工機床。超聲輔助切削加工技術已成為難加工材料零部件加工中主要先進加工技術之一，具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。

本文針對航空航天等領域中典型難加工材料零件加工的技術需求和應用背景，結合作者和國內外學者的研究成果，介紹了幾種超聲輔助切削加工技術的原理、特點和應用效果，以及這一復合加工技術的一些新的進展。

超聲輔助切削加工技術的原理、系統與分類

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超聲輔助切削加工是在傳統切削加工中工具與工件相對運動的基礎上，在切削工具或工件上施加超聲振動，以獲得更好加工性能的加工方法。超聲輔助切削加工過程中，通過工具對被加工材料的機械和超聲復合作用，使工具與被加工材料的接觸狀態和作用機制發生變化，主要通過機械切削作用、高頻微撞擊作用以及超聲空化作用等進行材料去除。由于超聲振動的引入，改變了材料去除機理，降低了工具與工件之間的摩擦力，減少了工具與工件的接觸時間，增強了工具對工件的切削去除作用，從而有效地提高了材料去除率，減小切削力，降低切削熱，減少刀具磨損，改善加工精度和質量。

超聲輔助切削加工系統主要由超聲電源、超聲能量傳輸系統、超聲換能器、超聲變幅桿、工具或工件、冷卻液供給單元等組成。在超聲輔助切削加工過程中，超聲電源通過超聲發生器將產生大于15kHz 的高頻電信號，并經過功率放大后輸出功率超聲信號，通過傳輸系統將功率超聲信號傳輸到超聲換能器，再經過超聲換能器將電信號轉換成相應頻率的機械振動，通過超聲變幅桿將機械振動的幅度增大，并傳遞給工具或工件，使其產生超聲振動，實現超聲輔助切削加工。根據超聲輔助切削加工的方式不同，超聲輔助切削加工技術的分類如圖2 所示。

本文結合航空航天難加工材料零件的加工，介紹了超聲輔助車削、超聲輔助鉆孔、超聲輔助磨削和超聲輔助切割等幾種先進加工技術。

超聲輔助車削技術

超聲輔助車削是在普通車削機床運動基礎上，在上施加超聲振動。超聲振動方向主要有沿著工件旋轉方向切向的振動和沿著進給方向的振動。圖3 為作者研制的一種安裝在普通臥式上的超聲輔助車削加工裝置。

采用聚晶金剛石（PCD）刀具普通車削和超聲輔助車削碳纖維復合材料的加工表面形貌和刀具磨損對比如圖4 和圖5 所示。與普通車削加工表面相比，超聲輔助車削表面碳纖維和基體過渡部位相對較光滑，碳纖維復合材料表面加工質量明顯改善，刀具磨損量可減小約30% 左右[1-2]。采用硬質合金刀具普通車削和超聲輔助車削Ni718 和C263 等高溫合金并和普通車削加工質量進行對比試驗表明，超聲輔助車削的加工表面粗糙度降低25%~50%，圓度提高40%~50%[3]。超聲輔助車削還可應用于鋁基碳化硅等金屬基復合材料的加工，和普通車削加工相比表面粗糙度可降低25% 左右，切削力降低1/3~1/2[4]。超聲輔助車削作為先進的復合加工技術，已在發動機軸、葉輪胚體、機匣和活塞等航空難加工材料零件加工領域獲得了重要應用。

二維的超聲橢圓振動車削（UEVC）是新發展起來的一種加工方法。目前UEVC 的驅動主要包括兩種方式：一種是非共振方式，目前主要是基于平行配置壓電疊堆和相互垂直配置壓電疊堆的直驅結構，這種橢圓振動需要兩個激振源同時激振，其工作原理和基于該原理研制的加工裝置如圖6 所示[5]。另一種是共振方式，主要是利用變幅桿的兩個模態振動組合實現橢圓振動，其工作原理如圖7 所示。

本文由吊籃www.tmdps.cn 聯合整理發布 研究表明，這種方法不僅能夠減小切削力，改善加工精度和表面質量，減少刀具磨損，而且能實現脆性材料延性切削，既可以用于宏觀加工，也可以進行微細結構加工。近幾年來這種加工方法受到國際學術界和工程界的高度關注。此外，名古屋大學的社本教授等人還提出了三維UEVC 的概念，代表了UEVC 的最新進展[6]。

超聲輔助鉆削技術

超聲輔助鉆削技術是在傳統鉆削機床的加工運動基礎上，在旋轉的鉆削工具上施加超聲振動，實現超聲輔助鉆削。圖8 所示為作者研制的超聲輔助鉆削裝置。

超聲輔助鉆削較早應用于鈦合金、高溫合金和復合材料等難加工材料的鉆削加工。利用硬質合金超聲輔助鉆削和普通鉆削鎳基高溫合金材料的出口形貌和切屑形貌如圖9 和圖10 所示。結果表明，超聲輔助鉆削的出口毛刺小且少，切屑為斷續切屑，利于切屑的排出。與普通鉆削加工相比，超聲輔助鉆削高溫合金的表面粗糙度可以降低60%[9]。利用WC 硬質合金鉆頭超聲輔助鉆削Ti6Al4V 鈦合金材料時，切削力比普通鉆削降低20% 左右[10]。目前，超聲輔助鉆削在航天器、飛機機體和發動機中難加工材料關鍵零部件的定位孔、連接孔、冷卻孔和深小孔的加工中具有重要應用價值和應用前景，特別在航空航天結構件的加工裝配中，可用于鈦合金蒙皮和復合材料蒙皮與合金骨架之間裝配連接孔加工。復合材料/ 合金疊層結構的鉆孔加工，可以減小鉆削力，延長刀具壽命，減小合金連續切屑對復合材料的損傷，改善鉆孔質量。

超聲輔助磨削技術

超聲輔助磨削技術是采用電鍍或燒結法制備的固結超硬（金剛石和立方氮化硼）磨削工具，在磨削工具或工件上施以超聲振動的復合加工方法。根據施加超聲振動的方式不同，分為兩種形式：一種是在傳統的基礎上，通過在工件上施加超聲振動，實現超聲輔助磨削加工。圖11 所示為在一種在傳統臥式平面磨床上通過對工件上施加超聲振動進行加工的典型超聲輔助磨削加工裝置[11]。另一種是利用或，將超聲振動施加于旋轉的磨削工具上實現超聲輔助磨削加工，也稱為旋轉超聲加工（RUM）。圖12所示為作者研制的采用超聲振動旋轉工具的超聲輔助磨削加工系統。超聲輔助磨削加工系統包括超聲加工電源、超聲功率傳輸裝置、超聲振動刀柄、磨削工具和加工機床等，該系統中的超聲振動刀柄內集成有超聲換能器和傳輸超聲裝置，采用通用刀柄（如HSK、BT 和SK 等刀柄系列）結構與不同的數控機床或加工中心的主軸連接，可夾持杯型砂輪、平行砂輪、空心磨頭、圓柱磨頭、球形磨頭等不同結構形式的磨削工具。該系統利用磨削工具的軸向超聲振動和旋轉運動，并結合數控機床或加工中心的加工運動，可以實現平面、內外圓面、制孔、型腔和復雜曲面的超聲輔助磨削。

作者采用超聲振動刀柄夾持電鍍金剛石砂輪加工了碳纖維復合材料、鋁基碳化硅復合材料、反應燒結碳化硅陶瓷和光學玻璃等難加工材料取得較好的加工效果。其中采用電鍍金剛石杯形砂輪進行碳纖維復合材料超聲輔助平面磨削和普通磨削后的加工表面和砂輪表面形貌分別如圖14 所示。結果表明超聲輔助磨削加工的表面纖維絲翹起較少，邊沿沒有毛刺；超聲輔助磨削后的工具表面磨粒磨損小，本文由吊籃www.tmdps.cn 聯合整理發布 工具表面幾乎沒有堵塞現象；超聲輔助磨削時磨削力可以降低約50%，表面粗糙度改善約10%~30%[13]。超聲輔助磨削加工C/SiC 陶瓷基復合材料，磨削力可降低約20%，表面粗糙度可改善約30%[12]。

以固結金剛石的空心磨頭為磨削工具“以磨代鉆”是進行陶瓷、玻璃和復合材料等硬脆難加工材料高效精密制孔的有效加工方法。在此基礎上，采用超聲振動刀柄夾持電鍍或燒結金剛石空心磨削工具，可以實現這些硬脆難加工材料的超聲輔助磨削制孔。

利用電鍍金剛石空心磨頭對碳纖維復合材料進行超聲輔助磨削和普通磨削制孔加工, 加工后的出口形貌和工具表面形貌如17 所示.由圖可以看出超聲輔助磨削加工孔的出口處幾乎沒有毛刺工具磨損較小，幾乎沒有堵塞現象[14]。采用金屬結合劑金剛石空心磨頭進行陶瓷基復合材料超聲輔助磨削制孔，與普通磨削制孔相比，軸向磨削力可以降低約60%，加工效率可以提高約10%，且孔壁和進出口質量明顯改善[15]。近年來，德國在超聲輔助加工技術應用方面處于領先水平。德國的Hermann Sauer 公司和Deckel Maho公司將超聲技術和先進的機床技術相結合，開發出了ULTRASONIC 系列超聲復合加工中心，已在光學、醫藥、半導體、汽車和航空航天等工業領域得到應用。

超聲輔助切割加工技術

超聲輔助切割加工技術是在傳統切割加工工具上施加超聲振動的一種復合切削加工技術。采用固結磨料旋轉將鋸片切割技術用于陶瓷、光學玻璃和藍寶石等硬脆材料劃片、開槽、切斷等加工。在硅和藍寶石晶圓、面板玻璃等劃片和切割中得到廣泛應用。日本DISCO 公司在已有金剛石薄鋸片切割技術基礎上，開發了采用旋轉切割片的超聲輔助切割加工技術[16]。采用金剛石旋轉切割片進行超聲輔助切割時，切割力更小，切割片不易堵塞，刀具壽命，可以采用高進給速度提高加工效率3倍以上，可使用更細粒度的切割片獲得更好的加工質量和使用更薄的切割片獲得更窄的切縫。

采用硬質合金尖刀和圓片刀等切割刀片的超聲輔助切割加工技術主要用于復合材料鋪設時預浸纖維材料的裁剪和下料以及蜂窩結構復合材料的切割和復雜型面加工等。與普通切割相比，采用超聲輔助切割時，切削力小，材料不易變形，可提高切割精度；可以采用高的進給速度大幅度提高加工效率；可以減小刀具與工件間的摩擦力，降低切割溫度，減小刀具磨損；可以解決普通切割加工中粘刀等問題。

結束語

復合加工技術是先進加工技術的重要發展方向之一，超聲輔助切削加工技術是涉及技術領域較寬，應用范圍較廣的先進復合加工技術。國內外對難加工材料超聲輔助切削加工技術的基礎研究和應用研究結果表明，這種先進復合加工技術可以有效降低切削力、提高加工質量和精度、減少刀具磨損和提高加工效率，既可用于碳纖維復合材料、顆粒增強復合材料、陶瓷及陶瓷基復合材料等復合材料結構本文由吊籃www.tmdps.cn 聯合整理發布 件的加工，也可用于光學棱鏡、陶瓷盤、玻璃腔體、反射鏡輕量化結構和陶瓷活塞等硬脆材料精密零件的加工，在航空航天等領域具有廣闊的應用前景。為了實現難加工材料高質量、高精度、高效率的加工，滿足不同應用領域難加工材料零件的加工要求，目前，超聲輔助切削加工技術通過借鑒其他加工技術的發展經驗，正不斷向微細化、高效化、精密化、自動化和智能化等方向發展。(end)文章內容僅供參考()()(2012-8-24)

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第二篇：難加工材料的切削加工技術

難加工材料的切削加工技術

潘 飛

（常州鐵道高等職業技術學校機械工程系

江蘇

常州

213011）

摘 要：隨著社會的不斷發展，對材料的要求也越高，對切削加工也提出了更高的要求。本文針對這一問題，著重講述切削難加工材料應考慮的幾個方面。

關鍵詞：難加工材料；切削加工

近年來，機械產品多功能、高功能化的發展勢頭十分強勁，要求零件必須實現小型化、微細化。為了滿足這些要求，則所用材料必須具有高硬度、高韌性和高耐磨性，而具有這些特性的材料其加工難度也特別大，因此又出現了新的難加工材料。難加工材料就是這樣隨著時代的發展及專業領域的不同而出現，其特有的加工技術也隨著時代及各專業領域的研究開發而不斷向前發展。另一方面，隨著信息化社會的到來，難加工材料切削技術信息也可通過因特網互相交流，因此，今后有關難加工材料切削加工的數據等信息將會更加充實，加工效率也必然會進一步提高。難加工材料的界定及具體品種，隨時代及專業領域而各有不同。

一、切削領域中的難加工材料

在切削加工中，通常出現的刀具磨損包括如下兩種形態：(1)由于機械作用而出現的磨損，如崩刃或磨粒磨損等；(2)由于熱及化學作用而出現的磨損，如粘結、擴散、腐蝕等磨損，以及由切削刃軟化、溶融而產生的破斷、熱疲勞、熱龜裂等。切削難加工材料時，在很短時間內即出現上述刀具磨損，這是由于被加工材料中存在較多促使刀具磨損的因素。例如，多數難加工材料均具有熱傳導率較低的特點，切削時產生的熱量很難擴散，致使刀具刃尖溫度很高，切削刃受熱影響極為明顯。這種影響的結果會使刀具材料中的粘結劑在高溫下粘結強度下降，WC(碳化鎢)等粒子易于分離出去，從而加速了刀具磨損。另外，難加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高溫條件下產生反應，出現成分析出、脫落，或生成其他化合物，這將加速形成崩刃等刀具磨損現象。在切削高硬度、高韌性被加工材料時，切削刃的溫度很高，也會出現與切削難加工材料時類似的刀具磨損。如切削高硬度鋼時，與切削一般鋼材相比，切削力更大，刀具剛性不足將會引起崩刃等現象，使刀具壽命不穩定，而且會縮短刀具壽命，尤其是加工生成短切屑的工件材料時，會在切削刃附近產生月牙洼磨損，往往在短時間內即出現刀具破損。在切削超耐熱合金時，由于材料的高溫硬度很高，切削時的應力大量集中在刃尖處，這將導致切削刃產生塑性變形；同時，由于加工硬化而引起的邊界磨損也比較嚴重。由于這些特點，所以要求用戶在切削難加工材料時，必須慎重選擇刀具品種和切削條件，以獲得理想的加工效果。

二、難加工材料在切削加工中應注意的問題

切削加工大致分為車削、銑削及以中心齒為主的切削(鉆頭、立銑刀的端面切削等)，這些切削加工的切削熱對刃尖的影響也各不相同。車削是一種連續切削，刃尖承受的切削力無明顯變化，切削熱連續作用于切削刃上；銑削則是一種間斷切削，切削力是斷續作用于刃尖，切削時將發生振動，刃尖所受的熱影響，是切削時的加熱和非切削時的冷卻交替進行，總的受熱量比車削時少。銑削時的切削熱是一種斷續加熱現象，刀齒在非切削時即被冷卻，這將有利于刀具壽命的延長。日本理化研究所對車削和銑削的刀具壽命作了對比試驗，銑削所用刀具為球頭立銑刀，車削為一般車刀，兩者在相同的被加工材料和切削條件(由于切削方式不同，切削深度、進給量、切削速度等只能做到大體一致)及同一環境條件下進行切削對比試驗，結果表明，銑削加工對延長刀具壽命更為有利。利用帶有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的鉆頭、球頭立銑刀等刀具進行切削時，經常出現靠近中心刃處工具壽命低下的情況，但仍比車削加工時強。在切削難加工材料時，切削刃受熱影響較大，常常會降低刀具壽命，切削方式如為銑削，則刀具壽命會相對長一些。但難加工材料不能自始至終全部采用銑削加工，中間總會有需要進行車削或鉆削加工的時候，因此，應針對不同切削方式，采取相應的技術措施，提高加工效率。

三、切削難加工材料用的刀具材料

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)的高溫硬度是現有刀具材料中最高的，最適合用于難加工材料的切削加工。新型涂層硬質合金是以超細晶粒合金作基體，選用高溫硬度良好的涂層材料加以涂層處理，這種材料具有優異的耐磨性，也是可用于難加工材料切削的優良刀具材料之一。難加工材料中的鈦、鈦合金由于化學活性高，熱傳導率低，可選用金剛石刀具進行切削加工。CBN燒結體刀具適用于高硬度鋼及鑄鐵等材料的切削加工，CBN成分含量越高，刀具壽命也越長，切削用量也可相應提高。據報道，目前已開發出不使用粘結劑的CBN燒結體。金剛石燒結體刀具適用于鋁合金、純銅等材料的切削加工。金剛石刀具刃口鋒利，熱傳導率高，刃尖滯留的熱量較少，可將積屑瘤等粘附物的發生控制在最低限度之內。在切削純鈦和鈦合金時，選用單晶金剛石刀具切削比較穩定，可延長刀具壽命。涂層硬質合金刀具幾乎適用于各種難加工材料的切削加工，但涂層的性能(單一涂層和復合涂層)差異很大，因此，應根據不同的加工對象，選用適宜的涂層刀具材料。據報道，最近已開發出金剛石涂層硬質合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂層硬質合金，使涂層刀具的應用范圍進一步擴大，并已可用于高速切削加工領域。

四、切削難加工材料的刀具形狀

在切削難加工材料時，刀具形狀的最佳化可充分發揮刀具材料的性能。選擇與難加工材料特點相適應的前角、后角、切入角等刀具幾何形狀和對刃尖進行適當處理，對提高切削精度和延長刀具壽命有很大的影響，因此，在刀具形狀方面決不能掉以輕心。但是，隨著高速銑削技術的推廣應用，近來已逐漸采用小切深以減輕刀齒負荷，采用逆銑并提高進給速度，因此，對切削刃形狀的設計思路也有所改變。對難加工材料進行鉆削加工時，增大鉆尖角，進行十字形修磨，是降低扭矩和切削熱的有效途徑，它可將切削與切削面的接觸面積控制在最小范圍之內，這對延長刀具壽命和提高切削條件十分有利。鉆頭在鉆孔加工時，切削熱極易滯留在切削刃附近，而且排屑也很困難，在切削難加工材料時，這些問題更為突出，必須給以足夠的關注。

為了便于排屑，通常在鉆頭切削刃后側設有冷卻液噴出口，可供給充足的水溶性冷卻液或霧狀冷卻劑等，使排屑變得更為順暢，這種方式對切削刃的冷卻效果也很理想。近年來，已開發出一些潤滑性能良好的涂層物質，這些物質涂鍍在鉆頭表面后，用其加工3～5D的淺孔時，可采用干式鉆削方式。孔的精加工歷來采用鏜削方式，不過近來已逐漸由傳統的連續切削方式改變為采用等高線切削這類間斷切削方式，這種方式對提高排屑性能和延長工具壽命均更為有利。因此，這種間斷切削用的鏜削刀具設計出來后，立即被應用于汽車零件的CNC切削加工。在螺紋孔加工方面，目前也采用螺旋切削插補方式，切螺紋用的立銑刀已大量投放市場。如上所述，這種由原來連續切削向間斷切削的轉換，是隨著對CNC切削理解的加深而進行的，這是一個漸進的過程。采用此種切削方式切削難加工材料時，可保持切削的平穩性，且有利于延長工具壽命。

五、難加工材料的切削條件

難加工材料的切削條件歷來都設定得比較低，隨著刀具性能的提高，高速高精度CNC機床的出現，以及高速銑削方式的引進等，目前，難加工材料的切削已進入高速加工、刀具長壽命化的時期。現在，采用小切深以減輕刀具切削刃負荷，從而可提高切削速度和進給速度的加工方式，已成為切削難加工材料的最佳方式。當然，選擇適應難加工材料特有性能的刀具材料和刀具幾何形狀也極為重要，而且應力求刀具切削軌跡的最佳化。例如，鉆削不銹鋼等材料時，由于材料熱傳導率很低，因此，必須防止切削熱大量滯留在切削刃上，為此應盡可能采用間斷切削，以避免切削刃和切削面摩擦生熱，這將有助于延長工具壽命和保證切削的穩定。用球頭立銑刀對難加工材料進行粗加工時，工具形狀和夾具應很好配合，這樣可提高刀具切削部分的振擺精度和夾持剛性，以便在高速回轉條件下，保證將每齒進給量提高到最大限度，同時也可延長工具壽命。

如前所述，難加工材料的最佳切削方法是不斷發展的，新的難加工材料不斷出現，對新材料的加工總是不斷困擾著工程技術人員。最近，新型加工中心、切削工具、夾具及CNC切削等技術發展非常迅速，而且在切削加工之外，CNC磨削、CNC電加工等技術也得到空前的發展，難加工材料的加工技術選擇范圍已大為擴展。當然，有關難加工材料加工信息的收集與對該技術的深入理解，還不能盡如人意，正因為如此，而對難加工材料的不斷涌現，人們總是感到加工技術有些力不從心。例如，前述車削加工由連續切削向間斷切削轉換，便有利于延長工具壽命，新型涂層硬質合金刀具的使用，使難加工材料切削技術水平得到進一步提高。在難加工材料的切削加工中應特別重視工具壽命的穩定，不僅工件材料要和刀具性能妥善配伍，而且對加工尺寸、加工表面粗糙度、形狀精度等的要求也極嚴格，因此，不僅應特別注意刀具選用，對工件的夾持方式等相關技術也不能掉以輕心。今后，難加工材料零件的加工將采取CAD/CAM、CNC切削加工等計算機控制的生產方式，因此，數據庫的建構、工具設計與制作等工具管理系統的完善，都極為重要。難加工材料切削加工中，適用的刀具、夾具、工序安排、工具軌跡的確定等有關切削條件的數據，均應作為基礎數據加以積累，使零件生產方式沿著以IT化為基礎的方向發展，這樣，難加工材料的切削加工技術才能較快地步入一個新的階段。

第三篇：難切削材料切削加工技術

先進制造技術

學 院： 機械工程學院

專 業： 機 械 工 程

2013年 1 月 5日

難切削材料切削加工技術

摘要：本文闡述了難切削加工材料的定義，簡單地介紹了幾類難加工材料，從切削力、切削溫度、刀具磨損等方面介紹了難加工材料的加工特點，并對其產生原因進行了分析。針對難加工材料在加工過程中出現的問題，本文描述了改善難加工材料的切削加工性的方法及其機理，具體對改變材料本身特性、選擇刀具材料、潤滑冷卻方式進行詳細介紹。關鍵詞：難加工；材料；加工性；加工技術

Difficult cutting material machining

technology

Wang Xuebin(Guizhou university mechanical engineering institute Guiyang guizhou 550025）

Abstract：This paper expounds the definition of material to cutting processing, and difficult-to-machine materials processing features was reviewed ,Simply introduce several kind of difficult processing materials, from the sides of cutting force, cutting temperature, tool wear , etc, and its reasons were analyzed.For these problems that exist in the process of machining difficult-to-machine materials , this paper describes the method that improve difficult-to-machine materials processing cutting features and its mechanism, the concrete is introduced about changing materials itself characteristics, choiceing of cutting tool materials and lubrication cooling way.Key words: difficult processing;Materials;Machining;Processing technology

從某種意義上說，它們對加工的特殊要求起引言 到了促進加工技術發展的作用。現在，人們然而長期以來難加工材料如鈦合金、高已經掌握了很有效的難加工材料加工方法。

溫合金、不銹鋼等其切削加工性極差，給生產帶來效率低、質量差、刀具損耗等問題，難加工材料的定義 一直是加工中的難題。隨著制造業的發展，難加工材料是指難以進行切削加工的21世紀這些材料的用量迅速增加，加工的矛材料，即切削加工性差的材料。切削加工性盾將變得突出。與此同時，產品的材料構成等級代號5級以上的材料均屬于難加工材也不斷優化，新的工程材料也不斷問世，而料。從材料的物理力學性能看，硬度高于每一種切削材料的采用都對切削加工提出

250HBS、強度?b?0.98GPa、延伸率大于了新的要求。如在切削加工比較集中的汽車工業，其發動機、傳動器零件中硅鋁合金的??30%、沖擊值ak?9.8?105J/m2、熱比例在逐漸增加，并開始引入鎂合金和新的高強度鑄鐵以減輕汽車重量，節省能耗。又o系數k?41.9W/(m?C)的均屬于難加工如在航空航天工業，鈦合金、鎳合金以及超耐熱合金、陶瓷等難加工材料的應用比例和材料之列，如鈦合金、高溫合金、不銹鋼、加工難度都將進一度的增加，能否高效加工高強度鋼和超高強度鋼、復合材料以及硬脆這些材料，直接關系到我國汽車、航空航天、材料。

難加工材料的分類： 能源等重要工業的發展速度和制造業整體（1）鈦合金

o鈦是同素異構體，熔點為1720C，在水平，也是對切削技術的最大挑戰。但低于882oC時呈密排六方晶體結構，稱為?鈦；在高于882oC時呈密排六方晶體結構，稱為?鈦。利用鈦的上述兩種結構特點，添加適當的合金元素，使其相變溫度及其相分含量改變而得到不同類型的鈦合金。

鈦合金的性能特點如下：比強度高、熱強度高、抗蝕性好、低溫性好、化學活性大、導熱性差、彈性模量小。

（2）高溫合金

高溫合金又稱耐熱合金或熱強合金，它是多組元的復雜合金，以鐵、鎳、鈷、鈦等為基礎，能在600—1000度的高溫氧化環境及燃氣腐蝕條件下工作，而且還可以在一定應力作用下長期工作，具有良好的熱強行能熱穩定性能和熱疲勞性能。

（3）不銹鋼

不銹鋼是指在大氣中或在某些腐蝕性介質中具有一定的耐腐蝕能力的鋼種。不銹鋼種類很多，按其成分可分為鈷不銹鋼和鈷鎳不銹鋼兩大類。

（4）高強度鋼與超高強度鋼

高強度鋼和超高強度鋼為具有一定合金含量的合金鋼。他們的原始強度、硬度并不高，但經過調質處理（一般為淬火和中溫回火），可獲得較高或很高的強度。

（5）復合材料

復合材料是指兩種或兩種以上的物理和化學性質不同的物質人工制成的多相組成固體材料，是由增強相和基體相復合而成的，并形成界面相。增強相主要是承載相，基體相主要是連接相，界面相的主要作用是傳遞載荷，三者的不同成分和不同復合工藝使復合材料具有不同的性能。

（6）硬脆性材料

硬脆性材料具有高強度、高硬度、高脆性、耐腐蝕和腐蝕、隔熱、低密度和膨脹系數及化學性能好等特點，是一般金屬材料無法比擬的。硬脆性材料由于這些獨特性能而廣泛應用于光學、計算機、汽車、航空航天、化工、紡織、冶金、機械和軍事等領域。

難加工材料的加工特點

難加工材料的切削加工性差一般有以下幾個方面： 高強度： 2 高硬度； 高塑性和高韌性； 4 低塑性和脆性； 5 低導熱性； 有大量微觀硬質點或夾雜物； 7 化學性質活潑

這些性質一般都能使切削過程中切削力加大、切削溫度升高，刀具磨損嚴重，刀具使用壽命縮短，加工表面質量惡化，切削難以控制，最終導致加工效率和加工質量降低，加工成本升高。下面詳細介紹難加工材料的切削加工性及其產生機理。（1）切削力大

凡是硬度和強度高、塑性和韌性大、加工硬化嚴重、親和力大的材料，切削功率消耗大，切削力大。這就要求加工設備功率大，刀具有較高的強度和硬度。表1.1是幾種典型難加工材料的切削力的對比。（2）切削溫度高

由于難加工材料呢往往加工硬化嚴重，強度高，塑性和韌性大，親和力大而導熱系數小，切削過程中會產生較大的熱量，但散熱性能差，因此切削溫度較高。如鈦合金的傳導率只有45鋼的1/6左右，且刀-屑接觸長度短，切削熱集中在切削刃附近，因此切削溫度很高，往往是45鋼的一倍以上。（3）刀具磨損嚴重，使用壽命短

凡是硬度高或有磨粒性質的硬質點多或加工硬化嚴重的材料，刀具的磨料磨損都很嚴重。另外，導熱系數小或刀具材料易親和、黏結也會造成切削溫度高，從而使得黏結磨損和擴散磨損嚴重。因此難加工材料切削過程中使用壽命鉸短。

（4）加工表面粗糙，不以達到進度要求

加工表面硬化嚴重、親和力大、塑性和韌性大的材料，其加工表面粗糙度大，表面質量和精度均不易達到要求。（5）切屑難于處理

強度高、塑性和韌性大的材料，切屑連綿不絕、難以處理。切削過程中，切削應得到很好地控制，不能任其纏繞在工件或刀具上，劃傷已加工表面、損壞刀具，甚至傷人。

難加工材料切削加工性的改善 1.改變材料本身的切削加工性

改善材料本身的切削加工性首先可以采用適當的熱處理方法。在被加工材料化學成分已定的情況下，經過不同的熱處理工藝可得到不同的金相組織，材料的力學、物理性能機加工性將出現很大的差別。故應當采用適當的熱處理方法，并合理安排熱處理加工工序。如低碳鋼的熱塑性很大，可進行冷拔或正火以降低塑性，提高硬度，使切削加工性得到改善；馬氏體不銹鋼也經常進行調質處理，以降低塑性，減少以加工表面粗糙度，使其較易加工；高強度鋼在退火、正火狀態下，切削加工并不太困難，粗加工躲在這時進行；經過調質，高強度鋼的硬度、強度大為提高，變得難加工，此時可進行精加工或半精加工。

其次是可以改變材料的化學成分。在保證材料力學、物理性能的前提下，在鋼中適當添加一些元素，如S、Pb、Ca等，其加工性可得到顯著改善，這樣的鋼稱為“易切鋼”。易切鋼可以使刀具耐用度提高，切削力減小，容易斷屑，提高以加工表面的質量。易切鋼的添加元素幾乎都不能與鋼基體固溶，而已金屬或非金屬夾雜物的狀態分布，從而改變了鋼材的內部結構與加工時的變形狀況，使其加工性得到改善。在奧氏體不銹鋼中添加S元素會降低不銹鋼的抗腐蝕性，可在奧氏體不銹鋼中添加Se元素，所形成的硒化物可提高切削加工性而不影響抗腐蝕性。合理的選用刀具材料

刀具材料的切削性能對切削加工技術的水平影響很大。切削難加工材料時，必須盡可能采用高性能的刀具材料。由于難加工材料種類繁多，性質迥異，在選用刀具時，必須注意刀具材料與被加工材料在力學、物理性能和化學性能之間的合理匹配。

常用于難加工材料切削的刀具材料有高性能高速鋼、粉末冶金高速鋼、添加TaC和NbC的硬質合金、細晶粒和超細晶粒硬

質合金、TiC硬質合金、添加稀土元素的硬質合金、各種陶瓷材料以及CBN和金剛石等超硬材料。

在韌性較好的刀具基體上，進行表面涂層，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層是提高刀具切削性能的有效途徑。與未涂層刀具相比，刀具經過涂層后，可以采用更高的切削速度，或在同樣的切削速度下大幅度地提高刀具使用壽命，也可以減少刀具與工件材料之間的摩擦系數，從而減少切削力，改善被加工材料的表面質量。

采用PVD方法在高速鋼基體上可涂覆一層致密、堅硬、厚度為幾微米的氮化物或碳化物，使高速鋼刀具的壽命和切削性能得到大幅度地提高。這種加工方法適用于麻花鉆、立銑刀、絲錐、齒輪滾刀和插齒刀等重磨前刀面的刀具。采用PVD和CVD的方法在韌性較好的硬質合金基體上涂覆一層或多層的高硬度和高耐磨性的材料，可獲得高韌性又有高耐磨性的刀具材料。3.合理的適用潤滑冷卻方式

在難加工材料切削過程中，合理使用切削液尤為重要。切削液基本上分為三類：切削油、乳化液、合成切削液。切削油的組要成分是礦物油；乳化液系用乳化油加水稀釋而成；而乳化油則由礦物質油、乳化劑及其他物質配成；合成切削液是水基，再加入其他成分構成。以上三類切削液均需加入各種添加劑。切削液具有冷卻作用和潤滑作用，能夠有效的降低切削區刀具表面和工件表面的溫度，改善刀具與切屑、工件表面之間的摩擦狀態，從而減小刀具磨損并提高以加工表面質量；切削液有清洗作用，能將碎屑（如切鑄鐵）和粉屑（如磨削）沖走；切削液還能防銹，工作性能穩定，且不污染環境，并對人體無害。同時，在金屬切削加工領域也可采用低溫霧化切削、油霧冷卻、低溫冷風切削、MQL微量潤滑等綠色切削技術。4.采用其他加工方法 1 熱處理滲入可逆元素 對于某些材料還可以通過熱處理滲入可逆元素來改善切削加工性，加工完成后去除可逆元素，保持工件的原有特性，如鈦合金滲氫處理切削加工性顯著改善，切削加工后在進行去氫處理。局部加熱切削加工 在切削加工中，局部加熱工件切削區域可使材料切削變形區的應力降低，切削力則相應降低，有利于提高刀具使用壽命，切削速度可提高。但加熱切削法對被加工表面和表層的物理力學性能有影響，選用時應謹慎。低溫切削加工 切削過程中通過一定的強制冷卻手段使得工件保持低溫狀態，工件的力學性能向有利于切削加工的趨勢變化，刀具則因低溫環境切削加工性能更好，壽命提高。磁化切削加工 使工件和刀具兩者之一被磁化，切削過程中帶磁切削，切削加工性可得到改善。振動切削加工 低頻振動切削具有很好的斷屑效果，可不斷用斷屑裝置，使刀刃強度增加，切削時總功率消耗比帶有斷屑裝置的普通切屑降低40%左右。高頻振動切削也稱超聲波振動切削，有助于減小刀具與工件之間的摩擦，降低切削溫度，減少刀具的粘著磨損，從而提高切削效率和加工表面質量，刀具壽命約可提高40%。

結束語：

難加工材料加工技術是機械加工工業的關鍵技術，它的發展體現著國家制造業的制造水平。目前難加工材料加工技術發展日趨成熟，已經實現了對鈦合金、高溫合金、不銹鋼等多種難加工材料的加工。但隨著科學技術的發展，必將對產品零部件的性能提出新的和特殊的要求，會有更多難加工材料需要加工，難加工材料加工技術也將會得到更加廣泛的應用。

[1]張念淮.難加工金屬材料的切削加工技術[J].鄭州鐵路職業技術學院學報.2008（7）[2]鄭文虎，等.難切削材料加工技術問答[M].北京出版社，2001.55-73 [3]左敦穩，黎向峰，等.現代加工技術[M].北京航空航天大學出版社.2009（8）314-362 [4]鄒西洋，難加工材料的特性及其應用前景.金屬處理第28卷第4期：44-46 [5]吳成建，陳國良等.金屬材料學[M].冶金工

業出版社，2009.18-53

[6]韓榮第，于啟勛，難加工材料切削加工[M].，北京：機械工業出版社，1996.123-150 [7]李啟芳，難加工材料的加工技術[M].，北京：北京科學技術出版社，1992.153-167

第四篇：第一章 切削加工基礎知識

第一章 切削加工基礎知識

一、本章的教學目的與要求

本章主要介紹了機械加工基礎知識。重點應掌握切削運動及切削用量概念；切削刀具及其材料基本知識；切削過程的物理現象及控制；砂輪及磨削過程基本知識；材料切削加工性概念；機械加工工藝過程基本概念；機械加工質量的概念等。掌握本章內容為后續內容的學習打基礎，為初步具備分析、解決工藝問題的能力打基礎，為學生了解現代機械制造技術和模式及其發展打基礎。學生學習本章要注意理論聯系生產實踐，才能更好體會，加深理解。可通過課堂討論、作業練習、實驗、校內外參觀等及采用多媒體、網絡等現代教學手段學習，以取得良好的教學效果。為學好本章內容，可參閱鄧文英主編《金屬工藝學》第4版、傅水根主編《機械制造工藝基礎》(金屬工藝學冷加工部分)、李愛菊等主編《現代工程材料成形與制造工藝基礎》下冊及相關機械制造方面的教材和期刊。

二、授課主要內容

1切削運動和切削要素

主要學習零件表面的形成、切削運動、切削用量、切削層參數 2切削刀具和切削過程

主要學習切削刀具材料、車刀、刨刀、鏜刀、麻花鉆、銑刀的結構及刀具幾何角度，切削的形成及形態、積屑瘤、切削力、切削熱和切削溫度、刀具磨損和刀具耐用度

3磨具和磨料切削 主要學習磨具和磨削原理 4材料的切削加工性

主要學習衡量材料切削加工性能的指標、常用材料的切削加工性、改善材料切削加工性的方法

5機械加工工藝過程基本概念

主要學習工藝過程的基本概念、工件的安裝和夾具、基準及其選擇原則、工件在夾具中的定位

6機械加工質量的概念

主要學習機械加工精度、機械加工表面質量

三、重點、難點及對學生的要求（掌握、熟悉、了解、自學）

讓學生重點掌握切削運動及切削用量概念、切削刀具及其材料基本知識、切削過程、砂輪及磨削過程、材料切削加工性、機械加工工藝過程基本概念；機械加工質量等概念。

四、要外語詞匯

主運動：primary motion 進給運動：feed movement 車刀：turning tools 刀具材料：cutting tools materials 切削過程：cutting process 磨具：abrasive grinding tools 表面質量：machining quality of machined surfaces

五、輔助教學情況（多媒體課件、板書、繪圖、標本、示數等）

主講（板書）+課堂討論+作題練習+實驗+多媒體課件+實物

六、復習思考題

1.試說明下列加工方法的主運動和進給運動：

a.車端面；b.在鉆床上鉆孔；c.在銑床上銑平面；d.在牛頭刨床上刨平面；e.在平面磨床上 磨平面。

2.試說明車削時的切削用量三要素，并簡述粗、精加工時切削用量的選擇原則。

3.車外圓時，已知工件轉速n=320 r/min，車刀進給速度vf=64 mm/min，其它條件如題圖1-1所示，試求切削速度vc、進給量f、背吃刀量ap、切削層公稱橫截面積AD、切削層公稱寬度bD和厚度hD。

4.彎頭車刀刀頭的幾何形狀如題圖1-2所示，試分別說明車外圓、車端面(由外向中心進給)時的主切削刃、刀尖、前角γ0、主后角ao、主偏角kr和副偏角kr'。

題圖1-1

題圖1-2 5.簡述車刀前角、后角、主偏角、副偏角和刃傾角的作用及選擇原則。

6.機夾可轉位式車刀有哪些優點? 7.刀具切削部分材料應具備哪些基本性能?常用的刀具材料有哪些? 8.高速鋼和硬質合金在性能上的主要區別是什么?各適合做哪些刀具? 9.切屑是如何形成的?常見的有哪幾種? 10.積屑瘤是如何形成的?它對切削加工有哪些影響?生產中最有效的控制積屑瘤的手段是什么? 11.設用γ0=15°, ao=8°, kr=75°, kr'=10°,?s =0°的硬質合金車刀，在C6132型臥式車床上車削45鋼(正火，187HBS)軸件的外圓，切削用量為vc=100 mm/min、f=0.3 mm/r、ap=4 mm，試用切削層單位面積切削力kc計算切削力Fc和切削功率Pm。若機床傳動效率η=0.75，機床主電動機功率PE=4.5 kW，試問電動機功率是否足夠? 12.切削熱對切削加工有什么影響? 13.背吃刀量和進給量對切削力和切削溫度的影響是否一樣?如何運用這一規律指導生產實踐? 14.切削液的主要作用是什么?常根據哪些主要因素選用切削液? 15.刀具的磨損形式有哪幾種?在刀具磨損過程中一般分為幾個磨損階段?刀具壽命的含義和作用是什么? 16.試分析砂輪磨削金屬與刀具切削金屬的過程及原理有何異同?原因何在? 17.如何評價材料切削加工性的好壞?最常用的衡量指標?如何改善材料切削加工性? 18.什么是生產過程、工藝過程、工序和安裝? 19.生產類型有哪幾種? 汽車、電視機、金屬切削機床、大型軋鋼機的生產各屬于哪種生產類型? 各有何特征? 20.機械加工中，工件的安裝方法有哪幾類? 各適用于什么場合? 21.什么是夾具? 按其用途不同，夾具分為哪幾類? 各適用于什么場合? 22.何謂基準?根據作用的不同，基準分為哪幾種? 23.何謂粗基準和精基準? 試述粗、精基準的選擇原則各是什么? 24.試選擇如題圖1-3所示三個零件的粗、精基準。其中題圖1-3a是齒輪，m=2,Z=37，毛坯為熱軋棒料；題圖1-3b是液壓油缸，毛坯為鑄鐵件，孔已鑄出；題圖1-3c是飛輪，毛坯為鑄件。均為批量生產。圖中除了標有不加工符號的表面外，均為加工表面。25.何謂工件的六點定位原理?加工時，工件是否都要完全定位? 26.什么是加工精度?包括哪些內容? 27.機械加工表面質量的含義是什么?它與表面粗糙度有何區別?圖樣上常標注哪一項?

題圖1-3

七、參考教材（資料）孫大涌主編.先進制造技術.北京：機械工業出版社，2000 2 李偉光主編.現代制造技術.北京：機械工業出版社，2001 3 機械工程手冊編輯委員會.機械工程手冊：機械制造工藝及設備卷(二)第2版.北京：機械工業出版社，1997 4 鄧文英主編.金屬工藝學第4版.北京：高等教育出版社，2000 5 吳桓文主編.工程材料及機械制造基礎(Ⅲ)機械加工工藝基礎.北京：高等教育出版社，1990 6 盧秉恒主編.機械制造技術基礎.北京：機械工業出版社，1999 7 張世昌，李 旦等.機械制造技術基礎.北京：高等教育出版社，2001 8 傅水根主編.機械制造工藝基礎(金屬工藝學冷加工部分).北京：清華大學出版社，1998 9 李愛菊，王守成等.現代工程材料成形與制造工藝基礎(下冊).北京：機械工業出版社，2001 10 賈青云，李冬妮等.現代汽車制造技術之機械加工：世界汽車技術發展跟蹤研究(一).汽車工藝與材料，2002，(4)11 苗赫濯，齊龍浩等.新型陶瓷刀具在機械工程中的應用.機械工程學報，2002，38(2)

第一章 機械加工基礎知識

切削加工是使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)，在工具和工件的相對運動中，把工件上多余的材料層切除，使工件獲得規定的幾何參數(尺寸、形狀、位置)和表面質量的加工方法。

第一節 切削運動及切削要素

一、零件表面的形成

1.基本表面：外圓面、內圓面(孔)、平面 2.成形面：螺紋、齒輪的齒形等

這些表面可分別用圖1-1所示的相應加工方法來獲得。

圖1-1 零件不同表面加工時的切削運動

二、切削運動

切削運動(cutting motions)：在切削加工中，刀具和工件間必須有一定的相對運動。切削運動可以是旋轉運動或直線運動，也可以是連續的或間歇的 切削運動包括主運動(圖中Ⅰ)和進給運動(圖中Ⅱ)。

主運動(primary motion)是使刀具和工件之間產生相對運動，促使刀具接近工件而實現切削的運動。如圖1-2所示工件的旋轉運動。主運動速度最高，消耗功率最大。主運動只有一個。

進給運動(feed movement)使刀具與工件之間產生附加的相對運動，加上主運動，即可連續地切除余量，如圖1-2所示車刀的移動。進給運動可以是1個或多個

圖1-2 切削運動和加工表面

三、切削用量

切削用量(cutting conditions)包括切削速度vc、進給量f(或進給速度vf)和背吃刀量aP；三要素。

1.切削速度

切削刃上選定點相對工件主運動的瞬時速度稱為切削速度(cutting speed)，以vc表示，單位為m/s或m/min。

若主運動為旋轉運動(如車削、銑削等)，切削速度一般為其最大線速度。 vc??dn1000 m/s或m/min 式中：d—工件(或刀具)的直徑，mm；n—工件(或刀具)的轉速，r/s或r/min。

若主運動為往復直線運動(如刨削、插削等)，則常以其平均速度為切削速度，即：  vc?2Lnr m/s或m/min 1000式中：L—往復行程長度，mm；nr——主運動每秒或每分鐘的往復次數，str/s或str/min。

2.進給量

刀具在進給運動方向上相對工件的位移量稱為進給量(feed rate)。

用單齒刀具(如車刀、刨刀等)加工時，進給量常用刀具或工件每轉或每行程刀具在進給

運動方向上相對工件的位移量來度量，稱為每轉進給量或每行程進給量，以f表示，單位為mm/r或mm/str。

用多齒刀具(如銑刀、鉆頭等)加工時，進給運動的瞬時速度稱進給速度，以vf表示，單位為mm/s或mm/min。刀具每轉或每行程中每齒相對工作進給運動方向上的位移量，稱每齒進給量，以fz表示，單位為mm/z。fz、f、vf之間有如下關系：

 vf?fn?fzzn mm/s或mm/min 式中：n—刀具或工件轉速，r/s或r/min；z—刀具的齒數。

3.背吃刀量

在通過切削刃上選定點并垂直于該點主運動方向的切削層尺寸平面中，垂直于進給運動方向測量的切削層尺寸，稱為背吃刀量(back engagement of the cutting edge)，以aP表示，單位為mm。如圖1-2所示，車外圓時，aP可用下式計算，即  ap?dw?dm mm 2式中：dw、dm—工件待加工和已加工表面直徑，mm。

工件上由主切削刃形成的那部分表面是過渡表面。

四、切削層參數

切削層是指切削過程中，由刀具切削部分的一個單一動作(如車削時工件轉一圈，車刀主切削刃移動一段距離)所切除的工件材料層。它決定了切屑的尺寸及刀具切削部分的載荷。切削層的尺寸和形狀，通常是在切削層尺寸平面中測量的，如圖1-3所示。

(1)切削層公稱橫截面積AD 在給定瞬間，切削層在切削層尺寸平面里的實際橫截面積，單位為mm2。

(2)切削層公稱寬度bD 在給定瞬間，作用于主切削刃截形上兩個極限點間的距離，在切削層尺寸平面中測量，單位為mm。

(3)切削層公稱厚度hD 同一瞬間切削層公稱橫截面積與其公稱寬度之比，單位為mm。由定義可知

 AD?bDhDmm2

因AD不包括殘留面積，而且在各種加工方法中AD與進給量和背吃刀量的關系不同，所以AD不等于f和aP的積。只有在車削加工中，當殘留面積很小時才能近似地認為它們相等，即

AD?fap mm

第五篇：數控切削加工領域的數字化測量技術

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數控切削加工領域的數字化測量技術

作者：彭林波 何蔚 鄧文科

來源：《科技創新導報》2011年第17期

摘 要:在數控切削加工中,數控切削加工技術是一項要求非常嚴格的工作,合格的數控切削技術操作不但能確保工件的加工質量,還能實現高速、高效而精密的數控切削。本文從分析數控切削加工中數字化測量技術的基本概況入手,進而探討當代數字化的測量技術和量具量儀的發展,具體研究了數字測量技術在數控切削加工領域的運用。

關鍵詞:數控技術數字化測量原理精磨測量技術

中圖分類號:TH16 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0117-01

在機械制造與機械加工行業中,要實現高效率、高精度、功能齊全、過程穩定的數控切削加工,我們就一定要注重數字化測量操作。當然,數字化測量操作是一個復雜的過程,牽涉到很多具體的實際操作問題。數字化測量處理出現問題,不但會對數控切削加工中零件的精度產生影響,還會使加工過程面臨刀具和數控機床發生碰撞的潛在危險。為此,本文將重點探討數字化測量的基本原理,并簡單介紹幾種常見的數字化測量精準技巧。數控切削加工中數字化測量的基本原理

我們在數控切削加工機床上進行先進的切削加工,就一定要用到先進的數控切削刀具,我們首先要通過數字化測量來具體確定工件的坐標系中刀具刀位點的起始位置,也就是我們通常所說的數字化測量點或者起刀點;再通過定位裝夾來確定機床坐標系中工件的具體位置。這類高速且高效、精密又復雜、兼具穩定可靠和綠色環保的先進數控切削加工技術就離不開精準的數字化測量技術與儀器,數字化的測量技術在數控切削刀具從設計制造再到使用的整個刀具產品的生命周期過程中都起著非常重要的作用。

數控加工工藝要考慮加工零件的工藝性,加工零件的定位基準和裝夾方式,也要選擇刀具,制定工藝路線、切削方法及工藝參數等,而這些在常規工藝中均可以簡化處理。因此,數控加工工藝比普通加工工藝要復雜得多,影響因素也多,因而有必要對數控編程的全過程進行綜合分析、合理安排,然后整體完善。相同的數控加工任務,可以有多個數控工藝方案,既可以選擇以加工部位作為主線安排工藝,也可以選擇以加工刀具作為主線來安排工藝。數控加工工藝的多樣化是數控加工工藝的一個特色,是與傳統加工工藝的顯著區別。

由于數控加工的自動化程度較高,相對而言,數控加工的自適應能力就較差。而且數控加工的影響因素較多,比較復雜,需要對數控加工的全過程深思熟慮,數控工藝設計必須具有很好的條理性,也就是說,數控加工工藝的設計過程必須周密、嚴謹,沒有錯誤。

凡經過調試、校驗和試切削過程驗證的,并在數控加工實踐中證明是好的數控加工工藝,都可以作為模板,供后續加工相類似零件調用,這樣不僅節約時間,而且可以保證質量。作為模板本身在調用中也是一個不斷修改完善的過程,可以達到逐步標準化、系列化的效果。

由于數控加工的自動化程度高,安全和質量是至關重要的。數控加工工藝必須經過驗證后才能用于指導生產。在普通機械加工中,工藝員編寫的工藝文件可以直接下到生產線用于指導生產,一般不需要上述的復雜過程。數控切削加工中數字化測量技術簡介

隨著科學技術和模具制造工藝的進一步發展,企業在數控切削加工中運用越來越多的數字化測量儀器來實現數控機床數字化測量操作的高效率和高精度,對于一些需要通過復雜數字化測量的工件也有了更多的精準技巧創新。

2.1 數控刀具與刀片數字化檢測技術

我們在實際的數控操作中主要運用到的是采用了測量的精密成形和復雜組合式的數控刀具與刀片幾何精度方面的非接觸式激光或者光學數字化檢測技術、儀器等。目前由于精磨測量技術的迅速發展,在線測量技術已可進行加工狀態的實時顯示,及時檢測是否出現異常現狀。專用刀具的檢測,需要用到滾刀檢測儀、齒輪測量中心、專業的精密數控拉刀測量儀、弧錐齒輪刀盤檢測儀等專用測量技術與儀器對其進行檢測。測量儀器是深受機床工業影響的行業。目前,組合式數控機床一般采用的技術有:激光技術(傳感技術)、CAD/CAM耦合、激光集成、儀器儀表精密制造。這種機床的優點明顯:在線檢測技術保證了加工過程(工具交換、傳送和放置時間)得到縮短,費用(物流、設備使用負荷)均得到降低,而產品質量(整個流程自動進行)得到提高。

2.2 數控工具系統方面的檢測技術

一般而言,為了確保數字化測量的精度,我們會將數字化測量點盡量設置在工件零件的設計基準或者工藝基準之上。而現代數控工具系統方面的數字化檢測技術發展一般都具有很強的雙面約束性、兩面夾緊定位功能,并準備發展成為其主導結構和功能,它可以為數控刀具的軸系提供綜合的剛度與精度,在幾何精度方面的檢測也要比傳統測量系統更加復雜精密。

2.3 數控刀具在機檢測

在數控刀具進行精度的安裝與切削加工過程中,我們可以選擇一定的數字化測量點對數控刀具進行在機的檢測,實時監控其在使用時和使用后的磨損與破壞狀況。數控切削加工需要對批量產品在技術質量的穩定性和大型的難加工材料工件在加工質量方面進行確保,就需要運用到在機檢測這種重要的技術方法。我們的工廠也迫切地需求這種可以進行可靠的數控刀具的在機精度的檢測與補償調整,并對磨損破損進行實時的監控與維護。數控切削加工中數字化測量技術主要發展方向

隨著生產水平的提高,高效率測量成為測量技術的主要指標,為了實現生產的高速化、高效率,必然要提高測量效率,近年,隨著在線測量技術、非接觸式測量技術的發展,筆者認為,數字化測量技術未來的其主要發展方向如下:

(1)測量精度的進一步發展。將會由傳統檢測儀器三維測量儀、投影儀等的μm級檢測向現代光電檢測設備的nm級發展;

(2)測量水平的發展。其主要表現在測量的范圍上,將會把測量范圍進一步增大,由點到面,由單一方向的測量向整體形狀測量方向發展;

(3)測量可靠性發展。這得益于標準化的日益完善,精密儀器的進一步開發。結語

由于數控機床具體的操作中會使用到種類多樣、尺寸不一的測量工具,數字化的測量技術操作在數控切削加工時起著非常重要的作用。因此,我們一定要掌握現代測量技術操作的原理與要領,明確數字化測量操作中的具體環節,再根據具體的實際情況,選擇合適的數字測量方法、確定正確的程序指令、設置科學合理的測量參數與測量補償值,以期通過精確的數字化測量來實現數控切削加工程序編制的簡化,保證工件的加工質量,提高零件的加工效率。

參考文獻

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