走产学研道路发展高效切削技术-2005-11-北京研讨会-陈明.doc

走产学研道路发展高效切削技术胡俊辉 李铸宇 刘钢 陈明（上海交通大学 上海市华山路1954号 200030）摘 要：现代制造技术的特征是高效、精密、复合、智能和环保，切削技术作为制造技术的主要基础工艺在近年来获得很大发展，对其机理和应用技术研究正在不断深入。现代切削技术对刀具的要求是高精度、高效率、高可靠性和专用化，各类先进切削技术都会涉及到关于刀具、工艺过程和工件材料的共性技术，如刀具设计技术、刀具材料技术、刀具成形技术、刀具涂层技术、刀具测量技术、刀具切削性能评价技术、刀具数据库技术和材料切削加工性评价技术等。上海交通大学切削磨削与刀具研究基地基于切削加工共性技术特点，建立了比较完善的关于刀具和工件材料的切削加工性能评价体系和刀具/切削加工工艺数据库。通过产学研结合，与相关的材料供应企业、刀具制造企业和刀具应用企业进行密切合作，取得一系列既有较高学术价值又有重要实际应用价值的成果，形成了基础科学研究促进应用技术发展、从应用技术中提炼科学问题的良性循环。本文首先介绍了切削加工共性技术概念，然后以奥氏体不锈钢高效钻削钻头的开发过程为例，探讨相关的刀具切削加工性能评价技术；以易切削钢为例，探讨材料切削加工性评价技术；以钛合金高速铣削为例，探讨切削工艺参数与工件加工表面质量之间关系。本文认为，高效切削技术应用成功与否，涉及刀具制造企业、刀具应用企业和材料供应企业，涉及环节多，走产学研结合道路是发展高效切削技术的捷径。关键词：高效切削技术；切削性能评价；实验研究；应用；产学研中图分类号：TG1461. 引言切削技术作为制造技术的主要基础工艺，进入了以发展新刀具、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套装备技术为特征的发展新阶段 1-2。现代制造技术的特征是高效、精密、复合、智能和环保，因而对刀具的要求是高精度、高效率、高可靠性和专用化。高效切削技术应用成功与否，涉及刀具制造企业、刀具应用企业和材料供应企业，涉及环节多，走产学研结合道路是发展高效切削技术的捷径。上海交通大学切削磨削与刀具研究基地在工件材料切削加工性评价研究、新型刀具开发和刀具切削性能评价研究、数控加工工艺过程优化和刀具/切削数据库研究方面进行了卓有成效的工作，积累了宝贵的经验和大量数据。形成了关于切削加工共性技术研究的实验方法和推广应用模式，形成了产学研的良好互动。分别与上海宝山钢铁股份有限公司、上海工具厂有限公司以及相关的航空、航天、汽车和模具制造企业建立了产学研合作关系，一方面解决了企业关心的高效切削技术难题；另外一方面，完善了关于刀具和工件材料的切削加工性能评价体系和刀具/切削加工工艺数据库。基于产学研合作模式，为企业培养了一批技术骨干，同时也为社会培养了一批从事切削加工研究的专业人才，积极推动了切削加工技术的健康发展。各类先进切削技术都会涉及到关于刀具、工艺过程和工件材料的共性技术，如刀具设计、刀具材料、刀具成形、刀具涂层、刀具测量、刀具切削性能评价、刀具数据库和材料切削加工性评价等技术。本文对切削加工性能评价体系涉及的刀具、工件和加工系统进行了详细的分析和阐述。还介绍了刀具/切削加工工艺数据库，用户使用该系统可以方便地针对所加工的材料选定加工刀具和优化切削参数，对工艺过程进行优化，对加工过程的经济性和加工效率进行客观评价，并有利于制造企业物流资源的优化配备和管理。 2. 实验条件和方法 研究基地所使用的加工设备有DMU70V高速加工中心和INDEX G200数控车削中心；刀具涂层设备系统。实验工件材料包括普通合金钢、高强度钢、易切钢（12种）、不锈钢（马氏体、奥氏体和铁素体）、淬硬模具钢（3种）、钛合金（8种）、硅铝合金（共晶、过共晶）、铝合金（3种）、铸铁（灰铸铁、球墨铸铁）、金属基复合材料（各种SiC含量）、纤维增强复合材料（凯夫拉）、防护橡胶、高温合金（9种）以及陶瓷等等；刀具材料包括高速钢、硬质合金、金刚石、立方氮化硼（CBN）以及陶瓷等；刀具的表面处理有氧化处理、TiN涂层、TiAlN涂层、TiCN涂层、TiN+Al2O3+TiCN涂层、AlTiN涂层、金刚石涂层、类金刚石（DLC）涂层以及十余种国内外品牌刀具的复合涂层；使用的刀具包括铣刀、钻头、车刀、丝锥等。 按照刀具切削加工评价体系指导各类切削实验，其体系图如图1所示，在图中列出了大部分实验评定指标。数据的采集和分析分为在线和离线两大类。图1 切削加工评价体系简图在线数据采集和分析是对加工过程进行动态监控。采用Nikon显微镜以及配套的数码照相机实时采集刀具、工件和切屑状态，导入专用的测量软件来进行图像分析；切削力的测量采用KISTLER9272四向压电式测力仪和超精密SDC-DJ2SMM应变式测力仪，以及相应的数据采集与处理系统；采用Bruel & Kjaer加速度传感器和NI数采卡（PCI6024）测量工件和机床主轴的振动信号，进行切削动力学分析；使用自然热电偶（车削）、顶丝法（钻削）、夹丝法（磨削、铣削）和红外热像系统，采集温度信号。应用专制的热电偶标定系统进行热电特性的标定。离线数据采集和分析是对刀具和加工表面质量进行分析。主要有Philips XL30-FEG扫描电镜（SEM）对刀具、工件、切屑形貌进行分析； EDAX能谱分析仪（EDS）分析元素含量；使用D8 Discover GADDS X射线衍射仪分析残余应力和元素价态；表面洛氏硬度计和显微硬度仪采集硬度数据；使用JB-3C表面粗糙度仪采集工件表面粗糙度数据。 图2切削加工数据库系统所有实验数据以刀具/切削数据库形式表达，其界面如图2所示。该数据库系统提供了刀具和切削工艺两方面内容。在“刀具使用指南”中，建立了铣刀、车刀、钻头、丝锥等各类刀具数据，指导用户选择合适的刀具和相关信息，如刀具材料、刀具涂层、刀具几何角度；“切削参数推荐”则是指导用户在确定刀具和加工材料后，根据不同的加工要求选择合适的加工参数。3. 高效切削加工公共技术平台建设近年来, 研究基地在高效切削共性技术方面取得了重要进展，通过与多种类型的企业合作，实现资源优势互补，建立了良好的切削加工服务公共技术平台。对于材料供应企业，研究基地与宝钢集团、材料研究所、复合材料所、硅酸盐所进行合作，进行工件材料切削性能评价及适用刀具技术研究；对于刀具制造企业，研究基地与国内外刀具制造公司、刀具材料制备公司、涂层公司以及CAD/CAM软件公司进行合作，进行高效切削新型刀具开发研究；对于刀具应用企业，与航空、航天、汽车和模具制造部门进行合作，从刀具应用入手，通过优化工艺，得到高效切削的目的。研究基地合作模式如图3所示，研究基地在材料开发企业、刀具制造企业和刀具应用企业三者之间建立了一种良好的互动合作平台，为企业产品提升技术含量、扩大需求和研究基地的自身科研水平的提高提供良好的契机和合作氛围。图3 切削磨削与刀具研究基地作用4. 研究应用成果与讨论以下对研究基地部分研究应用成果进行分析，说明进行切削加工共性技术研究的必要性。4.1 新型刀具的开发对于刀具开发，涉及到的切削加工的共性技术有刀具CAD/CAM技术、刀具几何参数优化、刀具涂层优化、切削参数优化等。本文开发的新型刀具是奥氏体不锈钢实现高效钻削的钻头，奥氏体不锈钢属于难加工材料,钻削加工时存在断屑、排屑困难，刀具磨损严重等问题，加工质量难以保证3。研究基地与上海工具厂合作开发了奥氏体不锈钢高效钻削加工的专用麻花钻，并完成涂层的优选和切削参数的优化，新型钻头寿命明显提高，切削性能显著改善。已经大规模推向市场，为企业创造巨大利润。4.1.1 新型不锈钢专用钻头的开发通过刀具CAD软件建立钻头模型，如图4所示。对高效钻削钻头进行优化设计，采用138钻尖角和38螺旋角参数，实验证明该新型钻头在奥氏体不锈钢的钻削加工过程中有良好的加工性能。图4 参数化刀具设计 图5 新型钻头和标准钻头寿命对比 图6 新型钻头和标准钻头磨损曲线对比新型钻头在耐用度方面得到了较大的提高，在后刀面磨损标准为0.3mm时，耐用度比标准钻头提高达64%，和标准钻头的寿命对比如图5所示，图6展示了两者的磨损曲线。图7到图10展示了新型钻头和标准钻头在钻削过程的切削变形、钻削力、钻削扭矩、切削温度及刀具磨损机理的对比，可以看出新型钻头全面占优。可见新型钻头由于其改进的结构使得磨损状态发生变化，改善了切削环境以及抗磨损性能。 图7 新型钻头和标准钻头切屑变形系数比较图8 新型钻头和标准钻头钻削力和钻削扭矩比较 图9 新型钻头和标准钻头钻削温度比较图10 新型钻头和标准钻头的横刃磨损形态比较4.1.2 刀具涂层设计 涂层高速钢钻头已广泛应用于不锈钢的孔加工，其刀具寿命及综合切削性能大大优于未涂层高速钢钻头4-7。研究基地对不同涂层钻头切削性能进行研究比较，得出了在备选涂层中TiCN涂层最适合中低速加工不锈钢，并将其用于专用钻头的生产。图11 展示了三种不同涂层钻头耐用度对比，TiN涂层由于其较低的耐氧化性以及较低的硬度，耐用度仅有TiAlN涂层的81.5%以及TiCN涂层的66%。图12展示了TiAlN和TiCN涂层钻头的前刀面磨损和EDS分析，可以看出TiAlN涂层钻头磨损以涂层剥落为主，同时伴有Al元素向钻头前刀面基体的渗透，在高温情况下，这种渗透对涂层抗磨损有积极的作用；TiCN涂层钻头的磨损过程中有涂层剥落现象的发生，涂层中的C元素会向钻头前刀面渗透，形成一层高硬度富碳层，这种现象在较低的温度下对切削性能起着积极的作用。图13（从左至右如分别钻削孔数为50，300，500，750）和图14展示了TiCN涂层后刀面磨损和EDS分析，可以看出后刀面动态分析和前刀面分析基本一致，由于TiCN涂层在较低温度下保持高硬度、低摩擦，故此在中低速加工条件下使用高速钢钻头加工奥氏体不锈钢时，表现出了比TiAlN涂层更优良的切削性能。图11 三种涂层钻头耐用度对比 (a) TiAlN 涂层钻头 (b) TiCN 涂层钻头图12 不同涂层钻头前刀面SEM和EDS对比 (a)50 (b) 300 (c) 500 (d) 750图13 TiCN涂层钻头后刀面动态磨损图14 TiCN涂层钻头后刀面典型元素变化图4.2 材料切削性能的评价 对于材料切削性能的评价，涉及的切削加工的共性技术有材料的相对加工性、材料和刀具之间的适配性、材料加工后表面质量和切屑的断屑性能。研究基地和上海宝钢集团合作，为各类普钢和特钢的切削性能评价作了大量工作。本文以新型无铅易切钢切削性能评价为例进行讨论。 易切削钢就是通过加入适量的能改善可切削性的化学元素，从而获得良好的切削加工性能的钢种。目前市场对无铅易切钢的需求不断增加，为了满足这一需求，上海宝钢集团开发出了一批新型无铅钢种，种类达到12种之多，这批钢种区别在于其中微量元素含量的不同，研究基地对这批材料进行了大量车削实验，总车削量达1500公斤，给出了不同钢种相对加工性，并对微量元素含量对车削加工性能的影响进行了研究，为其新钢种的改进和推广提供理论和实验证据。本文选取两种典型的无铅易切钢说明这种切削加工的共性技术的应用，1#易切钢和2#易切钢的区别在于1#钢Cr含量是2#钢的近一倍，而其它元素基本一致。通过实验可以知道Cr对易切钢可切削性的影响。由于Cr是碳化物形成元素，故此会使得钢的强度和硬度提高，此外Cr的氧化物会形成高硬度、有磨料性质的夹杂物，故此Cr含量的升高会降低可切削性。图15给出了两钢种的切削力对比，图16给出其刀具磨损曲线（左上和右上的SEM图是放大500倍的1#钢磨损图，其余两张SEM图是2#钢；图中黑线是45钢在相同参数下的刀具磨损曲线），从图中可以看出Cr含量更多的1#钢表现出了较差的切削加工性。故此Cr元素的减少对提高易切钢的切削性能是有帮助的。 图15 两种易切钢切削力比较图16 两种易切钢刀具磨损比较4.3 钛合金高速铣削 钛合金TC4主要用于航空航天工业，其强度、冲击韧性大，加工硬化非常严重，在切削加工时具有温度高、刀具磨损严重的现象，故此加工条件要求很严格89。本文完成对钛合金高速铣削刀具开发，图17为整体硬质合金立铣刀在不同切削速度下的加工表面形貌图。切削速度分别为62.8m/min、235.5m/min，每齿进给量为0.05mm/齿，轴向切深为2mm、径向切深为1mm。高速铣削获得的加工表面质量明显比低速时的好。 (a) 高速50X (b)高速400X (c ) 低速50X (d)低速400X图17 钛合金加工表面形貌图图18所示为不同切削条件下获得的钛合金加工表面的表面粗糙度值，由图可见，除了2齿数刀具加工出的表面粗糙度在低速、高速切削条件下没有明显的差别外，其余情况下，高速加工可明显减小表面粗糙度，其中当刀齿数为4时，提高的最为明显。故此为了在加工TC4材料中获得好的表面完整性，需要选择高速加工来实现，但前提是必须提供专用的钛合金高速切削刀具。研究基地在专用刀具设计制造方面拥有优越的条件和技术积累。图18 不同切削条件下的表面粗糙度5. 总结1) 通过钻头模型的优化设计，采用138钻尖角和38 螺旋角参数；选择TiCN涂层，完成奥氏体不锈钢高效加工钻头开发。2) 完成对易切钢切削性能的评价， Cr元素增加对切削力和刀具磨损存在负面影响。3) 钛合金切削加工性能差，高速切削能够改善零件的加工表面质量，但必需使用专用的刀具。参考文献：1) 陈明，袁人炜，严隽琪等.推动我国高速切削工艺发展的若干问题的探讨J.中国机械工程.1999,1011:19261928.2) 刘战强,王兆辉,刘逢时, 先进切削加工技术综述,工具技术,2003年第37卷No.5: 3-7.3) Zhong.J.W, Ma.Y.P, Sun .F.H et al. Research on high-speed drilling performances of austenitic stainless steels J.Journal of Shanghai Jiaotong University.2004,38: 83-89. 4) F.H. Sun, Z.M. Zhang, M. Chen, etc. Fabrication and application of high quality diamond-coated tools . Key Engineering Materials, 2002,129(1-3):435-440.5) M. Chen, F.H. Sun, X.G. Jian, etc. Development of diamond-coated drills for high-speed machining SiC particles reinforced aluminum-matrix composite . Key Engineering Materials, 2004,259 (2):853-857.6) M. Chen, X.G. Jian, F.H. Sun, etc. Development of diamond-coated dr