《现代切削理论与方法》概论.doc

现代切削理论与方法 西北工业大学金属切削加工技术研究与发展状况1金属切削理论与方法到目前为止，人们用于金属切削的加工方法很多，除了传统的车、镗、鉋、铣、磨等工艺方法之外，归纳起来有以下三十多种特种加工和复合加工方法：靠机械能去处金属的方法，有磨粒流加工、磨粒喷射加工、流体动力加工、低应力磨削、加热切削、超声波加工、水力喷射加工等；靠电解能去处金属的方法，有电解去毛刺、电解磨削、电解珩磨、电解研磨、抛光等；靠热能去处金属的方法，有电子束加工、电火花磨削、电火花线切割、激光束加工、等离子束加工等；靠化学能去处金属的方法，有化学铣削、电化学抛光、光化学加工、热化学加工等。而且，新的加工方法还在不断的涌现，例如液中研磨、机械化学研磨、抛光、电泳磨削等用于金属和非金属晶体的超精密加工方法。2刀具材料的发展状况金属切削技术的进步与材料技术的发展是密不可分的。随着工程材料品种的日益增多，对刀具材料的要求也在不断提高。从最初的碳素工具钢和合金工具钢，逐渐出现了硬质合金，使生产效率大幅度提高。近三十年来，刀具材料中有出现了涂层硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼、金刚石等超硬材料，促使金属切削效率和精度的进一步提高，解决了难切（磨）材料加工问题。近年来，机械加工行业为了降低成本及保护环境，逐渐推广干式切削技术，使得某些材料的加工难度增大；同时航空航天、汽车、摩托车等行业使用材料的性能不断提高，轻质强韧性材料的使用不断增加，也使加工难度日益增大；随着机床制造业的发展，数控机床和加工中心的加工能力获得极大提高，并不断向高速、高效率加工发展，进而对刀具材料提出了更高的要求。在这些因素的影响下，切削刀具的材料也在高速发展，其中硬质合金涂层材料在刀具材料的发展中一直处于主导地位；新型硬质合金及金属陶瓷与陶瓷等材料制作的刀具得到应用；金刚石和立方氮化硼等超硬刀具材料的高速发展为广泛采用新型硬韧材料和新型加工工艺提供了广阔的应用前景。近几年来，刀具材料的进展，主要表现在以下几方面：硬质合金涂层材料；中低温涂层；涂层；超细晶硬质合金材料；金属陶瓷材料；陶瓷材料；超硬材料：人造金刚石和立方氮化硼 ()；金刚石涂层硬质合金刀具等材料的广泛应用。3切削液及其绿色冷却技术在切削加工中，常常使用切削液改善切削过程，提高加工质量。切削液主要起冷却、润滑、清洗和防锈作用。从切削液的化学成分的功能来看，可区分为三大类：化学性稳定的润滑剂，油性添加剂，极性添加剂与耐磨添加剂。切削液的选择可根据机床工序类型，切削速度，工件材料、刀具材料的化学性能，被加工材料机械组织特性以及供液方法和冷却条件等因素进行选取。而且，目前切削液的使用还要考虑绿色环保的要求。根据环境保护和可持续发展的要求，切削液在使用、处理、排放过程中占有和消耗大量的能源和资源，与此发生的相关费用约占生产加工总费用的 3 0 %。如何改善、减少冷却液等因素给环境带来的污染，实现制造过程的清洁化生产，探索新的冷却方法是绿色制造在工艺上应用的一个重要方面。目前，绿色冷却技术的研究主要有下述几个方向：1）干式切削与“最小润滑技术”干式切削是为保护环境和降低成本而有意识地减少或完全停止使用切削液的加工方法，其特点为切削力大，切削温度高。完全的干式切削由于对刀具、工艺选择原则等条件要求过于苛刻而应用范围很窄。在介于完全干切削和湿切削之间，西欧一些专家提出了“最小润滑技术”，使用该方法切屑中切削液含量大大减少，因而处理费用大幅度下降。2）采用蒸气作为切削加工时的冷却润滑俄罗斯专家在 1998年首次采用蒸气作为冷却润滑剂，导致对金属加工时摩擦学过程实质的新理解。试验证明，用此方法加工 45钢、11 89钢，刀具寿命可比空气中切削提高 1 3倍。3）利用高压注液切削难加工材料日本学者采用高压注液精加工镍铬铁超耐热合金71 8等材料的研究表明：在一定的工艺条件下，射流冷却可比传统冷却提高切削速度 22 .5倍，刀具寿命可延长 5倍左右。4）液氮冷却液氮冷却切磨削加工就是利用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工，因此, 又称之低温加工或超低温加工。低温、超低温冷却加工利用了材料的低温脆性，使其在韧性降低、塑性减小情况下完成切屑和工件的分离，同时它保持了刀具在低温下工作，减少刀具磨损、提高寿命、维护工件加工精度。5）气体冷却日本等国一些学者研制出喷气冷却系统，也是一种低温切削方法，该系统使用的冷却气体是由液态氮或其它方式在热交换器中冷却过的，其温度可低达- 45，冷却气体直接喷射于切磨削区，并可根据加工要求调节气体的温度、流量等参数以满足加工要求。实验表明，喷射气体冷却有助于提高切削效率，降低切削区温度，提高刀具耐用度，并有较好的零件加工表面质量。4磨削技术近年来，磨削技术的发展，主要表现在：精密和超精磨削、高效率磨削、超硬磨料磨具磨削、磨削自动化和智能化等方面，对传统磨削技术也有改进和创新。1). 精密和超精磨削随着一些高科技产品零件的加工精度和表面完整性要求愈来愈高，磨削的应用范围日益扩大。为了适应生产的发展，作为传统精密加工方法的磨削目前正在向超精密磨削、超精密研磨和抛光等方向发展。超精密磨削是指加工精度小于0.1m、且表面粗糙度在Ra0.025m以下的磨削方法，而纳米工艺的加工精度则为0.01-0.001m。超精密加工的关键是最后一道工序要从工件表面上除去一层小于或等于工件最后精度等级的表面层。因此，要实现超精密加工，首要的是要减少磨粒单刃切除量，而使用微细或超微细的磨粒是减小单刃切除量的最有效途径。实现超精密磨削是一项系统工程，包括研制高速高精度的磨床主轴、导轨与微进给机构，精密的磨具及其平衡与修整技术，以及磨削环境的净化与冷却方式等。超精密磨削多使用金刚石或立方氮化硼(CBN)微粉磨具。近几年来，随着金属结合剂金刚石微粉磨具和电解在线修整(ELID, Electrolytic In-process Dressing)技术的开发，使超精密镜面磨削技术日臻成熟，已可加工出Ra0.02-0.002m的镜面。研磨与抛光是超精密加工的又一主要方式，它可加工出Ra0.01_0.002的镜面，其加工方法有磁流体研磨、动力悬浮研磨、磁力研磨、软粒子研磨、机械化学抛光、摆动磨料流抛光等。2). 高效率磨削为了提高磨削效率，必须采用高速磨削、超高速磨削、砂带磨削、缓进给深磨、立轴平磨等高效率磨削技术。其中重负荷荒磨、超高速磨削、砂带磨削和高效深磨技术的发展尤其引人注目。重磨削的发展，使磨削不仅适用于精密加工和超精密加工，而且也适用于粗加工与荒加工。目前荒磨时的磨削速度普遍达到80m/s，高的已达到120m/s，最高材料磨除率可达500kg/h。近年来研究表明，超高速磨削（150m/s以上），不但可大幅度提高工效、延长砂轮寿命和降低表面粗糙度，而且可对硬脆材料实现延性域磨削，对高塑性和难磨材料也有良好的磨削效果。现在工业上实用的磨削速度已达到了150-250m/s，实验室中达到500m/s。砂带磨削的加工效率比普通磨削高5-10倍以上，由于它属于弹性磨削，有利于解决磨削变形、工件烧伤等问题。所以，工业发达国家的砂带磨削已占总磨削量的一半左右。近几年来国外已用砂带磨料取代普通刚玉磨料，新磨料是微晶结构，自锐性和韧性好，磨粒很少发生宏观折断。另外，由于采用新基体、新结合剂，砂带寿命延长。缓进给深磨是一种大切深和缓进给的高效磨削技术，它不但生产率高，而且磨削精度高和加工表面质量好。特别是近几年来出现的一种集超高速(150-250m/s)、大切深(0.1-30mm)、快进给(0.5-10m/s)于一体的高效深磨HEDG(High Efficiency Deep Grinding)新技术，它结合CBN砂轮与CNC技术，可使单位宽度砂轮上的材料磨除率高达2000-3000mm3/mms。3). 超硬磨料磨具的磨削技术超硬磨料磨具的磨削技术由人造金刚石或立方氮化硼(CBN)磨料制作的磨具称为超硬磨料磨具。由于其优良的磨削性能，现已广泛用于磨削技术各个方面，并成为超精密磨削、高效率磨削、难加工材料磨削、高精度成形磨削、磨削自动化和无人化等技术进步的基础。金刚石和立方氮化硼磨料由于它们在适应面上的互补性，使由它们所构成的磨具可加工范围大为扩展，覆盖了包括各种高硬、高脆、高强韧性材料的几乎全部被加工材料，使金刚石进入并替代碳化硅领域、立方氮化硼进入并替代刚玉领域日趋明显，磨削加工也由此而进入了一个可实现高效作业的新时期。金刚石磨具是磨削硬质合金、光学玻璃、陶瓷和宝石等硬脆材料的最佳磨具。立方氮化硼能承受1300-1400C的高温，对铁族元素化学惰性大，导热性好，磨钢料时的切除率高，磨削比大，磨具寿命长，是磨削淬硬钢、高速钢、高强度钢、不锈钢和耐热合金等高硬度韧性大的金属最佳磨料。4). 人工智能在磨削中的应用磨削是一个复杂的多变量相互作用的过程，对其信息的智能化处理和决策，是实现柔性自动化和最优化的重要基础。目前磨削中人工智能的主要应用包括磨削过程建模、磨具及磨削参数合理选择，磨削过程监测预报和控制、自适应控制优化、智能化工艺设计和智能工艺库等方面。近几年来，磨削过程建模、摸拟和仿真技术有很大发展，并已达到实用水平。在磨削过程智能监测方面，声发射技术应用较多，它与力、尺寸、表面完整性和微观参数测量相结合，通过“中性网络”和“模糊推理”，对磨削过程已能提取全面的在线信息，以用于过程监测与控制。此外，神经网络系统、自适应控制、磁力轴承轴心偏移实时补偿、计算机仿真、以及利用虚拟技术建立一个逼真的虚拟磨削环境等均有一定发展。此外，国外还出现了利用磨削热量同时进行工件材料热处理，不使用磨削液的无污染磨削等。5. 绿色切削加工技术绿色切削加工是指 :对大生态环境和小加工现场都无毒副作用或作用很小，加工过程中产生的少量的三废 (废气、废液和废渣)，在链条末端可回收或自然降解，达到无公害的环保要求，对人及环境无害化的绿色环保切削加工。1)传统的切削加工方式对大环境和小加工现场的危害分析传统的切削加工带来的三废对大环境操作者和身体危害的具体情况可分为 :(1) 废渣或固体废弃物主要组成成份是成型切屑和粉尘切屑。成型切屑所占比例很大,资源浪费严重。粉尘切屑 (包括刀具磨损粉尘 )对加工现场的操作者危害较大，能引起人体呼吸系统的疾病及慢性中毒。(2 )废气和废液来自切削液，传统的切削加工过程中，切削液参与比例很大。油基切削液在高速切削条件下，产生高温化学反应，释放有害气体和油雾。水基切削液为改善切削性能加入了各种添加剂，如极压剂、防锈剂、防霉剂等,含有数十种不同的化学成份，而且在使用中遇高温时会形成新的化合物，对人体健康危害较大，直接排放会严重污染环境。2)传统切削加工向绿色切削加工的转变当前的技术措施主要有以下三个方面 :(1 )干切削加工技术 :该加工方法在切削加工过程中不使用任何切