72陈超-初稿-切削加工技术综述

1、全套图纸联系QQ：1834186366 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文 题 目： 切削加工技术综述学习中心：江苏太仓电大奥鹏学习中心31层 次： 专科起点本科 专 业： 机械设计制造及其自动化 年 级： 2013年 秋季 学 号： 131480411545 学 生： 陈 超 指导教师： 曹风魁 完成日期： 2015年3月13日 6内容摘要进入21世纪以来，随着全球经济一体化进程的发展，世界各国普遍重视对先进制造技术的研究和发展。切削加工技术是机械制造过程中最重要，应用最广泛的加工方法。近年来，随着毛坯制造精度不断提高，高速切削加工技术、新型刀具涂层技术的应用也日益广泛。切削加工技术朝着

2、高速化、精密化、微型化等方向发展。本文参考了国内外大量文献资料，首先介绍了切削加工技术的发展历程和分类，着重介绍了各种切削加工技术的应用，最后对切削加工技术的发展趋势进行了展望。关键词：切削加工；刀具；发展趋势；目 录内容摘要I前 言11.1 切削加工的基本概念21.2 切削加工的基础知识31.3 切削刀具的基本知识42 典型切削加工技术的特点72.1 车削加工技术的特点72.2 铣削加工技术的特点82.3 磨削加工技术的特点92.4 刨削加工技术的特点102.5 高速切削技术的特点113 切削加工技术的发展及应用133.1 高速切削的发展及应用133.1.1 高速切削的定义133.1.2 高

3、速切削加工的特点及优越性143.1.3 高速切削加工机床的特点及优越性143.1.4 高速切削技术的应用163.2 先进刀具技术的发展及应用173.2.1 最新刀具材料的应用与发展173.2.2 最新刀具结构的应用与发展193.2.3 刀具涂层技术的应用与发展194 切削加工技术的发展趋势214.1 高速切削技术的发展趋势214.2 先进刀具技术的发展趋势225 结论23参考文献24前 言现代切削加工技术的起源可以追溯到从人类使用劳动工具生产，创造社会财富开始。在切削加工过程中，切削加工机床是工作母机或工具机，它是采用采用切削加工技术将毛坯或半成品制造成一定形状、尺寸和表面质量，符合预定技术要

4、求的机械零部件的设备。1840年，英国工业革命中发明了蒸汽机，人类开始使用蒸汽机作为动力的切削加工机床，一百多年后，随着电力时代的到来，电力切削加工机床已被广泛使用。自20世纪下半叶以来，伴随着全球经济一体化进程的不断发展，机械制造业市场竞争日趋激烈，世界各国均加强了对先进制造技术的研发，以便提高其在世界经济市场中的竞争力。高速切削加工、干切削加工等先进制造技术日益获得广泛的关注和应用，特别是高速切削加工技术是当前国内外研究学者们研究的热点问题，具有十分广阔的应用前景。在我国，制造业是国民经济的支柱产业，我国工业生产总值的80%来源于制造业，研究和发展先进制造技术是促进我国国民经济和综合国力持

5、续发展的前提。随着切削加工技术的不断发展，人们研发和应用了大量新型的刀具材料，如高速钢、硬质合金、合金工具钢等，这些新型刀具材料在切削加工中的应用，大幅度提高了切削加工的速度和生产效率。特别是进入21世纪后，国外工业发达国家相继将陶瓷、人造金刚石和立方氮化硼等刀具材料也逐步投入到实用推广阶段，大力研发高速切削加工技术、新的高速切削加工工艺和方法，进一步提高了切削加工精度和生产效率，促进了现代机械制造业的快速发展。随着我国国民经济持续快速发展，我国已成为制造业大国，是全球重要的机械零部件转包生产国。近年来，我国引进了大量国外先进的切削加工装备，大大提高了我国机械制造业设备的数控化率。然而，我国对

6、高速、高精密切削加工技术及新型刀具材料等关键技术的研究方面仍处于启蒙阶段，我国的工具制造业和装备制造业仍然难以满足先进制造装备和工艺的要求。在这种形势下，相关政府部门应加强政策引导，立足于提高我国制造业的自主创新能力，为我国国民经济的协调、健康发展服务。本文详细介绍了国内外目前应用广泛的各种切削加工技术的应用和发展情况，对高速切削、干切削、刀具材料及刀具涂层技术的应用与发展进行了展望。1 切削加工技术的概念1.1 切削加工的基本概念在机械装备中，机械零部件是组成机械的最基本组成单元，因此，制造出合格的机械零部件是组成符合要求、质量合格的机械装备的基础。机械加工的主要目的就是制造出合格的零部件，

7、在机械加工过程中，绝大部分零部件毛坯的材料均是金属材料，因此，狭义的机械加工也是指金属切削加工。机械零部件的表面一般是由平面、圆柱面、圆锥面、球面和成型表面等一些基本表面组成，通过使用各种切削加工方法可以获得各种零件的基本表面。在金属切削机床上利用工件和刀具、磨料或磨具彼此间协调的相对运动切除被加工零件多余的材料，获得在形状、尺寸和表面质量都符合要求的这种加工方法称为金属切削加工。金属切削加工技术常常是零件的最终加工方法，它是利用切削刀具对零件直接进行切削加工的技术方法，在这个过程中，切削刀具和工件之间必然有确定的相对运动，同时互相之间产生了较大的切削力。金属切削加工技术一般存在于一个封闭的机

8、械加工工艺系统中。机械加工工艺系统由金属切削机床、刀具、夹具和工件构成，在这个系统中，金属切削机床是加工机械零件的工作母机，零件和刀具通过机床夹具和刀架与金属切削机床可靠地联接在一起，金属切削机床提供动力使切削刀具和工件之间形成了确定的相对运动关系，从而实现了切削加工1。采用切削刀具、磨具和磨料等切削工具将坯料或半成品工件上多余的材料切除，使之成为一定几何形状、尺寸、表面质量和技术要求的零部件的加工方法称为切削加工技术。切削加工必须具备三个基本要素，即切削工件、切削工具和切削运动。其中，切削工件是机械加工过程中被加工对象的总称，它经历了从毛坯加工到成品的工艺过程，任何一个工件都是经过由毛坯加工

9、到成品的过程，在切削加工过程中，刀具与切削工件之间产生相对运动，使刀具能够对工件进行切削，并最终形成各种加工表面，刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。切削运动主要包括主运动和进给运动，主运动是切除工件表面多余材料的基本运动，在切削运动中通常线速度最高，所消耗的功率也最多。例如车削时工件的旋转运动；钻削时刀具的旋转运动；刨削时工件与刀具的相对往复运动等都属于主运动。进给运动是使工件未被切除的多余材料不断被切除的运动，又称走刀运动。通过进给运动便可以切削出要加工的表面。进给运动的速度一般远远小于主运动的速度。例如，车削外圆时车刀的纵向移动；钻孔时钻头的轴向移动；铣平面时工件的纵向移动；牛头刨床刨

10、削时工件的横向间歇移动等都属于进给运动。机床除上述运动外，其它运动均称为辅助运动。如：进刀运动、退刀运动、分度运动、工作台的升降等。在机械制造过程中，切削加工是最重要，应用最为广泛的加工方法。在切削加工过程中，由于切削刀具对工件进行切削，因此切削刀具必须有刃口，同时切削刀具材质的硬度必须大于工件的硬度。根据切削刀具结构和切削运动方式的不同，切削加工方法各有不同，常见的切削工具数量和刃口固定的切削加工方法有：车削、铣削、刨削、拉削、钻削、镗削和锯切等；而切削工具数量和刃形都不固定的切削加工方法有磨削、珩磨、抛光和研磨等。1.2 切削加工的基础知识在机械加工过程中，为了使被加工工件满足机械加工表面

11、质量和加工精度要求，则必须在设计机械零部件时就对其提出加工质量的技术要求。工件的加工质量决定了机械零件产品的外观质量、使用性能、使用寿命、经济性和生产率。机械加工精度是指工件经过切削加工后的外形、尺寸、位置等工艺参数的实际数值与设计理想数值之间的符合程度。实际测量数值相对设计理想数值的偏差越小，则意味着符合程度越高，相应的加工精度也越高，工程图纸上，一般采用公差来表示机械加工精度的要求，公差包括形状公差、位置公差和尺寸公差三种类型，相应地，机械加工精度也包括形状精度、位置精度和尺寸精度三个方面。在切削加工过程中，操作者的操作方法、切削机床的加工精度、切削刀具等均对所加工工件的加工精度产生了较大

12、的影响。机械零件的形状精度是指零件在切削加工后的实际表面与设计理想表面形状的符合程度，描述形状精度的形状公差一般有：直线度、圆柱度、平面度、圆度等。机械零件的位置精度是指零件在切削加工后的各表面、轴线之间的实际位置与设计理想位置的相符合程度，描述位置精度的位置公差一般有:同轴度、垂直度、平行度、对称度等。零件的尺寸精度是指零件加工表面本身的实际尺寸与设计理想尺寸之间的相符合程度，一般用尺寸公差描述，它反映了零件各加工表面尺寸的允许变动量。我国于1998年制定的极限与配合标准（GB/T1800. 3-1998）中规定，我国机械零部件的尺寸公差分为20个等级，即IT01、IT0、IT1、IT2IT

13、18，公差等级数值越大，则相应的公差值越大，尺寸精度的要求越低。机械零件的表面质量是指零件在切削加工后的表面层材质的变化和表面粗糙度。在切削加工过程中，由于受到切削刀具产生的刀痕、工件的塑性变形、刀具与工件之间的摩擦和机床的振动等因素的影响，工件的加工表面会出现一些微小的峰谷，这些高低不平的峰谷之间的高度差和间距即表明了零件的加工质量，一般采用表面粗糙度表示。表面粗糙度对零件的抗腐蚀性、配合性质和耐磨性有着直接的影响。根据我国制订的标准（GB/T1031-1995）规定，采用表面轮廓算术平均偏差Ra值对表面粗糙度进行评定。此外，在切削加工过程中，工件经过加工后表面层的力学、物理和化学性能都会与

14、基体材料产生区别，主要表现形式有：加工过程中产生残余应力、工件加工硬化、工件耐腐蚀性下降、工件疲劳强度发生变化等，这些零件加工后的表面层材质的变化现象也将影响零件的使用性能。随着人们对机械零件的使用性能和寿命等要求日益提高，零件的机械加工精度和表面粗糙度要求也越来越高，相应的加工成本也逐渐提高。因此，在设计机械零件产品时，在确保零件的使用性能时，微降低加工成本，工程设计人员一般选择经济精度，即尽可能选择较低的精度等级和较大的表面粗糙度。1.3 切削刀具的基本知识在机械制造中用于切削加工的工具称为切削工具，它包括切削刀具和切削磨具两类。目前，大部分切削刀具都是在机床上使用的用于切削金属材料的刀具

15、，因此，一般将“刀具”即理解为金属切削刀具。刀具的起源历史已久，早在公元前28世纪至公元前20世纪时，我国就已出现了黄铜锥、紫铜锥、紫铜钻、紫铜刀等铜质刀具。战国时期，人们已开始使用渗碳技术制造铜质刀具、钻头和锯等。随着18世纪工业革命的兴起，刀具的发展经历了一个快速发展时期，人类相继发明和应用了铣刀、板牙、丝锥、麻花钻等刀具。这些早起的切削刀具一般采用整体高碳工具钢制造，其许用切削速度一般为5m/min。随后，人们又发明了含钨合金工具钢、高速钢、硬质合金等新型材料，大幅度将切削速度提高到60m/分以上，并出现了焊接和机械夹固式刀具结构2。1949起，可转位刀片、陶瓷刀具 3 、聚晶人造金刚石

16、和聚晶立方氮化硼刀片等非金属刀具材料逐渐应用，新型刀具的不断应用大大提高了刀具的切削速度、加工质量和精度。1969-1972年，瑞典和美国的研究者则采用化学和物理气相沉积法，在硬质合金或高速刀具上采用表面涂覆方法，进一步提高了切削刀具的切削性能。目前，机械制造业中应用的切削刀具的种类和结构形式有很多，根据切削刀具刃口的数量可分为单刃刀具和多刃刀具两大类，单刃刀具如车刀、刨刀，多刃刀具如钻头、铣刀等。根据工件切削加工表面的形式的不同，切削刀具可分为外表面加工刀具、孔加工刀具、螺纹加工刀具、齿轮加工刀具、切断刀具和组合刀具六类。根据切削运动方式和刀刃形状的不同，切削刀具又可分为通用刀具、成形刀具和

17、展成刀具三种类型。通用刀具包括车刀、铣刀、镗刀、钻头等；成形刀具的刀刃一般具有与被加工工件断面相同或接近的形状，包括成形车刀、成形刨刀、成形铣刀以及各种螺纹加工刀具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀等。一般而言，刀具的结构包括装夹部分和工作部分两部分4。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片)则镶装在刀体上。刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄

18、靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。通常很多带柄的刀具的工作部分采用高速钢制造，柄部则用低合金钢制造。刀具的工作部分在进行切削加工过程中，一方面产生了切屑，一方面又通过自身的排屑槽处理切屑，刀具的工作部分由刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等组成。刀具的工作部分的所有结构并不是都必须的，工业生产中常见的车刀、铣刀、镗刀和刨刀等就仅有刀具的切削部分，而钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥和内表面拉刀等刀具的工作部分则由切削部分和校准部分组成，切削加工过程中，切削部分刀刃切除切屑，校准部

19、分则负责引导刀具和修光已切削的加工表面。根据刀具工作部分结构的不同可分为机械夹固定式、焊接式和整体式，其中机械夹固式又可分为刀片夹固在刀体上结构式和刀头夹固在刀体上结构式。顾名思义，焊接式就是将刀片钎焊到钢制的刀体上，而整体式则将刀体和刀刃制为一体。常用的硬质合金刀具一般采用机械夹固式或焊接式，陶瓷刀具则大多采用机械夹固式结构。一般而言，影响切削加工效率和加工质量的主要因素有工件材料、刀具材料、加工工艺性和刀具切屑部分的几何参数等。其中，刀具切屑部分的几何参数是影响切削加工效率和加工质量的一个重要因素，以车刀为例，当增大车刀的前角，即可降低前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小了切屑流经前刀面的摩

20、擦阻力，相应地，减小了切削力和切削热，使切削刃的强度降低，减少了刀头的散热体积。因此，在工程实际中，要根据具体情况进行合理的选择和使用切削刀具。制造刀具的材料一般要求具有较高的高温硬度、耐磨性、抗弯强度、冲击韧性、化学惰性和较好的工艺性以及抗变形能力。通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。目前，高速钢是应用最广的刀具材料，具有良好的抗弯强度、冲击韧性和工艺性。聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等；聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。硬质合金可

21、转位刀片现在都已用化学气相沉积法涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层5。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高 1-3倍以上。由于在高温、高压、高速下，和在腐蚀性流体介质中工作的零件，其应用的难加工材料越来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况，刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料；进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾

22、；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。2 典型切削加工技术的特点2.1 车削加工技术的特点车削加工是在车床上利用工件相对于刀具的旋转运动和刀具的直线运动或曲线运动来改变毛坯的形状和尺寸，进行切削加工的方法。车削加工过程中，工件是提供切削能的主要部件，车刀则是主要的切削刀具。车削加工是最基本、最常见的切削加工方法，在切削加工生产中具有举足轻重的地位。常见的车削加工可以分为车削外圆、车削内圆、车削平面、车削螺纹几类。车削加工技术具有以下特点：1)车削加工生产率较高。除了车削断续表面之外，一般情况下，车削过程是连续进行的，不像铣削和刨削，在一

23、次走刀过程中，刀齿多次切入和切出，产生冲击，并且当车刀几何形状、背吃刀量和进给量一定时，切削层公称横截面积是不变的，切削力变化很小，切削过程可采用高速切削和强力切削一生产效率高。车削加工既适于单件小批量生产，也适于大批量生产。2)车削加工容易保证零件各加工表面的位置精度。车削时，零件各表面具有相同的回转轴线。在一次装夹中加工同一零件的外圆、内孔、端平面、淘槽等，能保证备外圆轴线之间及外圆与内孔轴线之间的同轴度要求。3)车削加工生产成本较低。车刀是刀中最简单的一种，制造、刃磨和安装均较方便，故刀费用低、车床附件多、装夹及调整时间较短，加之切削生产率高，故车削成本较低。4)适于车削加工的材料广泛。

24、除难以切削的30 HRC以上高硬度的淬火钢件外，可以车削黑色金属、有色金属及非金属材料（有机玻璃、橡胶等），特别适合于有色金属零件的精加工。因为某些有色金属零件材料的硬度较低，塑性较大，若用砂轮磨削，软的磨屑易堵塞砂轮，难以得到粗糙度低的表面。因此，当有色金属零件表面粗糙度要求较小时，不宜采用磨削加工，而要用车削精加工。5)车削加工可以在卧式车床、立式车床、转塔车床、仿形车床、自动车床、数控车床，以及各种专用车床上进行，主要用来加工各种回转表面，如外圆（含外回转槽）、内圆（含内回转槽）、平面（含台阶端面）、锥面、螺纹和滚花面等，根据所选用的车刀角度和切削用量的不同，车削可分为粗车、半精车和精车

25、等阶段。粗车的尺寸公差等级为IT12IT11，表面粗糙度值Ra为2512.5m；半精车为IT10IT9，Ra值为6.33.2m；精车为IT8IT7（外圆精度可达到IT6），Ra值为1.60.8m。2.2 铣削加工技术的特点铣削是铣刀旋转做主运动、工件或铣刀做进给运动的切削加工方法。在铣床上使用不同的铣刀可以加工平面（水平面、垂直平面、斜面）、台阶、沟槽（直角沟槽、V形槽、T形槽、燕尾槽等）、特性面和切断材料等。此外，使用分度装置可加工需周向等分的花键、齿轮和螺旋槽等。在铣床上还可以进行钻孔、铰孔和铣孔等工作。铣削加工是一种使用旋转的多刃刀具切削工件的加工技术，它是一种高效率的加工方法。铣削加工

26、时，刀具的旋转运动是主运动，而工件的移动是进给运动，有时工件也可以固定，但此时旋转的刀具还必须移动（同时完成主运动和进给运动）。铣削用的机床有卧式铣床或立式铣床，也有大型的龙门铣床。这些机床可以是普通机床，也可以是数控机床。用旋转的铣刀作为刀具的切削加工。铣削一般在铣床或镗床上进行,适于加工平面、沟槽、各种成形面和模具的特殊形面等。铣削加工具有以下特点：1)铣刀是典型的多刃刀具，加工过程有几个刀齿同时参加切削，总的切削宽度较大；铣削时的主运动是铣刀的旋转，有利于进行高速切削，故铣削的生产率高于刨削加工。2)铣削加工范围广，可以加工刨削无法加工或难以加工的表面。例如可铣削四周封闭的凹平面、圆弧形

27、沟槽、具有分度要求的小平面和沟槽等。3)铣削过程中，就每个刀齿而言是依次参加切削，刀齿在离开工件的一段时间内，可以得到一定的冷却。因此，刀齿散热条件好，有利于减少铣刀的磨损，延长了使用寿命。4)由于铣削加工是断续切削，刀齿在切人和切出工件时会产生冲击，而且每个刀齿的切削厚度也时刻在变化，这就引起切削面积和切削力的变化。因此，铣削过程不平稳；轻易产生振动。5)铣床、铣刀比刨床、刨刀结构复杂，铣刀的制造与刃磨比刨刀困难，所以铣削本钱比刨削高。6)铣削与刨削的加工质量大致相当，经粗、精加工后都可达到中等精度。但在加工大平面时，刨削后无明显接刀痕，而用直径小于工件宽度的端铣刀铣削时，各次走刀间有明显的

28、接刀痕，影响表面质量。铣削加工适用于单件小批量生产，也适用于大批量生产。2.3 磨削加工技术的特点磨削是在磨床上采用磨具、磨料切除工件上多余材料的加工方法，磨削加工技术应用十分广泛，是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的切削工具，磨削是由砂轮表面大量随机分布的磨粒在工件表面进行滑擦、刻划和切削三种作用的综合结果。磨削加工技术是先进制造技术中的重要领域，是现代机械制造中实现高速加工、精密加工、超精密加工最有效、应用最广泛的基本工艺技术。磨削加工量占机械加工总量的30%-40%.高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变，是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术，它集现代机械、电子、光

29、学、计算机、液压、材料及计量等先进科技成就于一体。随着砂轮强度和机床制造等关键技术的进步，砂轮速度大大提高，目前磨削去除率已超过3000以上，与车、铣、刨等切削加工的去除率相当，特别是近几年，光学晶体、光学玻璃、单晶硅、陶瓷灯硬脆材料的应用日益广泛，促进了高速磨削技术的迅猛发展。国际生产工程学会(CIRP)已将高速磨削技术确定为面向21世纪的中心研究方向之一。砂轮速度高于45m/s的磨削称为高速磨削6。现在高速磨削砂轮速度达60-250m/s,工件进给速度为1000-10000m/min.在砂轮速度为60-120m/s内，使用普通砂轮，磨削去除率可达500-1000,在砂轮速度为120-250

30、m/s内，使用CBN(立方氮化硼)砂轮，磨削去除率可达2 000.德国阿亨工业大学，进行砂轮速度500m/s为目标的超高速磨削试验，对砂轮与磨削工艺技术进行综合研究。过去认为高速磨削工艺不适合于加工大平面或圆柱形表面精加工，主要用于沟槽及缺口件磨削及切入磨削，但日本、德国的研究表明，提高磨削速度可明显地改善工件磨削质量，降低磨削力，获得较小尺寸误差及形状误差，提高加工精度。日本研发的超高速(砂轮速度为160-260m/s)外圆磨床，使用CBN砂轮，可获得圆度误差为1m,表面粗糙度值R z=1.2m的磨削效果。磨削加工具有以下特点:1)磨削加工的切削速度高，使磨削温度高。普通外圆磨削时v=35m

31、/s，高速磨削v50m/s。磨削产生的切削热80%90%传入工件(10%15%传入砂轮，1%10%由磨屑带走)，加上砂轮的导热性很差，易造成工件表面烧伤和微裂纹。因此，磨削时应采用大量的切削液以降低磨削温度。2)采用磨削加工能获得高的加工精度和小的表面粗糙度值，磨削加工的精度可达IT6-IT4，表面粗糙度值可达Ra0.8-0.02m。由于磨粒在砂轮上是随机分布的，在磨削加工过程中，同时参与磨削加工的磨粒数相当多，磨痕轨迹纵横交错，使磨削加工容易获得较小的表面粗糙度。磨削加工不仅可以应用于精加工，还可以应用于粗磨、荒磨、重载荷磨削。3)磨削加工的背向磨削力大，由于磨粒负前角很大，且切削刃钝圆半径

32、rn较大，导致背向磨削力大于切向磨削力，造成砂轮与工件的接触宽度较大。会引起工件、夹具及机床产生弹性变形，影响加工精度。因此，在加工刚性较差的工件时(如磨削细长轴)，应采取相应的措施，防止因工件变形而影响加工精度。4)磨削加工过程中，磨粒有破碎产生较锋利的新棱角，及磨粒的脱落而露出一层新的锋利磨粒，能够部分地恢复砂轮的切削能力，这种现象叫做砂轮的自锐作用，有利于磨削加工。5)磨削加工除了可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料的工件表面，如淬火钢、硬质合金、陶瓷和玻璃等。但不宜精加工塑性较大的有色金属工件。综上分析可知，磨削加工更适于做精加工工作，也可用

33、砂轮磨削带有不均匀铸、锻硬皮的工件；但它不适于加工塑性较大的有色金属材料（如铜、铝及其合金），因为这类材料在磨削过程中容易堵塞砂轮，使其失去切削作用。2.4 刨削加工技术的特点刨削加工是一种在刨床上用刨刀切去工件上的多余材料，使工件符合图纸要求的加工方法。刨削加工精度一般可达IT9-IT7级，表面粗糙值为Ra12.5-1.6m。刨削加工的主运动是工件的变速往复直线运动，刀具的直线间歇运动则是进给运动。由于变速时的惯性作用，同时刀具在回程时不切削，使得刨削加工的切削速度难以提高，刨削加工生产率较低，但刨削机床和刀具的结构简单，制造安装方便，调整容易，通用性强。刨削主要适用在单件、小批生产中，主要

34、用于加工平面，特别是加工零件的狭长平面，如加工直槽、燕尾槽和T形槽等、如果进行适当的调整和增加某些附件，还可以用来加工齿条.齿轮、花键和母线为直线的成形面等，刨削加工在维修车间和模具车间应用较多。目前，刨削加工已广泛使用宽刃刀精刨，其切削速度一般为2-5m/min，预加工余量一般为0.08-0.l2mm，终刨余量0.03-0.05mm，工件发热变形小，可使工件获得较为满意的加工精度，一般表面粗糙度为Ra0.8-0.25m，直线度约为0.02/1000，使用宽刃精刨刀加工时常采用煤油作切削液。刨削加工机床主要有牛头刨床或龙门刨床两类，牛头刨床的最大刨削长度一般不超过1000 mm，因此只适于加工

35、中、小型工件、龙门刨床主要用来加上大型工件，或同时加工多个中、小型工件。例如济南第二机床厂生产的B236龙门刨床，最大刨削长度为20m，最大刨削宽度为6.3m。由于龙门刨床刚度较好，而且有24个刀架可同时工作，因此加工精度和生产率均比牛头刨床高。插床又称立式牛头刨床，主要用来加工工件的内表面，如键槽、花键槽等，也可用于加工多边形孔，如四方孔、六方孔等。特别适于加工盲孔或有障碍台肩的内表面。刨削加工具有以下特点：1)刨刀结构简单，容易制造；适应于不同的加工表面；加工准备工作比较方便、迅速；既能加工一般小型工件，又可加工较大型的工件等。2)刨削加工通用性好，可加工垂直、水平的平面，还可加工T型槽、

36、V型槽，燕尾槽等。3)刨削加工加工精度不高，IT87，Ra为1.66.3m但在龙门刨床上用宽刀细刨，Ra为0.40.8m4)刨削加工生产率低，往复运动，惯性大，限制速度，单次加工，但狭长表面不比铣削低2.5 高速切削技术的特点高速切削是相对于低速加工而言的，由于不同的加工方式、不同的工件材料有不同的高速切削，因此，高速切削技术难以以一个确定的速度划分7。通常将主轴转速在8000r/min, 切削线速度在5007000m/min 以上.或者为普通切削速度的510 倍以上即可视为高速切削。在高速切削技术的这个转速范围内，对机床的主轴结构、进给驱动、刀具材料、刀具结构和控制系统等都有更特殊的要求。高

37、速切削技术具有以下特点：1)切削力小由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力减少，切削变形减小，从而使切削力比常规切削降低30%以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件受到的径向切削力大幅度减少，特别适合于加工薄壁类刚性差的工件，如飞机上的机翼壁板等。2)材料切除率高高速切削加工中，由于切削速度和进给速度都大幅度地提高，工件在单位时间内的材料切除率可达常规切削的36倍，适用于材料切除率要求大的场合，在航空航天、汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工整体构件最理想的制造技术。荷兰制造的Unipro-5型五轴立式加工中心(X行程1000 mm、Y行程800mm)，电主轴功率100kW，最高转速

38、25000r/min，最大扭矩90，其铣削铝合金的材料切除率已达800010000cm/min。3)工件热变形小在高速切削时，90%以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件积累热量少，工件温升不会超过3 ，基本保持冷态，不会由于温升导致热变形，特别适合于细长易热变的工件。4)可加工难加工材料由于高速切削技术具有切削力小、刀具磨损小、切屑变形阻力小等特点，高速切削技术可应用于加工高锰钢、奥氏体不锈钢、淬硬钢、耐磨铸铁和其它复合材料等难以加工的工件材料。如，航空制造业中大量采用的镍基合金、钛合金材料强度大、硬度高、耐冲击、易加工硬化，切削温度高，刀具磨损严重，在常规切削中一般采用很低

39、的切削速度。如果采用高速切削，其切削速度可提高到10o1000m/min，不但能大幅度提高机床生产率，而且能有效减少刀具磨损，提高工件表面加工质量。5)工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工在高速切削时，机床的激振频率很高，远远超出了“机床一刀具一工件”工艺系统的固有频率范围(50300Hz) 8，使得加工过程平稳，振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获得的表面质量常可达磨削水平，因此常可省去铣削后的精加工工序，特别适合用于加工光学领域的零件。如，瑞士DIXI机械公司生产的DHP50高精度卧式加工中心，工作台500500mm，双托盘，行程为700700700mm，主轴转速为12

40、000r/min，功率为25kw，刀库容量65把，换刀时间仅为4-6s，定位精度和重复定位精度分别达到4m和2m。6)高速干切削可以实现加工过程的绿色制造高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺方法，相对于传统的湿切削加工技术而言，从源头上消除了切削液的使用对外部系统造成的负面影响，控制了污染，实现了绿色和清洁制造工艺。目前，能实现高速干切削的工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等。3 切削加工技术的发展及应用随着机床工业的飞速发展，难加工材料日益增多。多功能复合刀具、智能刀具、高速高效刀具逐渐成为现代制造技术的关键装备。切削加工技术的发展现状进行分析。3.1 高速切削的发展及应用高

41、速切削加工技术(HSMT)是目前各项先进制造技术中快速发展且应用前景极为广阔的一项先进应用技术，它已经被广泛地应用于汽车、航空、航天和模具制造加工行业。3.1.1 高速切削的定义随着机械制造工业的不断发展，难以加工的材料日益增多。高速高效刀具、多功能复合刀具、智能刀具逐渐成为现代制造技术的关键装备。高速切削加工技术是目前各项先进制造技术中快速发展且应用前景极为广阔的一项先进应用技术，它已经被广泛地应用于汽车、航空、航天和模具制造加工行业9。高速切削概念来源于德国切削物理学家Carl Salmon的著名切削试验及其物理引伸。他认为一定的工件材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高。在常规切削范

42、围内。切削温度随着切削速度的增大而提高，但当切削速度提高到一定的程度时。切削温度不但不升高反而会降低。对每一种工件材料都存在一个速度范围。在该速度范围内。由于切削温度过高，刀具材料无法承受。即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。因此，只有越过“死谷”才可用现有的刀具进行高速切削。高速切削是相对于低速加工而言的，由于不同的加工方式、不同的工件材料有不同的高速切削，因此，高速切削技术难以以一个确定的速度划分。通常将主轴转速在8000r/min, 切削线速度在5007000m/min 以上.或者为普通切削速度的510 倍以上即可视为高速切削，如当切削钢材的速度达到380m/min以上 、切削铜材的

43、速度达到 1000m/min以上、切削铸的速度达到700 m/min以上、切削铝材的速度达到 1100m/min以上时，都称为高速切削加工。高速切削加工不仅是一个技术指标，而且是一个经济指标。也就是说，它不仅仅是一个技术上可实现的切削速度，而且是一个由此可获得较大经济效益的指标，没有经济效益的高速切削是没有工程意义的。高速加工技术是一种比常规切削加工速度高得多的先进制造工艺10。采用高速切削加工技术不仅可以大幅度提高零件的加工效率、降低加工成本，还可以获得更高的加工质量和加工精度。高速切削加工技术已广泛应用于航空 、航天、汽车以及超精密微细加工等领域，统计数据表明，一般模具和工具，有6O%的机

44、加工量可用高速切削加工工艺来完成的。3.1.2 高速切削加工的特点及优越性相比常规的切削加工，高速切削加工的机理是不同的，其切削速度大大高于常规切削加工，高速切削加工具有以下特点：1）切削力低由于高速切削速度高，使剪切变形区变在，剪切角增大，变形系数减小以及切屑流出速度快，从而使切削变形和切削力降低了约30%-70%左右，特别适合于加工容易热变形的工件。2）材料切除率高由于机床进给速度较高，相应的单位时间内的材料切除率可提高约3-5倍，适用于材料切除率要求较大的工件。3）热变形小高速切削加工过程中，绝大部分的切削热在极短的时间内即被高速流出的切屑带走，大大减小了工件上残留的切削热，使工件的热变

45、形减少，特别适用于加工易热变形的工件。4）具有高精度由于高速切削加工具有高转速和高进给速度，高速切削加工机床的谐振频率大大超过了原来的“机床-工件-刀具”系统的固有频率，因此，高速切削加工过程更加平稳，振动小，实现了高精度、低粗糙度加工，适用于加工光学领域的零部件。5）减少了加工工序高速切削加工可将来常规加工过程中的粗加工、精加工、手工打磨等加工工序集中在一道工序中完成，从而减少了加工工序。3.1.3 高速切削加工机床的特点及优越性实现高速切削加工最为核心的技术研发高性能的高速切削机床，自1980年代以来，国际上加大了对高速切削机床的研究投入，在工业发达国家，高速切削加工机床已经普及应用，我国

46、每年进口的高速切削加工机床总价值都已达数亿美元。高速切削加工机床主要有以下特点和优越性。1）具有高速主轴高速切削加工机床最核心的部件即是高速主轴，目前，在工业发达国家，普遍应用的高速切削加工机床的主轴转速在2000060000r/min，同时正加紧开发主轴转速100000r/min以上的高速切削加工机床。如此高的主轴转速，要求机床主轴和床身良好的刚性，优良的吸振特性和隔热性能，目前仅有高速电主轴能够达到，即将机床主轴与电机合为一体，以便减少中间传动环节，提高高速切削机床的稳定性和可靠性。此外，高速切削加工机床一般采用陶瓷轴承、磁力轴承和空气轴承三种类型的轴承作为主轴轴承，并要配以先进的润滑和散

47、热技术，以便提高主轴的负荷容量，延长主轴的使用寿命。主轴轴承也是直接影响着主轴寿命和负荷容量的核心部件，2）具有高速进给系统目前，高速切削加工机床的切削进给速度为20208m/min，远远大于常规切削加工机床。而要实现高速进给系统，采用直线电机驱动的进给系统是高速切削加工机床的关键技术。直线电机具有很高的加速度和减速特性，大大提高了高速切削加工机床的生产效率、加工精度，同时也对机床滚珠丝杠、导轨、工作台结构和伺服控制系统提出了更高的要求。3）采用高速数控系统为保证高速切削加工具有良好的加工性能，高速切削加工机床必须采用具有快速数据处理能力和高精度插补运算特性的数控系统。随着计算机技术的发展，C

48、PU运算速度大幅度提高，目前，采用open架构、建立网络化参考资料库系统、建立CAD/CAM整合模拟系统和标准化电控模组是高速数控系统发展的趋势。4）采用高速切削刀具高速切削加工机床一般采用的高速切削刀具材料主要有聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具等，切削速度一般可以达到905000m/min，基本满足了对铝合金、钛合金、铸铁、钢和耐热合金的高速切削加工要求。由于采用高速切削，为保证高速切削加工机床的安全性，则必须对切削刀具结构进行动平衡，同时，刀柄系统一般选择采用7:24锥度的单面夹紧刀柄系统，以便保证自动换刀的重复精度和刀具的切削刚性。5）采用性能优良的温度控制系统高速

49、切削加工机床采用的温度控制系统的主要作用是对主轴电机、主轴轴承、直线电机、液压油箱、电气柜等进行冷却，同时，还采用低膨胀系数的铸铁作为高速切削加工机床的主轴箱体，以便减少高速切削加工过程中的热变形。6）采用其他辅助功能装置一般情况下，高速切削加工机床上还采用了刀库及换刀装置、温控系统、冷却系统、安全防护系统和实时监控系统、光栅尺测量系统和排屑系统等。3.1.4 高速切削技术的应用高速切削技术最早应用于轻合金加工, 目前已广泛应用于航空、模具、汽车、通用机械等制造行业中, 产生了显著的经济效益, 并正在向其他应用领域拓展。在航空工业部门, 现代飞机都采用整体制造加工技术, 要求通过切削加工出高精

50、度、高质量的铝合金或钛合金构件。美国、德国、法国、英国的许多飞机及发动机制造厂已采用高速切削加工来制造航空零部件产品。飞机工业通常需要切削加工长铝合金零件、薄层腹板件、蜂窝结构件等, 直接采用毛坯高速切削加工,可不再采用铆接等工艺, 从而降低飞机重量。高速铣削加工可以解决发动机叶片难于加工的技术难题等。高速铣削加工还适用于大部分模具的加工，如锻模、压铸模、注塑与吹塑模等，锻模腔体较浅，刀具寿命较长；压铸模尺寸适中，生产率较高，注塑与吹塑模一般尺寸较小，比较经济。加工模具的石墨电极和铜电极也非常适用高速铣削；高速铣削也适用于模具的快速原型制造；电子产品中的薄壁结构加工尤其需要高速加工。汽车发动机

51、零件也是高速铣削的应用领域。此外，高速铣削也可用于原型制造。航空发动机上的镍基合金和钛合金的材料硬度和强度都很高，切削加工时温度高，刀具磨损快，属于难加工材料。使用常规切削加工方法不仅加工效率低，同时也容易烧伤工件表面。而如果采用高速切削加工，则将原来的加工效率提高到10倍以上，降低了刀具的磨损程度，延长了其使用寿命，改善了工件的加工质量。工程上，大多数模具是由高硬度、耐磨性能好的合金材料制造的，其三维几何形状均较复杂，加工难度较大，使用传统的加工方法一般要经过粗加工、热处理、磨削加工和手工抛光等工序，以往一般采用电火花加工或成形加工的方式，生产效率极低。若采用高速切削加工模具，使用了高转速和

52、高进给量，将粗加工、净加工工序合为一次完成，并可在工件进行热处理后进行加工，大大提高了生产效率，避免了热处理变形。根据加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削技术的切削速度范围也不同。高速切削包括高速铣削，高速车削，高速车铣、高速钻孔等，其中高速铣削应用最为广泛，目前，高速切削技术加工铝合金已达到2000-7500m/min；铸铁为900-5000m/min；钢为600-3000m/min；耐热镍基合金达500m/min；钛合150-1000m/min；纤维增强塑料为20009000m/min。随着制造业的市场竞争日趋激烈，高速切削技术是企业应对激烈的市场竞争的关键，满足企业大幅度的提高加工质

53、量，降低生产成本，提高加工精度的要求，解决了加工硬材料、薄壁件的加工技术难题。3.2 先进刀具技术的发展及应用随着制造技术的全球化趋势，制造业的竞争也越来越激烈。在由机床、刀具、夹具和工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是最活跃的因素。因此在高速加工技术广泛应用于生产的今天，近年来，世界各工业发达国家都在致力于开发与高速、高效、高质切削加工相匹配的先进切削刀具材料，高性能刀具越来越受到重视并大量取代传统刀具。虽然高性能刀具与传统刀具相比价格昂贵，甚至是传统刀具的10倍，但是使用高性能刀具仍然可以有效地降低生产成本。设计制造高性能刀具的最重要的关键技术是刀具材料、几何参数及其结构等三方面。目前，先

54、进刀具发展迅速，各种专用高性能刀具不断推陈出新。在刀具材料方面，超细晶粒硬质合金刀具和超硬材料刀具获得了广泛运用；在涂层方面，多层梯度复合涂层和高强度耐热纳米涂层也得到了长足的发展，并在航空航天、汽车船舶等领域得到应用；在刀具结构方面，将朝可转位、多功能、专用复合刀具和模块式方向发展11。3.2.1 最新刀具材料的应用与发展在切削加工过程中，刀具材料的硬度必须比工件的硬度大，同时具有足够的强度、韧性、耐磨性和耐热性12。近年来，世界各工业发达国家普遍重视开发与高速、高效、高质切削加工相适应的先进切削刀具材料，以提高刀具寿命、机械加工质量和效率，降低加工成本。1）新型高速钢。高速钢是在钢材中加入

55、了W、Cr、V、Mo等合金元素的高速合金工具钢的总称，高速钢刀具的刀尖半径可达到12-15m，具有强度高、韧性好、锋利、工艺性好以及热硬性等优点，使其在加工某些难以加工材料时具有较好的应用，并适用于制造切齿刀具、立铣刀和拉刀等复杂刀具。2）新型细晶粒和超细晶粒硬质合金。硬质合金是一种由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的合金材料，一般选取WC、TiC等高温碳化物作为高硬度、难熔的金属化合物，用钴或镍等金属作为粘结剂。硬质合金具有极高的硬度，其强度、韧性、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性均十分优异，特别是在500至1000的高温环境下，硬质合金仍能保持很高的硬度和耐磨性。硬质合金广泛用作

56、车刀、铣刀、钻头、镗刀等刀具材料，可适用于切削铸铁、有色金属、普通钢材、不锈钢、耐热钢、高锰钢、工具钢、塑料、石墨、化纤、玻璃和石材等材料，其切削效率大约是高速钢的5-10倍。目前，全球各种牌号的硬质合金产量增长极快，但硬质合金刀具制造工艺性较复杂。近年来新研发的细晶粒硬质合金、超细晶粒硬质合金和整体硬质合金刀具，通过进一步细化其晶粒粒度补偿硬度的降低，其晶粒粒度可达到0.5m以下，使硬质合金的抗弯强度可提高到4.3GPa，同时刀具刃口仍然保持锋利，可用于制造小规模钻头、丝锥、立铣刀等通用刀具，大幅度提高了切削速度、切削效率和刀具寿命。3）超硬刀具材料超硬刀具的开发和应用开始于1960年代，超

57、硬刀具材料采用了与以往刀具材料完全不同的化学成分以及硬度形成规律，典型的超硬刀具材料以人造金刚石和立方氮化硼为代表。立方氮化硼是非金属的硼化物，晶体结构为面心立方体；而金刚石由碳元素转化而成，一般分为天然金刚石(ND)和人造金刚石，人造金刚石是在高温、高压和催化剂作用下，由石墨转化而成的。人造金刚石具有PCD单晶粉，其晶体结构与立方氮化硼相似，他们的硬度极高，天然金刚石的硬度可达10000HV；立方氮化硼的硬度可达7500HV。这些超硬刀具具有极高的硬度，优良的耐磨性，同时还拥有锋利的切削刃和优异的导热性，同有色金属和非金属材料的亲和力很小，能够适应更高的切削速度，在加工过程中不易在刀尖上产生积屑瘤，已成为高速切削的主要刀具材料，可以满足对难加工材料的切削加工需要，可切削各种淬硬钢、纯钨、纯钼、工程陶瓷、硬质