先进制造与工程仿真技术课件：先进制造工艺技术 -

1先进制造与工程仿真技术2

§2.1先进制造工艺的概述§2.2先进切削加工理论 §2.3先进切削加工刀具技术先进制造工艺技术

§2.4高速切削技术§2.5先进切削加工理论 §2.6超精密加工技术§2.7先进特种加工技术3教学要求：了解先进制造工艺技术的定义、内涵、特点及地位；掌握先进制造工艺技术中先进切削加工理论、先进切削加工刀具技术、高速切削技术、超精密加工技术、快速原型制造技术及特种加工技术的基本概念、关键支撑技术及发展应用；通过实例分析并了解这些先进制造工艺手段在日常生活以及现代机械产品中的实际应用。4航空发动机作为“飞机的心脏”是一个国家的战略产业，离心叶轮叶片作为航空发动机的关键零部件，其加工精度和表面质量直接决定了航空发动机的性能。美、英等西方国家从20世纪90年代开始对低刚度薄壁结构零件精密数控加工工艺及理论进行研究，并采用有限元技术进行变形、振动等研究分析，以获得薄壁结构件变形模式及相关表面质量模型；相关图如下所示。

章节引例图2-1离心叶轮图图2-2离心叶轮叶片四阶模态振型图5机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程。机械制造工艺的内涵可以用图2-3所示的流程图来表示。图2-3机械制造工艺流程图2.1先进制造工艺的概述2.1.1定义、内涵、特点及地位6先进制造工艺的特点可用先进性、实用性和前沿性来概括。(1)先进性先进制造工艺的先进性主要表现在优质、高效、低耗、洁净、灵活（柔性）五个方面。(2)实用性先进制造工艺的实用性主要表现在两个方面。一是应用普遍性，它是当今或不久将来机械工厂量大面广的看家工艺；；二是经济适用性，它一般投资不高，且有不同档次，宜于工厂根据本身的条件通过技术改造予以采纳。(3)前沿性先进制造工艺的前沿性主要表现在：先进制造工艺是高新技术产业化或传统工艺高新技术化的结果，它们是制造工艺研究最为活跃的前沿领域。7(1)制造加工精度不断提高。(2)切削加工速度迅速提高。近一个世纪时期内，切削加工速度提高了一百至数百倍，如图2-4所示。图2-4切削速度随刀具材料变更而提高示意图2.1.2先进制造工艺的发展概况8(3)新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革。(4)自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率。(5)零件毛坯成型在向少、无余量方向发展。(6)优质清洁表面工程技术的形成和发展。InsolublepartSolublepartSpincoatCrystallikestructureUV光清洁有机膜太阳能电池的制备92.1.3先进制造工艺的发展趋势(1)成形技术方面：铸件生产正向轻量化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方向发展。(2)精确塑性成形工艺成为制造过程的总体上向“净成形”目标迈进的途径。(3)激光焊、电子束焊等高能密度束流加工的精确控制，激光表面合金化和熔覆工艺日趋成熟。(4)快速原型制造技术更加精密化。(5)计算机工程模拟仿真、并行工程及虚拟制造技术为成形制造注入新活力。10金属切削过程中所发生的振动可以归结为两大类：强迫振动和自激振动。强迫振动是机床内部的周期振源或由外界传入的振动所激起的一种振动。自激振动也就是颤振。颤振不仅影响数控加工的效率和产品质量，还对机床和刀具的使用寿命有着较大的损害，对数控加工过程中颤振的研究与控制已经成为了先进制造领域一个亟待解决的问题。对于颤振来讲，其产生需要满足以下两个条件：其一，系统在平衡点附近的不稳定性；其二，迫使系统的工作点略微偏离平衡点的外界扰动。2.2先进切削加工理论2.2.1切削颤振的产生及抑制11一、机床切削颤振的研究目前主要有三种理论：1.再生颤振。再生颤振是指由于上一次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差导致刀具切削厚度的不同而引起的颤振。再生颤振的产生机理如图2-5所示.图2-5再生颤振模型12其中，机床结构被简化为一个单自由度系统，h0在数量上等于平均切削厚度，y(t)是刀具相对于工件在y向的振动位移，即机床结构的变形，θ是前后连续刀齿切削振动位移的相位差，而F(t)是作用在刀具上的切削力。y(t)引起瞬时切削厚度h(t)围绕其均值h0变化，而这一变化反过来又会引起切削力F(t)变化。另外，h(t)不仅与刀刃在当时的振动位移只y(t)有关，而且还与前一刀刃切削时的振动y(t-τ)有关，τ是前后两齿之间的延迟时间或滞后时间。因此切削力F(t)是刀具—工件相对位移和延迟时间的函数，瞬时切削厚度h(t)周期变化是引起“再生反馈”的主要原因。132.振型耦合颤振。当振动系统在两个方向上的刚度相接近时，两个固有振型相耦合，因而引起颤振。工艺系统的稳定性将取决于刀尖的运动轨迹——椭圆长轴的方向和椭圆运动的转向。再生颤振的产生机理如图2-5所示.当刀尖运动轨迹——椭圆长轴位于Ⅰ，Ⅲ象限时，椭圆运动的转向为逆时针，则系统是稳定的；顺时针则系统将发生颤振。当椭圆长轴位于Ⅱ，Ⅳ象限时，椭圆运动的转向为逆时针，则系统将发生颤振，为顺时针则系统是稳定的。图2-6车削加工中的再生颤振模型示意图143.摩擦型颤振

本节着重根据切削速度对切削力显著影响的特点，引用相对切削速度的概念，提出速度型动态切削力的表达方式，对速度型切削颤振进行分析。(1)切削力表达式及切削模型。切削力的理论公式为：

式中，τS—工件材料的剪切屈服极限，MPa；ap—背吃刀量，mm；f—进给量，mm/r；Ah—切屑厚度压缩比；C—与前角γ0有关的系数。(2-1)切削力是关于切削速度vc的非线性函数，如图2-7所示图2-7切削速度对切削力的影响(YT15车刀，工件材料45钢ap=4mm，f=0.3mm/r)15切削塑性材料时，前角γ0

增大，剪切角随之增加，切屑变形减小，沿前刀面的摩擦力也减小，因此切削力降低。合并考虑切削速度和前角对切削力的影响，可以将式(1)变形为式中，Fc—切削力，N；vc—刀具相对于工件的切削速度，m/s；c0，c1，c2，c3—待定系数。图2-7所示的切削力与切削速度关系的具体数据表2-1所示。

(2-2)表2-1切削力与切削速度vc/m∙s-10.330.660.8811.331.6722.332.6734Fc/N28003000313030802870275026302600257025302500把vc≥0.88m/s段的实验数据进行多项式拟合，得其切削力表达式为：16(2-3)在实际使用中，可以根据式(2-3)确定式(2-2)中的系数c0、c1、c2、c3。由式(2-2)知，有振动时的切削力表达式为

(2-4)式(2-4)右边的第二项可以看作是速度型的动态力。因此速度型的动态切削力F(t)表示为

(2-5)上式右边括号中的第一项代表摩擦型的动态力分量，第二项代表动能型的动态力分量，第三项是摩擦型分量与动能型分量的组合。式(2-5)又可表示为

(2-6)17若令Kv=τS(c1vc+c2vc2+c3vc3），则动态切削力F(t)可以表示为F(t)＝Kvapfn，由切削刚度的定义知，可以视Kv为速度型的动态切削刚度，它与工件材料及其剪切角有关，也与刀具的几何角度有关，主要与刀具前角有关。图2-8所示为外圆车削模型，图中m、c、k

分别为刀具系统的等效质量、等效阻尼、等效刚度，则基于速度型动态切削力的车削系统力学模型如下(2-7)图2-8外圆车削模型18(2)规避颤振的切削速度稳定区域与极限背吃刀量。由图2-7知，用YT15车刀切削45钢材料，在切削速度小于2m/s的区域，切削力对切削速度的变化非常敏感，如果公称切削速度位于这一区域，当切削系统受到扰动引起刀具系统（或工件系统）自由振动，则相对切削速度就会出现大小交替的变化，而交替变化的相对切削速度就会产生交替变化的切削力，相当于给系统施加了交变的激励力，如果激励的能量足够大，那么由干扰引起的系统自由振动就得到加强和能量补充，颤振就有可能发生，这就是速度型切削颤振的机理。这个过程可以用图2-8所示模型说明，正常切削（无扰动无振动）时，刀具应在图上所示的0位置；受扰动或振动后，当刀具从位置0向位置2运动时，相对切削速度增大刀具前角增大，因此切削力减小；当刀具从位置0向位置1运动时，相对切削速度减小，刀具前角减小，因此切削力增大，所以刀具受扰动或振动后的切削力出现了大小交替的变化。由上述分析可知，公称切削速度位于切削力关于切削速度的敏感区域，是颤振产生的必要条件。对于塑性金属材料来说，这一切削速度敏感区域是客观存在的。下面讨论规避颤振的切削速度稳定区域。19a.规避颤振的切削速度稳定区域。(2-8)考虑到初始扰动时≈0，因此，相对稳定的条件是

(2-9)这是个关于公称切削速度v的二次方程，当时，解为

(2-10)由此可以推断，以式（2-10）所示的公称切削速度为中心的速度区域是相对稳定区域。20(2-11)颤振发生的充分条件是用简化的，代入式(11)进行推导，得(2-12)如果用背吃刀量ap作为衡量指标，则颤振发生的充分条件是

(2-13)定义上式右边为极限背吃刀量aplim，即

(2-14)b.规避颤振的极限背吃刀量。21机床—刀具—工件系统在特定的切削条件下存在一个对应的极限背吃刀量aplim，在切削加工时，如果背吃刀量ap<aplim，则可以避免颤振产生。另外由式(2-14)知，aplim与公称切削速度以及进给量密切相关，因此如果在颤振刚开始发生时，立即改变公称切削速度v

或者进给量f，让aplim迅速增大，就会使颤振减小或消失。这就使得在有变频调速主轴的数控机床上施行变速切削技术控制颤振成为可能，这是变速切削技术控制颤振的理论依据。(3)切削实验分析实验在某台CA6140车床上进行，使用YT15车刀，试件及工艺参数图2-9所示。

图2-9试件及工艺参数(工件材料45钢，调质。主轴n=1400r/min，f=0.05mm/r，ap0=0.5mm)22图中16为加工后的尺寸，初始背吃刀量为0.5mm，公称切削速度v=1.172m-/s，进给量f=0.05mm/r，刀具系统固有振动频谱图2-10所示。当背吃刀量ap=4.21mm时，开始出现失稳现象。图2-10刀具系统固有振动频谱

图2-11所示，约0.5s后振动加剧至颤振完全发生(此时ap=4.62mm)，振幅为(0.15±0.02)mm图2-11颤振发生历程23颤振完全发生后的频率稳定在f=894Hz，如图2-12所示。

图2-12颤振频谱不同切削速度区域的动态切削力分析以刀具初始扰动A0=(0.01~0.09)mm为范围，根据式(7)考查不同切削速度区域的动态切削力，如图2-13所示。

图2-13稳定区域及非稳定区域的F(t)刀具初始扰动(0.01~0.09)mm24上述研究表明：(1)金属切削颤振的频率接近切削系统(刀具或工件)的某阶固有频率，它是系统某阶固有模态的自激振动，刀具和工件是最易受到激发产生颤振的对象；颤振从发生到成熟的时间历程约为0.5s，具有突发性，给预报和主动控制带来困难。

(2)切削力是关于切削速度的非线性函数，实验测定其关系系数c1、c2、c3，对于预估切削系统相对稳定的切削速度区域以及预估极限背吃刀量aplim，具有借鉴价值和指导意义。(3)在较大的切削速度范围内，存在一个或两个相对稳定的切削速度区域，如果公称切削速度处于该稳定区域，即使背吃刀量较大，系统也不易发生颤振，这种相对稳定的切削速度区域是可以预估的。从抑制颤振的角度来看，高速切削优于中低速切削。(4)在全程切削速度范围内，极限背吃刀量aplim指标是个能预防颤振发生的有效指标，如果背吃刀量ap<aplim，则可以避免颤振产生，本文依据能量原理推导了极限背吃刀量aplim的表达式，极限背吃刀量aplim表达式也解释了变速切削技术抑制颤振的原理。

25二、切削颤振的研究现状与发展趋势：1.国内外的总体研究现状

我国在90年代初开始有关高速加工稳定性的研究，主要内容有：(1)吉林工业大学的于骏一：切削颤振及其预报。(2)华中科技大学的杨叔子：金属切削过程颤振的特性分析。(3)北京工业大学的谢春柳和王民：切削系统动态特性的稳定性研究。(4)同济大学的李沪曾：振动的计算机仿真及数值方法。(5)浙江大学的李加种：切削中的振动机理的研究。外国在20世纪80年代就已经利用高速切削加工稳定性的理论来提高生产率和加工质量：(1)加拿大的AltintasY.：刀具的切削颤振机理与模型的研究。(2)日本的田中久隆、星铁太郎：颤振稳定性极限试验及分析。(3)美国的SmithS.：系统的切削颤振动态特性研究。(4)

匈牙利的InspergerT.：切削颤振动力学模型的建立及相关的实践应用。(5)德国的SpurG.：振动的计算机仿真及数值方法。

262.高速加工稳定性机理与模型研究现状。3.切削颤振预测与控制研究现状。

4.颤振的在线监视与控制研究现状。

5.切削颤振的发展趋势(1)有限元法在高速切削稳定性研究中的应用。

利用有限元法研究高速切削系统稳定性相关问题，如切削温度、切削力等。图2-14所示为有限元法模拟高速切削温度场所得的图样。

图2-14有限元法模拟高速切削温度场27(2)电流变技术在切削颤振控制中的应用。

(3)人工神经元网络和模糊识别的理论的应用

(4)柔性制造环境下切削颤振的预报与切削颤振的综合控制的结合。

将人工智能技术和电流变材料应用于颤振预报和切削加工颤振在线抑制中，保证切削加工的稳定性。利用智能型材料的固有频率可由电场强度连续改变及材料的非线性振动特性，通过实验完成颤振的在线控制方法。

一种是应用模糊神经元网络和模糊理论可以对重构信号的频谱图进行模式分类，从而识别颤振发生的可能性；另一种是对振动信号的概率密度进行在线估测，利用平稳切削和颤振时振动信号概率密度函数差异明显这一特点来对颤振进行早期预报，都取得了一些成果。

柔性制造环境更贴近与现实的加工环境，它的加工工况、加工条件及加工对象特征的变化性大，使得各种工况下的加工过程特征变化大，可比性差，监测阈值难以设定。

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摩擦学是研究相对运动物体间的摩擦、损伤(包括磨损)及其所有相关问题的科学。

1.切削摩擦学的特点

(1)接触应力非常高。

(2)切削温度非常高。

切削工具切削部分与被加工材料间的接触部分可用热电偶测定其附近平均温度，其数值经常达到700~1200ºC。

(3)摩擦表面不断变化。

(4)切削部分材料应具有高的红硬性。

(5)损伤形态的多样性。2.2.2切削摩擦学及其应用292.切削工具损伤分类及术语

由于损伤失效形式的多样性，各国学术界、工程界、切削工具制造厂商有不同分类、定义。在实际使用中造成一定的不便，各种损伤图形请参阅图2-15

(a)后刀面磨损

(b)前刀面磨损

(c)超高压烧结体前刀面磨损

(d)超高压烧结体后刀面磨损

(e)边界(沟状)磨损

(f)热裂纹

30(h)积屑瘤熔接

(i)破损(崩刃)

(g)塑性变形

(j)缺损(微崩)

(k)剥离图2-15各种损伤图形31以高温高压烧结材料为主的金属切削工具切削部分材料在切削运动中的损伤可以分为以下几大类：(1)磨损

磨损主要发生在刀具前刀面、主后刀面、副后刀面，刀尖。

其主要表现形式为(如图2-16)

图2-16典型刀具磨损形式的简明示意图32a.后刀面磨损(FlankWear)

b.前刀面磨损(CraterWear)

c.边界磨损(或称沟状磨损GroovingWear)

(2)脆性损伤(BrittleFracture)

它的具体损伤形式有：

a.缺损(微崩)(Chipping)；b.破损(崩刃)(FractureBroken)；c.粘接、熔接造成的缺损、破损。缺损与破损在量上的区别较复杂，一般与切深大小有关(图2-17)

图2-17缺损与破损的区别33以上两种损伤的原因主要是切削力，切削热的变动造成瞬间与低循环反复的冲击，使刀具局部应力超过允许值而造成。图2-18所示为硬质合金刀片切削后，粘着物的电子探针(EPMA)线分析结果。

图2-18硬质合金刀片切削后粘结物的EPMA线分析结果脆性损伤在广义上尚应包括裂纹与剥离所产生的部分损伤。

34(3)裂纹(Crack)

它包括：a.热裂纹(ThermalCracks)；b.疲劳裂纹(FatigueCracks)

(4)剥离(Flaking)

总结与脆性损伤有关的因素如图2-19。图2-19脆性损伤相关因素35(5)塑性变形(Plasticdeformation)

在重切削时，由于高温高压的作用，刀片材料硬度、强度不足，造成刀刃部分变形。刀具材料并未损失，通常呈现为前刀面塌下，后刀面隆起。刀刃伸出或后退。3.刀具的各类损伤及其相应对策

(1)后刀面磨损

a.后刀面磨损大时，应更换耐磨性更高的刀片材料

b.切削速度过高时(切削温度高)，可予减低。c.后角较小时，可适当增大，减少后刀面摩擦。d.进给量太小时，可适当增大。(2)前刀面磨损

a.选择耐磨性更高的材料。

b.切削速度过高时，切削温度高，可予减少。c.进给量过高时，可予减少

d.增大前角，减少前刀面粗糙度

36(3)边界磨损

a.选择耐磨性更高的材料如前、后刀面提高耐磨性的方法

c.切削外表有白口层的工件时，除选择更硬的刀具材料，并可降低进给量b.适当提高切削速度、进给量

(4)缺损(微崩)与破损(崩刃)

a.选用韧性更好的刀片材料即与前述选择耐磨性更高材料的方向相反选取

b.降低进给量，为保证生产率可提高切削速度，选择棱边宽度更宽的断屑槽型c.加大刃口修磨量(刃口倒棱、倒圆选得更大)或进一步改为复合刃口处理(倒棱+倒圆)

d.加大刀杆尺寸，提高刚性。提高刀片定位夹紧刚性，同时提高工件安装刚性

e.若刀片有较多熔接、粘接物，积屑瘤时可以提高切削速度达80m/min以上，增大前角。改选与切屑亲和力小的刀片材质。用涂层刀片，涂层中增加TiC含量、用金属陶瓷、陶瓷刀片、CBN刀片等。选用适当抗熔接冷却润滑油

37(5)裂纹

(6)剥离a.增大前角，使刃口锋利。b.增大容屑槽，使切屑难以堵塞，使之排出顺畅。(7)塑性变形a.用干式切削，即不用冷却润滑液，或避免使用水溶性冷却液。b.必须冷却润滑时，用半干式切削(喷雾切削)，冷风降温，或用充足的冷却润滑液进行湿式切削。c.选择韧性更好的刀具材料。d.选相当M20、M30的材料，因其耐热裂纹性好。a.选用耐磨性及硬度更高的刀具材料。b.降低切削速度。c.减少切深，进给量。d.选用导热系数高的刀片材料。e.适当采用冷却润滑液。384.硬质合金刀具车削钛合金时切削摩擦学特性

刀具磨损的SEM图如图2-20所示

(a)切削初期刀具的磨损形貌(100倍)

(b)刀具失效后的磨损形貌(100倍)

图2-20刀具磨损的SEM图片在切削过程中，刀具磨损在切削初期主要为前刀面月牙洼磨损及均匀后刀面磨损形态(图2-20a)。

随着切削时间的延续，前、后刀面磨损加剧，前刀面月牙洼磨损深度加大，均匀后刀面磨损宽度增加，最后，前刀面与后刀面磨损相连，形成新的不规则切削刃，切屑形态随之发生变化，表面粗糙度值增大，刀具进入剧烈磨损期。刀具最后的失效形态均为最大后刀面磨损VBmax达到0.6mm.39机械加工精度是指零件经机械加工后的实际几何参数(尺寸、形状、表面相互位置)与零件的理想几何参数相符合的程度。符合的程度愈高，加工精度也愈高。加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度.

表面粗糙度是指加工表面上所具有的较小间距和微小峰谷不平度微观几何形状的尺寸特性。是评价产品质量的重要指标之一。高速切削加工中，影响表面粗糙度的因素可以概括为四方面，如表2-2所示，刀具变量、工件变量、切削参数变量和切削过程变量。表2-2影响表面粗糙度的的主要因素影响因素备注刀具变量刀具材料：硬度；几何参数：刀尖半径、切削刃形状；刀杆长度：悬伸量；刀片安装误差影响刀杆变形工件变量工件材料：硬度；工件尺寸：长度、直径等切削参数变量切削速度v、切削深度ap、进给量f、行间距L切削过程变量切削力、削温度、刀具磨损、刀具轨迹、系统振动、系统刚度、切削方式动态影响2.1.3加工精度保障技术40K.Y.Lee等提出了一种表而粗糙度模拟方法，考虑到高速铣削中主轴振动对表面质量的影响，改变常规切削的研究思路，用加速度信号代替切削力信号研究高速铣削表面粗糙度。建立了统计铣削模型，并分析了主轴变形、振动等因索对粗糙度的影响规律，如图2-21，图2-22所示。

图2-21主轴切削加工变形图图2-22主轴变形对粗糙度影响的实验分析图413.理论模型车削：或者：

(2-15)其中，c，k，l，m为建模系数，由实验来确定：－刀尖半径（mm），－进给量（mm/r），－切削速度（m/min），－切削深度（mm）。平面端铣：

(2-16)

(2-17)其中：

－每齿进给量（mm/z）；R－刀具半径（mm）；－刀齿数；

“+”－表示顺铣；“-”－表示逆铣。平面立铣：

424.分析方法(1)回归分析法一次回归模型

A：

(2-19)

二次回归模型B：

(2-20)

(2)TaguchiMethodAnalysis分析法(3)智能控制方法

实现智能控制的途径主要有人工神经网络控制、专家智能控制、模糊逻辑控制等方法。建立一个多项式模型，通过实验确定回归系数，这种方法的分析精度需要建立在大量实验的基础上，主要缺点就是所用实验次数多，费用高。

其中：

—估计值，y—实测值，—分析误差基于矩阵理论提出的实验设计方法431.智能切削参数优化系统设计

(1)系统功能设计依据系统开发目的，设计其功能模型如图2-23所示。图2-23智能切削参数优化系统功能模块2.1.4

切削参数优化及专家系统44(2)系统工作原理智能化的切削参数优化系统主要从3个不同方面按照各自方法来优化参数。

一是数学模型方法

二是建立切削参数数据库

三是经过本系统优化如果得到的参数用户觉得不合理，植入非优切削参数数据库，以保证本系统优化不会出现同样的错误。

三种方法的优化的结果再按照一定的切削参数优化评价机制来实现最终的优化，如图2-24所示

图2-24优化系统工作原理452.系统的实现(1)可进化的数学模型优化(a)约束条件

(b)目标函数和多目标优化一般来说可把加工时间t、加工成本、表面加工质量等作为优化的目标标函数，相关公式如下：(c)数学模型优化其原理如图2-25

图2-25数学模型进化原理46(2)可进化的切削参数数据库(a)数据关系和数据匹配

切削参数数据库主要包含切削参数数据表(进给速度、切削深度、主轴转速等)、加工环境信息表(机床信息、刀具信息、工件信息、工艺信息)、用户评价信息表等，其数据之间对应关系如图2-26所示

图2-26数据关系模型(b)数据库进化

473.切削参数优智能化与评价机制如图2-27所示，利用模糊控制理论来优化三种切削参数信息。

切削参数信息表1为数学模型优化方法得到的数据，切削参数信息表2为基于经验、知识和本系统优化并得到用户满意的数据。图2-27切削参数智能优化机制模型优化机制模糊推理规则为：如果表1与表2数据相似，则优化参数为合理参数，否则优化失败。如果输出参数与不合理参数数据表不相似，则优化成功，否则优化失败。

484.基于遗传算法的Pareto螺旋铣加工参数优化螺旋铣是一种近几年发展起来的先进制孔工艺技术，主要针对航空工业中一些典型的难加工材料，如钛合金和碳纤维材料，具有明显的加工优势。螺旋铣加工原理示意图如图2-28所示。螺旋铣加工参数优化的目的是为了指导切削加工，以保证加工质量。因此在参数优化的基础上进行相关的切削实验，可以进一步验证优化的效果，为实际切削加工提供参考。图2-28螺旋铣加工原理示意图49陶瓷刀具由于高温性能好，其切削速度可比传统刀具提高3~10倍，因而可以在现有的厂房、设备、动力条件下，使产品产量成倍增长，大幅度提高社会生产力。其次，由于现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工工件，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。

1.陶瓷刀具的发展简况2.氧化铝基陶瓷刀具(1)纯Al2O3陶瓷刀具图2-31纯Al2O3陶瓷断口的SEM照片2.3.1

陶瓷刀具由于纯Al2O3陶瓷刀具脆性大，易崩刃，因此未能广泛使用。在图2-31中可以看出，纯Al2O3的断裂模式主要为沿晶断裂，晶粒平均尺寸为20µm，晶粒在烧结过程中异常长大非常严重，而且晶粒本身的强度很弱，故其抗弯强度和断裂韧性较低。

50(2)Al2O3—碳化物系陶瓷刀具在Al2O3中添加碳化物可以提高Al2O3陶瓷刀具的韧性，其中以添加TiC的Al2O3-TiC

陶瓷应用最多。这类组合陶瓷有两种：一种是在Al2O3中除添加碳化物外，还添加少量粘结金属，亦称金属陶瓷；另一种是在Al2O3中只添加碳化物或碳化物的饱和固溶体制成的组合陶瓷。图2-32Al2O3-TiC陶瓷刀具切削SKD11淬硬钢时的磨损曲线(v=100m/min,ap=0.2mm,f=0.05mm/r,T=20min)金属陶瓷比没有加入金属的组合陶瓷强度提高，但硬度降低。图2-32所示为Al2O3-TiC陶瓷刀具在v=100m/min

条件下切削SKD淬硬钢时，不同TiC含量对后刀面磨损量VB和月牙洼磨损量KT的影响。

在一般情况下，后刀面磨损是由磨粒磨损引起的，因此可以认为，硬度越低、TiC含量越少的粗粒度陶瓷刀具，其VB值也越大。

51图2-33是刀具产生剥落的实例照片

(a)前刀面

(b)后刀面

图2-33Al2O3-TiC陶瓷刀具产生剥落时形貌图2-34为月牙洼磨损的照片

图2-34Al2O3-TiC陶瓷刀具产生剥落时形貌(被加工材料：SKD11淬硬钢)52从VB和KT两方面来分析剥落现象

图2-35所示为用Al2O3-30%TiC陶瓷刀具加工淬硬钢时VB和切削力的关系曲线。即使VB值增大,主切削力仍无明显变化，但VB值一旦超过0.08mm，吃刀分力和进给分力则会急剧增大。TiC含量越少且粒度越粗的刀具，其VB值越大，也越容易产生裂纹而导致抗剥落性能下降。图2-35Al2O3-30%TiC陶瓷刀具后刀面磨损与切削力的关系图2-36所示为月牙洼面上粘附物的状况。

(a)Al2O3-10%TiC陶瓷刀具

(b)Al2O3-30%TiC陶瓷刀具

(c)Al2O3-50%TiC陶瓷刀具

图2-36Al2O3-TiC刀具切削SKD11钢20分钟后月牙洼面上粘附物的金相组织

53

(3)添加氮化物、硼化物的Al2O3陶瓷刀具

Al2O3/ZrB2/ZrO2陶瓷刀具的设计。选择A12O3相为基体，因为采用热压烧结技术后，此基体可以从经济和性能上达到最佳的性价比。添加ZrB2相是因为由于硼化物在摩擦高温过程中很容易产生溶解有其他元素的硼的氧化物润滑膜，该润滑膜具有较低的剪切强度和摩擦系数，从而实现自润滑，同时可以协同完成颗粒弥散增韧的作用。添加ZrO2主要是利用其相变特性实现强韧化机理，以达到提高Al2O3陶瓷强度和韧性的目的。在Al2O3中添加氮化物的Al2O3—氮化物组合陶瓷刀具具有较好的抗热震性能，其基本性能和加工范围与Al2O3—碳化物金属陶瓷刀具相当，而氮化物组合陶瓷刀具更适于间断切削，但其抗弯强度和硬度比Al2O3-TiC金属陶瓷刀具低，有待进一步研究改善。在Al2O3中添加TiB2作为粘结剂制成的陶瓷刀具，由于其组织成分为细晶粒的Al2O3以及连续的TiB2粘结相，保持了硼化物的“三维连续性”，因此具有极好的耐冲击性和耐磨性。

54图2-37为仿真模拟的刀具表面最高温度与切削深度、切削速度的关系图。图2-38为Al2O3/ZrB2/ZrO2陶瓷刀具切削45号钢的试验图片。

图2-37模拟的刀具表面最高温度与切削深度、切削速度的关系图图2-38Al2O3/ZrB2/ZrO2陶瓷刀具切削45钢的试验图片(v=320m·min-1,ap=0.4mm)本研究以新制备的Al2O3/ZrB2/ZrO2陶瓷刀具为研究对象，基于材料性能参数和摩擦磨损试验的相关数据，运用有限元软件建立切削仿真模型，更真实地模拟刀具和工件的切削状态，准确地掌握切削中温度场的变化规律，从而使用更低成本来获得切削用量的优化值。

55图2-39为切削深度ap为0.2mm稳态时，不同切削速度下的红外热像温度图。切削中最高温度点位置大体在刀具前刀面的月牙洼磨损处，与仿真情况很接近。

(a)80m·min-1(θmax=483℃)

(b)160m·min-1(θmax=708℃)(c)240m·min-1(θmax

=810℃)

(d)320m·min-1(θmax

=1029℃)图2-39当ap=0.2mm稳态时不同切削速度下的红外热像温度图56图2-40几种刀具材料切削冷硬铸铁时耐用度比较图2-41复合Si3N4刀具的后刀面磨损值与弥散相含量的关系(加工材料：CrWMn淬硬钢时)3.氮化硅与复合氮化硅陶瓷刀具纯β-Si3N4陶瓷刀具的耐用度是较低的。为了改善它的耐磨性，加入TiC、TiCN、TiC+TiN作为硬质弥散相，以提高刀具材料的硬度，同时保留着较高的强度和断裂韧性，称之为复合氮化硅陶瓷刀具

(见图2-40和图2-41)

5720世纪80年代初首钢机运公司采用复合Si3N4陶瓷刀具对硬度高达HRC60的球墨冷硬铸铁轧辊进行粗精车(见图2-42)。20世纪80年代初石家庄水泵厂开始采用复合Si3N4陶瓷刀具(见图2-43)。顺利地解决了一次硬化加工问题，免除了退火工艺，新的工艺过程变为铸造→淬火硬化→用陶瓷刀具粗精加工。不仅节省了6天的退火时间，而且机加工工时也从过去的48h减少到8h。表明复合Si3N4陶瓷刀具不仅有很高的耐磨性，还有很好的抗冲击能力。图2-42首钢用复合Si3N4刀具加工冷硬铸铁轧辊图2-43石家庄水泵厂用复合Si3N4刀具对HRC60的Cr27高硬铸铁护板的加劲肋进行断续粗加工584.复合TiCN金属陶瓷刀具图2-44Si3N4加入量对TiCN金属陶瓷材料的力学性能的影响近年来发展起来的TiCN金属陶瓷刀具是以碳氮化钛(TiCN)作为耐磨相，金属Mo、Ni作为粘结相，经过高温烧结而成的金属陶瓷刀具材料。

59涂层技术对刀具的发展起到了巨大的促进作用。刀具经过涂层后可大幅度地延长使用寿命目前，刀具涂层技术主要分为两大类：一是硬质合金涂层刀具，二是高速钢涂层刀具。1.硬质合金涂层刀具研究现状(1)涂层硬质合金

瑞士PLATIT公司推出的最新涂层有：TiAlN单层、TiAlN多层、TiCN-MP(高韧性通用涂层)、CrN、TiAlCN、CBC(DLC，润滑涂层)、等。TiAlN-TiN双层涂层刀具的微观结构如图2-45所示。涂层硬质合金发展迅速，其产量大幅度增加，应用范围不断扩大，已成功地应用于铣削等重要加工工具。图2-45TiAlN-TiN双层涂层刀具

2.3.2

涂层刀具60(2)涂层基体材料

在涂层基体方面，不仅有各种专用涂层基体，而且日本、瑞典等国还开发出带富钴层的涂层基体，从而明显地提高了涂层合金的强度和使用性能，扩大了涂层合金的应用范围。改善涂层基体合金成分和组织有不同方法，其一是使基体表面形成梯度组织，其二是采用富钨粘结相。为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效，并有利于获得高性能的硬质合金切削工具材料，可对基体进行梯度处理，使涂层基体表面区域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域，此区域的粘结剂含量高于涂层基体的名义粘结剂含量；当涂层中形成的裂纹扩展到该区域时，由于其良好的韧性，可以吸收裂纹扩展的能量，因而能够有效地阻止裂纹向合金内部扩展，提高硬质合金切削工具的使用性能。

612.硬质合金刀具的涂层方法、种类和工艺(1)涂层方法刀具的涂层方式有以下几种：单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等，如图2-46所示。

单涂层多涂层带中间过渡层多涂层（纳米结构）厚度：（0.5-50μm）厚度：（0.5-50μm）厚度：（10-100nm）梯度涂层超硬涂层（CVD-DP/BN）硬/软复合涂层（MoS2、WC/C、石墨等）图2-46典型的涂层结构62目前硬质合金刀具涂层的方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主，图2-47为CVD和PVD涂层刀具中各种涂层材料所占的比例。

(a)CVD涂层刀具

(b)PVD涂层刀具

图2-47CVD和PVD涂层刀具中各种成分所占的比例近年来，已有一些新的涂层方法出现，如等离子辅助化学气相沉积(PACVD)、中温化学气相沉积(MTCVD)、溶胶-凝胶(Sol-Ge1)法、高速氧-燃气热喷涂(HVOF)、真空阴极电弧沉积(VCAD)等方法。63(2)涂层种类硬质合金涂层种类从单一化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展，涂层层数也从几层增加到十几层的多层涂层，而多元复合涂层、多元复合纳米涂层、金刚石涂层、CBN涂层将是未来涂层刀具的发展方向。

(3)涂层工艺a.化学涂层

CVD工艺制备的多层陶瓷涂层可阻挡裂纹的扩展，提高刀具寿命，近年来发展较快。如山高刀具公司还开发了k-Al2O3与a-Al2O3相互交替的涂层刀具，如图2-48所示。WALTER刀具公司开发生产了氧化铝多层涂层刀具；肯纳刀具公司开发了硬质合金基体KC系列CVD氧化铝多层涂层刀具。

图2-48Ti(C,N)基k-Al2O3与a-Al2O3相互交替的涂层刀具64b.物理涂层

物理气相沉积涂层(PVD)的进展尤为引人注目，在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展，不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层，如超级TiAlN涂层，及综合性能更好的TiAlCN通用涂层和CBC(DLC)、W/C减摩涂层，而且通过对涂层结构的创新如开发纳米、多层结构，大大提高了涂层硬度和韧性。

测温计真空泵脉冲偏压电源反应气体中频磁控溅射源非平衡磁控溅射源加热器工作气体自转架离子源公转架电弧源图2-49多功能PVD涂层设备工作原理示意图65图2-50为多功能PVD涂层设备照片。本设备具有非平衡磁控溅射离子镀、中频磁控溅射离子镀和电弧离子镀三种功能。单独的离子源可以用来辅助涂层的沉积，提高轰击粒子的能量以提高镀膜效果。基体的负偏压用脉冲偏压施加，以降低镀膜中基体的温度。图2-50多功能PVD涂层设备照片c.其他涂层新工艺

涂层新工艺有等离子体化学气相沉积法(PCVD)和离子束辅助沉积法(IBAD)等。PCVD法是利用等离子体来促进化学反应，可将涂覆温度降至600°C以下，使硬质合金基体与涂层材料之间不产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，日本三菱公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD涂层，结果加工钢料时的钻头寿命可比高速钢钻头延长10倍，效率提高5倍。663.多元、复合涂层材料的应用

在硬质涂层材料方面，工艺最成熟和应用最广泛的是TiN。但TiN与基体结合强度不及TiC

涂层，涂层易剥落，且硬度也不如TiC高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀，因此Sandvik公司推荐用于加工钢料的GC4OOO系列牌号及日本东芝公司T715ZX和T725X涂层硬质合金牌号中均有TiCN涂层成分。TiCN基涂层刀具适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用于工件加工时切削效率可提高2~3倍。涂层材料中的MoS基软涂层及WC/C“中硬”型滑性涂层均是较为新颖的涂层材料，采用一种(Ti,Al)N+MoS软涂层的硬质合金钻头干钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔时，刀具寿命高达1600min，而只涂TiN或TiCN涂层的钻头，其寿命仅分别为19.6min和44min。硬质合金涂层种类从单一化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展，涂层层数也从几层到十几层。多层涂层、多元复合涂层、多元复合纳米涂层、金刚石涂层、CBN涂层将是未来涂层刀具的发展方向。67自润滑刀具是指刀具材料本身具有减摩、抗磨和润滑功能，可在无外加润滑液或润滑剂的条件下实现自润滑切削加工，可显著改善干切削过程的摩擦润滑状态。自润滑刀具的应用可减小摩擦与磨损，省去冷却润滑系统，减少设备投资，避免切削液造成的环境污染，实现清洁化生产，降低生产成本。因此，自润滑刀具是一种高效、洁净的干切削刀具。

实现刀具本身自润滑的方法有多种，可将其归纳为5种基本类型，如图2-51所示：(1)添加固体润滑剂的自润滑刀具；(2)原位反应自润滑刀具；(3)软涂层自润滑刀具；(4)微织构自润滑刀具；(5)软涂层微织构自润滑刀具。图2-51自润滑刀具的类型2.3.2

自润滑刀具681.添加固体润滑剂的自润滑刀具添加固体润滑剂的自润滑刀具是将固体润滑剂直接添加到刀具材料中，制备成含有固体润滑剂的复合刀具。图2-52添加CaF2固体润滑剂的Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具在切削过程中的减摩模型干切削时，刀具前刀面的固体润滑剂由于受到高温、摩擦和切削力的作用，被“挤压”出刀具表面，在切削温度作用下，固体润滑剂处于塑性状态并被拖敷于刀具表面，形成固体润滑膜，从而赋予刀具的自润滑特性。图2-52为添加CaF2固体润滑剂的Al2O3/TiC/CaF2自润滑陶瓷刀具在切削过程中的减摩模型。

692.原位反应自润滑刀具原位反应自润滑刀具是指利用切削高温作用下的摩擦化学反应，在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜，从而实现刀具的自润滑。原位反应自润滑材料一般可以分为金属基原位反应自润滑材料、非金属基原位反应自润滑材料。当切削速度较低，切削温度较小时，刀具的磨损机制主要表现为磨料磨损；当切削速度较高，刀具表面的硼化物在切削高温作用下产生氧化，氧化物B2O3在切屑与前刀面之间起到固体润滑的作用，此时，基体承受载荷，而摩擦则在氧化膜上进行。由于硼的氧化物具有低的剪切强度，进而可减小刀—屑间的摩擦系数（如图2-53所示）。图2-53Al2O3/ZrO2/ZrB2原位反应自润滑刀具干切削时刀-屑间平均摩擦系数随切削速度的变化70图2-54为Al2O3/ZrO2/ZrB2原位反应自润滑刀具干切削时前刀面磨损区XRD衍射谱图。

Al2O3/ZrO2/ZrB2原位反应自润滑刀具在空气中切削时，可见前刀面的磨损较为均匀，通过观察刀具前刀面的EDX能谱图，发现前刀面有B2O3的生成，其在高温下具有一定的润滑性。原位反应自润滑刀具具有较好的减摩和抗磨的作用，适合于高速干切削。图2-54Al2O3/ZrO2/ZrB2原位反应自润滑刀具干切削淬硬钢时刀具前刀面磨损区XRD衍射谱图713.软涂层自润滑刀具软涂层自润滑刀具是指将固体润滑剂通过涂层的办法直接涂覆于刀具表面，从而实现刀具的自润滑功能，这类涂层刀具也称为自润滑涂层刀具。

切削过程中，存在于刀具表面的固体润滑膜会转移到工件材料表面，形成转移膜，使切削过程中摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，使摩擦发生在固体润滑膜内部，从而可达到减小摩擦、阻止黏结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。在目前MoS2软涂层自润滑刀具进行了研究中，设计了4种软涂层自润滑刀具，分别是纯MoS2涂层自润滑刀具，MoS2/Ti涂层自润滑刀具，MoS2/Zr涂层自润滑刀具和MoS2/Cr涂层自润滑刀具（如图2-55所示）。图2-554种软涂层自润滑刀具结构示意图72图2-56为MoS2/Zr软涂层刀具与普通刀具切削淬火钢时后刀面磨损量对比。通过切削试验发现，无论是在润滑膜完整的状态抑或边界润滑状态下，由于表面“软”涂层的存在，涂层刀具的摩擦力和摩擦系数均降低；MoS2/Zr“软”涂层在刀具和切屑之间起到润滑剂的作用，从而降低了刀具的磨损。图2-56MoS2/Zr软涂层刀具后刀面磨损量随L的变化734.微织构自润滑刀具微织构自润滑刀具是指在刀具的刀—屑（刀—工）接触区加工出微织构，在微织构中添加固体润滑剂，切削时由于高温的作用使微织构中的固体润滑剂软化而拖敷于刀具表面，在刀—屑（刀—工）接触区形成连续的固态润滑膜，产生所谓的润滑效应，从而实现刀具本身的自润滑，以达到减小摩擦、降低磨损和提高刀具寿命的目的。图2-57为微织构自润滑刀具切削过程中的减摩模型。

(a)微织构自润滑刀具切削开始前

(b)开始切削后固体润滑剂析出并拖敷于刀具表面

(c)稳定切削后在刀-屑（刀-工）接触区形成连续的固态润滑膜图2-57微织构自润滑刀具切削过程中的减摩模型745.软涂层微织构自润滑刀具软涂层微织构自润滑刀具是指通过飞秒激光等微细加工技术在刀具的刀—屑（刀—工）接触区加工出微米或纳米级别尺寸的具有一定排列的小孔、凹槽等形貌的点阵，然后通过物理气相沉积法(PVD)在刀具表面涂层MoS2或WS2等软涂层材料（如图2-58所示）。软涂层微织构自润滑刀具在切削时不仅能体现软涂层自润滑刀具的软涂层自润滑作用，还能产生微织构自润滑刀具的微织构自润滑效应。(a)刀具微纳米级织构化(b)微织构刀具软涂层图2-58软涂层微织构自润滑刀具的加工工艺751.高速加工特点和现状

高速切削技术因其具有高效、高精度、工序简化等优点而受到高度重视，得到了快速发展。高速切削技术已在航空航天、汽车、模具等行业中得到广泛应用。图2-59Salomin加工切削温度与切削速度曲线2.4高速切削技术2.4.1高速加工特征与机理76图2-60高速范围与加工材料的关系图根据相关资料，高速加工各种材料的切削速度范围为：铝及其合金达到2000~5500m/min；铜合金900~5000m/min；铸铁750~4500m/min；钢及其合金500~1500m/min；钛合金达150~1000m/min；淬硬钢(35~65HRC)100~400m/min，最高达7500m/min；耐热合金达90~500m/min。高速范围与加工材料的关系图，如图2-60所示。高速切削范围还与加工方法密切相关。一般来说，车削：700~7000m/min；铣削：300~6000m/min；钻削：200~1100m/min；磨削：150m/min左右为高速车削。例如：在切削灰铸铁时，1000m/min以上才是高速车削，而400m/min就定义为高速钻削。77零件形状变得越来越复杂，高速切削也就显得越来越重要。高速切削体系涉及的方面比较广，如图2-61所示。图2-61高速切削体系中的关键技术78高速切削加工特点和优势：

1、切削力小，切削温度低。

2、工件热变形减少。和常规切削加工相比，高速切削加工切削力至少可降低30％，这对于加工刚性较差的零件(如细长轴、薄壁件)来说，可减少加工变形，提高零件加工精度。4、加工精度高、加工质量好。

5、加工过程稳定。

超高速切削加工比常规切削加工的切削速度高5~10倍，进给速度随切削速度的提高也可相应提高5~10倍，这样，单位时间材料切除率可提高3-6倍，因而零件加工时间通常可缩减到原来的1/3。3、加工效率高。

高速旋转刀具切削加工时的激振频率高，已远远超出“机床—工件—刀具”系统的固有频率范围，不会造成工艺系统振动，使加工过程平稳，有利于提高加工精度和表面质量。

6、可实现绿色制造。

792.高速切削加工机理高速切削时,存在着连续切屑和断续切屑两种类型：高速切削高导热性、低硬度金属或合金(如低碳钢、铝合金等)时易于形成连续切屑；高速切削低导热性、密排六方多晶体结构、高硬度材料(如钛合金、超耐热镍合金、高硬度合金钢)时易于形成断续切屑。图2-62不同速度加工硬度为325HB的40CrNiMoA的切屑形态Al2O3基陶瓷刀具高速车削45钢件时形成的切屑形状如图2-62所示，其中进给量为0.2mm/r，切削深度为5mm。工件材料及其性能和切削条件对切屑形态起主要作用，其中工件材料及其性能有决定性影响。80硬度较高和低热物理特性KρC的工件材料如热处理的钢与合金钢、钛合金和超级合金，在宽切削速度范围均形成锯齿状切屑，随切削速度的提高，锯齿化程度增高，直至形成分离的单元切屑。图2-63为不同速度加工硬度为325HB的40CrNiMoA的切屑形态，速度由低到高时，切屑形态从连续切屑到最终分离的锯齿形切屑变化较明显。

(a)40m/min下连续切屑

(b)125.5m/min下连续切屑与锯齿状切屑过渡状态

(c)250m/min下锯齿状切屑

(d)2600m/min下即将分离的锯齿状切屑

图2-63不同速度加工40CrNiMoA的切屑形态81在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角

增大，切削力降低。图2-64为PCBN刀具车削铸铁时的切削力变化。其中，轴向力Fx、径向力Fy和切向力Fz。从图中可以看出，随着切削速度的提高切削合力逐渐降低。图2-65为Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45钢时的切削力变化图，规律与前面相同。图2-64PCBN刀具车削铸铁时的切削力图2-65Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45钢时的切削力821.高速切削机床基本结构机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。图2-66为不同的高速铣龙门结构床身。第二代高速铣O形机床，具有大质量的人造大理石床身，极高的热稳定性保证了极好的零件加工精度良好的吸振性能，是铸铁的6倍，可延长刀具寿命。

(a)第一代高速铣龙门结构铸铁床身

(b)第二代高速铣O形结构人造大理石床身

图2-66不同的高速铣龙门结构床身2.4.2高速切削机床832.高速主轴高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。对高速主轴提出如下性能要求：高转速和高转速范围；(2)足够的刚性和较高的回转精度；(3)良好的热稳定性；(4)大功率；(5)先进的润滑和冷却系统；(6)可靠的主轴监测系统。将主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，是高速主轴单元的理想结构。84轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。目前高速主轴主要采用3种特殊轴承：(1)陶瓷轴承，如图2-67所示；(2)磁力轴承；(3)空气轴承。图2-67陶瓷轴承高速主轴结构高速主轴一般采用油空气润滑或喷油润滑。采用油空气润滑后，轴承的DN值(主轴轴承孔径与最大转速的乘积)将比脂润滑提高20%~50%。喷油润滑的轴承极限转速可达2.3~2.5×106r/min。853.高速进给机构高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。

为了适应进给运动高速化的要求，在高速加工机床上主要采用如下措施：(1)采用新型直线滚动导轨，直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，其摩擦系数仅为槽式导轨的1/20左右，而且，使用直线滚动导轨后，“爬行”现象可大大减少；(2)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度；(3)高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化。高速切削机床已开始采用全数字交流伺服电机和控制技术；(4)为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料；(5)为提高进给速度，更先进、更高速的直线电机已经发展起来。

864.高速CNC控制系统数控高速切削加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保证在高速切削时(特别是在4~5轴坐标联动加工复杂曲面时)仍具有良好的加工性能。高速CNC数控系统的数据处理能力有两个重要指标：一是单个程序段处理时间，二是插补精度。5.高速切削机床冷却系统6.高速切削机床安全防护与实时监控系统图2-68高速旋转刀具系统的安全性要求87图2-69高速铣削时在5000rpm时刀片甩出的面铣刀7.高速切削机床换刀装置高速切削机床取消了换刀机械手，刀库与工件并排放置，刀库只作回转分度运动，由主轴部件作前后、上下、左右的直线运动来放刀和取刀。

8.高速切削机床温控系统为了改善高速加工机床的热特性，一般采用温控循环水(或其他介质)来冷却主轴电机、主轴轴承、直线电机、液压油箱、电气柜，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。此外，还可采用低膨胀系数的铸铁来作高速机床的主轴箱体，以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。图2-69为高速铣削时在5000rpm时刀片甩出的面铣刀。刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠，故工况监测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括：切削力监测；机床主轴功率监测；主轴转速监测；刀具破损监测；主轴轴承状况监测等。

881.高速切削刀具材料针对生产中广泛应用的铝合金、铸铁、钢和耐热合金等的高速切削,已发展的刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和金属陶瓷(含氮TiC基硬质合金)刀具等。2.高速切削刀具结构高转速引起的离心力在高速切削中会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂，除损伤工件外，对操作者和机床会带来危险。因此，高速切削刀具除了满足静平衡外还必须满足动平衡要求。3.高速切削刀具几何参数4.高速切削刀柄系统加工中心主轴与刀具的连接大多采用7：24锥度的单面夹紧刀柄系统，ISO，CAT，DIN，BT等都属此类。图2-70为不同高速切削刀柄照片。图2-70不同高速切削的刀柄照片2.4.3高速切削刀具与刀柄89为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度，适应高速切削加工技术发展的需要，相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。图2-71为不旋转速度对刀体弹塑性变形的影响，从图中可以看出高速时，刀体的弹塑性变形区域明显增加。(a)50,000r/min

(b)55,000r/min

图2-71不同旋转速度对刀体弹塑性变形的影响901.切削参数的选择

2.刀具材料的选择

刀具材料的合理选择遵循以下原则

(1)切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配，主要指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能相匹配。(2)切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配，主要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击能力等物理参数要相匹配。

(3)切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能相匹配。3.切削路径的选择与优化

切削路径优化的目的是提高刀具耐用度及切削效率，获得最小的加工变形，提高机床走刀利用率，充分发挥高速加工的优势。(1)走刀方向的优化。(2)刀位轨迹生成按照刀位路径尽可能简化、尽量走直线、路径尽可能光滑。

(3)柔性加减速和断刀的几率。

2.4.4高速切削工艺91

4.加工误差综合动态补偿技术

高速切削加工中误差产生的主要原因有伺服系统的滞后、加减速引起的滞后、插补周期引起的形状误差、数控系统的轮廓误差等。目前采用的补偿技术有：温度补偿、象限补偿、丝杠误差补偿、纳米插补、加减速预测及控制伺服电机最佳加减速转矩、进行前瞻性控制、刀具长度补偿、刀具中心点及半径补偿、冲击控制等。

高速切削具有加工效率高、加工精度高、单件加工成本低等优点。高速加工和传统加工工艺有所不同，传统加工认为，高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程，而在高速加工中，高转速、中切深、快进给、多行程则更为有利。高速切削作为一种新的切削方式。目前，尚没有完整的加工参数表可供选择，也没有较多的加工实例可供参考，还没有建立起实用化的高速切削数据库，在高速加工的工艺参数优化方面，也还需要作大量的工作。高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。目前，Cimatron，Mastercam，UG，Pro/E等CAM软件，都已添加了适合于高速切削的编程模块。

92

1.超精密加工的内涵

2.5超精密加工技术2.5.1超精密加工内涵与特征超精密加工技术是一门集机械、光学、电子、计算机、测量和材料科学等先进技术于一体的综合性技术。目前，超精密加工技术通常是指被加工零件的尺寸精度低于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm

的加工技术。按照加工方式的不同，超精密加工可分为超精密切削、超精密磨料（固结磨料和游离磨料）加工、超精密特种加工及复合加工。超精密加工技术处于世界领先地位的国家有美国、英国和日本。美国LLL国家实验室以发展国防尖端技术为主要目标于1983年研究开发的大型金刚石超精密车床DTM－3的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度Ra4.2nm，该机床与LODTM是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型超精密金刚石车床，如图2-72所示。

93(a)单晶金刚石飞铣加工的激光系统用KDP晶体(长宽42cm,厚1cmm,粗糙度2nmrms)

(c)LODTM大直径光学超精密车床照片

(d)LODTM大直径光学超精密车床照片图2-72LODTM超精密机床加工的零件与机床图

(b)LODOM加工的美国宇航局用的抛物面镜最终形状误差150nm

(c)LODTM大直径光学超精密车床照片

(d)LODTM大直径光学超精密车床照片

图2-72LODTM超精密机床加工的零件与机床图94超精密加工技术是指被加工零件所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。精密加工与超精密加工的发展趋势图，如图2-73所示。

图2-73精密加工与超精密加工的发展951.概述所谓的镜面铣削就是用普通的铣削加工方法获得被加工表面只有磨削加工才能达到的表面粗糙度和平面度。镜面铣削加工的原理就是在普通的铣削加工基础上，采用特殊的专用刀具，配合科学合理的切削参数，用铣削平面的理念进行加工完成。镜面