难加工材料超声辅助切削加工技术

第一篇：难加工材料超声辅助切削加工技术

难加工材料超声辅助切削加工技术

高性能合金（如高温合金、钛合金、高强度钢等）、复合材料、硬脆材料（如光学玻璃、工程陶瓷和功能晶体）等先进材料具有优异的性能，在航空、航天、军工、电子和汽车等领域得到越来越广泛的应用。复合材料具有密度低、比强度和比模量高、可设计性强、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能好和结构尺寸稳定性好等优点，在航空航天领域主要用于制造如机翼、尾舵、刹车盘、制动鼓、仪器舱段、支架等复杂结构件和零件。这些经过成型制备的复合材料结构件和零件上，许多连接装配和附件安装用的孔、窗口、型腔和安装定位面等需要进行精密机械加工。航空航天领域典型的复合材料和硬脆材料结构件和零件如图1 所示。这些结构件和零件不仅对加工精度和加工质量要求高，而且对加工效率也有很高要求。由于这些复合材料硬脆材料具有硬度高、脆性大和耐磨性好等特点，材料切削加工性差，零件加工要求高，很难用传统机械加工方法和加工工具进行加工。因此，如何实现难加工材料零件的高质高效精密加工已成为当前国内外关注的课题。为了适应各种先进材料不断扩大的应用需求，一方面，传统机械加工技术通过自身的不断更新发展以及与其他相关技术的融合，在一些难加工材料加工领域(尤其在加工、铝合金和钛合金结构件加工等)表现出了加工精度和加工效率方面的优势。另一方面，利用光、电、声、热、化学、磁和原子能等能量进行加工的特种加工方法（包括、超声、、电化学、高压水切割等）得到了较快的发展，在一些高性能合金和硬脆材料等难加工材料加工领域显示出一定的优越性。但是，无论是传统机械加工，还是特种加工方法，多数是直接利用单一能量进行加工，在加工效率、精度、表面质量和工具寿命等方面必然存在一定缺点和局限。于是，利用多种形式能量的综合作用的复合加工技术出现了。复合加工技术可以根据加工材料特性以及加工精度和效率的要求，通过传统加工和特种加工方法的复合，不同特种加工方法的复合等多种形式组合出各具特点的新的复合加工方法，达到优势互补，成为机械加工技术的重要发展方向之一。

超声加工作为20 世纪初发展并开始应用于工业领域的一种非常有效的特种加工方法，特别适合于加工玻璃、陶瓷、石英、金刚石、硅等各种硬脆材料，并已得到了广泛应用。将超声加工与传统的切削加工结合所形成新的加工技术是一种典型的复合加工技术，多年来的研究和应用实践表明，这一复合加工技术既充分发挥了机械加工和超声加工这两种加工技术的优点，又弥补了两种技术的局限和不足，因而具有一些突出优点。超声辅助切削加工技术不仅可以有效降低切削力、提高加工质量、减小磨损和提高加工效率，而且拓展了可加工材料和可加工零件的适用范围和应用领域。近年来，国内外研究人员针对难加工材料的超声辅助切削加工开展了大量的研究，一些机床生产商还开发了超声辅助切削加工机床。超声辅助切削加工技术已成为难加工材料零部件加工中主要先进加工技术之一，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

本文针对航空航天等领域中典型难加工材料零件加工的技术需求和应用背景，结合作者和国内外学者的研究成果，介绍了几种超声辅助切削加工技术的原理、特点和应用效果，以及这一复合加工技术的一些新的进展。

超声辅助切削加工技术的原理、系统与分类

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超声辅助切削加工是在传统切削加工中工具与工件相对运动的基础上，在切削工具或工件上施加超声振动，以获得更好加工性能的加工方法。超声辅助切削加工过程中，通过工具对被加工材料的机械和超声复合作用，使工具与被加工材料的接触状态和作用机制发生变化，主要通过机械切削作用、高频微撞击作用以及超声空化作用等进行材料去除。由于超声振动的引入，改变了材料去除机理，降低了工具与工件之间的摩擦力，减少了工具与工件的接触时间，增强了工具对工件的切削去除作用，从而有效地提高了材料去除率，减小切削力，降低切削热，减少刀具磨损，改善加工精度和质量。

超声辅助切削加工系统主要由超声电源、超声能量传输系统、超声换能器、超声变幅杆、工具或工件、冷却液供给单元等组成。在超声辅助切削加工过程中，超声电源通过超声发生器将产生大于15kHz 的高频电信号，并经过功率放大后输出功率超声信号，通过传输系统将功率超声信号传输到超声换能器，再经过超声换能器将电信号转换成相应频率的机械振动，通过超声变幅杆将机械振动的幅度增大，并传递给工具或工件，使其产生超声振动，实现超声辅助切削加工。根据超声辅助切削加工的方式不同，超声辅助切削加工技术的分类如图2 所示。

本文结合航空航天难加工材料零件的加工，介绍了超声辅助车削、超声辅助钻孔、超声辅助磨削和超声辅助切割等几种先进加工技术。

超声辅助车削技术

超声辅助车削是在普通车削机床运动基础上，在上施加超声振动。超声振动方向主要有沿着工件旋转方向切向的振动和沿着进给方向的振动。图3 为作者研制的一种安装在普通卧式上的超声辅助车削加工装置。

采用聚晶金刚石（PCD）刀具普通车削和超声辅助车削碳纤维复合材料的加工表面形貌和刀具磨损对比如图4 和图5 所示。与普通车削加工表面相比，超声辅助车削表面碳纤维和基体过渡部位相对较光滑，碳纤维复合材料表面加工质量明显改善，刀具磨损量可减小约30% 左右[1-2]。采用硬质合金刀具普通车削和超声辅助车削Ni718 和C263 等高温合金并和普通车削加工质量进行对比试验表明，超声辅助车削的加工表面粗糙度降低25%~50%，圆度提高40%~50%[3]。超声辅助车削还可应用于铝基碳化硅等金属基复合材料的加工，和普通车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]。超声辅助车削作为先进的复合加工技术，已在发动机轴、叶轮胚体、机匣和活塞等航空难加工材料零件加工领域获得了重要应用。

二维的超声椭圆振动车削（UEVC）是新发展起来的一种加工方法。目前UEVC 的驱动主要包括两种方式：一种是非共振方式，目前主要是基于平行配置压电叠堆和相互垂直配置压电叠堆的直驱结构，这种椭圆振动需要两个激振源同时激振，其工作原理和基于该原理研制的加工装置如图6 所示[5]。另一种是共振方式，主要是利用变幅杆的两个模态振动组合实现椭圆振动，其工作原理如图7 所示。

本文由吊篮www.xiexiebang.com 联合整理发布 研究表明，这种方法不仅能够减小切削力，改善加工精度和表面质量，减少刀具磨损，而且能实现脆性材料延性切削，既可以用于宏观加工，也可以进行微细结构加工。近几年来这种加工方法受到国际学术界和工程界的高度关注。此外，名古屋大学的社本教授等人还提出了三维UEVC 的概念，代表了UEVC 的最新进展[6]。

超声辅助钻削技术

超声辅助钻削技术是在传统钻削机床的加工运动基础上，在旋转的钻削工具上施加超声振动，实现超声辅助钻削。图8 所示为作者研制的超声辅助钻削装置。

超声辅助钻削较早应用于钛合金、高温合金和复合材料等难加工材料的钻削加工。利用硬质合金超声辅助钻削和普通钻削镍基高温合金材料的出口形貌和切屑形貌如图9 和图10 所示。结果表明，超声辅助钻削的出口毛刺小且少，切屑为断续切屑，利于切屑的排出。与普通钻削加工相比，超声辅助钻削高温合金的表面粗糙度可以降低60%[9]。利用WC 硬质合金钻头超声辅助钻削Ti6Al4V 钛合金材料时，切削力比普通钻削降低20% 左右[10]。目前，超声辅助钻削在航天器、飞机机体和发动机中难加工材料关键零部件的定位孔、连接孔、冷却孔和深小孔的加工中具有重要应用价值和应用前景，特别在航空航天结构件的加工装配中，可用于钛合金蒙皮和复合材料蒙皮与合金骨架之间装配连接孔加工。复合材料/ 合金叠层结构的钻孔加工，可以减小钻削力，延长刀具寿命，减小合金连续切屑对复合材料的损伤，改善钻孔质量。

超声辅助磨削技术

超声辅助磨削技术是采用电镀或烧结法制备的固结超硬（金刚石和立方氮化硼）磨削工具，在磨削工具或工件上施以超声振动的复合加工方法。根据施加超声振动的方式不同，分为两种形式：一种是在传统的基础上，通过在工件上施加超声振动，实现超声辅助磨削加工。图11 所示为在一种在传统卧式平面磨床上通过对工件上施加超声振动进行加工的典型超声辅助磨削加工装置[11]。另一种是利用或，将超声振动施加于旋转的磨削工具上实现超声辅助磨削加工，也称为旋转超声加工（RUM）。图12所示为作者研制的采用超声振动旋转工具的超声辅助磨削加工系统。超声辅助磨削加工系统包括超声加工电源、超声功率传输装置、超声振动刀柄、磨削工具和加工机床等，该系统中的超声振动刀柄内集成有超声换能器和传输超声装置，采用通用刀柄（如HSK、BT 和SK 等刀柄系列）结构与不同的数控机床或加工中心的主轴连接，可夹持杯型砂轮、平行砂轮、空心磨头、圆柱磨头、球形磨头等不同结构形式的磨削工具。该系统利用磨削工具的轴向超声振动和旋转运动，并结合数控机床或加工中心的加工运动，可以实现平面、内外圆面、制孔、型腔和复杂曲面的超声辅助磨削。

作者采用超声振动刀柄夹持电镀金刚石砂轮加工了碳纤维复合材料、铝基碳化硅复合材料、反应烧结碳化硅陶瓷和光学玻璃等难加工材料取得较好的加工效果。其中采用电镀金刚石杯形砂轮进行碳纤维复合材料超声辅助平面磨削和普通磨削后的加工表面和砂轮表面形貌分别如图14 所示。结果表明超声辅助磨削加工的表面纤维丝翘起较少，边沿没有毛刺；超声辅助磨削后的工具表面磨粒磨损小，本文由吊篮www.xiexiebang.com 联合整理发布 工具表面几乎没有堵塞现象；超声辅助磨削时磨削力可以降低约50%，表面粗糙度改善约10%~30%[13]。超声辅助磨削加工C/SiC 陶瓷基复合材料，磨削力可降低约20%，表面粗糙度可改善约30%[12]。

以固结金刚石的空心磨头为磨削工具“以磨代钻”是进行陶瓷、玻璃和复合材料等硬脆难加工材料高效精密制孔的有效加工方法。在此基础上，采用超声振动刀柄夹持电镀或烧结金刚石空心磨削工具，可以实现这些硬脆难加工材料的超声辅助磨削制孔。

利用电镀金刚石空心磨头对碳纤维复合材料进行超声辅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.由图可以看出超声辅助磨削加工孔的出口处几乎没有毛刺工具磨损较小，几乎没有堵塞现象[14]。采用金属结合剂金刚石空心磨头进行陶瓷基复合材料超声辅助磨削制孔，与普通磨削制孔相比，轴向磨削力可以降低约60%，加工效率可以提高约10%，且孔壁和进出口质量明显改善[15]。近年来，德国在超声辅助加工技术应用方面处于领先水平。德国的Hermann Sauer 公司和Deckel Maho公司将超声技术和先进的机床技术相结合，开发出了ULTRASONIC 系列超声复合加工中心，已在光学、医药、半导体、汽车和航空航天等工业领域得到应用。

超声辅助切割加工技术

超声辅助切割加工技术是在传统切割加工工具上施加超声振动的一种复合切削加工技术。采用固结磨料旋转将锯片切割技术用于陶瓷、光学玻璃和蓝宝石等硬脆材料划片、开槽、切断等加工。在硅和蓝宝石晶圆、面板玻璃等划片和切割中得到广泛应用。日本DISCO 公司在已有金刚石薄锯片切割技术基础上，开发了采用旋转切割片的超声辅助切割加工技术[16]。采用金刚石旋转切割片进行超声辅助切割时，切割力更小，切割片不易堵塞，刀具寿命，可以采用高进给速度提高加工效率3倍以上，可使用更细粒度的切割片获得更好的加工质量和使用更薄的切割片获得更窄的切缝。

采用硬质合金尖刀和圆片刀等切割刀片的超声辅助切割加工技术主要用于复合材料铺设时预浸纤维材料的裁剪和下料以及蜂窝结构复合材料的切割和复杂型面加工等。与普通切割相比，采用超声辅助切割时，切削力小，材料不易变形，可提高切割精度；可以采用高的进给速度大幅度提高加工效率；可以减小刀具与工件间的摩擦力，降低切割温度，减小刀具磨损；可以解决普通切割加工中粘刀等问题。

结束语

复合加工技术是先进加工技术的重要发展方向之一，超声辅助切削加工技术是涉及技术领域较宽，应用范围较广的先进复合加工技术。国内外对难加工材料超声辅助切削加工技术的基础研究和应用研究结果表明，这种先进复合加工技术可以有效降低切削力、提高加工质量和精度、减少刀具磨损和提高加工效率，既可用于碳纤维复合材料、颗粒增强复合材料、陶瓷及陶瓷基复合材料等复合材料结构本文由吊篮www.xiexiebang.com 联合整理发布 件的加工，也可用于光学棱镜、陶瓷盘、玻璃腔体、反射镜轻量化结构和陶瓷活塞等硬脆材料精密零件的加工，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。为了实现难加工材料高质量、高精度、高效率的加工，满足不同应用领域难加工材料零件的加工要求，目前，超声辅助切削加工技术通过借鉴其他加工技术的发展经验，正不断向微细化、高效化、精密化、自动化和智能化等方向发展。(end)文章内容仅供参考()()(2012-8-24)

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第二篇：难加工材料的切削加工技术

难加工材料的切削加工技术

潘 飞

（常州铁道高等职业技术学校机械工程系

江苏

常州

213011）

摘 要：随着社会的不断发展，对材料的要求也越高，对切削加工也提出了更高的要求。本文针对这一问题，着重讲述切削难加工材料应考虑的几个方面。

关键词：难加工材料；切削加工

近年来，机械产品多功能、高功能化的发展势头十分强劲，要求零件必须实现小型化、微细化。为了满足这些要求，则所用材料必须具有高硬度、高韧性和高耐磨性，而具有这些特性的材料其加工难度也特别大，因此又出现了新的难加工材料。难加工材料就是这样随着时代的发展及专业领域的不同而出现，其特有的加工技术也随着时代及各专业领域的研究开发而不断向前发展。另一方面，随着信息化社会的到来，难加工材料切削技术信息也可通过因特网互相交流，因此，今后有关难加工材料切削加工的数据等信息将会更加充实，加工效率也必然会进一步提高。难加工材料的界定及具体品种，随时代及专业领域而各有不同。

一、切削领域中的难加工材料

在切削加工中，通常出现的刀具磨损包括如下两种形态：(1)由于机械作用而出现的磨损，如崩刃或磨粒磨损等；(2)由于热及化学作用而出现的磨损，如粘结、扩散、腐蚀等磨损，以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。切削难加工材料时，在很短时间内即出现上述刀具磨损，这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如，多数难加工材料均具有热传导率较低的特点，切削时产生的热量很难扩散，致使刀具刃尖温度很高，切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降，WC(碳化钨)等粒子易于分离出去，从而加速了刀具磨损。另外，难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应，出现成分析出、脱落，或生成其他化合物，这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。在切削高硬度、高韧性被加工材料时，切削刃的温度很高，也会出现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时，与切削一般钢材相比，切削力更大，刀具刚性不足将会引起崩刃等现象，使刀具寿命不稳定，而且会缩短刀具寿命，尤其是加工生成短切屑的工件材料时，会在切削刃附近产生月牙洼磨损，往往在短时间内即出现刀具破损。在切削超耐热合金时，由于材料的高温硬度很高，切削时的应力大量集中在刃尖处，这将导致切削刃产生塑性变形；同时，由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。由于这些特点，所以要求用户在切削难加工材料时，必须慎重选择刀具品种和切削条件，以获得理想的加工效果。

二、难加工材料在切削加工中应注意的问题

切削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削(钻头、立铣刀的端面切削等)，这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切削，刃尖承受的切削力无明显变化，切削热连续作用于切削刃上；铣削则是一种间断切削，切削力是断续作用于刃尖，切削时将发生振动，刃尖所受的热影响，是切削时的加热和非切削时的冷却交替进行，总的受热量比车削时少。铣削时的切削热是一种断续加热现象，刀齿在非切削时即被冷却，这将有利于刀具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验，铣削所用刀具为球头立铣刀，车削为一般车刀，两者在相同的被加工材料和切削条件(由于切削方式不同，切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致)及同一环境条件下进行切削对比试验，结果表明，铣削加工对延长刀具寿命更为有利。利用带有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时，经常出现靠近中心刃处工具寿命低下的情况，但仍比车削加工时强。在切削难加工材料时，切削刃受热影响较大，常常会降低刀具寿命，切削方式如为铣削，则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工，中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候，因此，应针对不同切削方式，采取相应的技术措施，提高加工效率。

三、切削难加工材料用的刀具材料

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)的高温硬度是现有刀具材料中最高的，最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体，选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理，这种材料具有优异的耐磨性，也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高，热传导率低，可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工，CBN成分含量越高，刀具寿命也越长，切削用量也可相应提高。据报道，目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利，热传导率高，刃尖滞留的热量较少，可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时，选用单晶金刚石刀具切削比较稳定，可延长刀具寿命。涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工，但涂层的性能(单一涂层和复合涂层)差异很大，因此，应根据不同的加工对象，选用适宜的涂层刀具材料。据报道，最近已开发出金刚石涂层硬质合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂层硬质合金，使涂层刀具的应用范围进一步扩大，并已可用于高速切削加工领域。

四、切削难加工材料的刀具形状

在切削难加工材料时，刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适当处理，对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响，因此，在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是，随着高速铣削技术的推广应用，近来已逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷，采用逆铣并提高进给速度，因此，对切削刃形状的设计思路也有所改变。对难加工材料进行钻削加工时，增大钻尖角，进行十字形修磨，是降低扭矩和切削热的有效途径，它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内，这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时，切削热极易滞留在切削刃附近，而且排屑也很困难，在切削难加工材料时，这些问题更为突出，必须给以足够的关注。

为了便于排屑，通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口，可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等，使排屑变得更为顺畅，这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。近年来，已开发出一些润滑性能良好的涂层物质，这些物质涂镀在钻头表面后，用其加工3～5D的浅孔时，可采用干式钻削方式。孔的精加工历来采用镗削方式，不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式，这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命均更为有利。因此，这种间断切削用的镗削刀具设计出来后，立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面，目前也采用螺旋切削插补方式，切螺纹用的立铣刀已大量投放市场。如上所述，这种由原来连续切削向间断切削的转换，是随着对CNC切削理解的加深而进行的，这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时，可保持切削的平稳性，且有利于延长工具寿命。

五、难加工材料的切削条件

难加工材料的切削条件历来都设定得比较低，随着刀具性能的提高，高速高精度CNC机床的出现，以及高速铣削方式的引进等，目前，难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。现在，采用小切深以减轻刀具切削刃负荷，从而可提高切削速度和进给速度的加工方式，已成为切削难加工材料的最佳方式。当然，选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要，而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如，钻削不锈钢等材料时，由于材料热传导率很低，因此，必须防止切削热大量滞留在切削刃上，为此应尽可能采用间断切削，以避免切削刃和切削面摩擦生热，这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗加工时，工具形状和夹具应很好配合，这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性，以便在高速回转条件下，保证将每齿进给量提高到最大限度，同时也可延长工具寿命。

如前所述，难加工材料的最佳切削方法是不断发展的，新的难加工材料不断出现，对新材料的加工总是不断困扰着工程技术人员。最近，新型加工中心、切削工具、夹具及CNC切削等技术发展非常迅速，而且在切削加工之外，CNC磨削、CNC电加工等技术也得到空前的发展，难加工材料的加工技术选择范围已大为扩展。当然，有关难加工材料加工信息的收集与对该技术的深入理解，还不能尽如人意，正因为如此，而对难加工材料的不断涌现，人们总是感到加工技术有些力不从心。例如，前述车削加工由连续切削向间断切削转换，便有利于延长工具寿命，新型涂层硬质合金刀具的使用，使难加工材料切削技术水平得到进一步提高。在难加工材料的切削加工中应特别重视工具寿命的稳定，不仅工件材料要和刀具性能妥善配伍，而且对加工尺寸、加工表面粗糙度、形状精度等的要求也极严格，因此，不仅应特别注意刀具选用，对工件的夹持方式等相关技术也不能掉以轻心。今后，难加工材料零件的加工将采取CAD/CAM、CNC切削加工等计算机控制的生产方式，因此，数据库的建构、工具设计与制作等工具管理系统的完善，都极为重要。难加工材料切削加工中，适用的刀具、夹具、工序安排、工具轨迹的确定等有关切削条件的数据，均应作为基础数据加以积累，使零件生产方式沿着以IT化为基础的方向发展，这样，难加工材料的切削加工技术才能较快地步入一个新的阶段。

第三篇：难切削材料切削加工技术

先进制造技术

学 院： 机械工程学院

专 业： 机 械 工 程

2013年 1 月 5日

难切削材料切削加工技术

摘要：本文阐述了难切削加工材料的定义，简单地介绍了几类难加工材料，从切削力、切削温度、刀具磨损等方面介绍了难加工材料的加工特点，并对其产生原因进行了分析。针对难加工材料在加工过程中出现的问题，本文描述了改善难加工材料的切削加工性的方法及其机理，具体对改变材料本身特性、选择刀具材料、润滑冷却方式进行详细介绍。关键词：难加工；材料；加工性；加工技术

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

从某种意义上说，它们对加工的特殊要求起引言 到了促进加工技术发展的作用。现在，人们然而长期以来难加工材料如钛合金、高已经掌握了很有效的难加工材料加工方法。

温合金、不锈钢等其切削加工性极差，给生产带来效率低、质量差、刀具损耗等问题，难加工材料的定义 一直是加工中的难题。随着制造业的发展，难加工材料是指难以进行切削加工的21世纪这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。切削加工性盾将变得突出。与此同时，产品的材料构成等级代号5级以上的材料均属于难加工材也不断优化，新的工程材料也不断问世，而料。从材料的物理力学性能看，硬度高于每一种切削材料的采用都对切削加工提出

250HBS、强度b0.98GPa、延伸率大于了新的要求。如在切削加工比较集中的汽车工业，其发动机、传动器零件中硅铝合金的30%、冲击值ak9.8105J/m2、热比例在逐渐增加，并开始引入镁合金和新的高强度铸铁以减轻汽车重量，节省能耗。又o系数k41.9W/(mC)的均属于难加工如在航空航天工业，钛合金、镍合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和材料之列，如钛合金、高温合金、不锈钢、加工难度都将进一度的增加，能否高效加工高强度钢和超高强度钢、复合材料以及硬脆这些材料，直接关系到我国汽车、航空航天、材料。

难加工材料的分类： 能源等重要工业的发展速度和制造业整体（1）钛合金

o钛是同素异构体，熔点为1720C，在水平，也是对切削技术的最大挑战。但低于882oC时呈密排六方晶体结构，称为钛；在高于882oC时呈密排六方晶体结构，称为钛。利用钛的上述两种结构特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及其相分含量改变而得到不同类型的钛合金。

钛合金的性能特点如下：比强度高、热强度高、抗蚀性好、低温性好、化学活性大、导热性差、弹性模量小。

（2）高温合金

高温合金又称耐热合金或热强合金，它是多组元的复杂合金，以铁、镍、钴、钛等为基础，能在600—1000度的高温氧化环境及燃气腐蚀条件下工作，而且还可以在一定应力作用下长期工作，具有良好的热强行能热稳定性能和热疲劳性能。

（3）不锈钢

不锈钢是指在大气中或在某些腐蚀性介质中具有一定的耐腐蚀能力的钢种。不锈钢种类很多，按其成分可分为钴不锈钢和钴镍不锈钢两大类。

（4）高强度钢与超高强度钢

高强度钢和超高强度钢为具有一定合金含量的合金钢。他们的原始强度、硬度并不高，但经过调质处理（一般为淬火和中温回火），可获得较高或很高的强度。

（5）复合材料

复合材料是指两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质人工制成的多相组成固体材料，是由增强相和基体相复合而成的，并形成界面相。增强相主要是承载相，基体相主要是连接相，界面相的主要作用是传递载荷，三者的不同成分和不同复合工艺使复合材料具有不同的性能。

（6）硬脆性材料

硬脆性材料具有高强度、高硬度、高脆性、耐腐蚀和腐蚀、隔热、低密度和膨胀系数及化学性能好等特点，是一般金属材料无法比拟的。硬脆性材料由于这些独特性能而广泛应用于光学、计算机、汽车、航空航天、化工、纺织、冶金、机械和军事等领域。

难加工材料的加工特点

难加工材料的切削加工性差一般有以下几个方面： 高强度： 2 高硬度； 高塑性和高韧性； 4 低塑性和脆性； 5 低导热性； 有大量微观硬质点或夹杂物； 7 化学性质活泼

这些性质一般都能使切削过程中切削力加大、切削温度升高，刀具磨损严重，刀具使用寿命缩短，加工表面质量恶化，切削难以控制，最终导致加工效率和加工质量降低，加工成本升高。下面详细介绍难加工材料的切削加工性及其产生机理。（1）切削力大

凡是硬度和强度高、塑性和韧性大、加工硬化严重、亲和力大的材料，切削功率消耗大，切削力大。这就要求加工设备功率大，刀具有较高的强度和硬度。表1.1是几种典型难加工材料的切削力的对比。（2）切削温度高

由于难加工材料呢往往加工硬化严重，强度高，塑性和韧性大，亲和力大而导热系数小，切削过程中会产生较大的热量，但散热性能差，因此切削温度较高。如钛合金的传导率只有45钢的1/6左右，且刀-屑接触长度短，切削热集中在切削刃附近，因此切削温度很高，往往是45钢的一倍以上。（3）刀具磨损严重，使用寿命短

凡是硬度高或有磨粒性质的硬质点多或加工硬化严重的材料，刀具的磨料磨损都很严重。另外，导热系数小或刀具材料易亲和、黏结也会造成切削温度高，从而使得黏结磨损和扩散磨损严重。因此难加工材料切削过程中使用寿命铰短。

（4）加工表面粗糙，不以达到进度要求

加工表面硬化严重、亲和力大、塑性和韧性大的材料，其加工表面粗糙度大，表面质量和精度均不易达到要求。（5）切屑难于处理

强度高、塑性和韧性大的材料，切屑连绵不绝、难以处理。切削过程中，切削应得到很好地控制，不能任其缠绕在工件或刀具上，划伤已加工表面、损坏刀具，甚至伤人。

难加工材料切削加工性的改善 1.改变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适当的热处理方法。在被加工材料化学成分已定的情况下，经过不同的热处理工艺可得到不同的金相组织，材料的力学、物理性能机加工性将出现很大的差别。故应当采用适当的热处理方法，并合理安排热处理加工工序。如低碳钢的热塑性很大，可进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；马氏体不锈钢也经常进行调质处理，以降低塑性，减少以加工表面粗糙度，使其较易加工；高强度钢在退火、正火状态下，切削加工并不太困难，粗加工躲在这时进行；经过调质，高强度钢的硬度、强度大为提高，变得难加工，此时可进行精加工或半精加工。

其次是可以改变材料的化学成分。在保证材料力学、物理性能的前提下，在钢中适当添加一些元素，如S、Pb、Ca等，其加工性可得到显著改善，这样的钢称为“易切钢”。易切钢可以使刀具耐用度提高，切削力减小，容易断屑，提高以加工表面的质量。易切钢的添加元素几乎都不能与钢基体固溶，而已金属或非金属夹杂物的状态分布，从而改变了钢材的内部结构与加工时的变形状况，使其加工性得到改善。在奥氏体不锈钢中添加S元素会降低不锈钢的抗腐蚀性，可在奥氏体不锈钢中添加Se元素，所形成的硒化物可提高切削加工性而不影响抗腐蚀性。合理的选用刀具材料

刀具材料的切削性能对切削加工技术的水平影响很大。切削难加工材料时，必须尽可能采用高性能的刀具材料。由于难加工材料种类繁多，性质迥异，在选用刀具时，必须注意刀具材料与被加工材料在力学、物理性能和化学性能之间的合理匹配。

常用于难加工材料切削的刀具材料有高性能高速钢、粉末冶金高速钢、添加TaC和NbC的硬质合金、细晶粒和超细晶粒硬

质合金、TiC硬质合金、添加稀土元素的硬质合金、各种陶瓷材料以及CBN和金刚石等超硬材料。

在韧性较好的刀具基体上，进行表面涂层，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层是提高刀具切削性能的有效途径。与未涂层刀具相比，刀具经过涂层后，可以采用更高的切削速度，或在同样的切削速度下大幅度地提高刀具使用寿命，也可以减少刀具与工件材料之间的摩擦系数，从而减少切削力，改善被加工材料的表面质量。

采用PVD方法在高速钢基体上可涂覆一层致密、坚硬、厚度为几微米的氮化物或碳化物，使高速钢刀具的寿命和切削性能得到大幅度地提高。这种加工方法适用于麻花钻、立铣刀、丝锥、齿轮滚刀和插齿刀等重磨前刀面的刀具。采用PVD和CVD的方法在韧性较好的硬质合金基体上涂覆一层或多层的高硬度和高耐磨性的材料，可获得高韧性又有高耐磨性的刀具材料。3.合理的适用润滑冷却方式

在难加工材料切削过程中，合理使用切削液尤为重要。切削液基本上分为三类：切削油、乳化液、合成切削液。切削油的组要成分是矿物油；乳化液系用乳化油加水稀释而成；而乳化油则由矿物质油、乳化剂及其他物质配成；合成切削液是水基，再加入其他成分构成。以上三类切削液均需加入各种添加剂。切削液具有冷却作用和润滑作用，能够有效的降低切削区刀具表面和工件表面的温度，改善刀具与切屑、工件表面之间的摩擦状态，从而减小刀具磨损并提高以加工表面质量；切削液有清洗作用，能将碎屑（如切铸铁）和粉屑（如磨削）冲走；切削液还能防锈，工作性能稳定，且不污染环境，并对人体无害。同时，在金属切削加工领域也可采用低温雾化切削、油雾冷却、低温冷风切削、MQL微量润滑等绿色切削技术。4.采用其他加工方法 1 热处理渗入可逆元素 对于某些材料还可以通过热处理渗入可逆元素来改善切削加工性，加工完成后去除可逆元素，保持工件的原有特性，如钛合金渗氢处理切削加工性显著改善，切削加工后在进行去氢处理。局部加热切削加工 在切削加工中，局部加热工件切削区域可使材料切削变形区的应力降低，切削力则相应降低，有利于提高刀具使用寿命，切削速度可提高。但加热切削法对被加工表面和表层的物理力学性能有影响，选用时应谨慎。低温切削加工 切削过程中通过一定的强制冷却手段使得工件保持低温状态，工件的力学性能向有利于切削加工的趋势变化，刀具则因低温环境切削加工性能更好，寿命提高。磁化切削加工 使工件和刀具两者之一被磁化，切削过程中带磁切削，切削加工性可得到改善。振动切削加工 低频振动切削具有很好的断屑效果，可不断用断屑装置，使刀刃强度增加，切削时总功率消耗比带有断屑装置的普通切屑降低40%左右。高频振动切削也称超声波振动切削，有助于减小刀具与工件之间的摩擦，降低切削温度，减少刀具的粘着磨损，从而提高切削效率和加工表面质量，刀具寿命约可提高40%。

结束语：

难加工材料加工技术是机械加工工业的关键技术，它的发展体现着国家制造业的制造水平。目前难加工材料加工技术发展日趋成熟，已经实现了对钛合金、高温合金、不锈钢等多种难加工材料的加工。但随着科学技术的发展，必将对产品零部件的性能提出新的和特殊的要求，会有更多难加工材料需要加工，难加工材料加工技术也将会得到更加广泛的应用。

[1]张念淮.难加工金属材料的切削加工技术[J].郑州铁路职业技术学院学报.2008（7）[2]郑文虎，等.难切削材料加工技术问答[M].北京出版社，2001.55-73 [3]左敦稳，黎向峰，等.现代加工技术[M].北京航空航天大学出版社.2009（8）314-362 [4]邹西洋，难加工材料的特性及其应用前景.金属处理第28卷第4期：44-46 [5]吴成建，陈国良等.金属材料学[M].冶金工

业出版社，2009.18-53

[6]韩荣第，于启勋，难加工材料切削加工[M].，北京：机械工业出版社，1996.123-150 [7]李启芳，难加工材料的加工技术[M].，北京：北京科学技术出版社，1992.153-167

第四篇：第一章 切削加工基础知识

第一章 切削加工基础知识

一、本章的教学目的与要求

本章主要介绍了机械加工基础知识。重点应掌握切削运动及切削用量概念；切削刀具及其材料基本知识；切削过程的物理现象及控制；砂轮及磨削过程基本知识；材料切削加工性概念；机械加工工艺过程基本概念；机械加工质量的概念等。掌握本章内容为后续内容的学习打基础，为初步具备分析、解决工艺问题的能力打基础，为学生了解现代机械制造技术和模式及其发展打基础。学生学习本章要注意理论联系生产实践，才能更好体会，加深理解。可通过课堂讨论、作业练习、实验、校内外参观等及采用多媒体、网络等现代教学手段学习，以取得良好的教学效果。为学好本章内容，可参阅邓文英主编《金属工艺学》第4版、傅水根主编《机械制造工艺基础》(金属工艺学冷加工部分)、李爱菊等主编《现代工程材料成形与制造工艺基础》下册及相关机械制造方面的教材和期刊。

二、授课主要内容

1切削运动和切削要素

主要学习零件表面的形成、切削运动、切削用量、切削层参数 2切削刀具和切削过程

主要学习切削刀具材料、车刀、刨刀、镗刀、麻花钻、铣刀的结构及刀具几何角度，切削的形成及形态、积屑瘤、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损和刀具耐用度

3磨具和磨料切削 主要学习磨具和磨削原理 4材料的切削加工性

主要学习衡量材料切削加工性能的指标、常用材料的切削加工性、改善材料切削加工性的方法

5机械加工工艺过程基本概念

主要学习工艺过程的基本概念、工件的安装和夹具、基准及其选择原则、工件在夹具中的定位

6机械加工质量的概念

主要学习机械加工精度、机械加工表面质量

三、重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）

让学生重点掌握切削运动及切削用量概念、切削刀具及其材料基本知识、切削过程、砂轮及磨削过程、材料切削加工性、机械加工工艺过程基本概念；机械加工质量等概念。

四、要外语词汇

主运动：primary motion 进给运动：feed movement 车刀：turning tools 刀具材料：cutting tools materials 切削过程：cutting process 磨具：abrasive grinding tools 表面质量：machining quality of machined surfaces

五、辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等）

主讲（板书）+课堂讨论+作题练习+实验+多媒体课件+实物

六、复习思考题

1.试说明下列加工方法的主运动和进给运动：

a.车端面；b.在钻床上钻孔；c.在铣床上铣平面；d.在牛头刨床上刨平面；e.在平面磨床上 磨平面。

2.试说明车削时的切削用量三要素，并简述粗、精加工时切削用量的选择原则。

3.车外圆时，已知工件转速n=320 r/min，车刀进给速度vf=64 mm/min，其它条件如题图1-1所示，试求切削速度vc、进给量f、背吃刀量ap、切削层公称横截面积AD、切削层公称宽度bD和厚度hD。

4.弯头车刀刀头的几何形状如题图1-2所示，试分别说明车外圆、车端面(由外向中心进给)时的主切削刃、刀尖、前角γ0、主后角ao、主偏角kr和副偏角kr'。

题图1-1

题图1-2 5.简述车刀前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角的作用及选择原则。

6.机夹可转位式车刀有哪些优点? 7.刀具切削部分材料应具备哪些基本性能?常用的刀具材料有哪些? 8.高速钢和硬质合金在性能上的主要区别是什么?各适合做哪些刀具? 9.切屑是如何形成的?常见的有哪几种? 10.积屑瘤是如何形成的?它对切削加工有哪些影响?生产中最有效的控制积屑瘤的手段是什么? 11.设用γ0=15°, ao=8°, kr=75°, kr'=10°,s =0°的硬质合金车刀，在C6132型卧式车床上车削45钢(正火，187HBS)轴件的外圆，切削用量为vc=100 mm/min、f=0.3 mm/r、ap=4 mm，试用切削层单位面积切削力kc计算切削力Fc和切削功率Pm。若机床传动效率η=0.75，机床主电动机功率PE=4.5 kW，试问电动机功率是否足够? 12.切削热对切削加工有什么影响? 13.背吃刀量和进给量对切削力和切削温度的影响是否一样?如何运用这一规律指导生产实践? 14.切削液的主要作用是什么?常根据哪些主要因素选用切削液? 15.刀具的磨损形式有哪几种?在刀具磨损过程中一般分为几个磨损阶段?刀具寿命的含义和作用是什么? 16.试分析砂轮磨削金属与刀具切削金属的过程及原理有何异同?原因何在? 17.如何评价材料切削加工性的好坏?最常用的衡量指标?如何改善材料切削加工性? 18.什么是生产过程、工艺过程、工序和安装? 19.生产类型有哪几种? 汽车、电视机、金属切削机床、大型轧钢机的生产各属于哪种生产类型? 各有何特征? 20.机械加工中，工件的安装方法有哪几类? 各适用于什么场合? 21.什么是夹具? 按其用途不同，夹具分为哪几类? 各适用于什么场合? 22.何谓基准?根据作用的不同，基准分为哪几种? 23.何谓粗基准和精基准? 试述粗、精基准的选择原则各是什么? 24.试选择如题图1-3所示三个零件的粗、精基准。其中题图1-3a是齿轮，m=2,Z=37，毛坯为热轧棒料；题图1-3b是液压油缸，毛坯为铸铁件，孔已铸出；题图1-3c是飞轮，毛坯为铸件。均为批量生产。图中除了标有不加工符号的表面外，均为加工表面。25.何谓工件的六点定位原理?加工时，工件是否都要完全定位? 26.什么是加工精度?包括哪些内容? 27.机械加工表面质量的含义是什么?它与表面粗糙度有何区别?图样上常标注哪一项?

题图1-3

七、参考教材（资料）孙大涌主编.先进制造技术.北京：机械工业出版社，2000 2 李伟光主编.现代制造技术.北京：机械工业出版社，2001 3 机械工程手册编辑委员会.机械工程手册：机械制造工艺及设备卷(二)第2版.北京：机械工业出版社，1997 4 邓文英主编.金属工艺学第4版.北京：高等教育出版社，2000 5 吴桓文主编.工程材料及机械制造基础(Ⅲ)机械加工工艺基础.北京：高等教育出版社，1990 6 卢秉恒主编.机械制造技术基础.北京：机械工业出版社，1999 7 张世昌，李 旦等.机械制造技术基础.北京：高等教育出版社，2001 8 傅水根主编.机械制造工艺基础(金属工艺学冷加工部分).北京：清华大学出版社，1998 9 李爱菊，王守成等.现代工程材料成形与制造工艺基础(下册).北京：机械工业出版社，2001 10 贾青云，李冬妮等.现代汽车制造技术之机械加工：世界汽车技术发展跟踪研究(一).汽车工艺与材料，2002，(4)11 苗赫濯，齐龙浩等.新型陶瓷刀具在机械工程中的应用.机械工程学报，2002，38(2)

第一章 机械加工基础知识

切削加工是使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)，在工具和工件的相对运动中，把工件上多余的材料层切除，使工件获得规定的几何参数(尺寸、形状、位置)和表面质量的加工方法。

第一节 切削运动及切削要素

一、零件表面的形成

1.基本表面：外圆面、内圆面(孔)、平面 2.成形面：螺纹、齿轮的齿形等

这些表面可分别用图1-1所示的相应加工方法来获得。

图1-1 零件不同表面加工时的切削运动

二、切削运动

切削运动(cutting motions)：在切削加工中，刀具和工件间必须有一定的相对运动。切削运动可以是旋转运动或直线运动，也可以是连续的或间歇的 切削运动包括主运动(图中Ⅰ)和进给运动(图中Ⅱ)。

主运动(primary motion)是使刀具和工件之间产生相对运动，促使刀具接近工件而实现切削的运动。如图1-2所示工件的旋转运动。主运动速度最高，消耗功率最大。主运动只有一个。

进给运动(feed movement)使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可连续地切除余量，如图1-2所示车刀的移动。进给运动可以是1个或多个

图1-2 切削运动和加工表面

三、切削用量

切削用量(cutting conditions)包括切削速度vc、进给量f(或进给速度vf)和背吃刀量aP；三要素。

1.切削速度

切削刃上选定点相对工件主运动的瞬时速度称为切削速度(cutting speed)，以vc表示，单位为m/s或m/min。

若主运动为旋转运动(如车削、铣削等)，切削速度一般为其最大线速度。 vcdn1000 m/s或m/min 式中：d—工件(或刀具)的直径，mm；n—工件(或刀具)的转速，r/s或r/min。

若主运动为往复直线运动(如刨削、插削等)，则常以其平均速度为切削速度，即：  vc2Lnr m/s或m/min 1000式中：L—往复行程长度，mm；nr——主运动每秒或每分钟的往复次数，str/s或str/min。

2.进给量

刀具在进给运动方向上相对工件的位移量称为进给量(feed rate)。

用单齿刀具(如车刀、刨刀等)加工时，进给量常用刀具或工件每转或每行程刀具在进给

运动方向上相对工件的位移量来度量，称为每转进给量或每行程进给量，以f表示，单位为mm/r或mm/str。

用多齿刀具(如铣刀、钻头等)加工时，进给运动的瞬时速度称进给速度，以vf表示，单位为mm/s或mm/min。刀具每转或每行程中每齿相对工作进给运动方向上的位移量，称每齿进给量，以fz表示，单位为mm/z。fz、f、vf之间有如下关系：

 vffnfzzn mm/s或mm/min 式中：n—刀具或工件转速，r/s或r/min；z—刀具的齿数。

3.背吃刀量

在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向测量的切削层尺寸，称为背吃刀量(back engagement of the cutting edge)，以aP表示，单位为mm。如图1-2所示，车外圆时，aP可用下式计算，即  apdwdm mm 2式中：dw、dm—工件待加工和已加工表面直径，mm。

工件上由主切削刃形成的那部分表面是过渡表面。

四、切削层参数

切削层是指切削过程中，由刀具切削部分的一个单一动作(如车削时工件转一圈，车刀主切削刃移动一段距离)所切除的工件材料层。它决定了切屑的尺寸及刀具切削部分的载荷。切削层的尺寸和形状，通常是在切削层尺寸平面中测量的，如图1-3所示。

(1)切削层公称横截面积AD 在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位为mm2。

(2)切削层公称宽度bD 在给定瞬间，作用于主切削刃截形上两个极限点间的距离，在切削层尺寸平面中测量，单位为mm。

(3)切削层公称厚度hD 同一瞬间切削层公称横截面积与其公称宽度之比，单位为mm。由定义可知

 ADbDhDmm2

因AD不包括残留面积，而且在各种加工方法中AD与进给量和背吃刀量的关系不同，所以AD不等于f和aP的积。只有在车削加工中，当残留面积很小时才能近似地认为它们相等，即

ADfap mm

第五篇：数控切削加工领域的数字化测量技术

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数控切削加工领域的数字化测量技术

作者：彭林波 何蔚 邓文科

来源：《科技创新导报》2011年第17期

摘 要:在数控切削加工中,数控切削加工技术是一项要求非常严格的工作,合格的数控切削技术操作不但能确保工件的加工质量,还能实现高速、高效而精密的数控切削。本文从分析数控切削加工中数字化测量技术的基本概况入手,进而探讨当代数字化的测量技术和量具量仪的发展,具体研究了数字测量技术在数控切削加工领域的运用。

关键词:数控技术数字化测量原理精磨测量技术

中图分类号:TH16 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(b)-0117-01

在机械制造与机械加工行业中,要实现高效率、高精度、功能齐全、过程稳定的数控切削加工,我们就一定要注重数字化测量操作。当然,数字化测量操作是一个复杂的过程,牵涉到很多具体的实际操作问题。数字化测量处理出现问题,不但会对数控切削加工中零件的精度产生影响,还会使加工过程面临刀具和数控机床发生碰撞的潜在危险。为此,本文将重点探讨数字化测量的基本原理,并简单介绍几种常见的数字化测量精准技巧。数控切削加工中数字化测量的基本原理

我们在数控切削加工机床上进行先进的切削加工,就一定要用到先进的数控切削刀具,我们首先要通过数字化测量来具体确定工件的坐标系中刀具刀位点的起始位置,也就是我们通常所说的数字化测量点或者起刀点;再通过定位装夹来确定机床坐标系中工件的具体位置。这类高速且高效、精密又复杂、兼具稳定可靠和绿色环保的先进数控切削加工技术就离不开精准的数字化测量技术与仪器,数字化的测量技术在数控切削刀具从设计制造再到使用的整个刀具产品的生命周期过程中都起着非常重要的作用。

数控加工工艺要考虑加工零件的工艺性,加工零件的定位基准和装夹方式,也要选择刀具,制定工艺路线、切削方法及工艺参数等,而这些在常规工艺中均可以简化处理。因此,数控加工工艺比普通加工工艺要复杂得多,影响因素也多,因而有必要对数控编程的全过程进行综合分析、合理安排,然后整体完善。相同的数控加工任务,可以有多个数控工艺方案,既可以选择以加工部位作为主线安排工艺,也可以选择以加工刀具作为主线来安排工艺。数控加工工艺的多样化是数控加工工艺的一个特色,是与传统加工工艺的显著区别。

由于数控加工的自动化程度较高,相对而言,数控加工的自适应能力就较差。而且数控加工的影响因素较多,比较复杂,需要对数控加工的全过程深思熟虑,数控工艺设计必须具有很好的条理性,也就是说,数控加工工艺的设计过程必须周密、严谨,没有错误。

凡经过调试、校验和试切削过程验证的,并在数控加工实践中证明是好的数控加工工艺,都可以作为模板,供后续加工相类似零件调用,这样不仅节约时间,而且可以保证质量。作为模板本身在调用中也是一个不断修改完善的过程,可以达到逐步标准化、系列化的效果。

由于数控加工的自动化程度高,安全和质量是至关重要的。数控加工工艺必须经过验证后才能用于指导生产。在普通机械加工中,工艺员编写的工艺文件可以直接下到生产线用于指导生产,一般不需要上述的复杂过程。数控切削加工中数字化测量技术简介

随着科学技术和模具制造工艺的进一步发展,企业在数控切削加工中运用越来越多的数字化测量仪器来实现数控机床数字化测量操作的高效率和高精度,对于一些需要通过复杂数字化测量的工件也有了更多的精准技巧创新。

2.1 数控刀具与刀片数字化检测技术

我们在实际的数控操作中主要运用到的是采用了测量的精密成形和复杂组合式的数控刀具与刀片几何精度方面的非接触式激光或者光学数字化检测技术、仪器等。目前由于精磨测量技术的迅速发展,在线测量技术已可进行加工状态的实时显示,及时检测是否出现异常现状。专用刀具的检测,需要用到滚刀检测仪、齿轮测量中心、专业的精密数控拉刀测量仪、弧锥齿轮刀盘检测仪等专用测量技术与仪器对其进行检测。测量仪器是深受机床工业影响的行业。目前,组合式数控机床一般采用的技术有:激光技术(传感技术)、CAD/CAM耦合、激光集成、仪器仪表精密制造。这种机床的优点明显:在线检测技术保证了加工过程(工具交换、传送和放置时间)得到缩短,费用(物流、设备使用负荷)均得到降低,而产品质量(整个流程自动进行)得到提高。

2.2 数控工具系统方面的检测技术

一般而言,为了确保数字化测量的精度,我们会将数字化测量点尽量设置在工件零件的设计基准或者工艺基准之上。而现代数控工具系统方面的数字化检测技术发展一般都具有很强的双面约束性、两面夹紧定位功能,并准备发展成为其主导结构和功能,它可以为数控刀具的轴系提供综合的刚度与精度,在几何精度方面的检测也要比传统测量系统更加复杂精密。

2.3 数控刀具在机检测

在数控刀具进行精度的安装与切削加工过程中,我们可以选择一定的数字化测量点对数控刀具进行在机的检测,实时监控其在使用时和使用后的磨损与破坏状况。数控切削加工需要对批量产品在技术质量的稳定性和大型的难加工材料工件在加工质量方面进行确保,就需要运用到在机检测这种重要的技术方法。我们的工厂也迫切地需求这种可以进行可靠的数控刀具的在机精度的检测与补偿调整,并对磨损破损进行实时的监控与维护。数控切削加工中数字化测量技术主要发展方向

随着生产水平的提高,高效率测量成为测量技术的主要指标,为了实现生产的高速化、高效率,必然要提高测量效率,近年,随着在线测量技术、非接触式测量技术的发展,笔者认为,数字化测量技术未来的其主要发展方向如下:

(1)测量精度的进一步发展。将会由传统检测仪器三维测量仪、投影仪等的μm级检测向现代光电检测设备的nm级发展;

(2)测量水平的发展。其主要表现在测量的范围上,将会把测量范围进一步增大,由点到面,由单一方向的测量向整体形状测量方向发展;

(3)测量可靠性发展。这得益于标准化的日益完善,精密仪器的进一步开发。结语

由于数控机床具体的操作中会使用到种类多样、尺寸不一的测量工具,数字化的测量技术操作在数控切削加工时起着非常重要的作用。因此,我们一定要掌握现代测量技术操作的原理与要领,明确数字化测量操作中的具体环节,再根据具体的实际情况,选择合适的数字测量方法、确定正确的程序指令、设置科学合理的测量参数与测量补偿值,以期通过精确的数字化测量来实现数控切削加工程序编制的简化,保证工件的加工质量,提高零件的加工效率。

参考文献

[1] 吴丽,董大晖,李连成．现代模具制造技术大全[M]．北京:工业出版社,2006:146～250．

[2] 黄文虎,柳辉民．刍议如何处理数据加工中的数字化测量技术问题[N]．现代工业管理,2009．2:43～66.