航空航天用钛合金的切削加工现状及发展趋势

第一篇：航空航天用钛合金的切削加工现状及发展趋势

航空航天用钛合金的切削加工现状及发展趋势

钛合金在航空航天工业和其他工业部门有着广泛的应用前景。随着科学技术的不断进步和我国国民经济的快速发展，作为“崛起的第三代金属”钛工业必将大有作为。

航空航天用钛合金的特点及应用

作为航空航天领域不断兴起的材料，钛合金有以下优势[1-3]：

（1）比强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686~1176MPa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。

（2）高温性能优良。钛合金在高温下仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽。

（3）抗腐蚀性强。在550℃以下的空气中，钛表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，其耐蚀性优于大多数不锈钢。

在航空工业领域，钛合金主要用于制造喷气发动机的压气机盘、涡轮盘、叶片、机匣等，以及诸如大型主起落架支撑梁、机身后段及转向梁等结构件[4]。因钛合金具有比强度高和耐高温特点，用于制造飞机发动机和机体能够有效地提高发动机推重比和机体机构效率，有利于缓解热障现象[5]。近年来军用飞机上所用钛合金材料的比例正在不断增加[6]，钛合金材料的应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志之一。美国第四代战斗机的F-22 的机体主要承力材料大量采用钛64（Ti-6Al-4V），约占机身总质量的36%，钛62222 主要用于发动机周围蒙皮机构及发动机框架，约占机身总质量的3%[7]。在民用飞机方面，钛合金的应用也较为广泛。在波音777 上大约采用了11%的钛结构，其平面钛箔的用量将达到12247kg[8]。在航天工业领域，钛合金主要用于制造耐高温和低温零件[9]。如上海钢铁研究所的7715D 用于DFH-3 卫星的FY-25 型远地点发动机喷注器；俄罗斯的BT37 合金广泛应用于宇航工业形状复杂的低温管路系统。

航空航天用钛合金的切削加工现状

航空航天用钛合金零部件主要有两类。一类是复杂曲面，如叶轮、涡轮盘和叶片等，实际生产中采用多轴数控加工。图1 中采用多轴铣削加工的钛合金涡轮即为复杂曲面。另一类是薄壁框型件，如大型框、梁和壁板等多采用铣削加工。图2 中采用立铣加工的钛合金壁板是典型的薄壁框型件。上述两种工件的加工都必须从整块坯料中去除大量的材料，而钛合金的切削加工性较差，其工件的加工成本占工件总成本的比重很大。切削加工困难是导致钛合金零件价格高昂的重要因素。钛合金的切削加工性

钛合金是典型的难加工材料，其加工特性表现如下[10-11]：

（1）钛合金的导热性差，是不良导热体金属材料。切削加工时，切屑与前刀面的接触面积很小，特别容易引起薄壁件的热变形。

（2）钛合金弹性模量低，弹性变形大。切削时接近后刀面处工件的回弹量大，导致已加工表面与后刀面的接触面积特别大，造成加工件几何形状和精度差、表面粗糙度增大、刀具磨损增加。

（3）钛合金的亲和性大、切削温度高。切削时，钛屑及被切表层与刀具材料咬合，产生严重的粘刀现象，容易引起刀具强烈的粘结磨损。钛合金的高温化学活性强，在600℃以上时，与氧、氮产生间隙固溶。吸收气体后钛合金表面的硬度明显上升，对刀具有强烈的磨损作用。

目前，我国的钛合金切削加工效率还比较低，生产中应用最多的硬质合金刀具推荐的切削速度在30~50m/min，与国外相比还存在很大差距。目前的钛合金切削加工工艺

现有的钛合金切削加工方式主要是车削和铣削。钛合金车削加工时易获得较好的表面粗糙度，加工硬化不严重，但切削温度高，刀具磨损快。钛合金的铣削加工比车削加工困难。因为铣削是断续切削，并且切屑易与刀刃发生粘结，当粘屑的刀齿再次切入工件时，粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料，形成崩刃，极大地降低了刀具的耐用度。

在加工钛合金时，通常选择较小的前角，以增大切屑与前刀面的长度；选择较大的后角，以减小后刀面与加工表面之间的摩擦。为了降低切削温度，通常选用较小的切削速度和较大的切深，并使用切削液。切削速度过小导致材料去除率低下，增加了钛合金加工成本；较大的切深导致切削力增大，影响钛合金工件尤其是薄壁件的质量；切削液的使用增加了加工成本，造成环境污染，不符合绿色切削的要求。

目前，我国的钛合金加工缺乏有效的工艺数据库支持。在具体工艺安排和切削用量选择上，往往凭经验和“试切”来确定工艺参数。此外，我国刀具和切削液的国产化程度还比较低，制约了钛合金切削加工水平的提高。

钛合金切削加工的发展趋势

随着航空工业的发展，钛合金将逐步取代铝合金，成为航空工业的主要材料。未来的钛合金切削加工将主要面向3 个方向：

（1）大幅提高单位时间内的材料去除量，实现高效加工；

（2）研发新型刀具，延长刀具使用寿命；

（3）减少切削液的使用，达到绿色切削。钛合金高速切削

高速切削能大幅提高钛合金加工效率，并保证零件加工质量。钛合金的高速槽铣和周铣实践证明，高速切削不仅能提高加工效率，还能有效提高被加工表面的质量[12-14]。

钛合金高速切削具有以下优势：

（1）温升少，工件热变形小。高速切削虽然产热量多，但由于切屑从工件上切离的速度快，90% 以上的切削热被切屑带走，传给工件的热量很小，工件积累热量极少，这对于减少钛合金热变形有重要意义。

（2）切削力低。切削速度高使得剪切变形区变窄，剪切角增大，变形系数减小和切屑流出速度快，从而使切削变形减小，切削力比常规切削力低30%~90%, 特别适合于加工刚性差的航空用钛合金薄壁件。

（3）材料切除率高，加工表面质量好。高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5~10 倍，这样单位时间内材料的切除量可提高3~5 倍。另外随着切削速度的提高，切屑可以被很快切离工件，故残留在工件表面上的应力很小。由于切削点温度的升高工件表面鳞刺的高度会显著降低甚至完全消失。

钛合金高速切削也面临着很多技术难题。高速导致加工表面温度急剧升高，由于钛合金导热性差，如不采取有效的降温措施，会使得钛合金和空气中元素发生化学反应，形成硬化层。高温烧蚀和切削力的增大造成刀具急剧磨损，使得加工不能持续。钛合金切削加工的高性能刀具

大量的研究结果[15-17] 表明：刀具的快速磨损是制约钛合金高速切削加工的最主要因素。因而，要想提高钛合金加工和应用水平，必须研发适用于钛合金的高性能刀具。刀具材料方面，应具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能和高的可靠性。

硬质合金刀具的价格相对低廉，是目前使用最多的钛合金切削刀具，常用刀具有YG6、YG8 等。但是在以往的研究和生产实践中，通常不采用YT 类刀具，因为含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲合，使得粘结磨损严重。但是对刀具磨损的研究表明，钛合金在低速铣削时的刀具磨损机理为粘结撕裂磨损，在高速铣削时以扩散磨损为主[18]。而含钛类刀具可有效抑制扩散磨损。因此，低速段使用的YG 类硬质合金刀具不适合钛合金高速切削，而YT 类刀具将是新的研究方向。

PCD 刀具的性能很适宜于加工钛合金[19] ：（1）良好的导热性。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5~9倍。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易从刀具散出，故切削区温度低，这对于克服钛合金导热性差的问题有重要意义。（2）较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍约为高速钢的1/10，在高温下，能够更好地保证钛合金工件的加工质量。（3）极高的硬度和耐磨性。金刚石刀具在加工高硬度材料时耐用度为硬质合金刀具10~100 倍甚至高达几百倍。使用金刚石刀具切削钛合金，能够有效延长刀具使用寿命。Mori 等[20] 采用新型PCD 刀具在高速切削钛合金时获得了较好的切削效果。但是Balkrishna Rao 等[21]的研究结果表明，金刚石刀具的磨损形式表现为剥落和沟槽磨损，不能实现高速切削。

在刀具结构方面，Komanduri 与Reed[22] 设计了一种可提高刀具寿命的新型刀夹，该刀夹可获得较大的刀具后角和负前角；Shuting Le 等[23] 研究了可转位刀具在高速车削Ti6Al4V钛合金过程中的应用状况，在高速切削状态下，可转位刀具的寿命比固定位刀具的寿命增长了37 倍。钛合金绿色切削

传统的钛合金切削使用大量的冷却液，增加了制造成本，造成了环境污染，还会损害工人的身体健康[24]。绿色切削可有效解决由切削液引起的各类问题。目前国内外对绿色加工的研究主要有绿色切削技术和绿色冷却技术。

绿色切削技术包括：干式切削、准干式切削、低温切削和绿色湿式切削[25-26]。

干式切削可完全消除使用切削液导致的一系列负面影响[25]，由于摩擦使工件和刀具的温度升高，导致刀具磨损加快，工件产生残留应力，同时会使得刀具和工件发生热变形，表面质量降低，因而不适用于航空航天用钛合金的加工。准干式切削又称MQL（Minimal Quantity Lubrication）极微量润滑技术，它是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并雾化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑。MQL 可以大大减少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用。使用的润滑液很少，而效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境造成污染，是钛合金切削加工的有效途径。低温切削能够提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量，非常适用于钛合金加工。林肯大学的Z.Y.Wang [27] 的研究结果表明，在超低温加工状态下，刀具材料能够保持良好的切削性能，提高了刀具寿命，保证了切削效率和加工质量。

绿色冷却技术是实现绿色加工的关键，主要包括：液氮冷却、蒸汽冷却、低温气体射流冷却以及喷雾射流冷却等。

液氮冷却采用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工，是目前主要的低温加工手段。低温气体射流冷却是采用-10~-100℃的冷风强烈冲刷加工区的一种冷却方式。试验证明，该方式可以显著均匀地降低加工区、刀具及工件的温度，有效地抑制刀具磨损，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工质量和提高零件加工精度[28-29]。由于液氮冷却切屑收集困难，纯气体冷却时刀具没有得到润滑等问题，制约了此种冷却方式的推广。有学者在此种方法基础上提出了钛合金低温喷雾射流冷却加工[30]。低温喷雾射流冷却加工兼备了低温、射流冲击、充分汽化和使用最绿色的空气等几个要素。

结束语

为了满足航空航天对于钛合金工件日益增长的需求，我国的钛合金切削加工必须有长足的进步。在基于国内的材料、机床和管理等条件基础上，进一步加强钛合金材料加工工艺路线的优化、加工参数的优选，提高加工效率和产品质量，是推动国内钛合金产业和航空航天工业的发展的重要因素。

第二篇：国外茶叶加工现状及发展趋势

国外茶叶加工现状及发展趋势

中国食品产业网(2006-6-20 10:54:10)

印度

目前印度居全球第二产茶大国的位置，也是世界茶叶出口的第四大国。在印度，全国60个茶树种植场的茶叶产量占全部总产量的60%，因而产品质量易于控制，市场容易开拓。印度政府对茶叶拍卖有规定，即茶园生产的茶叶，70%以上要进入拍卖市场（也有介绍说是75%要进入拍卖市场）。国外公司的经纪人和国内零售商一般都从拍卖市场中进货。印度作为茶叶出口大国，受西方茶叶消费偏好改变的影响，以及肯尼亚等国茶叶出口的冲击，加上国内消费的增加，近年来茶叶产量持续下跌，从1998年的8.7亿公斤减少到2004年的8.2亿公斤，为15年以来的最低点。出口量也逐年下滑，茶叶出口量也从2002年的2亿公斤下降到2004年的1.45亿公斤。1公斤高品质的阿萨姆茶5年前售价100卢比（约合2.3美元），现在跌到75卢比（约合1.72美元）。除去不利天气的因素，茶叶价格下降、成本上涨、市场竞争激烈也是重要原因。为挽回印度茶叶昔日的辉煌，印度茶叶企业一面不断开拓新兴红茶市场（包括中国在内）；一面也在改变其产品结构，适应正在发生变化的西方社会的茶叶消费习惯；同时印度茶商纷纷采取措施降低生产成本，让优质茶叶能以更有竞争力的价格出售。一些茶叶研究机构也正在加紧开发降低生产成本的新技术并帮助茶厂进行生产加工设备的更新换代。

印度政府于50年代通过了《茶叶法》，该法是茶叶生产、流通环节的法律依据。印度商业部代表政府依据《茶叶法》对茶叶的生产、流通领域实施监督。商业部下设国家茶叶局，茶叶局是实行具体行业管理的机构，具有管理生产、出口和制定发展计划等行政职能，并设有专门的研究机构，负责技术研发和推广。茶叶局在国内主要茶区都设分支机构。国外在莫斯科、汉堡、伦敦、纽约、迪拜等设立代表处或常任代表。茶叶局官员由政府任命，经费都由政府提供。但总的来讲茶叶局职能在慢慢弱化，而茶叶协会等民间组织的职能在加强。

斯里兰卡

斯里兰卡茶叶产业已有130多年的历史。斯里兰卡国内每年大约消费茶叶2万吨左右，斯里兰卡一直在与肯尼亚开展激烈竞争，争夺国际茶叶出口霸主地位。尽管2004年实现出口茶叶29万吨，不及肯尼亚茶叶出口量（32.6万吨），但斯里兰卡仍处世界茶叶出口市场的主导地位。据统计，2005年，斯茶叶出口达30.8万吨，同比增长2.83%，并呈现出三年连续小幅稳步增长的态势。期间，斯里兰卡还进口茶叶719万公斤（占其茶叶产量的3%），主要用于拼配茶和再出口。俄罗斯及前苏联各国仍是斯茶叶出口的最大市场，占出口总量的近两成。

肯尼亚

茶叶是肯尼亚的第一大出口商品，每年为肯尼亚带来约6亿美元的出口收入。茶产业在肯尼亚为50万人提供了直接的就业机会，相关行业为250万人提供了就业机会。连续十年来一直居斯里兰卡之后。排世界茶叶出口第二位的肯尼亚，2004年茶叶出口量较上年猛增了21%，跃居出口第一。根据肯尼亚茶叶局公布的资料，2005年，肯尼亚出口茶叶34.9万吨，仍是世界最大的茶叶出口国。肯尼亚蒙巴萨市是非洲茶叶的出口港市。蒙巴萨茶叶拍卖中心聚集了来自马拉维、坦桑尼亚、乌干达、卢旺达、布隆迪、津巴布韦以及非洲其他产茶小国的茶叶。因此，在这些国家生产的茶叶可能就被统计在肯尼亚的茶叶出口中。

日本

日本全国现有茶园面积5万公顷，总产量8.98万吨，茶农约24万户，主要分布在静岗、鹿儿岛、三重等8个县。茶树品种比较单一，薮北种占83%。日本茶业机械化和自动化程度相当高，茶树修剪、采摘、加工、包装基本上都实现了机械化和自动化。日本茶叶几乎是青一色的蒸青绿茶，只是依据档次不同从中分出玉露、玉绿、抹茶、番茶、煎茶、焙制茶、玄米茶等。日本茶园90%属于农户所有，生产技术主要由茶叶指导者协会提供服务和协调。由农协统一购置生产机械、统一防治病虫害、统一加工，组织化程度很高。茶园管理现代化，园貌整齐划一，树势健壮，单产高，效益好。

日本在20世纪20年代就有简单的精揉机用于茶叶加工，经过几十年的发展，制茶机械已很先进，不仅台时产量大，而且产品质量稳定。茶叶加工基本上都由高度自动化的蒸青生产线来完成。一般每套蒸青机1年仅开工40~50天，由于造价高，茶农以每15~20户联合购置一套。极少量的高档玉露茶由熟练工人手工制作。手工茶每100克卖价高达3万日元，是机制茶价格的10～100倍。

近年来因茶饮料的倍受关注，使日本茶叶行情一路飘红。但根据日本有关部门的统计显示，今后一段时间，茶市场却不容乐观，特别是一些绿茶加工厂、茶商都将因库存量多大而一筹莫展。主产地之一的鹿儿岛县茶市场的平均价格与往年同期相比下降了4成。最大产地静冈县预计下跌300日元左右，跌幅为3成。在日本进口绿茶中，95%来自中国，5%来自越南等其它国家和地区。乌龙茶完全依靠中国大陆及台湾省供给，红茶来自印度、斯里兰卡等国家。预计随着经济的增长和茶叶保健功效被广泛认可，日本国内茶叶消费仍有一定的增长空间。

越南

越南现在拥有600家茶叶生产和贸易公司，其中包括234家出口企业。由于越南茶叶缺乏长久性贸易伙伴，因此易受国际市场的价格波动影响，所引起的贸易变更也较多，最近一些进口国（商）例如印度制定的新管理条例，对茶叶进口施加了严格的限制性条例，就使越南茶叶出口受限。（中国农业科学院茶叶研究所）

第三篇：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

第四篇：油田用表面活性剂的现状及发展趋势

油田用表面活性剂的现状及发展趋势

按照油田化学品的分类方法，根据用途可将油田用表面活性剂分为钻井用表面活性剂；神气开采用表面活性剂、提高釆收率表面活性剂、油气集输用表面活性剂和水处理用表面活性剂等。

l 油田表面活性剂现状

(1)钻井用表面活性剂。在油田用表面活性剂中，钻井用表面活性剂(包括钻井液处理剂和油井水泥外加剂)用量最大，约占油田用表面活性剂总量的60%左右；釆油用表面活性剂的量相对较少，但其技术含量相对较高，其用量约占油田用表面活性剂总量的1/3，这两类化学品在油田用表面活性剂中占有重要的位置。

目前世界钻井液处理剂的研究，形成了美、俄、中“三足鼎立”局势，美国以各种新型聚合物材料为研究对象，俄罗斯主要立足于“原料价廉易得”这一原则，研究尽量以各种工业下脚料为基础，其次是一些传统处理剂(天然)改。我国的研究重点在充分利用传统原料和开发新型合成聚合物(包括单体)两方面。国外钻井液处理剂的研究重点更突出，即以含磺酸基的合成聚合物为基础的各种产品，这也是未来的发展方向。

20世纪90年代以来，新一代聚合物2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)多元共聚物产品成为新型钻井液处理剂的代表。降粘剂、降滤失剂和润滑剂等品种有了突破性的进展，特别是近几年来，具有浊点效应的聚合醇表面活性剂在国内所有油田得到推广应用，并形成了一系列的聚合醇钻井液体系。此外，甲基葡萄糖酸甙、甘油基钻井液也在现场应用中取得良好的效果，表现出良好的应用前景，也促进了钻井液用表面活性剂出发展。目前，我国钻井液处理剂已经发展到18类，上千个品种，年消耗量近30万t。

国外20世纪80年代油井水泥外加剂快速发展，逐渐形成了系列化产品，在新产品开发方面，合成聚合物材料普遍作为首选的研究对集；我国1993年油井水泥全部转化为符合API标准的系列产品，外加剂随之快速发展；国内成功研制出了专用的油井水泥分散剂SAF(磺化丙酮甲醛缩聚物)，与固井质量、抽气层保护密切相关的油井水泥降滤失剂、促凝剂、缓凝剂和胶接增强剂等也均呈现出良好的发展势头，并形成了专用的油井水泥外加剂，目前已经发展到11类200多个品种，年用量数千吨。

(2)采油用表面活性剂。与钻井用表面活性剂相比，采油用表面活性剂品种和数量都相对较少，特别是一些酸化和压裂用产品。在压裂用表面活性剂中，胶凝剂研究以改牲天然植物胶和纤维素为主，也包括各种合成聚合物如聚丙烯酰胺。近年来，国外在酸化液表面活性剂领域发展相对缓慢，研究开发的重点集中在开发酸化用缓蚀剂，其特点是利用现有原料改性或复配缓蚀剂，其开发的共同点是原料和产品无毒或低毒，且产品具有油/水溶或水分散性。胺类、季铵类和炔醇类复配缓蚀剂较多，醛类缓蚀剂由于具有毒性，开发相对减少。缓蚀剂方面还有以十二烷基苯磺酸和低分子胺(乙胺、丙胺、C8～18伯胺、油酸二乙醇酰胺)的复合物，乳化剂则以油包酸型乳化剂为主。我国近年来压裂酸化液用表面活牲剂研究力度不够，进展不大。除开发过程中压裂酸化液用的缓蚀剂外，其他用途的品种也较多，其中最多的是胺类(有机伯、仲、叔、季酰胺或其复配物)，咪唑啉及其衍生物也是一类用量较多的的有机缓蚀剂。

(3)油气集输用表面活性剂。我国油气集输用表面活性剂的研究、开发和利用始于20世纪60年代，目前已有14类、数百个产品。其中，原油破乳剂用量最大，年需约2万t。我国针对不同油田研制了适用的破乳剂产品，不少品种已经达到20世纪90年代国际水平；而降凝剂、流动改进剂、降粘剂和清防蜡剂等品种较少，且大多数为复配型产品，由于不同性质的原油对用作降凝、流动改进、降粘和清防蜡目的的表面活性剂的要求不同，也为新产品的开发提出了更高的要求和难度。

(4)油田水处理用表面活性剂。油田水处理剂是油用开发中重要的一类油田化学品，各种水处理剂的年用量在6万t以上，其中表面活性剂占40%左右，尽管在油田水处理方面表面活性剂的需求量很大，但我国在水处理用表面活性剂方面的研究却较少，油田水处理用表面活性剂的品种还不齐全，且多数产品都是从工业水处理行业引进，但由于油田水的复杂性，直接从工业水处理方面引进的产品适用性差，有时不能发挥功效，还缺少有针对性的油田水处理表面活性剂。国外对水处理用表面活性剂方面的研究以絮凝剂开发最为活跃，开发的产品也很多，但用于油气田污水处理的并不多。

(5)三次采油用表面活性剂。国外三次采油用表面活性剂产品质量稳定，生产规模大。我国目前已经形成了一些用于驱油的表面活性剂和聚合物品种，但还不能满足三次采油的需要。国内可用于合成驱油剂用表面活性剂的重烷基苯年产量不足2万t，难以满足需要，且分子量大小和分子量分布不适用于合成驱油剂用表面活性剂；在植物羧酸盐表面活性剂方面尽管已经开展了大量的工作，但仍然不能满足油田驱油的需要，生产规模和产品质量存在问题。大庆、胜利、辽河、大港等油田已经实施了聚合物驱油，大庆油田建成了年产5.7万t的聚丙烯酰胺装置，胜利油田建成了年产2万t以上的聚丙烯酰胺装置，加上其他一些生产企业，全国已经具有10万t/年以上的生产能力，目前驱油用聚合物的年需求量在数万t，从规模上已基本能满足需要，但产品质量(如相对分子质量和溶解性、耐温、抗盐饱力)和国外还存在差距。在油田用表街活性剂中，三次采油用表面活性剂是最具有发展潜力的化学品。2 油田用表面活性剂的发展趋势

(1)钻井用表面活性剂。为适应钻井的需要，钻井用表面活性剂研究应围绕如下方向：①适用于深井(大于4 500 m)、抗高温(150～180 ℃或更高)、抗盐(NaCl至饱和)、抗钙或镁的增粘剂、降滤失剂、降粘剂和流型改进剂的开发；②大位移井、多分枝井用的润滑剂、井壁稳定剂、流型改进剂和低伤害处理剂的开发；③复杂易坍塌地层的泥页岩稳定剂、堵漏剂的开发；④低渗透地层钻井用保护油气层的各种处理剂，特别是两性离子的合成聚合物处理剂的开发；⑤对环境友好、低成本的天然材料改性产品的开发。

今后需要进行以下工作：①抗温抗盐的阴离子和两性离子型2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)多元共聚物，AMPS、乙烯基吡咯烷酮(NVP)、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)共聚物、微交联抗温抗盐的聚合物的研制；②用于提高钻井速度和保护油气层的钻井液的屏蔽暂堵剂、固壁剂的研制；③用于提高钻井速度的钻井液化学清洁剂的研制；④适用于不同地层温度的聚合醇或多元醇(关键是浊度设计)；⑤开发以天然材料为主、无污染的新型钻井液处理剂和聚甲基葡糖甙；⑥开发环保型仿油基钻井液用水基高效防塌剂、降滤失剂和包被剂；⑦无机-有机单体聚合物处理剂的研制；⑧高效低毒的无荧光润滑剂、起泡剂和消泡剂等专用的表面活性剂的研制。

油井水泥外加剂方面，应开发耐高温的缓凝剂，以聚合物材料为基础，研究与其他外加剂配伍性好、不发生过度缓凝和起泡的抗高温分散剂，成本低廉的木质素改性产品，水泥浆游离水控制剂，以及固体悬浮剂、降滤失剂和防气窜剂等。今后工作重点：①完善脂肪族磺酸盐缩聚物分散剂和降滤失剂(重点是磺化丙酮甲醛缩聚物、磺化三聚氰胺甲醛树脂)；②以木质素磺醮赫为基础进行分子修饰制备分散剂和缓凝剂；③合成聚合物高温缓凝剂的开发(AMPS聚合物)；④有利于减少水泥浆析水的合成聚合物降滤剂(重点是AMPS、NVP聚合物)；⑤改善二界面胶铺绿麖的表面活性剂；⑥高效消泡剂的开发。

(2)油气开采用表面活性剂。今后应当加强油气开采用表面活性剂的研究和开发，发展可用于低渗透油层改造和实现“稳油控水”而实施堵水-调剖作业所需的无残渣的稠化剂、助排剂、高强度耐温耐冲刷的化学剂，选择性堵水-调剖以及耐温抗盐的堵水-调剖剂和稠化剂。进一步开发性能良好、原料易得，价格低廉、使用方便，且与破胶剂作用后破胶彻底、不产

生沉淀性残渣的压裂、酸化用的天然植物胶或改性天然植物胶(田菁胶、香豆胶)、纤维素类和淀粉类稠化剂，以及抗盐性好，耐温(在90 ℃以上，甚至更高)的合成聚合物胶凝剂及环境安全、性能好的“绿色”缓蚀剂，同时重视利用工业废料等。结合实际情况，围绕现场和提高作业质量的需要，应着重开展的工作：①耐温抗盐的堵水-调剖剂和选择性堵水-调剖剂；②研制高性能的表面活性剂，并通过复配生产高效助排剂、低界面张力的表面活性剂；③开发原料易得、价格低廉、使用方便且与破胶剂作用后破胶彻底、不产生沉淀性残渣的天然植物胶或改性天然植物胶(毋菁胶、香豆胶)、纤维素类和淀粉类压裂、酸化用的稠化剂。以AMPS、NVP和AM聚合物为重点开发抗温抗盐的合成聚合物胶凝剂或稠化剂；④开发复合缓蚀剂、增效缓蚀剂，以及利用工业废料(如石油炼油厂废弃物)生产低成本及苯烯酮缓蚀剂；⑤黏土稳定剂方面进一步完善季铵盐类表面活性剂，开发阳离子聚合物(如甲基丙烯酰二甲胺基乙酯和烯丙基二甲基氯化铵聚合物)；⑥适用于泡沫压裂液的表面活性剂及用于油乳酸体系的抗温乳化剂。

(3)油气集输用表面活性剂。用于稠油开采的化学品具有开发潜力，应解决一般稠油-蒸汽驱效率低、超稠油开采、管线常温输送、高碳(大于C40)原油采输等问题，解决这些问题所需要的表面活性剂是高温发泡剂、高温堵漏剂(防窜)(300 ℃)、高效破乳剂、降凝剂、降粘剂、降阻剂和清防蜡剂等化学剂。油气集输用表面活性剂的开发方向：①通过扩链剂提高传统破乳剂的相对分子质量，并在新型破乳剂分子中引入含硅、磷和硼的元素，使破乳剂达到高效、低耗和一剂多功能；②开发适用于高含水期原油的反向破乳剂(水包油型原油乳状液破乳剂，如阳离子聚醚)；③超高相对分子质量的聚醚型破乳剂；④改性烷基酚醛树脂聚醚类破乳剂；⑤适用于不同类型原油的高效降凝、减阻和降粘剂，适用于稠油乳化降粘的表面活性剂；⑥采用多种表面活性剂复配研制安全高效的水基清蜡剂，以及清防蜡专用的表面活性剂；⑦生产表面活性剂的原料开发。

(4)油田水处理用表面活性剂。开发可以有效降低水中机械杂质、油含量和缓蚀、杀菌、阻垢的表面活性剂，如高效絮凝剂、反相破乳剂、高效缓蚀剂、杀菌剂、防垢、阻垢剂，两性离子或阳离子聚合物也是油田水处理剂的发展方向。目前油田水处理用表面活性剂产品品种少、新型高效的产品更少，发展潜力较大。这方面应深入开展研究工作，尽快形成系列化配套产品。今后需要进行的工作：①絮凝剂方面：重点开展阳离子聚合物、两性离子聚合物、两亲离子聚合物、AMPS聚合物研究，关键是提高产品的相对分子质量、合理设计基团比例；②阻垢剂方面：完善膦酸盐类产品，开发胺类阻垢剂(如乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺与酸、烷基次磷酸盐化合物、丙烯酸、AMPS等反应物)，研究开发聚环氧琥珀酸等产品；③缓蚀剂方面：以胺类为原料开展更深入的研究工作，开发二胺或多胺与脂肪酸的反应产品、脂肪胺和不饱和脂肪酸的加成物、环状季胺化合物等；④杀菌剂方面：重点在传统的基础上进行改性，开发季膦盐类、双分手膜表面活性剂型杀菌剂，各种表面活性剂的复合生产复配型杀菌剂；⑤研制适用于水处理的基础表面活性剂原料和单体。

(5)提高采收率表面活性剂。提高采收率表面活性剂是最具有发展潜力的化学剂。围绕耐温抗盐、抗高价金属离子、高效优质和环境友好这一目标，今后工作应集中在以下几点：①适用于聚合物驱油、碱/表面活性剂/聚合物驱油所需要的价廉的高分子聚合物，耐温(120 ℃)、抗盐(大于20万mg/L)的高分子聚合物；②适用于耐温抗盐聚合物研制需要的有机单体，包括表面活性剂单体和两亲单体，如2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸(AMC12S)、2-丙烯酰胺基十四烷基磺酸(AMC14S)、2-丙烯酰胺基十六烷基磺酸(AMC16S)；③开发符合三次采油条件的表面活性剂重烷基苯磺酸钠(WABS)以及炼油厂副产的烷基芳基磺酸盐；④开发适用于油田需要的由植物油下脚料为基础的天然混合羧酸盐表面活性剂，用生物法激活并以胺类调节相对分子质量制备羧酸盐；⑤开发石油羧酸盐、高分子表面活性剂和生物表面活性剂；⑥开发具有抗盐抗温特性的磺基甜菜碱类表面活性剂，石油磺酸盐甲醛缩合物、对羟基苯甲

酸-对羟基苯磺酸共缩物型阴离子、非离子结合型表面活性剂、α-烯烃磺酸盐表面活性剂等；⑦改性木质素磺酸盐表面活性剂，包括与烷基酚缩合改性、通过酚羟基与烷基化试剂(如卤代烷烃)缩合改性和用脂肪胺反应改性，改性木质素磺酸盐表面活性剂是最有潜力的驱油用表面活性剂；⑧开展驱油用表面活性剂生产用原料的研究和开发，重点是控制原料的相对分子质量和分子量分布。

第五篇：超高速加工技术的现状及发展趋势

目录

摘 要.......................................................................1 1 引言......................................................................1 2 超高速加工技术简介........................................................1 2.1 超高速加工技术概况......................................................1 2.2 超高速加工技术分类......................................................2 2.3 超高速加工技术特点......................................................2 3 超高速加工技术现状........................................................3 3.1 超高速加工技术现状简述..................................................3 3.2 国外超高速加工技术发展..................................................4 3.3 国内发展情况............................................................5 4 超高速加工技术发展趋势....................................................5 谢 辞......................................................................8

超高速加工技术的应用和发展趋势

摘 要：本文介绍了超高速加工技术的概念、内容和发展现状，并分析了其发展动向。关键词：高速加工技术、机械制造、应用、发展 引言

当前机械制造业为实现高生产率和追求利润,先进制造技术的应用越来越广泛而深入。超高速加工技术作为先进制造技术的重要组成部分,也已被积极地推广使用。20世纪20年代德国人Saloman最早提出高速加工(High Speed Cutting, 简称HSC)的概念,并1931 年申请了专利。50年代末及60年代初,美国和日本开始涉足此领域,在此期间德国已针对不同的超高速切削加工过程及有效的机械结构进行了许多基础性研究工作。随着超高速加工主轴技术的发展,使得刀具切削速度得到很大提高,70年代诞生了第一台HSC机床。真正将HSC技术应用于实践是在80年代初期,因飞机制造业为降低加工时间以及对一些小型特殊零件的薄壁加工而提出了快速铣削的要求。自80年代中后期以来, 商品化的超高速切削机床不断出现,超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。超高速磨削技术在近20年来也得到长足的发展及应用。德国Guehring Automation公司在1983年制造出了当时世界第一台最具威力的60kW强力立方氮化硼(CBN)砂轮磨床,Vs达到140~ 160m/s。当今, 超高速加工已经在汽车、航空航天等领域获得应用。超高速加工技术简介

2.1 超高速加工技术概况

超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具,通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。

超高速加工是实现高效率制造的核心技术,工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说,超高速加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。各种切削工艺的切速范围为：车削700~7000m/min，铣削 300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。

2.2 超高速加工技术分类

超高速加工技术主要包括以下内容：

（1）超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。

（2）超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发;主轴系统动态特性及热态性研究;柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究;主轴系统的润滑与冷却技术研究;主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究;主轴换刀技术研究。

（3）超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制;精密交流伺服系统及电机的研究;系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究;机械传动链静、动刚度研究;加减速控制技术研究;精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。

（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究开发各种超高速加工(包括难加工材料)用刀具磨具材料及制备技术。

（5）高速CNC控制系统:超高速加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高功能化特性,以保证加工复杂曲面轮廓时,具有良好的加工性能。还要具有高速插补及超前处理能力,防止刀具轨迹偏移和突发事故。

（6）超高速加工在线检测与控制技术研究。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术,对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。

2.3 超高速加工技术特点

超高速磨削可以对硬脆材料实现延性域磨削加工,对高塑性等难磨材料也有良好的磨削表现。与普通磨削相比,超高速磨削显示出极大的优越性

（1）切削力降低30%左右，特别适合刚性差的工件。

（2）能实现对硬脆材料的延性域磨削,对高塑 性和难磨材料获得良好的磨削效果。由于加工时对刀具和工件进行了冷却润滑，减少了切削热对工件的影响，特别适合加工易热变形的工件。

（3）降低加工工件表面粗糙度值,易获得高光洁的加工表面。激振频率远远高于机床和工艺系统的固有频率，加工平稳，振动小，加工表面质量好。

（4）能极大地提高生产效率。但是，高速切削采用的高压大流量冷却方式会增加环境污染、提高生产成本、减少刀具的耐用度、加大机床腐蚀等一系列问题。

（5）明显降低磨削力,提高零件加工精度.（6）砂轮耐用度提高,使用寿命延长。（7）具有巨大的经济效益。超高速加工技术现状

3.1 超高速加工技术现状简述

（1）高速主轴系统:高性能的电主轴是实现超高速加工的基础, 要求具有很高的转速及相应的功率和扭矩。新近开发的加工中心主轴Dn值(主轴直径与每分钟转速之积)大都已超过100万。在主轴系统中主要采用重量轻于钢制品的陶瓷球轴承,轴承润滑方式大都采用油气混合润滑方式。在高速加工领域,目前已开发出空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴合并构成的磁气/空气混合主轴。

（2）高速进给机构:超高速加工要求进给系统能够完成高速进给运动,所用的进给驱动机构通常都为大导程滚珠丝杠或直线电机,其最高加速度在2G以上, 最高进给速度可超过160m/min。

(3)高速切削刀具:超高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼(CBN), 端面铣削使用CBN 刀具时,其切削速度可高达5000m/min。用金刚石刀具端面铣削铝合金时, 5000m/min的切削速度已达到实用化水平。CBN和金刚石刀具只能用于一定的加工领域, 尚不能取得非常理想的降低加工成本的效果。目前, 涂层技术是一项既能作到价格低廉、性能优异, 又可有效降低加工成本的技术。现在超高速加工用的立铣刀, 大都采用TiAIN 系的复合多层涂镀技术进行处理。如在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时,DLC(Diamond Like Carbon)涂层刀具就受到人们极大的关注, 预计其市场前景十分可观。

(4)刀具夹持系统:刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术, 目前使用最为广泛的是两面夹紧式工具系统。作为商品正式投放市场的两面夹紧式工具系统主要有: HSK、KM、Bigplus、NC5、AHO 等系统。在高速切削的情况下, 刀具与夹具回转平衡性能的优劣, 不仅影响到加工精度和刀具寿命,而且也会影响到机床的使用寿命。因此,在选择工具系统时,应尽量选用平衡性能良好的产品。

(5)安全保护措施:进行高速切削时,由于刀具高速回转, 切屑的速度也相当高。在对钢材或铸件进行高速铣削时, 其切屑带着火花四处飞溅, 因此, 必须采取措施, 使切屑

沿着一定的方向排出。目前,三菱综合材料公司已开发出一种“ Q-ing 铣刀”, 可控制排屑方向, 大大提高了高速铣削加工的安全性。

3.2 国外超高速加工技术发展

3.2.1 欧洲的发展情况

欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早。1979年德国 Bremen大学的Werner P G教授撰文预言了高效深磨区存在的合理性,由此开创了高效深磨的概念。1983年德国 Bremen大学出资由德国Guhring Automation公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床,砂轮圆周速度达到了209 m/ s。德国 Guhring Automation公司于1992 年成功制造出砂轮线速度为140～160m/s的CBN 磨床,并正在试制线速度达180m/ s 的样机。德国Aachen大学、Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果。据Aachen工业大学实验室的Koeing和Ferlemann 宣称,该实验室已经采用了圆周速度达到 500 m/s的超高速砂轮,这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。瑞士Studer公司开发的CBN砂轮线速度在60m/s 以上, 并向120～130m/s方向发展。目前在试验室内正用改装的S45型外圆 磨床进行线速度280m/s的磨削试验。3.2.2 美国的发展情况

美国20世纪60年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度。辛辛那提-米拉克隆公司到1969 年已生产了100多台高速磨床,其中有80m/s的无心磨床。本迪克斯公司1970年生产了91 m/s的切入式高速磨床。1971年,美国Carnegie-Mellon大学制造了一种无中心孔的钢质 轮,在其周边上镶有砂瓦,其试验速度可达185m/s,工作速度达到125m/s,用于磨削不锈钢锭和切断,也可用于外圆磨削。1993年,美国的 Edgetek Machine 公司首次推出的超高速磨床,采用单层CBN砂轮,圆周速度达到203m/s ,用以加工淬硬锯齿等可以达到很高的金属切除率。美国Connecticut大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床,最高磨削速度可达 250m/。2000年美国马萨诸塞州立大学的Malkin S等人,以149m/s砂轮速度,使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅研究砂轮的地貌和磨削机理。3.2.3 日本的发展情况

日本在20世纪70年代中期,不少工厂生产磨削速度为45m/s和60m/s的磨床,三井精机于1972年生产了磨削速度为80m/s的高速磨床,切入成型磨铸铁工件,加工时间仅为59s。1985年前后,在凸轮和曲轴磨床上,磨削速度达到了80m/s。1990年10月底在第五届“日本国际机床展览会”上,日本推出了磨削速度为120m/s的高速磨床。之后,开始开发 160m/s 以上的超高速磨床。1993年前后,使用单颗粒金刚石进行了250m/s超高速磨削试

验研究。1996年日本又推出了125m/s CBN砂轮平面磨床。至2000年,日本已进行500m/s 超高速磨削试验。Shinizu等人为了获得超高磨削速度,利用改制的磨床,将两根主轴并列在一起；一根作为砂轮轴,另一根作为工件主轴,并使其在磨削点切向速度相反,取得了相对磨削速度为VS + V W的结果,砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1000m/s。

3.3 国内发展情况

国内高速超高速磨削的发展自1958年,我国开始推广高速磨削技术。1964年,磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验,在机床改装和工艺 等方面获得一定成果。1975年10月,河南省南阳机床厂试制成功了MS132型80m/s高速外圆磨床。1976年,上海机床厂、上海砂轮厂、郑州磨料磨具磨削研究所等组成高速磨削试验小组对80、100m/s 高速磨削工艺进行了试验研究。1982年10月,湖南大学进行了60 m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究,为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。至1995年,汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮,进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。在 2000年中国数控机床展览会上,湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮轴磨床。从2002年开始,湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究,并在国内首次进行了磁浮轴承设计。20世纪90年代至今,东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究,并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kW、最高砂轮线 速度达250m/s的超高速试验磨床。东北大学先后进行超高速磨削热传递机制研究,高速单颗粒磨削机理研究,200m/s电镀CBN超高速砂轮设计与制造,超高速磨削温度场研究,磨削摩擦系数的研究,超高速磨削砂轮表面气流的研究,超高速磨削机理分子动力学的仿真等,取得了可喜的研究成果,部分研究成果达到国际先进水平。超高速加工技术发展趋势

（1）难加工材料的超高速加工。难加工材料的使用越来越广泛,由于材料的切削加工性能极低,导热性差,刀具磨损快,为此只能采用很低的切削速度。通过深入研究这类材料的切削特性,提高刀具稳定性,研制新型刀具材料及制作工艺,开发出相应的刀具系统,将使切削速度范围有较大的提高。

（2）刀具夹紧机构设计。对于安装在超高速主轴上的旋转类刀具来说,刀具夹紧机构的安全可靠性是至关重要的。在高速端面铣削加工时,由于离心力作用,可转位刀片有可能被甩出,因此,应采取相应措施加以预防。最近,工具厂家正在开发可转位刀片的新型夹紧

装置,刀片甩出问题有望得到妥善解决。

（3）相关工艺设计。主轴加速时间和快速进给的动作时间、ATC时间对整个生产周期均有很大的影响。为了最大限度地发挥设备的加工能力,必须妥善解决包含上述因素的工艺编制问题。由于各类产品从开发到生产的各个环节都将实现高效率化,因此,应在更短的时间内编制出正确而合理的工艺流程。

（4）节省能源,实现绿色加工。当前,许多机床都配置了高速钻削加工所必需的高压冷却液泵。冷却装置所需电力约占设备运转所需电力的20%~30%；而生产线上所耗用的能源并不包括此项内容。采用干式切削方式,会从根本上改善切削的环境状态,节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。因此,希望开发出更加节省能源的机床,开发出更加实用的干式切削加工技术。

（5）高精度定位系统。采用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或加工模具时,机床的运动性能将直接影响到其加工精度。因此,要求机床在大进给速度条件下,应具有高精度定位功能和高精度插补功能。

参考文献

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Machining Technology

Sun Ying(Mechanical and Electronic Engineering Department of Dezhou University, Dezhou Shandong, 253023)Abstract: In this paper, the concept, content and status of ultra-high speed machining technology are introduced, and its developmenttrend is analyzed.Keywords: Ultra-high speed machining technology;Machinery;Development trend

谢

辞

另外，感谢学校给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。