不锈钢的磨削加工www.tool-tool.com

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轉述：

1　前言

不锈钢零件为达到表面质量和加工精度要求，通常采用磨削加工方法。由于不锈钢韧性大、导热系数小、弹性模量小，故在磨削加工中常存在如下问题：
1)砂轮易粘附堵塞；2)加工表面易烧伤；
3)加工硬化现象严重；4)工件易变形。

不难看出，砂轮和磨削液的选择直接影响磨削效率和加工精度。本文对影响粘附堵塞和表面粗糙度的因素进行实验研究。

2　实验条件和方法

试 件材料选用1Gr18Ni9Ti,其机械性能：σb=530MPa、σ=40%、硬度HB=187.试件尺寸直径φ50mm、长300mm、φ50外圆表 面精车，两端面打中心孔。实验在MGB1420外圆磨床上进行，砂轮为P400×40×203,磨削方式为外圆纵向磨削，为提高试验结果的可靠性，进行重 复试验，观察平均效应，消除随机因素的影响，同时尽量保持磨削条件基本不变，通过改变砂轮的粒度、硬度、磨料，更换磨削液、磨削用量来考查对磨削效果的影 响。

3　实验结果分析

3.1　砂轮的粒度对粘附率的影响
选用的白刚玉、硬度K、粒度分别为36、46、60、80号的四个砂轮，对试件进行外圆纵向磨削，磨削长度为600mm,检测粘附率，结果如表1所示：

从表1中可以看出，砂轮越细，粘附越严重，这是由于磨粒之间存在着空洞，磨削时切屑可存于空洞中；而砂轮越细，空洞越小，砂轮很快失去容屑空间，造成堵塞。

3.2　砂轮硬度对粘附率的影响
选用磨料为白刚玉、粒度46,硬度分别为H、J、K、L级的砂轮，对试件进行磨削，磨削行程600mm,检测粘附率。结果如表2所示:

从表2中可以看出，砂轮硬度越高，粘附越严重。这是由于硬度低的砂轮，磨粒在磨削力作用下，易于从砂轮表面脱落，形成新的容屑空间，不易堵塞。

3.3　磨料对粘附率的影响
常用砂轮磨料有白刚玉和绿碳化硅两种，实验表明，两种磨料对粘附率的影响，差别不大，绿碳化硅可稍减轻粘附现象，原因是性脆而锋利。

3.4　磨削液对表面粗糙度的影响
分别使用乳化液三种，无机盐磨削液和油基磨削液，加入硫、氯等极压添加剂，观察加工后工件的表面粗糙度，磨削液的流量为20L/min、磨削行程为600mm,实验结果如表3所示。

由表3可以看出，表面张力小，含有极压添加剂，磨削获得的表面质量好。合理使用磨削液，能改善散热条件，磨削液能将磨削屑和脱落的磨粒冲掉，同时在金属表面形成油膜，起润滑作用，降低工件表面粗糙度。

3.5　磨削用量对粘附率的影响
工件转速、进给量及磨削深度对加工影响不大，从表1、2也可以看出，磨削深度的改变，对粘附率影响很小。

4　结论

1)磨削不锈钢时，减小砂轮的粘附阻塞是提高磨削效率的重要因素，加工中要经常修整砂轮，保持切削刃的锋利。
2)磨削不锈钢的砂轮选用自锐性好的砂轮是主要目标，一般选用硬度低的砂轮效果好，但也不能选择硬度太低，否则磨粒未磨钝就脱落。推荐选用J级。
3)为减小磨削时砂轮的粘附阻塞，应选用粗粒度的砂轮。粗磨时用36、46号粒度，精磨时选用60号粒度。
4)磨削不锈钢时，采用GC砂轮可提高磨削效率。
5）磨削液选用必须兼顾润滑和清洗两种作用，供给充足，可选用表面张力小，含极压添加剂的乳化液，可获得高的表面质量。
6)磨削用量的选择可根据加工余量确定。
7)实验过程中发现，砂轮的组织和结合剂对不锈钢的磨削过程有一定的影响，目前受实验手段限制，有待进一步研究。

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切削刀具用硬质合金分类、标志和适用范围www.tool-tool.com

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切削刀具用硬质合金根据国际标准ISO分类，把所有牌号分成用颜色标志的三大类，分别用P、M、K表示。

一、P类，蓝色（包括P01~P50),系高合金化的硬质合金牌号。其成分为5%~40%TiC+Ta(Nb)C，其余为WC+Co。这类合金主要用于加工长切屑的黑色金属。

二、M类，黄色（包括M10~M40），系中合化的硬质合金牌号。其成分为5%~10%TiC+Ta(Nb)C，其余为WC+Co。这类合金为通用型，适于加工长切屑或短切屑的黑色金属及有色金属。

三、K类，红色（包括K10~K40），系单纯WC的硬质合金牌号。其成分为90%~98%WC+2%~10%Co2，个别牌号含约2%的Ta(Nb)C。主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料。

每 一种中的各个牌号分别以一个01~50之间的数字表示从最高硬度到最大韧性之间的一系列合金，以供各种被加工材料的不同切削工序及加工条件时选用。根据使 用需要，在两个相邻的分类代号之间，可插入一个中间代号，如在P10和P20之间插入P15,K20和K30之间插入K25等，但不能多于一个。在特殊情 况下，P01分类代号可再细分，即在其后再加一位数字，并以一小数点隔开，如P01.1,P01.2等，以便在这一用途小组作精加工时能进一步区分不同程 度的耐磨性与韧性。

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难切削材料的切削液的选用www.tool-tool.com

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这一篇文章是切削液问题儿改善、但是目前台湾已经改为BW微型油雾涡流管枪代替传统切削冷却系统、也可以改善工厂环境、延长刀具寿命、增加工件表面出糙度细腻化、希望专业人士前往欣赏！！

合 理选用切削液，可以有效地减小切削过程中的摩擦，改善散热条件，降低切削力、切削温度和刀具磨损，提高刀具耐用度和切削效率，保证已加工表面质量和降低产 品的加工成本。随着科学技术和机械加工工业不断发展，一些新型、高性能的工程材料得到广泛应用。这些材料大都属于切削加工性很差的难切削材料，这就给切削 加工带来了难题。为了使难切削材料的加工难题获得解决，除合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量及掌握操作技术等切削条件外，合理选用切削液也尤为重 要的条件。

在难切削材料中，有的硬度高达65～70HRC，抗拉强度比45号钢的抗拉强度高三倍左右，造成切削力 比切削45号钢高200％～ 250％；有时材料导热系数只有45号钢导热系数的1／4～1/7或更低，造成切削区热量不能很快传导出去，形成高的切削温度，限制切削速度的提高；有的 材料高温硬度和强度高，有的材料加工硬化的程度比基体高50％～ 200％，硬化深度达0.l～0.3mm，造成切削的困难；有的材料化学活性大，在切削中和刀具材料产生亲和作用，造成刀具产生严重的粘结和扩散磨损；有 的材料弹性模量极小和弹性恢复大及延伸率很大，更难于切削。因为，在切削各种难切削材料时，要根据所切材料各自的性能与切削特点与加工阶段，选择相宜的切 削液，以改善难切削材料的切削加工性，而达到加工的目的。

常用的切削液有：水溶液、普通乳化液、极压乳化液、矿物油、植物油、动物油、极 压切削油等。其中，水溶液的冷却效果最好，极压切削液的润滑效果最好。一般的切削液，在200℃左右就失去润滑能力。可是在切削液中添加极压添加剂(如氯 化石蜡、四氯化碳、硫代磷酸盐、二烷基二硫、代磷酸锌）后，就成为润滑性能良好的极压切削液，可以在600～1000℃高温和1470～1960MPa高 压条件下起润滑作用。所以含硫、氯、磷等极压添加剂的乳化液和切削油，特别适合于难切削材料加工过程的冷却与润滑。下面介绍几种难切削材料加工时的切削液 选用。

不锈钢：在粗加工时，选用3%～5%乳化液或10％～15%极压乳化液、极压切削油、硫化油；在精加工时，选用极压切削油或10% ～20%极压乳化液、硫化油、硫化油80%～85%加CCl415%～20%、矿物油78%～80%加黑机油或植物油和猪油18%加硫1.7%、全损耗系 统用油90%加 CCl410%、煤油50%加油酸25%加植物油25%、煤油60%加松节油20%加油酸20%；拉削、攻螺纹、铰孔时，采用10%～15%极压乳化液或 极压切削油、硫化豆油或植物油；在硫化油中加10%～20% CCl4、在猪油中加20%～30% CCl4、或在硫化油中加10%～15%煤油用于铰孔；在硫化油中加入15%～ 20%CCl4或用白铅油加全损耗系统用油或用煤油稀释氯化石蜡或用MoS2油膏用于攻螺纹；在滚齿或插齿时，用20%～ 25%极压乳化液或极压切削油；在钻孔时，用10%～15%乳化液或10%～15%极压乳化液、极压切削油、硫化油、MoS2切削剂。

高温合金：除采用切削不锈钢所用的切削液外，在粗加工时，采用硫酸钾2%加亚硝酸钾1%加三乙醇胺7%加硼酸7%～10%加甘油7%～10%加水余量；或采用葵二酸7%～ 10%加亚硝酸钠5%加三乙醇胺7%～ 10%加硼酸7%～10%加甘油7%～10%加水余量。

钛 合金：粗加工时，采用3%～5%乳化液或10%～15%极压乳化液；精加工时，采用极压切削油或极压水溶液、CCl4加等量的酒精；拉削、攻螺纹和铰孔 时，采用板压切削油或蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油、蓖麻油60%加煤油40%；钻孔时，采用极压乳化液或极压切削油、硫化油、电解切削液。

高强度钢切削加工时，除选用常用切削液和极压切削液外，用豆油或菜子油作为攻螺纹切削液，效果较好；加工铜时，用 CCl4加N32全损耗系统用油或用MoS2润滑脂作润滑剂；精加工纯铁时，用酒精稀释蓖麻油作切削液；切削软橡胶时，用酒精或蒸馏水作切削液。

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高速切削加工的发展及需求www.tool-tool.com

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高速切削加工是当代先进制造技术的重要组成部分，拥有高效率、高精度及高表面质量等特征。本文介绍此技术的定义、发展现状、适用领域以及中国的需求情况。

高速切削加工的定义

高速切削加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。

高速切削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，高速切削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。高速切削加工的优点主要在于：提高生产效率、提高加工精度及降低切削阻力。

有 关高速切削加工的含义，目前尚无统一的认识，通常有如下几种观点：切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的5-10倍；机床主轴转速很高，一般将主轴 转速在10000-20000r/min以上定为高速切削；进给速度很高，通常达15-50m/min，最高可达90m/min；对于不同的切削材料和所 釆用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同；切削过程中，刀刃的通过频率(Tooth Passing Frequency)接近于“机床－刀具－工件”系统的主导自然频率(Dominant Natural Frequency)时，可认为是高速切削。可见高速切削加工是一个综合的概念。


图1 面向不同切削材料的高速切削加工范围
1992 年，德国Darmstadt工业大学的H. Schulz教授在CIRP上提出了高速切削加工的概念及其涵盖的范围，如图1所示。认为对于不同的切削对象，图中所示的过渡区(Transition) 即为通常所谓的高速切削範围，这也是当时金属切削工艺相关的技术人员所期待或者可望实现的切削速度。

高速切削加工技术现状

高速切削加工对机床、刀具和切削工艺等方面都有一些具体的要求。下面分别从这几个方面阐述高速切削加工技术的发展现状和趋势。

机床设备

现 阶段，为了实现高速切削加工，一般釆用高柔性的高速数控机床、加工中心，也有釆用专用的高速铣、钻床。这些设备的共同之处是：必须同时具有高速主轴系统和 高速进给系统，才能实现材料切削过程的高速化。高速切削与传统切削最大的区别是，“机床－刀具－工件”系统的动态特性对切削性能有更强的影响力。在该系统 中，机床主轴的刚度、刀柄形式、刀长设定、主轴拉刀力、刀具扭力设定等，都是影响高速切削性能的重要因素。

在高速切削中，材料去除率 (Metal Removal Rate，MRR)，即单位时间内材料被切除的体积，通常受限于“机床-刀具-工件”工艺系统是否出现“颤振”。因此，为了满足高速切削加工的需求，首先 要提高机床动静刚度尤其是主轴的刚度特性。现阶段高速切削之所以能够成功，一个很关键的因素在于对系统动态特性问题的掌握和处理能力。

为 了更好地描述机床主轴的刚度特性，工程上提出新的无量纲参数—DN值，用以评价机床的主轴结构对高速切削加工的适应性。所谓DN值即“主轴直径与每分钟转 速之积”。新近开发的加工中心主轴DN值大都已超过100万。为了减轻轴承的重量，还釆用了比钢制品要轻得多的陶瓷球轴承；轴承润滑方式大都釆用油气混合 润滑方式。在高速切削加工领域，目前已开发空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴承合并构成的磁气/空气混合主轴。

在机床进给机构方面，高速切削加工所用的进给驱动机构通常都为大导程、多头高速滚珠丝槓，滚珠釆用小直径氮化硅（Si3N4）陶瓷球，以减少其离心力和陀螺力矩；釆用空心强冷技术来减少高速滚珠丝槓运转时由于摩擦产生温升而造成的丝槓热变形。

近 几年来，用直线电机驱动的高速进给系统问世，这种进给方式取消了从电动机到工作台溜板之间的一切中间机械传动环节，实现了机床进给系统的零传动。由于直线 电机没有任何旋转元件，不受离心力的作用，可以大大提高进给速度。直线电机的另一大优点是行程不受限制。直线电机的次极是一段一段连续铺在机床的床身上。 次极铺到哪里，初极工作台就可运动到哪里，而且对整个进给系统的刚度没有任何影响。釆用高速丝槓或直线电机，能够大大提高机床进给系统的快速响应。直线电 机最高加速度可达2-10G(G为重力加速度)，最大进给速度可达60-200m/min或更高。

2002年举世瞩目的上海浦东磁悬浮列 车工程中的磁浮轨道钢梁加工，釆用沈阳机床控股有限公司集团中捷友谊公司厂生产的超长进给系统高速大型加工中心实现。该机床的进给系统为直线导轨和齿轮齿 条传动，工作台最大进给速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g，主轴最高转速 20000r/min，主电机功率80kW。其X轴的行程长达30m，切削25m长的磁浮轨道钢梁误差小于0.15mm，为磁悬浮列车工程的顺利竣工提供 了有力的技术保证。

此外，机床的运动性能也将直接影响加工效率和加工精度。在模具及自由曲面的高速切削加工中，主要釆用小切深大进给的加 工方法。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，特别是圆弧高精度插补。圆弧加工是釆用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或模具 时，必不可少的加工方法。

切削刀具

刀具材料的发展：高速切削技术发展的历史，也就是刀具材料不断进步的历史。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，主要用于灰口铸铁的切削加工。聚晶金刚石 （PCD）刀具被称之为21世纪的刀具，它特别适用于切削含有SiO2的铝合金材料，而这种金属材料重量轻、强度高，广泛地应用于汽车、摩托车发动机、电 子装置的壳体、底座等方面。目前，用聚晶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，此外陶瓷刀具也适用于灰口铸铁的高速切削加工；

涂层刀具：CBN和金刚石刀具尽管具有很 好的高速切削性能，但成本相对较高。釆用涂层技术能够使切削刀具既价格低廉，又具有优异性能，可有效降低加工成本。现在高速加工用的立铣刀，大都釆用 TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理，如目前在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时，DLC（Diamond Like Carbon）涂层刀具就受到极大的关注，预计其巿场前景十分可观；

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。已作为商品正式投放巿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，不仅影响加工精度和刀具寿命，而且也会影响机床的使用寿命。因此，在选择工具系统时，应尽量选用平衡性能良好的产品。

工艺参数

高 速加工的切削速度为常规切速的10倍左右。为了使刀具每齿进给量基本保持不变，以保证零件的加工精度、表面质量和刀具的耐用度，则进给量也必须相应提高 10倍左右，达到60m/min以上，有的甚至高达120m/min。因此，高速切削加工通常是釆用高转速、大进给和小切深的切削工艺参数。由于高速切削 的切削余量往往很小，所形成的切屑很薄很轻，把切削时产生的热量很快带走；若釆用全新耐热性更好的刀具材料和涂层，釆用干切削工艺也是高速切削加工的理想 工艺方案。

高速切削加工的适用领域

高效柔性生产线

用高速加工中心组成高效率的柔性生产线(FTL或FML)，具有小型化、柔性突出以及易于变更加工内容等显着特点。图2为上汽集团某发动机公司利用该生产线加工发动机机体、汽缸盖、滤清器座等工件的实例。


图2 用高速加工中心组成的小型FTL
模具加工

为 了尽快适应新车型的需要，汽车车身覆盖件模具和树脂防冲挡的成形模具等，均必须缩短制作周期和降低生产成本，因此，必须下大力推进模具生产高速化的进程。 上汽集团所属各公司认为：与过去的精加工相比，进一步实现高精度化；同时必须满足表面粗糙度、弯曲度的精度要求，为此应施以适当的手工精修加工，由于切削 速度的极大提高，与过去的精加工工序相比，加工周期应大幅度缩短。图3所示釆用高速、高精度加工技术后，模具制作时间缩短的情况。


图3 用高速高精度加工缩短模具制作周期
适于高速切削的多功能及专用刀具的开发应用

为 了发挥以车削加工中心和镗铣类加工中心为代表的高速切削加工技术和自动换刀功能的优势，提高加工效率，对复杂零件的加工应尽可能釆用集中工序的原则，即要 求在一次装夹中实现多道工序的集中加工，淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限，充分发挥设备和刀具的高速切削功能，是当前提高数控机床效 率、加快产品开发的有效途径。为此，对刀具提出了多功能的新要求，要求一种刀具能完成零件不同工序的加工，减少换刀次数，节省换刀时间，以减少刀具的数量 和库存量，有利于管理和降低制造成本。较常用的有多功能车刀、铣刀、镗铣刀、钻铣刀、钻－铣螺纹－倒角等刀具。与此同时，在批量生产线上，使用针对工艺需 要开发的专用刀具、复合刀具或智能刀具，可以提高加工效率和精度，减少投资。在高速切削条件下，有的专用刀具可将零件的加工时间降至原来的 1/10以下，效果十分显着。


图4 汽车发动机机体顶部止口和轴承座结合面的高速切
图4 所示为笔者专门为汽车发动机机体的顶部止口和主轴承座结合面的加工而设计的高速切削工艺。机体材料为灰铸铁，刀具为CBN不重磨复合刀具，主轴转速 12000r/min，切削余量为0.02mm。图中两处关键部位一次铣削到位，重要尺寸A靠复合铣刀本身保证。该工艺还有效地避免了由于单独铣削主轴承 座结合面刀杆较长而引起的颤振，大大提高了切削精度、切削效率和表面质量。

珠三角及长三角地区的应用和需求

高速切削具有相当多的好处，例如：有大量材料需要切除的工件，具有超细、薄结构的工件，传统上需要花相当长的机动工时加工的工件以及设计变更快速、产品周期短的工件，均能显示出高速切削所带来的优点。

在 日益激烈的巿场竞争环境下，高速切削加工也是提高企业对巿场变化的敏捷反应能力的重要体现。中国以东莞、深圳和广州为代表的珠江三角洲地区及以苏南、宁波 和上海为代表的长江三角洲经济区的大批制造企业，对高速切削加工需求显着增长，这些地区的大批制造企业在汽车摩托车、电子仪表、家用电器、模具制造等方面 异军突起、蓄势并发，正在努力打造成为中国乃至世界制造业的中心。据调查，东莞地区自1998年以来新建的民营、外资及台资制造企业逾3,000家，其中 有55%以上引进了高速数控金切机床和高速加工中心，并大量采用CBN(立方氮化硼)、PCD(聚晶金刚石)及PCBN(聚晶立方氮化硼)等高速切削刀 具。这些企业资金雄厚，定单饱满，对高速切削加工的需求仍有巨大的潜力。

浙江宁波地区的慈溪、黄岩等素有“模具之乡”的美称，以民营企业 为生力军的模具制造行业发展如日中天，极富特色。2001年的模具产值达到100亿元，约占全国模具生产能力的1/3。笔者曾到慈溪的横河、坎墩、东山、 庵东等乡镇工业区考察，那里的民营模具企业几乎是一家连着一家，家家有数控设备。这些企业之间既有激烈竞争，又有紧密合作；尤其是在注塑模具加工制造方 面，更具有得天独厚的技术优势。由于注塑模具大都是复杂型腔和薄壳结构，特别适合于高速切削加工。模具经过高速、小切削精加工后，钳工修模工作量大为减 少，模具制造周期可缩短40%。因此，高速切削加工是该地区模具制造的首选工艺方案。

近十年来，上海暨华东地区汽车工业的飞速发展，也为 高速切削加工提供了巨大的巿场需求。上汽集团旗下的大众、通用、汇众、上柴、拖内、荻原等公司正在组建高速切削柔性生产线或高速铣、镗、钻削加工单元，用 于汽车内外覆盖件模具及汽车发动机的切削加工。比较常用的切削参数是：主轴转速8000- 12000r/min，进给速度40-80m/min，切削深度0.01-0.05mm；毛坯材料为铸钢、锻材、灰铸铁或铝合金等；釆用的刀具主要有高速 工具钢、硬脂合金、CBN、PCD、钛涂层刀具或陶瓷刀具。因此，对上述参数範围内的机床设备及刀具材料具有较大的巿场需求。

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高硬金属加工过程中表面白层的研究www.tool-tool.com

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轉述：
1 引言

刀具材料的发展、机床及其零部件的改进，使得硬态切削成为可能，并且可达到磨削加工的精度与表面质量，为某些淬硬零件的加工开辟了精加工的新途径。硬态切 削的明显优点是切削时柔性较高，用一定几何参数的刀具可加工不同形状的零件；不用切削液，利于环境保护；加工时间短，投资费用少。在某些领域，硬态切削已 经被证实是一种经济、有效的代替磨削的加工方法。
在硬态切削过程中，材料已加工表面通常会产生硬度更高的白色非侵蚀薄层，被称为白层。白层是影响工件性能和表面完整性的重要因素。对白层进行深入系统的研究，对提高硬态切削质量有着非常重要的意义。

2 摩擦学白层研究现状
“白层”的概念最早始于1912年，它不仅是两接触表面摩擦的结果，也可在一些大变形条件下，甚至是电火花切割及激光表面处理等冷急条件下产生。因它能抵 抗一般的腐蚀，在光学显微镜下(或普通电子显微镜)呈现白色，所以被称为白层，通常具有比原始材料高的硬度。因对材料的摩擦磨损性能有重要的影响，又被冠 以摩擦学白层、白色浸蚀层、绝热剪切带、再结晶层和摩擦学转变结构等不同的名称。
目前对白层的研究较多，但都未取得突破，尚无明确的研究成果。对白层的研究多集中在摩擦学领域，其分歧与争议主要集中在白层的组织结构、形成机制和对磨损过程的影响等方面。

1. 白层的特征

白层是一种形成条件极宽、表现形式各异的磨损表面组织。不同的材料，出现于不同的磨损形式、摩擦条件和摩擦副中。对金属而言，白层的一般特征为：
* 非浸蚀性：铁基材料的白层通常在常规的浸蚀剂下不易被浸蚀，在光学显微镜下呈白色，这也是它被称为白层的原因；有色金属材料(如铝、钛合金等)在常规浸蚀剂下有时呈暗色，故也称为“暗层”。
* 高硬度：高硬度是白层最显著的一个特征，通常为800-1200HV，远高于基体材料(甚至是基体硬度的数倍)。一些白层的次表层软化现象可能是由摩擦热造成的过回火所致。表1为影响钢表面白层硬度的因素。
表1 影响摩擦表面层显微硬度的因素 影响显微硬度的因素 钢的类型 应力因素 温度因素
断层迁移率 全部 √
加工硬化 全部 √
回复/再结晶 全部 √ √
奥氏体化 a相钢 √
应力导致的马氏体转化 高硬钢，某些奥氏体不锈钢 √
热量导致的马氏体转化 淬硬钢 √
淀积硬化 高合金钢，高碳钢 √
回火 马氏体钢 √
* 一定厚度的薄层：白层的厚度取决于形成条件和原始组织，不同摩擦、磨损条件下白层的形貌差别很大，白层厚度一般在0.1-100祄之间，最常见的厚度为10-50祄。
* 超细晶粒度：白层的晶粒尺寸通常在几十至数百纳米，这可能是表面塑性应变积累、二次淬火马氏体转变、纯机械的冷加工或摩擦热导致再结晶等所致。
* 存在裂纹：白层中普遍存在与表面呈不同角度的微观裂纹，它们对进一步的磨损行为有非常重要的影响。
* 塑性变形大：在各种磨损白层中都可观察到高应变、高位错密度、孪晶和滑移线等大量塑变存在的证据，还有人指出白层具有明显的形变织构特征。
* 具有与基体相同的化学成分和晶体结构。

2. 白层的形成机制

随材料的原始组织不同，白层的组织、形态及性能都有不同。Xu L Q等学者发现，随C含量的增加白层厚度也增加，且白层形成于含有残余奥氏体、贝氏体及低温回火马氏体等组织的材料中，这说明一定量的奥氏体对白层的形成有 着重要作用。合金化程度对白层的形成也有影响。Bill R C等学者的研究表明，材料的层错对白层组织结构具有重要作用，不论白层以何种机制形成，表面的塑性变形和摩擦热的来源只能是法向载荷。
至今对白层的形成机制仍有争议，国内外学者对白层的形成机制做了大量的实验、理论分析和研究，主要形成以下几种观点：
* 摩擦热作用机制：Stead教授提出了白层形成机制的经典模型，即白层是摩擦过程中在局部区域摩擦热导致高温(摩擦过程中的温度足以达到或超过平衡a-g 相变温度)，使表面局部区域发生奥氏体化，随之表面快速淬火形成马氏体组织。由于转变快，没有足够时间进行奥氏体重结晶，马氏体在严重形变奥氏体中形成， 所得马氏体不同于常规马氏体。通常认为白层是由奥氏体、马氏体和碳化物组成。该模型的重要特点是在白层的次表层存在温度影响下形成的回火层，其特征是在硬 度曲线上呈现软化峰。
* 塑性变形机制：不少研究认为，摩擦表面的严重塑性变形在白层的形成过程中占有重要地位，白层只是由塑性变形得到的非常规马氏体，磨损过程中的高度塑性变形 导致了白层内部的细晶结构。杨业元等人在高碳低合金钢高应力冲击磨损实验中观察到钢中白层具有多种位错组织，由磨损外表向里依次出现细条状、不规则缠结胞 状、多边网状和等轴晶状位错组态，认为白层是高度变形的区域，具有多种位错组态，它的形成属于形变机制。许云华等人认为，白层是高度塑性变形、铁素体晶粒 严重细化、渗碳体细化溶解消失的区域，它的形成属于形变细化溶解机制。
此外，关于白层的形成机制还有热—机械机制、再结晶机制、迁移机制和化学反应机制等论点，虽然都有一定的实验和理论依据，但未达成共识。

3. 白层对工件性能的影响

白层对后继的磨损行为有两方面的作用：一是白层的高硬度可提高抗磨能力；二是一方面由其脆性导致的裂纹在白层/基体界面上扩展，导致大块的颗粒按剥层方式 脱落；另一方面在形成新相的同时伴随着裂纹的萌生，白层导致疲劳裂纹的形核。Gangopad-hyay等人观察到在白层处有大裂纹平行于表面形核并快速 扩展。T鰊shoff指出白层使弯曲疲劳强度降低，可能与残余拉应力有关。也有学者认为白层的出现是有利因素。Tomlinson等人发现，在磨粒磨损过 程中，较薄的白层表面尖峰易被磨掉，使表面更易划伤；相反较厚的白层在几百米的跑合距离内表现出较好的抗磨能力，表面划伤也少，且白层厚度越大抗磨能力越 好。Mashloosh等人也认为白层增加了表层硬度和具有高热稳定性，降低了磨粒磨损的程度，增加了抗磨能力。

3 硬态切削过程中被加工表面的白层
硬态切削过程中出现的白层，是工件表面完整性的组成之一，其组织形貌特征和形成机制引起了国内外学者的重视。

(a)GCr15轴承钢(62HRC)的原始组织

(b)已加工表面白层的微观结构
图1 GCr15轴承钢的基体组织和白层组织(1400×)
文东辉等人采用PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢时发现，工件表层和亚表层的组织状态由均匀分布的隐晶马氏体和结晶马氏体以及少量的残留奥氏体组织转 变为主要是针状的马氏体、伴随大量析出的碳化物和少量的残留奥氏体的金相组织(见图1)。认为是硬态切削过程产生大量的切削热、精加工切屑体积较小，使切 削温度很容易超过GCr15轴承钢的Ac1(750～795℃)，表层组织重新奥氏体化，切削后工件在空气中高速旋转得到快速冷却，避开了等温冷却中的 “C”曲线，奥氏体将避免在临界温度以下的较高温度范围内发生转变，而全部被保留到较低温度进行马氏体转变；马氏体转变过程中会发生体积的膨胀，未转变的 奥氏体受到各方面的压缩使一部分奥氏体保留下来，故冷却到室温时的组织主要为马氏体和少量的残余奥氏体；奥氏体中的含碳量仅为钢中含碳量的37%，在快速 冷却时碳未能完全溶解，故在表层也可以观察到析出的碳化物。还观察到切削过程中的白层厚度随刀具后刀面的磨损量增加而逐渐增加，认为刀具后刀面磨损量的增 大使切削过程中热量增多，切削温度很高，是影响工件表面白层形成的主要因素。此白层结构不存在亚表层所谓的回火软化层，而摩擦学白层的硬度分布在亚表层有 一个明显的梯度。
阿拉巴马大学的Y Kevin和Chris J Evans等学者通过用磨损的陶瓷刀具硬态切削52100钢来研究硬态切削表面白层的形成机理，认为白层的形成主要是一个涉及钢的金相变化的快热—快冷过 程。他们应用基于JAEGER的移动热源理论的热量模型来模拟加工表面的温度范围并根据给定临界温度的穿透厚度估计白层的厚度，分析与实验结果吻合得很 好。
都柏林大学的J Barry和G Byrne等学者将用磨损和未磨损的Alumina/TiC刀具加工BS817M40和低合金钢(0.8C1.7Cr0.4Mo)所得的白层试样进行 TEM检测对比，结果表明白层是由非常规马氏体细小晶粒组成，有少量的渗碳体。根据电子衍射图，他们认为白层的形成机制类似于在高应变率下变形的马氏体钢 中发现的绝热剪切带(高应变作用下，由于在一定距离内表面下的局部变形速率高，摩擦热产生的速度大于向周围基体散发的速度，结果使临近表面的局部区域温度 较高，变形抗力随之下降，材料塑性变形失稳而产生绝热剪切带)，因此，表面白层的形成过程本质上是一个绝热剪切过程，在此过程中动态回复占主导。随着后刀 面的磨损白层中残余奥氏体量的增加，被认为是由马氏体向奥氏体逆转化的程度加剧的结果。实验发现工件表面有一定程度的再结晶，解释为白层形成过程中由动态 结晶到动态回复的过渡，一种由于马氏体逆转化而使材料层错能减小而导致的现象，这种再结晶过程不可能仅仅是基于扩散的热机制。
在相近的加工条件下，国内外学者对白层的形貌和形成得出的结果和观点大不相同。通过改良切削条件来使表面组织得到最优化控制是我们的长期目标，要达到这个 目标，首先要在理论上统一白层的定义和外延，应用先进的仪器和手段澄清白层的组织结构；不同原始组织的材料在不同的条件下都可能产生白层，单从热量或是机 械的角度研究白层的转变机制是不够全面的，白层是否等同于绝热剪切带也还有待考察，因此要从系统的角度深入研究，综合考虑各方面因素来分析其形成机理和对 工件弯曲、疲劳和耐磨性等性能的影响，从而达到对其进行有效控制的目的。
4 结语
白层具有高硬度、不易侵蚀、较薄、晶粒极细、严重塑变、形成时间短和存在微裂纹等特征。从广义上讲，白层表现为摩擦磨损表面的显微组织变化，是摩擦磨损过 程的必然产物。白层组织通常出现在材料的表层，同材料的磨损性能密切相关，一直是磨损领域的一个研究焦点。白层的出现常伴随着裂纹的形成，这意味着材料行 将失效，因而研究白层与磨损的关系至关重要。揭开白层形成机制、研究其破坏机理并对其进行有效的控制，对指导摩擦学设计、改善工件表面质量和性能、实现以 硬态切削代替磨削加工都具有重要的意义。
而目前对白层的形成机制尚缺乏系统的研究，对白层的组织结构也有待进一步研究。应当说，学术界对白层的本质和形成机制尚不清楚，争论不休。从大量的结果可 以看出，白层的形成强烈依赖于材料本身和外部运行条件。一方面，白层微观组织结构的澄清将对认识白层的转变机制和在磨损过程中的作用有决定性的意义。目前 国内对于表面变质层的研究还停留在理论探索和初级实验阶段，即用透射电镜或扫描电镜观察磨削表面。要想对其形成机理、显微结构做出合理的解释还有待于实验 手段和方法的更新，只有依靠先进的实验技术和表面分析测试手段，才能取得突破性的进展。另一方面，研究白层的转变机制，需在大量的实验基础上系统地研究摩 擦磨损和加工过程中能量的变化规律，以揭开塑性变形和摩擦热的真面目。白层是摩擦和加工过程中形成的动态组织，其结构取决于外加摩擦条件、环境条件和材料 本身性质等，从系统的角度进行对白层形成的研究可能会有所突破。

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铣刀片的应力场分析www.tool-tool.com

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引言

铣削属断续切削，切削过程中刀片受力非常复杂，力的大小和方向随时变化，刀片的失效形式主要为冲击破损。因此，采用有限元法对铣刀片应力场进行分析，以寻求减少刀片破损的刀具最佳几何角度，对于铣刀片槽型的开发具有指导意义。
2．面铣切削加工坐标系统的建立

图1　面铣切削加工坐标系统
面铣切削加工坐标系统由刀体坐标系和刀片坐标系组成，如图1所示。
在刀体坐标系中，Y轴为铣刀轴线，X轴在基面内过刀尖与Y轴相交。在刀片坐标系中，y1轴通过主切削刃，x1轴通过副切削刃，刀片前刀面在x1o1y1平面内。铣刀半径为R=OO1，铣刀前角为g0，刃倾角为ls，主偏角为K，法向前角为gn。
面铣刀无论具有何种几何角度，都可看作是由刀体坐标系经过一次平移和三次旋转而成，可用矩阵表示为
其中　A11=cosgnsinhr+singnsinlscoshr
A12=cosgncoshr-singnsinlssinhr
A13=singncosls
A21=-coslscoshr
A22=coslssinhr
A23=sinls
A31=-singnsinhr+cosgnsinlscoshr
A32=-singncoshr-cosgnsinlssinhr
A33=cosgncosls
tggn=tgg0cosls

图2 切入冲击力的方向
3．切入冲击力方向的确定

铣削与车削的不同之处在于铣削为断续切削，存在着切入、切出过程，铣刀的破损主要是由机械冲击力引起的。因此，首先要确定铣刀切入瞬间冲击力的作用方向。 铣削时，铣刀高速旋转，工件缓慢进给，若忽略进给运动(因进给运动速度仅为铣刀运动速度的约1/4)，铣刀切入冲击力的方向应该在刀具相对工件运动的切线 方向上。如图2所示。
由图1可知，切入冲击力方向为Z轴方向，力F分解到刀片坐标系中为
(2)
式中A13、A23、A33取值见式(1)，代入具体参数得
(3)
上式中，如果各分力值为正，则表示作用力沿坐标轴正方向；如果各分力值为负，则表示作用力沿坐标轴负方向。将面铣刀几何角度代入上式，即可确定铣刀切入冲击力的方向。

图3 面铣刀受力模型
4．切入瞬间应力场有限元分析
面铣刀前刀面外力分布模型如图3a所示。在面铣刀运动过程中，刀刃O的位移比刀面上的点A、B的位移大(因为刀刃O的半径及回转速度最大)，因此在铣削过 程中，刀刃受力最大，刀面受力呈逐渐减小分布。面铣刀切入过程中，前刀面只受瞬间的集中力作用，因此可用分布力模型表示切入过程前刀面的受力状况，与稳定 切削状态相比，只是接触长度比稳定切削状态短。刀具受力模型如图3b所示，q1=kq2(k为系数)，y为作用力方向角，L为分布力作用长度。其中作用角 y值由刀具几何角度确定，因此，刀片的几何角度不同，会引起作用力方向的改变。
表1 刀片几何参数 前角 后角 刃倾角
带槽型刀片 18° 7° 5°
平前刀面刀片 0° 7° 0°
下面对平前刀面刀片和带槽型刀片进行有限元分析，研究刀片槽型对铣削性能的影响。刀片几何参数见表1。
由式(3)可知，即使在相同的外力作用下，带槽型刀片的主切削力Fz1也小于平前刀面刀片的主切削力，实际测量结果也证实了这一点。

1. 有限元分析模型的建立

图3 面铣刀受力模型

有限元分析采用美国SDRC公司的大型工程软件I-DEAS　Master series4，利用实体造型模块建立平前刀面及带槽型铣刀片的实体模型(见图4)，将实体模型输入有限元分析模块，并对其进行网格划分，对参加切削部分 受力区域进行手工细分网格。

2. 边界条件的确定

为分析两种刀片切削时的应力、应变和位移情况，需在网格模型上加边界条件(切削力载荷)，为测得实际切削时的铣削力，进行了铣削力试验。试验在 X5030A铣床上进行，工件材料为奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti，刀片材料为YG546，切削用量v=100m/min，f=0．24mm/z， ap=4mm，其它切削条件均相同。用CLY铣削测力仪测得的主切削力如下：有槽型刀片：Fz=280kg；平前刀面刀片：Fz=350kg。按面铣刀受 力模型在刃前区相应的位置加分布载荷，并将刀片材料的机械性能输入材料特性表，载荷作用角由刀具角度决定，按刀片所受约束情况建立位移和运动约束，将边界 条件和约束并入一个组中，进行解算。

3. 模型解算

模型解算的过程就是求解应力、应变和位移的过程。经计算机辅助解算及后处理得到的两种刀片切削时的应力、应变和位移结果如图5所示。


(a)应力分布

(b)应变

(c)位移
图5 有限元分析结果
从图5可明显看出，平前刀面刀片切削时的应力、应变和位移均比有槽型刀片大。因此，在铣刀片上开出正确的槽型，可在很大程度上改善其铣削性能。

5．结语
由于铣削过程的复杂性，使刀片的破损比车削严重得多，其中切入破损占有较大比重。本文通过铣削过程分析、有限元分析和实验验证，证明在铣刀片上开出槽型， 使刀具具有合理的几何角度，可改变切入冲击力的方向，减小刀片内部应力，改善铣削状态。因此，铣刀片槽型的开发研究是铣削研究的一个发展方向，已受到各国 金属切削行业的重视。

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关于“超精密加工“的对话www.tool-tool.com

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超精密加工技术作为装备制造业中的关键技术，长期以来一直 是世界各国进行先进制造技术研发和应用的重点。超精密加工在中国的研究与应用还处于起步阶段，随着我国制造业的不断深化，超精密加工将彰显其巨大的发展空 间，2005年12月5日，我有幸在华中科技大学专访了在日本和世界制造业学术界及企业界享有崇高声望的超精密加工领域的权威专家中川威雄先生。

问：请您介绍一下您对超精密加工的有关概念。
中川威雄：往往大家一提到超精密这个词，就会觉得它很神秘，但同任何复杂的高新技术一样，经过一段时间的熟悉和掌握，都会被大众所了解，也就不再是所谓的 高科技了，超精密加工也是这样。实际上，如果拥有超精密的加工设备，并且在其它相关技术和工艺上能匹配，经过一段时间的实践之后，就能很好地掌握它，但这 需要一个过程。超精密加工领域集成了很多IT、机械以及电气控制方面的技术，设备方面的操作和使用也非常复杂，所以，只有在对它有很深的理解之后才能把它 用好。
超精密加工的关键在于设备，这一点无可质疑，但由于超精密加工设备非常昂贵，因此用户购买时会面临很大的风险，因此，用户往往对它的要求也很高，希望它有 更多的功能，能做更多的模具，这反过来也会促使它的价格更加昂贵。因此，我们在开发设备的初期，就采取了与其他厂家不同的思考方式，我们考虑的是如何尽量 降低设备的成本，使超精密加工技术能容易地被用户接受并且普及开来，从使用的角度去开发更好用、更廉价的超精密设备。
目前，超精密加工设备主要用来加工一些超精密的光学零部件，例如光学镜头，各种非球面镜和球面镜（数码相机，手机中常常用到）等。根据加工对象的需要，将机床做得更小，以提高加工精度，是我们开发超精密加工设备的理念。

问：请您介绍一下贵公司开发的超精密加工设备的特点。
中川：我们公司开发的超精密加工设备主要用来制造超精密镜头模具。由于要加工的模具比较小，因此我们首先从机床的小型化开始着手。机床小型化可以带来很多 好处，一方面是加工精度得到提高，因为机床的热变形与机床本体尺寸相关，尺寸小，精度相对来说就会提高；另一方面，保持加工精度需要很严格的恒温环境（正 负0.1度），机床小，所需要的恒温室空间就小，这方面可以省去很多的机床运行成本。
其次，在机械加工领域没法测量就没法加工，因为加工出的东西，不经过测量，就不知道它是否满足要求。超精密加工的精度是目前机械加工的极限状态，同时也是 测量能达到的极限状态，目前在这方面还面临着很多难题。对于超精密加工，相应的测量设备必须跟上，才能保证加工精度达到设计的要求，因此，我们将测量设备 集成到了超精密加工设备中，将机床的驱动轴作为测量仪的驱动轴，开发出具在线测量功能的超精密加工机床，使之很好地适应超精密加工的需求。
机床的驱动系统我们采用线性马达，以纳米为单位进行控制。再精密的加工都存在加工误差的问题，因此誤差的补偿就很重要，在加工过程中通过测量获得误差信息，并通过补偿控制的方法来抑制误差，就可以达到所要求的加工精度。
目前，我们的超精密加工设备已经达到了纳米级的加工精度，这同时也是测量设备的极限。这个设备已经开发出来，经过大量的实践验证，与市面上已有同类设备相 比，完全达到了同样的加工水平，并具有我们自己的独特优势。现在，这种机床已经开始上市销售，同时我们将继续不断完善相关的技术，使它的功能更加强大和成 熟。

问：贵公司制造加工镜片模具的设备，那么，也制造加工镜片的设备吗？请您介绍一下精密模具的基本加工方法。
中川：加工镜片的设备不是我们开发的范畴。如果有模具的话，可以有两种方式做出两种类型的镜片。一种是玻璃镜片，通过热压成型来实现，需要使用热压成型 机。另一种是塑胶镜片，通过注塑机注塑成型。其关键还是在于模具，如果模具满足要求的话，加工出的产品也能满足精度的要求。
传统镜片大多是球面镜，后来，人们逐渐认识到非球面镜有着更好的性能，因此成为镜片未来的发展方向。不过，复杂的制造技术限制了非球面镜的使用，传统球面 玻璃镜片基本加工方法是靠磨，现在很难用磨的方法制造非球面镜，所以出现了模造镜片的方法，即使用模具来制造镜片。例如在手机用镜头模组等领域大量使用的 光学镜片，很多都是用塑胶制成的。塑胶镜片的优点是成本低和可以大量生产，但是由于玻璃镜片在寿命、稳定性、成像特性等方面具有一定的优势，因此玻璃镜片 还是被广泛使用，这就产生了新的技术--用模具成形来制造玻璃镜片。
镜片是一种特殊的光学器件，不仅对表面形状精度要求高，对光洁度要求也很高。塑胶镜片使用的模具材料是镍合金，是用金刚石车刀车削加工出来的。如果加工完 再用抛光的方式修正加工，就不能保证形状精度，所以必须用车削的方法加工出来，这时就需要使用单结晶的天然金刚石刀具制造模具。
对玻璃镜片而言，必须把玻璃加热到600度再加压，因此模具的材料不能使用镍合金，而要用超硬合金。超硬合金是一种很硬的材料，必须用金刚石砂轮進行磨削 加工，由于砂轮会磨损，因此加工精度很难保证，在磨削加工过程出现误差时，需要通过测量并进行误差补偿，以保障加工精度。加工出的模具其表面还要镀一层很 薄的耐腐蚀薄膜。此外，作为热压技术而言模具的寿命是个问题，目前模具的寿命仅为1万次，所以生产100万个零件的话，就需要100套模具，传统的加工方 法是缺乏竞争力的，因此在我们的机床上集成了测量仪，集车削、磨削、测量三位一体，加工时不需要反复装卸工件，通過在线测量，在线补偿的方式，达到设计要 求的加工精度，这在很大程度上提高了加工效率。

黄：目前超精密加工的精度情况如何？
中川：机床的分辨率是一纳米，最小指令也是一纳米。实际定位精度基本是十个纳米左右。对制造的模具有两个要求，一个是形状精度，PV值(误差曲线的峰谷之间的距离)在100个纳米左右，另一个是表面光洁度，Ra(平均表面光洁度)要求在5纳米左右。

问：您现在所采用的测量方式是什么？是用激光还是光栅？
中川：我们目前采用的测量方法是接触式测量法，即使测量头和加工表面接触，然后通过扫描的方式检查工件的表面形状和光洁度。以前这种方法存在两个问题：第 一个问题是测量力的问题，因为接触产生摩擦，摩擦产生力，力导致变形，进而影响精度，如何降低测量力並維持安定的測量是目前的一个主要问题；第二个问题是 如何如何减小测量对象形状对测量的影响。目前，光学仪器的小型化发展，使光学镜片有效口径边缘处的切线角不断增大，导致面形变得陡峭。与平缓表面相比，实 现其形状的高精度测量极其困难。针对以上两个问题我们开发出一个特殊的测头，安装在机床上，利用机床的XYZ三轴驱动测头，来完成超精密加工的测量。当然 仅有测头还不够，测量过程中会产生很多数据，如何通过这些数据把处理目标（形状精度、光洁度等）求出来，这就需要相应的软件来实现。这也是很重要的一个环 节。
激光或光栅测量属于非接触式测量，之所以不用激光或光栅，主要是测量精度达不到，从球面镜来说，因为镜面有一定的厚度，对激光有影响，对于非球面镜而言，测量的处理比较麻烦，所以我们采用了接触式测量法来进行处理。

问：请您介绍一下超高速加工的发展现状。
中川：超高速加工并不像通常人们所想象的是加工很大的工件，產生很多切屑的那種加工形式，而是指使用高速工具轴，用很小的刀具對工件進行的微细加工。超高 速并不是切削量大，而是指主轴转速高。超高速一般用很细小的刀具，使用像针尖那样大小的球头铣刀来做铣削加工，因为刀具很细，如果主轴转速不高的话，就没 有切削能力。高转速加上很微细的刀具进行微细加工，实际上这还是属于超精细加工的范畴，只不过特点是铣削需要很高的主轴转速。刚才谈到的超精密加工主要是 针对车削（用金刚石的刀具），还有磨削。实际上这两种加工方式只是在切削方式上有所不同，但它们同样属于超精密加工的领域。
到目前为止，世界上比较小的超高速用铣刀已经可以做到直径（30～50um）的程度，而且这样的刀具已经得到了很普遍的使用。高转速是指每分钟8万、10万、15万转这样的数量级。

问：传统的CAD/CAM软件能否适应超精密加工的要求？
中川：超精密加工发展到目前的水平，比如微米、亚微米甚至纳米的精度级别，对CAD/CAM是一个很大的挑战。目前市面上的CAM都是用插补、曲线逼进等 方法来进行造型，在逼进和造型的过程中，有很多近似因素已经加进去了，所以就算机床做得再好，CAM的精度实际已经降低了，不能满足目前的超精密加工，尤 其是光学元器件加工的需求。目前在全球范围内，能够适用于纳米级超精密加工的CAM软件实际上还没有。由于我们做的是特殊形状的球面镜或者非球面镜，因此 我们基于这种特殊的形状开发了自己专用的CAM软件，但这种软件在普及上是有局限性的。我们这次来的目的之一，就是想利用华工等高校的优势资源，共同合作 开发适应超精密加工用的CAD/CAM软件。

问：请介绍一下贵公司、产品及其市场情况。
中川：我们公司主要开发超精密和超高速加工设备。我们把自己在加工方面的知识和技巧都凝聚到设备上，然后根据客户的需求来定制，使设备对于用户而言更容易操作。从设备着手来提高技术，是我们公司发展的方向。
关于超高速加工设备，早在二年前，也就是2003年11月我们就开发出来，并得到了市场的认可。其中，有11台投放到大陆，主要生产手机等小型消费性电子 产品的模具。我们的另一个产品是超精密加工设备。在超精密加工设备方面，我们已经制造了一台原型机，在这个基础上做了大量的试验，现在已经做出了两台量产 机型，我们在很多实验验证的基础上去评价机器的效果，应该说它已经完全达到了令市场满意的程度。
我们公司的产品与其他的厂家的产品相比，具有小型化、成本低、具有测量功能、具有很大性价比等方面的优势，我们瞄准的产品对象是小型产品，如数码相机、手 机、DVD用镜头等都可以适用我们的产品，如果要做大型产品我们的设备就不一定合适了；此外，相对其它机床大厂，在市场信誉方面，我们还需要一段时间去证 明。估计到了那个阶段，我们的设备会销售得很好，但现阶段市场还处在认识我们的过程中，我们也在一直致力这方面的工作。

问：中国很多高科技企业普遍存在的问题是"会做技术，不会做市场"，冒昧的问一下您是否存在这方面的担心？
中川：从大学里发展起来的企业，可能在全球范围内都面临着同样的问题。有许多大学教授做技术研究很优秀，但是讲到做生意、做企业就不在行了。从个人的亲身 体会来讲，我对此也很有同感，开发出具有一流技术的产品后，如何把技术产品化，并推向市场实现盈利，这对从教授出身的经营者是一个很大的考验。我本人还担 任了日本大学高技术产业评价委员会的委员长，对这个问题有更深刻的认识，但我们既然已经把企业做起来了，就只有朝前看，才能够尽我们最大的努力去克服困 难，使企业走向成功。

问：你们的超高速加工设备比较成熟了，是否已经可以带来稳定的收入，用来支持超精密设备的研发？
中川：实际上不是这样的。因为我们公司是一家很大的母公司的一部分。目前我们一直靠大公司的资金支持来进行研发。当然从今后起，我们要依靠自己研发的产品 来盈利，并继续进行后续研发。五年前我们成立时，主要是为光通信产业生产关键元器件而开发的这个设备。不幸的是，IT行业的网络泡沫破裂使我们没能按预定 的计划发展。但我们从那次失败中总结了很多经验教训，重新开始研究开发。目前也有了一些成果，正处在逐步向商业产品转化的过程中。

问：令我难以想象的是，你们公司只有20人，如何能制造出如此复杂的设备？
中川：我们开始是制造镜片的，在这个过程中，发现加工设备存在很多问题。从解决这些问题的角度出发，我们才开发了这种设备。可以说，我们是把加工的一些技 巧和经验融合在设备里了。我们并不是20人全部从元器件开始研究，然后慢慢把产品做起来的，我们需要的是要有自己的想法，有自己的设计方案，同时拥有其中 关键的技术（比如测量头和软件），其他的零部件都是使用从市面上可以买到的光电元器件。在日本，我们虽然是一家小的公司，但是也拥有很多好的合作伙伴。我 们在中国的发展也会有同样的一个过程。我们的盈利不单纯靠出售这种设备，我们还将用这些设备加工出模具。出售模具同样是我们很好的盈利来源。正是这些盈利 使我们能够在新技术研发上不断投入。

问：请您谈谈您对中国制造业发展的看法。
中川：这几年中国制造业取得的发展是有目共睹的，但主要是靠较低的生产成本获得的，而在关键设备尤其是关键元器件的开发方面还存在一定的差距。目前，日本 的制造企业往往拥有自己独创性的技术，并且通过这些技术将产品生产出来，即便这家公司把自己的技术、工艺公开，其它国家和地区也很难做出来，因此在市场上 才具有竞争力。要取得这种创新的成果，需要在研发方面投入一定的资金。因此，中国还需要一定积累，尤其是时间，才能赶上日本。

问：最后，请您谈一下您自己这几年做企业的感受。
中川：我从东京大学退休后，进入了产业界。应政府的要求，我在很多政府部门，尤其与技术开发相关的部门供职；同时还有很多大的财团、大的理事会、企业、学校里关于技术开发领域的审查委员会的职务。当然，目前我考虑得最多的还是如何把公司更好地经营下去。
我在东京大学教书度过了三十年，这期间也做了很多技术研究、产品开发以及产业化的工作，但觉得近几年的收获更大，自己的知识范围和涉足的领域一下宽了很 多，相当于在原来的大学干了十五年左右。作为一个高科技风险企业的经营者，确实面临着很多的压力和困境，在不断探索企业出路的过程中，我也动了很多脑筋， 学到了很多在学校里作为教授所学不到的东西。回过头来看，虽然到了这个年龄，还要经历这么多东西，吃这么多苦头，但我觉得还是很值得的，因为这是一种很充 实的生活方式。另外，作为一个经营者，我深深感到合作伙伴以及公司员工的支持也是极为重要的。如果没有这些支持的话，企业就无法运作下去。因此，我对员工 与合作伙伴抱着很大的感激之心。现在，我的个人目标，就是要努力把企业经营好，这样才能对投资方，对合作伙伴和公司员工有一个好的交代。

后记：
中川先生是日本先进制造技术的权威专家，而我的同学李军旗博士在该公司负责超精密加工设备的总体设计工作。在华中科技大学校长李培根院士宴请他们的宴会 上，我了解了他们在超精密加工领域的研究与开发实践，就自告奋勇提出对中川先生进行专访，中川先生愉快地接受了我的邀请。与中川先生的交流非常坦诚，给我 留下了深刻印象。
我认为日本制造有很多值得中国制造学习的地方，这是我这次专访的初衷。中国正在大力发展装备制造业，尤其是微机电系统。因此，我希望这次与"超精密加工"的对话能够对中国装备制造业的发展有一定的促进作用。

【关于中川威雄】
中川威雄先生1967年获日本东京大学工学博士学位，此后30年间一直任东京大学教授，创立了日本模具协会，并任多个学术协会的会长，同时一直担任日本丰 田公司和Fanuc等公司高级顾问，在日本和世界制造业学术界及企业界享有崇高声望。1999年退休后任东京大学名誉教授和理化研究所名誉研究员， 2000年创立FTC(Fine Tech Co.)公司，获得了全球最大的消费性电子产品OEM制造商Foxconn公司的投资，主要从事超高速和超精密镜片模具加工设备的开发。目前，FTC已开 发出全球第一台集车削、磨削和在线测量为一体的小型超精密镜片模具加工设备，加工精度可达数十纳米。该加工设备在数码相机镜头、手机镜头、DVD读取头等 小型镜片的高精度批量生产中具有广阔的应用前景。

【关于超高速加工】
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。目前在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国等。
超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。随着新刀具（磨具）材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。
在超高速切削方面，日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36000~40000r/min，工作台快速移动速度为36~40m/min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给移动速度为60m/min。
在超高速磨削方面，目前日本工业界实用磨削速度已达200m/s，美国Conneticut大学磨削研究中心的最高砂轮磨削速度达250m/s。
近年来，我国在超高速加工的各关键领域进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较大差距，必须急起直追。

【关于超精密加工】
超精密加工当前是指被加工零件的尺寸和形状精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及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，目前正在向纳米级加工技术发展。
超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家是美国、英国和日本。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于领先地位的国家。英国的克兰菲尔德 精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，是当今世界上精密工程的研究中心之一。日本的超精密加工技术的研究相对于英美来说起步较晚，但它是当今世界 上超精密加工技术发展最快的国家。尤其在用于声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，甚至超过了美国。
我国在80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。但总的来说，与国外产品比还有相当大的差距。
超精密加工技术发展趋势是：向高精度、高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展

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硬态切削www.tool-tool.com

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轉述：

硬车削的突出吸引力是消除了使用磨削操作的可能性，然而，有些工厂依然对重复车削45 Rc以上零件并达到磨削级别精度的工艺不太乐观。

采 用完全和谐的硬车削工艺可获得0.00011英寸的表面光洁度、0.000009英寸圆度和±0.0002英寸直径公差，这样的精度在对淬硬前工件进行 “软车削”的相同机床上同样可以达到，从而最大限度地提高设备利用率。然而有些工厂最初失策地选用不合适的(确切地说是比较便宜的)刀片，另一些工厂也许 对他们的机床是否具有很高的刚性、足以承受二倍于普通车削的压力没有把握。哈挺公司(Hardinge)的应用工程师Tom Sheehy讲述了该公司对于硬车削的一些建议和理解。以下是工厂认真评估硬车削时必须牢记的8个重要的过程因素。

。


硬车削的目标是随切屑带走至少80%的热量，
以保持零件的热稳定性。
1， 工件—尽管45Rc材料是硬车削的起始点，但是硬车削经常在60 Rc以上硬度的工件上进行。硬车削材料通常包括工具钢、轴承钢、渗碳钢以及铬镍铁合金、耐蚀耐热镍基合金、钨铬钴合金等特殊材料。根据冶金学的观点，在切 深范围内硬度偏差小(小于2个Rc)的材料显示出最好的过程可预测性。有时，工件的尺寸或几何特征完全不适合于硬车削，最适合于硬车削的零件具有较小的长 度/直径(L/D)比；一般说来，无支撑工件L/D之比不大于4:1，支撑工件L/D之比不大于8:1。尽管细长零件有尾架支撑着，但是切削压力过大仍有 可能引起刀振。

2，机床—机床刚度决定硬车削的加工精度，最近15~20年内制造的机床几乎都有很好的刚性，足以对付某些硬车削用途。在 许多情况下，机床的总体状况在更大程度上比使用年限更重要，维护精良的手动老车床甚至可以成为硬车削的候选对象。无论如何，由于对零件公差和表面光洁度要 求越来越严格，机床刚度将不再是一个简单的问题。

为了给硬车削用途增加刚性和阻尼特性，哈挺将许多特征纳入了车削中心，其中包括聚合物复合材料增强机座、带弹簧夹头(使主轴支撑靠近工件)的直接配合式主轴和静压导轨。
完全和谐的硬车削系统可以减少甚至省去磨削以及与之相关的高昂的刀具成本和冗长的加工时间。

系统刚性最大化意味着尽量减少一切悬空、刀具延伸和零件伸出，并取消调隙片和垫圈，其目标是保持一切物件尽可能地接近转塔刀架。


完全和谐的硬车削系统可以减少甚至省去磨削
以及与之相关的高昂的刀具成本和冗长的加工时间。
3， 刀片—有些工厂最初对立方氮化硼(CBN)刀片的高昂价格望而却步，尽管CBN刀片是最适合于硬车削。CBN刀片能够在断续切削过程中保持定位不变，在连 续切削过程中提供安全的刀具磨损率。当采用合适的硬车削工艺时，CBN刀片除了在控制直径公差方面比不上磨削以外，其它性能都是首屈一指的。

陶 瓷不如CBN耐磨，因此一般不用于公差小于±0.001英寸的操作。陶瓷不适合于断续切削，而且不应加冷却液，因为热冲击可能造成刀片破裂。刀片的钝缘几 何形状是陶瓷材料的固有特点，这一特点转化为切削力增大而工件表面光洁度下降。另外，陶瓷刀片刃口断裂可能是灾难性的，它可能会使所有切削刃无一可用。

金属陶瓷(立方碳化钛)对连续切削渗碳硬化材料很有效，尽管它不具备CBN那样的的耐磨性，好在刀片在大多数情况下会成比例地磨损而不断裂。

负前角刀片通常由于其结实的切削刃而得到利用。与之相反，正前角刀片由于其切削力比较小，才有可能用在刚性不高的机床上进行硬车削。

关于刀片的最好建议是与刀具供应商密切合作，特别是在最初阶段，以迅速达到最佳切削速度。


最适合于硬车削的选择对象是具有小L/D比的零件。
4， 冷却液—关于冷却液的最大问题是究竟用不用冷却液。对于齿轮之类的断续切削零件来说，最好是“干运行”，否则进刀和退刀时的热冲击很可能引起刀片破裂。至 于连续切削，刀头在干运行过程中产生的高温足以韧化(弄软)预切削区域，从而降低材料硬度使之易于剪切。这个现象说明了干切削时增大速度是有益的。同时， 无冷却液切削方式具有明显的成本优势。

在连续切削用途中，冷却液可能有助于延长刀具寿命和改进表面光洁度。问题的关键是要使冷却液能够到 达刀头，高压冷却液是解决这个问题的最好办法，因为它不容易在高温下蒸发。此外，高压可以减少切屑堆积，从而减少因为切屑阻塞、妨碍冷却液流至刀头的机 会。另一个办法是将冷却液同时释放到刀片的顶部和底部，确保冷却液连续到达刀头。

如果使用冷却液，它必须是水基的。在完全匹配的硬车削过 程中形成的切屑，可以带走80~90%的热量(切削区域最高温度可达1,700°F)。如此炽热的切屑万一接触低燃点冷却油，整个工序完全有可能化为乌 有。如果在敞开式机床上进行硬车削，必须增加适当的保护装置，避免操作人员被切屑烫伤。


为了最大限度地增加硬车削的系统刚性，应尽量减小一切悬伸并取消垫圈和调整片。
刀具伸出长度不得大于刀杆高度的1.5倍。
5，工艺—因为硬车削产生的热量大部分由切屑带走，加工前后对切屑进行检查可以发现整个过程是否协调。连续切削时，切屑应该呈炽燃的橙黄色，并象一根缎带似地飘逸而出。如果切屑冷却后用手一压基本断裂，表明切屑带走的热量是正常的。

6， 白化层—“白化层(热影响区)”可能令人讨厌地显露在硬车削和磨削操作中，即在材料表面形成一层肉眼看不见的非常薄(通常1微米)的硬壳。在硬车削过程中 形成白化层，一般是因为刀片钝化引起过多的热量传递到零件内。白化层经常在轴承钢上形成，而且对于轴承圈之类需要承受高接触压力的零件是非常有害的，随着 时间的推移，白化层可能剥离并导致轴承失效。

轴承制造商几乎都自备试验手段，以便在这个方面处于领先地位。至于刚刚开始从事硬车削的工 厂，建议在开始生产的头几周内进行随机抽查，以确定每个刀片能够车削多少零件而不形成白化层。冶金公司有能力进行这些试验。即使一个刀片以能加工400个 零件为标准，它也可能在加工300件后就变钝并且开始使零件产生白化层了。


在镗削淬硬材料时，全长度对开套筒夹头(下)
可提供最高的刀夹刚度。
7，镗孔—镗削淬硬材料需要很大的切削压力，因此往往会成倍地增加镗杆承受的扭力和切向力。采用正前角式35°或55°锐角、小刀尖半径刀片可以减小切削压力。在增加切削速度的同时减小切深和进刀速度，也是减小切削压力的办法。

镗孔时，刀具必须与零件同心或略高于零件中心，因为切削引起的挠曲变形使实际中心线的位置降低了。最好的夹紧形式是全长度对开套筒，其次是弹簧夹头和单点螺丝夹头。

8，车螺纹—采用合适的刀片几何形状是在淬硬材料上车削螺纹的关键，最好的螺纹刀片之一是类似于镗杆上安装的三角形刀片。 在正确的过程参数下，60°螺纹夹角和小刀尖半径是非常有效的。

在淬硬材料上车削螺纹时，为了控制切削压力和延长刀片寿命，有必要增加走刀次数并减小切深。另一种选择是采用交替式侧面切入方式，可改变切削力承受位置并导致较长的刀具寿命。

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高速加工和动平衡www.tool-tool.com

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轉述：
高速加工，由于采用很高的切削速度和进给速度，从而大大缩短加工时间以及获得很高的加工精度和表面质量，并导致节省加工工序，简化生产工艺流程和减少生产设备，因而高速加工具有显著的技术经济效益。

自二十世纪80年代中期兴起高速加工以来，在至今的约20年中获得了迅速发展，并相继在航空、航天和汽车工业以及模具制造业等领域里得到了广泛应用。

在 汽车工业里，90年代初期开始应用高速加工技术，当时采用聚晶金刚石铣刀加工铝合金缸盖的切削速度已达到3000m/min，而到了90年代中期，铣削缸 盖的铣削速度个别已高达7000m/min（HüLLER HILLE公司），当采用高强度铝合金刀盘并经较好动平衡（平衡品质等级G2.5）的聚晶金刚石面铣刀,在考虑了CEN/安全标准草案的情况下（即把刀体 破裂转速的二分之一视作为铣刀允许的最高转速），铣削铝件时的切削速度甚至可提高到8000m/min(铣刀直径≥200mm,MAPAL公司)。这样的 切削速度比90年代初期几乎提高了2.6倍。在模具行业里，在90年代末期，对淬硬钢（HRC50）的铣削速度已高达（370～400）m/min。

图1：动平衡技术中的定义量
为 适应高速加工的需要，目前加工中心和铣床均具有较高的主轴转速。加工中心的主轴转速一般都在15000r/min和24000r/min的范围内。用于模 具加工的加工中心或铣削中心，由于加工时常常采用较小直径（2mm～12mm）的铣刀，其最高主轴转速一般为42000r/min，有的高达 60000r/min。

很显然，高速旋转的刀具系统，存在的残余不平衡量（不对称质量）会产生与转速成平方关系的离心力，这种动态负载会 激起刀具和机床的震动，从而导致加工表面质量、刀具寿命和主轴轴承寿命的下降，甚至影响到加工过程的正常进行。为减小或限制这种由残余不平衡量产生的动态 负载的影响，应对刀具系统进行必要的动平衡。

引起刀具系统不平衡的原因

在机床主轴——夹头——刀具系统中，质量不对称（不平衡量）主要是由下列原因引起的。

1.刀具的不对称形状
2.刀夹的不对称形状
3.系统构件的加工误差
4.系统构件的连接间隙和夹紧的不精确
5.主轴的圆跳动和磨损
6.在主轴锥孔和刀具上粘有杂质颗粒
7.主轴中拉杆——叠形弹簧的偏移
8.冷却润滑液的影响等

这 些不平衡量，往往会对高速精加工产生不利影响。特别当采用较长悬臂刀具进行高速精加工时, 其影响尤为严重，在以前，为减少刀具系统不平衡量对加工精度的不利影响，不得不采用较低的转速进行加工，这样，致使机床能力得不到充分利用。因此，为了充 分利用高速加工的优点，就必须对主轴—刀具系统进行动平衡。以便减小振动负载并尽可能将较高的精度传递到刀具的切削刃上。

动平衡技术的概念

进行动平衡，就是要使刀具系统的回转体质量进行均匀分布，以减少回转体旋转时由不平衡量产生的离心力。

在动平衡技术中，不平衡量(U )是回转体质量(mr) 与质量重心偏移量(e)的乘积：

U= mr. e..........(gmm ,kgμm)

mu—— 不平衡质量（g）
mr—— 回转体质量（kg）
e—— 质量重心偏移量（μm）
ru——mu质量重心相对于回转体轴线的距离（mm）
n—— 回转体的转速（r/min）
ω——回转体的角速度(1/s )
ω=2πn/60
F—— 不平衡产生的离心力（N）
F=Uω2

不平衡量(U )又是不平衡质量(mu)和该质量重心相对于回转轴线的距离(ru)之乘积：

U= mu. ru..........(gmm)

回转体旋转时的平衡品质(G)用下式表示：

G=ew/1000=U/mR. πn/30..........(mm/s)

平衡品质或平衡质量等级(G)表示回转体处于不平衡状态时回转体重心的线速度，是用来判断回转体动态负载的一种机械比较量。G值越小，则回转体旋转越是平稳。

对于采用不同转速进行加工的刀具，平衡品质G值是难于确定的。而残余不平衡量(U )与转速无关，这个不平衡量可以直接在动平衡机上进行测量。

通过换算，可以将上面的平衡品质的公式改写成下面的关系式：

e=9549.296G/n..........(μm)

图2是根据这个关系式绘制而成的诺模图。根据确定的平衡品质和实际的工作转速就可以从图上的曲线查得或利用上面的关系式计算出回转体单位质量的允许残余不平衡量(gmm/kg),也就是质量重心允许的偏移量(e)。


图2：对应于不同平衡品质G0.4~G250（按DINISO1940）在
不同工作转速下的最大允许残余不平衡量（摘自Watter公司资料）
在 这里我们可以看出，在相同的平衡品质情况下，转速愈高，则允许的质量重心偏移量愈小，也就是要求回转体（刀夹和刀具等）的圆跳动越小（图2和表1）。如对 于一把重1.4kg的刀具，根据其确定的平衡品质G6.3和工作转速n=25000 r/min，就可得出刀具质量重心的偏移量e=2.41μm。又得到允许的残余不平衡量U=mR。e=1400G×0.00241mm=3.37gmm。 这个不平衡量可通过平衡机测得。

适度动平衡

高速加工的用户，应根据具体的加工任务，同时考虑在技术上的可行性和经济上的 合理性，提出适度的平衡品质的等级（G）。刀具残余不平衡量的测量是受到动平衡机测量极限和测量能力的限制。目前，采用最高水平的动平衡机，可以重复测得 的刀具残余不平衡量已达到0.3gmm。据德国技术刊物的有关报道，在德国拟订的一份“采用具有一定几何角度的回转切削刀具”动平衡极限标准草案中，规定 了以2μm的残余偏移量为可以达到的最高平衡品质。

所以，高速加工的用户不能一味追求加工的平稳性而提出过高的平衡品质。因为，不切合实 际的过高要求，一是在技术上难于实现，其次是在经济上又并不合算。例如，一个重300g，工作转速达60000r/min的带刀柄HSK40的热胀冷缩式 夹头，当要求其平衡品质为G2.5时，那么允许的不平衡量应小于 0.119gmm，这意味着夹头的质量重心只允许从其回转轴线偏移0.4μm。而目前，在机床主轴上仅仅刀具或夹头一个构件也几乎难于达到＜2μm 的高精度，而结构上对称又特别适合高速加工用的热胀冷缩式夹头，其圆跳动最高也只能达到3μm （在其检验棒3xd 悬伸处测得）。由此可见，要求这样的平衡精度就毫无意义了。比较切合实际的是从2μm的残余偏移量出发，从而得到不平衡量U=300g x 0.002mm=0.6gmm，平衡品质则为G=12.56。这样做，不仅技术上可行，而且经济上也是合理的。



制造厂家产品的动平衡标准

目 前，大多数刀具和夹头制造厂家已十分重视高速加工中的动平衡问题，并根据国际标准ISO1940-1相应拟订了各自工厂内部出厂产品的动平衡标准，产品基 本上都按平衡品质等级G2.5~G6.3在10000r/min的转速下进行动平衡，而对采用HSK E型刀柄（结构上对称）的热胀冷缩式夹头则在25000r/min或更高的转速下进行动平衡（表2）。如用户要求比产品标准平衡等级更高的平衡品质，或要 求在更高的转速下进行平衡，可向生产厂家提出，对产品进行精平衡。


＊根据Mapal公司高速铣削可达到的切削速度推算，估计在10000 r/min和13000 r/min范围——笔者

刀具系统的动平衡

对 于短小又对称的整体式刀具，平衡时要修正的重量通常只有百分之几克，所以仅进行静平衡就足够了。而对于非对称结构的悬臂刀具（悬伸长度约 300mm）必须要在二个校正平面上进行动平衡，以尽量清除不平衡量误差。推荐对刀具、夹头和主轴单独进行动平衡，然后，夹头连同刀具一起还应再一次进行 动平衡。如 Beck Engineering公司的一把在10000r/min转速下工作的偏心传动受控刀具，为确保工件的加工质量，刀具分4步进行了动平衡。第一步，偏心传 动的刀体连同装上的平衡校正工具在动平衡机上以1500r/min的转速进行精平衡。第二步，刀具在动平衡机上以同样的转速进行动平衡。第三步，偏心传动 刀体连同装上的平衡校正工具在主轴上以10000r/min的转速进行精平衡。第四步，安装在刀体中的刀具在主轴上以同样的转速进行精平衡，由此最终达到 好于G2的平衡品质。

另外，对于一些高速加工刀具和夹头，如结构上允许，还应在刀体（刀盘）上设置为今后进行精平衡或再平衡的螺钉或平衡 环等微调机构（如Walter公司的面铣刀和Mapal公司的WWS面铣刀，在刀盘上均设有平衡微调螺钉），或设置多个平衡孔，以便使刀具系统达到最佳的 动平衡效果。

自动平衡系统

即使刀具和夹头已进行了动平衡，但是当刀具夹头装到主轴上时还会由于夹紧不精确性而产生不平衡 量（对于空心锥柄HSK接口，这个值一般在2μm 和5μm范围内），另外，还有可调刀具的调整、主轴中拉杆——叠形弹簧的偏移引起的不平衡以及随机出现的其他不平衡。这些连接的不精确度和变化的不平衡状 态是无法进行预防性修正的。因此，对于高速精密加工，最好是采用自动平衡系统，以便对整个刀具——主轴系统在工作过程中进行在线动平衡，以补偿上述干扰 量。

目前在生产中可供使用的自动平衡系统是一种电磁动平衡系统，这种系统有两种使用方式：一种则是将由传感器和致动机构组成的动平衡部件安装在结构相配的主轴上，另一种则是将致动元件装在刀夹里，这种电磁动平衡系统可以在60000r/min转速下进行自动平衡。

随着刀具材料和刀具技术的进一步发展，加工的切削速度愈来越高，刀具系统的动平衡已成为高速精加工的必要条件。因此，高速加工的用户，应根据具体的加工情况，通过刀具系统适度的动平衡或采用自动平衡系统，来获得最佳的技术经济效益。

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难加工材料的切削加工技术www.tool-tool.com

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轉述：


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，例如，宇航产业常用的超耐热合金、钛合金及含有碳纤维的复合材料等，都是该领域的难加工材料。宇航业的工程技术人员开展了加工技术的研 究与开发工作，已经研究出适合该领域使用的切削工具和加工方法。近年来，机械制品多功能、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，本文以难加工材料的切削加工为核心，介绍该技术近年来的发展动向。

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。

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。

切削难加工材料用的刀具材料

CBN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。

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。

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。

结束语

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。

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切削刀具与加工对象的匹配研究www.tool-tool.com

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刀具材料的进步极大地推动着切削加工技术的发展。从碳素工 具钢刀具、高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具到金刚石和立方氮化硼刀具，刀具材料的每一次革新几乎都给切削加工业带来一次革命。特别是近三十年来，作为 切削加工最基本要素的刀具材料得到了迅速发展，采用各种高纯超细的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和合金元素制造的新型刀具材料不断涌现，材料的物理机械 性能和切削加工性能都有了很大的提高，应用范围也不断扩大。开发的新型刀具材料如纳米复合刀具、纳米涂层刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯度功能刀具材料等为现 代切削加工业提供了新的选择。目前国际上广泛应用的刀具材料主要有：高速钢刀具、硬质合金刀具、超硬刀具等，刀具材料的牌号多达上千种。

随 着科学技术的发展，对工程材料也提出了愈来愈高的要求。各种轻质强韧材料、新型航空航天材料、核能材料、复合材料、生物材料、功能材料、纳米材料、稀土材 料、新型金属或非金属材料等的应用日益广泛。面对如此种类繁多的工件材料，如何正确选择刀具材料进行切削加工，以提高切削加工生产率、降低加工成本和减小 资源消耗，是一个需要高度重视的问题。

长期以来，国内外机械加工企业选择刀具材料的方式以传统的试切法和 参照以往经验为主。在加工某一新型材料时，往往需要使用多种刀具材料进行重复切削试验，研究分析刀具的磨损、破损方式及其原因，通过比较从中选择最佳的刀 具材料。这种方法盲目性大，造成人力、财力和资源的大量浪费。而许多企业根据经验来选择刀具，往往不能选择到最佳刀具材料，造成切削加工生产率低下、切削 加工成本增加、刀具材料资源（尤其是一些贵重的合金元素）浪费严重。

每一品种的刀具材料都有其特定的加工范围，只能适应一定的工件材料和 切削速度范围。不同的刀具或同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大的差别，因此所谓的万能刀具是不存在的。“工欲善其事，必先利其器”这句 中国名言已成为国内外的共识。所以，合理选用刀具是成功进行切削加工的关键。每一品种的刀具材料都有其最佳加工对象，即存在切削刀具与加工对象的合理匹配 问题。切削刀具与加工对象的匹配主要是指二者的力学性能、物理性能和化学性能的匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。结合笔者已进行的研 究，本文将对切削刀具与加工对象的合理匹配进行综合评述。

2．切削刀具与加工对象的力学性能匹配

切削刀具与加工对象的力 学性能匹配主要是指刀具与工件材料的强度、韧性、硬度等力学性能参数应相互匹配。不同力学性能的刀具（如高速钢刀具、硬质合金刀具、超硬刀具等）所适合加 工的工件材料有所不同。通常，刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具硬度一般要求在60HRC以上。高硬度的工件材料必须用更高硬度的刀具来加工， 如立方氮化硼和陶瓷刀具能胜任淬硬钢（45～65HRC）、轴承钢（60～62HRC）、高速钢（HRC>62）、工具钢（57～60HRC）和冷 硬铸铁等材料的精车加工，并可实现以车代磨。此外，刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。

具有优良高温力学性能的刀具特别适合高速切削加 工。高速切削采用的切削速度比常规切削高出几倍甚至十几倍，因此切削温度很高。为此，高速切削时要求刀具材料不仅要有良好的室温力学性能，还应具有优异的 高温力学性能，且其高温力学性能比室温力学性能更为重要。尽管陶瓷刀具的室温强度较低，但当温度升高时，其抗弯强度降低很少。如切削温度达1000℃左右 时，其抗弯强度值仅比室温时略低。陶瓷刀具优良的高温性能使其适于高速切削，允许的切削速度比硬质合金高2～10倍。高温高硬度的Sialon陶瓷刀具也 可作为高温切削刀具。硬质合金在温度高于500℃时因粘结相变软而硬度急剧下降，所以不适于用作高温切削刀具。
决定硬脆刀具（如硬质合金和陶瓷）磨损的主要因素是其力学性能。Evans等人的研究表明，硬脆材料固有的脆性是导致其磨损的主要原因。因此，他建立了陶瓷刀具材料的硬度、断裂韧性等力学性能与其磨损特性的关系式。

Wayne 等人对Al2O3、Al2O3 /TiC和Al2O3 /TiB2等陶瓷刀具的磨料磨损特性进行了试验，结果表明：陶瓷材料硬度、断裂韧性等力学性能与其磨损特性的关系式能定性反映刀具材料的磨损与其力学性能 的关系，但理论计算结果与实际测量值有一定差异，主要原因是没有考虑陶瓷材料微观结构的影响。

3．切削刀具与加工对象的物理性能匹配

切 削刀具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、抗热冲击性能等物理性能参数应相互匹配。具有不同物理性 能的刀具（如高导热和低熔点的高速钢刀具、高熔点和低热胀的陶瓷刀具、高导热和低热胀的金刚石刀具等）所适合加工的工件材料有所不同。加工导热性差的工件 时，应采用导热性较好的刀具，以使切削热可迅速传出而降低切削温度。

金刚石的导热系数为硬质合金的1.5～9倍，为铜的2～6倍，由于导 热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故刀具切削部分温度低。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，因此金刚石刀具不会产生很大的 热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。立方氮化硼的导热性虽不及金刚石，但却大大高于高速钢和硬质合金。随切削温度的提高，CBN刀 具的导热系数逐渐增加，可使刀尖处切削温度降低，减少刀具的扩散磨损并有利于高速精加工时加工精度的提高。CBN的耐热性可达到1400～1500℃，比 金刚石的耐热性（700～800℃）几乎高一倍。

由于高速切削所采用的切削速度比常规切削时高几倍甚至十几倍，切削温度很高，因此高速切 削刀具的失效主要取决于刀具材料的热性能（包括刀具的熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等）。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金 属的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐热性，因此要求刀具材料的熔点高、导热性好、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性强。如高速加工钢、铸铁等黑色金属 时，最高切削速度只能达到加工铝合金时的1/3~1/5，其原因是切削热易使刀尖发生热破损。在高速切削低导热性及高硬度材料（如钛合金、耐热镍基合金、 高硬度合金钢等）时，易形成锯齿状切屑，而高速铣削过程中则会产生厚度变化的断续切屑，它们都会导致刀具内的热应力发生高频率的周期变化，从而加速刀具的 磨损。

4 切削刀具与加工对象的化学性能匹配

刀具的磨损是机械磨损和化学磨损综合作用的结果。机械磨损主要包括磨料磨 损、粘结磨损、塑性磨损和微观断裂等。化学磨损主要是指在高温下刀具材料的组分与工件材料发生的化学反应、化学溶解以及刀具与工件间元素的扩散等。已有的 研究表明：刀具切削加工时的磨损与所加工的工件材料和切削条件密切相关，在不同的切削条件下加工不同的工件材料时，占主导地位的磨损机制有所不同。如在低 速切削时，由于温度较低，其磨损机制往往表现为磨料磨损；而在高速切削时高温引起的化学反应、氧化磨损和扩散磨损则占主导地位。由于在高温下工件材料硬度 有所下降，因而磨料磨损逐渐减小。化学磨损与切削温度密切相关。

切削刀具与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具与工件材料的化学亲和性、 化学反应、扩散、粘结和溶解等化学性能参数应相互匹配。具有不同组分的刀具（如高速钢刀具、硬质合金刀具、超硬刀具等）所适合加工的工件材料有所不同。当 刀具与工件中的元素化学亲和性强（易产生化学反应、相互粘结或扩散）时，应设法回避。如含有SiC颗粒或SiC晶须的刀具材料在加工镍基合金时表现出优良 的切削性能，但在加工钢件时刀具材料却发生急剧磨损。这是因为SiC很容易在切削高温作用下与工件材料中的Fe产生化学反应，其反应式为4Fe+ SiC→FeSi+Fe3C
Al2O3陶瓷的化学惰性大于TiC和WC。即使在熔化温度时，Al2O3与钢也不起化学反应；其次，Al2O3在铁中的溶解率比WC要低4～5倍。因 此，切削加工钢件时，Al2O3陶瓷刀具的扩散磨损很小。另外，Al2O3陶瓷中含有铝元素，因此Al2O3陶瓷刀具在加工铝及铝合金时存在较大化学亲和 力，很容易出现较大的粘结磨损和扩散磨损。Al2O3/TiC和Al2O3（/W，Ti）C等陶瓷刀具中均含有铝及钛元素，用这类陶瓷刀具加工钛及钛合 金、铝及铝合金时也存在较大的化学亲和力，因此应避免用此类刀具加工铝、钛及其合金。

Si3N4基陶瓷刀具在铸铁和镍基合金的切削加工中 得到广泛应用。Si3N4基陶瓷高速切削铸铁时主要发生磨料磨损，而高速切削碳钢时主要发生化学磨损。化学磨损本身在陶瓷刀具的总磨损量中所占比例一般并 不大，但化学磨损的重要作用在于它能大大加剧机械磨损，如化学溶解及扩散作用会引起陶瓷表面强度减弱，加剧刀具与工件间的粘结，从而导致严重的粘结磨损和 微观断裂磨损。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI1045钢时刀具的磨损比切削灰铸铁时高得多。切削铸铁时工件与刀具之间的Fe、Si等元素的相互扩散作 用要比切削钢件时小得多。由于Si3N4、Fe之间存在较大化学亲和力以及Si和Fe之间的相互扩散，因此Si3N4刀具不适于高速切削纯铁和碳钢等材 料，因为高速切削时产生的高温会大大加剧Si3N4与此类工件间的化学作用及元素的扩散，导致 Si3N4刀具磨损的加剧。因此，在加工钢时，Si3N4陶瓷刀具的磨损主要与刀具和工件间的化学作用有关。

金刚石刀具适合于加工非金属 材料、有色金属及其合金。在切削有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍。在加工含硅量较高（10%以上）的铝合金时，金刚石刀具 的耐用度是硬质合金的10～50倍。金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到800℃时就会失去其硬度；金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，因为金刚石与铁 族元素之间有很强的化学亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极易损坏。

立方氮化硼的硬度仅次于金刚石， 并且具有很高的热稳定性，可承受1200℃以上的切削温度。其最大优点是在高温下（1200～1300℃）不会与铁族金属发生化学反应。CBN的化学惰性 大，在中性、还原性气体介质中对酸和碱具有很高的化学稳定性，与铁族元素在1200～1300℃时也不起化学作用。研究表明：CBN与各种材料的粘结和扩 散作用比硬质合金小得多。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不会发生氧化现象。由于CBN 具有超硬特性、高热稳定性、高化学稳定性而引起广泛关注。在高速切削铸铁件时，可使用CBN刀具。但铸件的金相组织对CBN刀具的选用有一定影响，在以大 于500m/min 的切削速度加工以珠光体为主的铸件时，可使用CBN刀具；当铸件以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，不宜使用CBN刀具，而应采用陶瓷刀具加工。

5．结论

综上所述，每一品种的刀具都有其特定的加工范围。切削刀具与加工对象的匹配主要指二者的力学、物理和化学性能相互匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。

切 削刀具与加工对象的力学性能匹配主要是指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能参数应相互匹配。切削刀具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、抗热冲击性能等物理性能参数应相互匹配。切削刀具与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具与工件材料化学亲 和性、化学反应、扩散、粘结和溶解等化学性能参数应相互匹配。在实际应用中，应根据所加工的工件材料选择相互匹配的刀具材料。

建立切削刀 具和加工对象的力学、物理和化学性能数据库，建立切削刀具和加工对象的力学、物理和化学性能匹配关系模型，并借助计算机绘制出用不同材料刀具切削不同材料 工件时刀具与工件材料的匹配关系图谱，实现刀具材料选择的规范化和合理化，是今后切削加工研究的一个重要课题。

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PCD刀具切削SAE327硅铝合金工艺研究www.tool-tool.com

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轉述：
1 .SAE327的材料特点和切削难点
SAE327为铸造硅铝合金，是制冷压缩机连杆的主要材料。主要元素含量Si7～8。6%。Cu1～2%&gh，Mg0.25%～0.6%， Mn0.5%～0.8%。抗拉强度>230MPa，硬度110～130HB，延伸率>1%。其晶格由高塑性的Al和高脆性的初晶Si组成。

切削加工时，Al的塑性大，熔点低，易在工件表面与刀尖接触处产生积屑瘤，随后与破碎的初晶Si一起使工件部分表皮剥落，形成刀痕，使工件表面粗糙度变 差。同时由于高硬度的Si含量较高，刀具也容易磨损。目前对压缩机效率值COP的要求不断提高，为减少往复式活塞压缩机内摩擦并降低输入功率值，连杆孔与 曲轴间需要保证极小的摩擦系数和很高的表面接触率，要求圆度≤2祄，表面粗糙度≤Ra0.4，尺寸精度≤2祄，使用传统切削办法很难达到如此高的要求，因 而在压缩机零件中一直是较为难加工的铝合金材料。

2 .PCD的基本特点及高速干切削技术

随着聚晶金刚石（PCD）刀具技术和高速切削技术的发展，针对SAE327的切削性能，我们使用PCD刀具对连杆孔进行高速干式镗削，较好地解决了问题。PCD材质稳定，使用性能可以预测，故比天然金刚石更合适于作为切削刀具。

PCD具有目前最高的硬度和耐磨性，具有非常锋利的刀刃，有很好的导热性，线膨胀系数很小，摩擦系数也小。但其主要缺点是强度低，脆性大，抗冲击能力差。 因此一般不用于断续切削和重负荷切削。采用PCD刀具加工铝合金时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲和力小，且刀具一般抛光成镜面，不易产生积屑瘤，加工 尺寸稳定性以及表面质量都很好。在Ra0.02～0.32祄的条件下，可获得5～7级精度。

铝合金传热系数高，线膨胀系数大，在加工过程中会大量吸收切削热，使工件发生热变形，而且铝合金硬度和熔点都较低，因此加工过程中切屑容易与刀具发生“胶 焊”或粘连，形成积屑瘤，这都是传统铝合金干切削中遇到的最大难题。解决的最好办法是采用高速干切。高速切削中，95%的热量都传给了切屑，切屑在与前刀 面接触的界面上会被局部熔化，形成一层极薄的液态膜，因而切屑很容易在瞬间被切离工件，大大减少切削力和产生积屑瘤，而且工件基本可以保持常温。既可以提 高生产率，又改善了表面质量。

3 .PCD镗刀加工SAE327的切削性能我们使用PCD刀具对SAE327进行高速干镗孔，经过反复切削试验对其工艺进行摸索和总结。加工连杆孔的情况基 本如下：同一只镗刀中，硬质合金刀头用于粗加工，PCD刀片精加工，单边余量为0.05mm（见图1）。连杆组件大孔中间两边有0.5mm的缝隙（见图 2），孔表面中间有f5mm 油孔，由于加工表面非连续，应属于断续切削。无切削液的干切，有压缩空气喷射清除切屑。切削速度的影响

切削试验表明，PCD切削速度与SAE327孔表面粗糙度关系很大。在实际生产中，为保证较低的表面粗糙度，可以采用较高的切削速度。但切削速度达到一定 程度之后，由于高速条件下系统刚性和平衡性问题，表面粗糙度不但无法再继续下降，反而略有升高，而且机床功率要增加很多。所以一般情况下经济切削速度维持 在140～180m/min 之间即可，追求过高的切削速度是没有必要的。进给速度的影响试验表明，PCD进给速度与SAE327孔表面粗糙度之间有一定的关系。为综合保证较低的表面 粗糙度和较高的生产率，选择合适的进给速度是重要的，应避开粗糙度为最高点时的进给速度。合适的进给速度也与PCD 的刀具角度和刀尖型式有关。

刀具几何型式的影响针对PCD的脆性缺点，而且我们加工剖分式连杆，孔中间有一定的缝隙，因此刀刃的几何参数应该尽量考虑减小崩刃的可能。一般刀尖顶刃形 式分为小圆弧、大圆弧、直线形、多边形折线。切削实际表明：顶刃小圆弧的挤光作用对表面粗糙度的下降是有益的。虽然此时PCD刀尖不锋利，但切削效果却比 锋利时还要好些。此时粗糙度由原来的Ra0.3～0.33祄降低到Ra0.15～0.18祄，这对提高连杆与曲轴之间的表面接触率，减少摩擦是有利的。精 切SAE327时，可选择PCD镗刀的前角g00°，后角a010°～15°，主偏角kr=50°～70°，刃倾角ls=0°。安装时镗刀头安装孔对镗刀 杆中心可以有偏心以保证实际切削的前角更大些。刀具与机床系统PCD高速切削系统是一个复杂的综合系统，除了PCD刀具自身外，仍需要注意切削系统的其它 部分。

机床主轴与刀具的接口是非常关键的环节，它直接影响加工精度的稳定性。我们将连杆镗床镗刀柄与机床主轴的接口采用HSK32C。其主要优点是：采用锥面与 端面过定位的结合形式，能有效地提高结合刚度；具有良好的高速性能；1:10锥度与7:24锥度相比较短，楔形效果好，故有较强的抗扭能力，且能抑制因振 动产生的微量位移，这一点对系统刚性非常重要。生产事实证明，使用HSK刀柄具有较高的重复安装精度，对于提高离机对刀与上机后的一致性和增加刀具与主轴 的配合刚性，其作用是关键的。同时为提高刀具系统的刚性，在满足容屑和排屑的情况下，尽量使刀杆直径与被加工孔直径接近。我们对连杆精镗床进行了主轴的改 进，配置径向和轴向液体静压轴承，刚度高，承载能力强，阻尼特性好，切削试验表明：配置静压轴承效果是很好的，提高静压压力对加工出较高的表面质量是有利 的。最终确定使用高压齿轮泵供油，压力高达4.5MPa，主轴近端径向跳动。

4 .工艺系统中需要注意的其它问题防止高速切削振动：对高速回转的镗刀进行动平衡。减少高速旋转时由于刀具不平衡量造成的离心力振动，对提高工件表面质量是 必要的，切削实际表明：经过动平衡的PCD镗刀系统与不经平衡的刀具系统相比，表面粗糙度下降Ra9,1~0,5mm，并有效减少了表面波纹度。在实际加 工中，连杆孔表面有时出现波纹。表面波纹度是介于形状误差和粗糙度之间的一种中间状态，目前还无标准明确判定。产生的主要原因是加工系统的微振动。

在高速切削中，由于系统刚性不足造成的往往是表面波纹。除刀具本身结构刚度和平衡性影响之外，其中结合面之间的接触刚度是主要原因。除了主轴HSK接口 外，试验表明：使用组合可调节式镗刀比较容易出现波纹，而使用整体式镗刀出现的此类情况较少。如要避免表面波纹，应尽量避免采用模块组合式镗刀。一般组合 镗刀虽然微调节方便，但由于制造精度限制及不能预紧，在高速加工时会发生由于结合面之间接触刚度不足造成的颤振，影响表面质量，严重时还会影响尺寸精度， 对大批量生产非常不利。整体式刀具在这点上就有其优势，一旦调整好基本可以长时间地放心使用。对于高速旋转的刀具，消除或减弱产生自激振动的因素是非常重 要的。在实际生产中比较简单有效的方法是适当减小后角a0，在后刀面上磨出消振棱增加切削阻尼，镗孔时使刀尖低于工件轴线获得小后角。顶刃磨出小圆弧也提 高了切削系统的阻尼特性。

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发动机活塞销孔精镗加工用PCD镗刀和精密微调镗杆www.tool-tool.com

1.引言
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轉述：

单晶金刚石具有摩擦系数低、导热 系数高以及硬度高等特性，用单晶金刚石制作的刀具可以磨出锋利的切削刃刃口，大大减小切削力，有利于提高切削加工的精度，同时也降低了对精密加工机床刚性 的要求，因此在精密加工领域尤其在有色金属及其合金材料的切削领域，单晶金刚石刀具得到越来越广泛的应用。

某公司生产的一种轿车发动机活 塞，其材料为铸铝合金ZL109，活塞销孔内径尺寸公差0.009mm，圆柱度0.0015mm，表面粗糙度 Ra≤0.32μm。为了满足零件较高的加工尺寸精度、形状精度和表面粗糙度精度要求，选用单晶金刚石刀具进行该活塞销孔的加工。但在销孔镗削加工中发现 存在以下问题：尺寸微细调整困难，用传统调整方法不仅耗时多，而且调整的尺寸不够精确；部分刀具有开焊、掉头现象。此外，单晶金刚石刀具价格昂贵，加工成 本高。

为了解决上述问题，笔者介绍一种发动机活塞销孔精镗加工用聚晶金刚石镗刀和一种可精密微调刀具尺寸的镗杆。

2.聚晶金刚石镗刀

发动机活塞销孔的精镗刀采用一只镗杆上安装两把刀具的形式。第一把刀为普通硬质合金镗刀，用于镗削本工序90%的销孔加工余量，并使所留的余量均匀；第二把刀为聚晶金刚石镗刀，镗削本工序剩余的约10%的加工余量。在镗削过程中两把刀具不允许同时参与切削。

聚晶金刚石镗刀刀尖结构参数的选择:

①刀具前角γo=2.5°。由于金刚石是一种脆性材料，抗冲击能力差，前角过大时容易崩刃；但是在铸铝合金的切削过程中，刀具前刀面容易粘屑，采用负前角，会使切屑流向工件，挤入工件与刀具之间。经过多次设计、试验，选择前角2.5°为宜。

② 刀具后角αo采用复后角，分别为8°、15°，刀具刃带宽0.2mm。在前角确定的情况下，较小的第一后角可以使楔角βo增大，刀具强度提高；第二后角加 大有利于减小后刀面与销孔内圆表面之间的摩擦和干涉。同时，在后刀面的刃口处刃磨出一条0.2mm宽的刃带，在30倍放大镜下观察，无缺口、裂纹现象，使 得呈锯齿状、不够整齐光滑的刃口变得光滑。在切削时，刃带使刀具和工件之间形成一个接触面。通过这个接触面，利用金刚石较高的硬度，对工件的加工表面形成 挤压状态，从而改善了加工表面的粗糙度。

③主偏角κγ、副偏角κγ′对称分布，刀尖圆弧R=0.7～1.0mm。由于聚晶金刚石镗刀仅承 担0.04～0.05mm（单面）的切削深度，刀具的主副切削刃的切削部分实际上是由刀尖圆弧承担（同时具有修光作用）。如果刀尖圆弧半径过大，切削过程 中进给方向切削阻力较大，将造成加工后销孔的圆柱度、表面粗糙度超差；如果刀尖圆弧半径太小，加工表面粗糙度高且刀尖易崩刃。

④刀体槽有 5°的楔角。由于聚晶金刚石刀片与刀体为焊接连接，而部分发动机活塞销座上开有润滑油孔，油孔附近的销孔表面的镗削加工属于间断切削，加工时产生的冲击极 容易使镗刀产生掉头现象。在刀槽后部加工出一向内的楔角，可以抵抗主切削力的作用，缓解对刀片与刀体焊接强度的要求，延长刀具使用寿命。

鉴 于聚晶金刚石刀片之间性能上存在的差异，在选择刀片时应注意金刚石层与硬质合金衬底不得分层，PCD的表面没有微小孔洞和黑点。由于PCD刀片硬度很高， 其刃磨比较困难。刃磨刀具时，应重点控制刀尖圆弧、刃带的尺寸以及各刀面的粗糙度（刀具前、后刀面粗糙度Ra≤0.1μm）。

3.精密微调镗杆

精 密镗削发动机活塞销孔使用的精密微调镗杆左端与机床联接，镗杆右端分布有：涨开用螺钉孔、收紧用螺钉孔、粗调顶丝螺孔、硬质合金刀孔、聚晶金刚石刀孔、压 刀螺丝孔以及一条微调刀槽。微调镗杆主要通过镗杆产生微量弹性变形实现对刀具尺寸的精确调整。在垂直于镗刀轴线的镗杆中心截面上用电火花线切割的方法加工 出一条0.2mm宽的微调刀槽。调整时，若顶紧涨开用螺钉孔中的顶丝，镗杆槽侧实体产生弹性变形，刀具随同向外，尺寸增大；若拉紧收紧用螺钉孔中螺钉，镗 杆变形，刀具向内，尺寸减小。由于刀具尺寸的变化量极小（仅仅是镗杆的微米级弹性变形量），因此既能满足工件尺寸公差带（0.009mm宽）的要求，又使 调刀方便。微调刀槽与切削力方向平行，不影响该方向上镗杆的抗弯模量，刀槽两端2mm的孔为线切割加工的工艺孔，同时具有减小应力集中的作用。
由于销孔镗削速度很高,为满足零件的加工要求，制造镗杆时应注意以下几点：①刀杆材料选择耐磨性好、硬度较高的合金钢（如40Cr或65Mn），以延长刀 杆的使用寿命；②镗杆杆部与定位部分的同轴度小于0.01mm，镗杆各部分外圆采用磨削加工，保证镗杆在高速转动中保持平衡、减少振动；③镗杆通过热处理 提高刚度，以减少镗杆的受力变形和振动；④刀孔中心线垂直相交于镗杆轴线，保证刀具的工作角度不受刀孔位置的影响。

4.镗刀与镗杆的装配

销 孔的镗削过程中很容易引起自激振动，进而影响到加工表面的粗糙度。经切削试验发现镗杆和镗刀在装配后应满足：过刀尖的基面应通过镗杆轴线或高于镗杆轴线不 超过0～0.1mm，可保证镗削后销孔的尺寸精度和表面粗糙度。如果刀尖低于镗杆轴线，加工过程中会引起镗杆的颤振，造成活塞销孔圆柱度、表面粗糙度超差 或者刀尖崩刃。

5.镗刀寿命试验

切削试验条件：①机床：发动机活塞销孔专用镗床；②刀具：本文介绍的精密微调镗杆上同时安装硬质合金镗刀和聚晶金刚石镗刀；③切削参数：n=3000r/min，f=3mm/s，αp1=0.92mm，αp2=0.08mm；④切削液：乳化液。

经对发动机活塞销孔较长时间的镗削加工试验验证，加工后的销孔圆柱度小于0.0015mm，表面粗糙度Ra小于0.32μm，刀具很容易控制0.001mm的调整量、调整简单，刀具平均寿命达到13000只/把。

6.结语

镗 削试验证明，聚晶金刚石镗刀具有合理的参数和结构以及良好的经济性，特别适用于有色金属的加工；微调镗杆依靠镗杆微量弹性变形调整刀具的尺寸，结构简单， 调整精密、方便。利用聚晶金刚石镗刀和精密微调镗杆能够经济、合理地满足发动机活塞销孔高精度和低表面粗糙度的要求，刀具使用寿命长。

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