河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院 馬利杰

北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院 王西彬

切削加工是指利用刀具切除毛坯上多余的材料，以獲得加工精度和表面質(zhì)量都符合要求的機(jī)械零件的工藝方法[1]。自世界上第一臺(tái)切削機(jī)床發(fā)明以來，切削加工發(fā)展至今已有240多年的歷史，已成為機(jī)械制造業(yè)中最基本的工藝方法[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前機(jī)械加工總量中約70%以上是由切削加工完成的，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的地位[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械裝備的精度要求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代也越來越快。此外，環(huán)境惡化和能源枯竭都要求傳統(tǒng)制造技術(shù)做出相應(yīng)的改進(jìn)和提高。為了適應(yīng)制造技術(shù)的總體發(fā)展要求，傳統(tǒng)切削加工也在不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，呈現(xiàn)出精密化、高效化、綠色化的發(fā)展趨勢(shì)，產(chǎn)生了諸如金剛石超精密切削、微細(xì)切削、振動(dòng)切削、塑性切削等精密加工工藝，高速切削、強(qiáng)力切削等高效加工工藝，以及低溫冷風(fēng)切削、MQL潤(rùn)滑切削、干切削等綠色加工工藝。

在對(duì)精密切削的一般機(jī)理和關(guān)鍵制約因素簡(jiǎn)要論述的基礎(chǔ)上，本文主要對(duì)金剛石超精密切削、微細(xì)切削、振動(dòng)切削、塑性切削4種典型的精密切削工藝的內(nèi)涵、特點(diǎn)、應(yīng)用及其發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和概括。

精密切削及其關(guān)鍵制約因素

1 精密切削及其加工機(jī)理

1.1 精密和超精密切削的內(nèi)涵

精密加工主要是根據(jù)加工精度和表面粗糙度兩項(xiàng)指標(biāo)來劃分的。通常將加工精度在0.1～1μm、表面粗糙度Ra在0.01～0.1μm之間的切削方法稱為精密切削，而把加工精度高于0.1μm、加工表面粗糙度Ra小于0.025μm的切削方法稱為超精密切削[4]。

精密切削的關(guān)鍵是能夠在被加工表面進(jìn)行微量去除，即采用精密機(jī)床和精密刀具通過微量的切削深度和進(jìn)給量在工件上切除極小的余量，以達(dá)到所需的加工精度和表面粗糙度要求。故精密和超精密切削的加工原理是微量切削，又稱為“極薄切削”[5]。

1.2 精密和超精密切削的加工機(jī)理

常規(guī)尺度切削時(shí)，由于切削深度和進(jìn)給量較大，切削刀具刃口半徑ρ與切削厚度hD相差很遠(yuǎn)，常忽略刃口半徑ρ的影響。而在精密和超精密切削條件下，受加工尺度和刃口半徑的共同影響，將發(fā)生一系列特有的加工現(xiàn)象和機(jī)理，這就是所謂的刃口半徑效應(yīng)。刃口半徑效應(yīng)是精密切削特有的切削特征，將導(dǎo)致實(shí)際負(fù)前角、臨界切削厚度等特殊現(xiàn)象。

圖1為精密切削的圓弧刃切削模型，由于切削厚度hD與刃口半徑ρ相當(dāng)，切削區(qū)刃口各點(diǎn)的實(shí)際前角各不相同，總體上表現(xiàn)為較大的負(fù)值，相比較刀具名義切削前角γo，刀刃幾何形狀產(chǎn)生的實(shí)際負(fù)前角γe對(duì)精密切削的影響較大[6]。由于實(shí)際負(fù)前角的影響，被加工材料的剪切滑移不是發(fā)生在刀具與工件接觸區(qū)的最低點(diǎn)O，而是發(fā)生在臨界點(diǎn)A處，即剪切平面上剪切應(yīng)力最大的位置。因此，把與A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的有效切削厚度稱為臨界切削厚度hDmin[7]。精密和超精密切削時(shí)，臨界切削厚度hDmin是刀具所能實(shí)現(xiàn)的極限切削厚度，它的大小與刀工摩擦系數(shù)μtw和刀具刃口半徑ρ直接相關(guān)。

圖1 精密切削的圓弧刃切削模型

精密和超精密切削時(shí)，單位體積切削能量的W（J/cm3）的大小與加工單位的大小、材料缺陷分布的大小有關(guān)。由于材料內(nèi)部存在晶界空隙、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)缺陷、微裂紋等不同層級(jí)的缺陷，當(dāng)應(yīng)力作用的區(qū)域不同時(shí)，材料切除的破壞方式不同，則加工單位體積材料所消耗的切削能量W也就不同[8]。

2 實(shí)現(xiàn)精密切削的關(guān)鍵制約因素

2.1 精密和超精密切削機(jī)床

機(jī)床性能是工件加工精度和表面質(zhì)量的決定性因素，在切削過程中，機(jī)床的主軸回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度、定位精度、剛度及其穩(wěn)定性都要在已加工表面上得到復(fù)映。根據(jù)機(jī)械加工的一般規(guī)律：工作母機(jī)的精度通常要比被加工零件的精度高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，精密和超精密機(jī)床的主軸回轉(zhuǎn)精度通常都在1μm之內(nèi)，有的甚至小于0.05μm；導(dǎo)軌直線度一般小于10μm/100mm；定位精度小于0.1μm，有的超精密車床可達(dá)0.01μm；目前超精密機(jī)床的剛度一般為108～109N/m，工作運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，無振動(dòng)。此外，大多精密和超精密機(jī)床都具有能夠進(jìn)行微量切削且具有在線誤差補(bǔ)償?shù)奈⒘窟M(jìn)給系統(tǒng)。表1為美國(guó)Moore公司的M-18G金剛石精密切削車床的主要性能指標(biāo)[9]。

表1 M-18G金剛石精密切削車床的主要性能指標(biāo)

2.2 精密切削刀具

切削加工是利用刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過刀具對(duì)工件材料的擠壓、變形、剪切、撕裂等一系列作用去除多余材料的工藝方法[10]，因此精密切削刀具的幾何精度、表面質(zhì)量和物理力學(xué)性能對(duì)被加工零件的精度和質(zhì)量都有直接而顯著的影響。

除具備普通刀具的所有性能要求之外，精密切削刀具必須滿足以下幾個(gè)特性：

（1）刀具刃口必須非常鋒利。刀具的刃口半徑ρ大小直接決定了臨界切削厚度hDmin的大小，從而最終影響到加工精度和表面質(zhì)量。刃口半徑越小，刀具對(duì)切削層的擠壓作用就越小，彈性恢復(fù)就越小，加工表面的變質(zhì)層就越小。普通刀具刃口半徑ρ一般為5～50μm，而精密切削刀具的刃口半徑ρ通常都在亞微米級(jí)，甚至納米級(jí)。當(dāng)前，用來精密切削的刀具材料主要有：金剛石、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和高性能高速鋼。

（2）刀面和刃口的表面粗糙度必須非常低。切削加工時(shí)，刀面及刃口的輪廓和粗糙度在被切削表面都能得到復(fù)映，所以精密切削刀具的刀面和切削刃的表面粗糙度Ra都要求在0.01～0.005μm之間，約為普通刀具的5%～10%。

（3）刀具材料與被切削材料的親和作用要小。刀具材料和工件材料的親和作用將導(dǎo)致切削力、熱、摩擦作用加劇，刀屑之間的粘結(jié)作用增強(qiáng)，從而破壞了刀面和刀刃的原始性狀，最終導(dǎo)致刀具磨損加劇，加工表面質(zhì)量下降。

2.3 工作環(huán)境

精密和超精密切削要求具有穩(wěn)定的工作環(huán)境，尤其是超精密切削加工，必須處于穩(wěn)定（防振隔振）、恒溫、超凈的工作環(huán)境中。

防振隔振是精密及超精密機(jī)床非常重要的問題。超精密機(jī)床多安放在帶防振溝和隔振器的防振地基上隔離外界振源，還可使用空氣彈簧（墊）對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行隔離[11]。此外，電動(dòng)機(jī)和主軸的回轉(zhuǎn)頻率也應(yīng)遠(yuǎn)離共振區(qū)。例如，美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室LODTM大型立式金剛石車床被公認(rèn)為目前世界上精度最高的超精密車床，采用空氣彈簧等防振隔振措施后，其軸承部件的相對(duì)振動(dòng)振幅為2nm，并可防止1.5～2Hz的外界振動(dòng)傳入。

熱變形是精密和超精密切削中誤差的主要來源之一，若要保證0.01～0.1μm的加工精度，環(huán)境溫度應(yīng)分別控制在±0.01℃和±0.1℃的范圍內(nèi)[12]。所以，精密和超精密機(jī)床的恒溫控制是研究的重點(diǎn)，如機(jī)床導(dǎo)軌可采用膨脹系數(shù)小的人造花崗巖；采用恒溫油（水）澆淋機(jī)床內(nèi)部各發(fā)熱部件，造成局部小環(huán)境的高度恒溫等。

隨著精密和超精密切削的飛速發(fā)展，對(duì)空氣潔凈度也提出了更加苛刻的要求，被控制的微粒直徑從0.5μm減小到0.3μm，有的甚至減小到0.1μm或0.01μm，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無菌手術(shù)室的空氣潔凈度要求。

金剛石超精密切削

1 金剛石超精密切削的內(nèi)涵及特點(diǎn)

金剛石超精密切削是指在超精密數(shù)控機(jī)床上，采用具有納米級(jí)鋒利度的金剛石刀具，在對(duì)機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點(diǎn)切削出符合質(zhì)量要求的精密零件的加工方法[13]。金剛石超精密切削是超精密加工技術(shù)的重要分支，也是超精密加工技術(shù)中發(fā)展最早的、應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。目前，主要包括金剛石超精密車削和金剛石超精密飛切兩種工藝。

金剛石超精密切削通常以切除金屬層的厚度為其加工水平的標(biāo)志之一。目前，最小切削厚度可達(dá)亞微米級(jí)，甚至幾十納米，此時(shí)切削厚度可能已經(jīng)小于晶粒的大小，切削過程在晶粒內(nèi)部進(jìn)行，因此切削力一定要超過晶體內(nèi)部的原子、分子結(jié)合力，刀刃上所承受的剪應(yīng)力急速增加并變的非常大，甚至接近于材料剪切強(qiáng)度極限。

2 金剛石刀具

金剛石是實(shí)現(xiàn)金剛石超精密切削的必須刀具材料，它是單一碳原子的結(jié)晶體，晶體結(jié)構(gòu)屬原子密度最高的等軸面心立方晶系。金剛石晶體中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價(jià)鍵，具有較強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。金剛石獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能（如表2所示），非常適合于超精密加工，尤其是天然單晶金剛石被公認(rèn)為理想的、不能代替的超精密切削刀具材料。但金剛石的耐熱溫度為700～800℃，高于這個(gè)溫度就會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象，刀具將很快磨損。

表2 金剛石和硬質(zhì)合金物理力學(xué)性能對(duì)比

金剛石材料硬脆，為保證刀刃強(qiáng)度，前角和后角都取值較小，前角γo一般取0°，可根據(jù)被切材料選定，后角αo取5°～10°，主偏角取30°～90°，通常多取45°。金剛石刀具的刃口半徑ρ一般為0.2～0.4μm，前后刀面的表面粗糙度通常應(yīng)研磨到0.008～0.012μm。金剛石刀具的切削刃形狀有直線形和圓弧形兩種，目前國(guó)內(nèi)所用高精度圓弧金鋼石刀具還主要依賴進(jìn)口[4]。當(dāng)前，金剛石刀具刃口半徑ρ一直在向更小的方向發(fā)展，據(jù)日本大阪大學(xué)井川直哉教授介紹，最小可達(dá)2～4nm（通過切削獲得厚度為1nm的切屑推算），這是當(dāng)前的最高水平[14]。

3 金剛石超精密切削的應(yīng)用及發(fā)展

目前，在科研和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到一些納米級(jí)的幾何形狀精度和表面質(zhì)量要求，如精密軸、孔的圓度和圓柱度，精密球體（如陀螺球、計(jì)量用標(biāo)準(zhǔn)球）的球度，制造集成電路用單晶硅基片的平面度，激光透鏡和反射鏡的平面度等，依靠傳統(tǒng)加工方法難以達(dá)到此類納米加工要求，而采用金剛石超精密切削可以滿足這種要求。當(dāng)前，金剛石超精密切削主要用來加工有色金屬、樹脂、塑料、結(jié)晶體、陶瓷、復(fù)合材料等。由于金剛石材料的化學(xué)成分是碳，與鐵系材料有親和力，在加工中會(huì)發(fā)生化學(xué)磨損，所以不能用于加工黑色金屬[15]。

當(dāng)前，金剛石超精密切削的技術(shù)難題主要有：（1）新型金剛石刀具的定向；（2）刀面及刀刃的研磨拋光；（3）刃口鈍圓半徑的精密測(cè)定；（4）脆性材料及難加工材料的金剛石超精密切削。金剛石超精密切削的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在：（1）向更高精度、高效率發(fā)展；（2）采用計(jì)算機(jī)技術(shù)補(bǔ)償加工精度；（3）加工、計(jì)量一體化；（4）發(fā)展模塊化的超精密機(jī)床。

振動(dòng)切削

振動(dòng)切削是20世紀(jì)50年代日本宇都宮大學(xué)隈部淳一郎教授提出的一種精密切削技術(shù)，其通過給刀具（或工件）施加以適當(dāng)方向、一定頻率fz和振幅A的單一或復(fù)合振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)改變傳統(tǒng)切削機(jī)理、提高切削工藝效果的目的[16-17]。

按照振動(dòng)頻率的不同，振動(dòng)切削可以分為：低頻振動(dòng)切削、中高頻振動(dòng)切削和超聲振動(dòng)切削。由于外界振動(dòng)的疊加，使傳統(tǒng)切削技術(shù)具有了脈沖切削、變速切削、變角切削、分離沖擊等獨(dú)特性能，從而使刀屑摩擦減小、切削液作用效果提高、加工穩(wěn)定性提高、材料加工性能得到改善，最終實(shí)現(xiàn)了降低切削力和切削熱、減小切削振動(dòng)、提高加工質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命的目的。因此，振動(dòng)切削技術(shù)在難加工材料的加工方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

近40年來，振動(dòng)切削技術(shù)的研究和應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家日本、德國(guó)、美國(guó)等都很重視其研究開發(fā)，已取得不少實(shí)用化的成果，如德國(guó)研制的ULTRASONIC 20linear DMG小型超聲切削加工中心。振動(dòng)切削技術(shù)的未來發(fā)展將主要集中在：（1）玻璃、陶瓷等難加工材料振動(dòng)切削機(jī)理與應(yīng)用基礎(chǔ)研究；（2）振動(dòng)切削技術(shù)的工藝拓展；（3）更多商品化振動(dòng)切削機(jī)床的研制與推廣。

塑性切削

塑性切削，又稱為延性域切削，主要是針對(duì)脆性材料而言，其命名源自該種工藝的切屑形成機(jī)理，即切削脆性材料時(shí)，切屑形成與塑性材料相似，切屑通過剪切的形式被刀具從基體上切除下來。因此，切削后的表面沒有形成微裂紋，也沒有脆性剝落時(shí)的無規(guī)則的凹凸不平，呈現(xiàn)出有規(guī)則的紋理。

塑性切削的機(jī)理至今尚不十分清楚，但部分研究表明[18-20]：在特定條件下，當(dāng)?shù)毒叩娜锌诎霃溅涯サ梅浅Ｐ。ㄟ_(dá)到納米級(jí)），且臨界切削深度hDmin小于刀具的刃口半徑ρ時(shí)，垂直于加工表面的法向分力非常大，即可實(shí)現(xiàn)塑性切削。由于被加工材料強(qiáng)度越大，實(shí)現(xiàn)塑性切削所需的刃口半徑ρ越小，故塑性切削又被稱為納米塑性切削。

當(dāng)前，納米塑性切削技術(shù)的發(fā)展還很不成熟，距離工業(yè)應(yīng)用尚有一定的距離。該技術(shù)的未來發(fā)展將主要集中在：（1）納米塑性切削機(jī)理的研究；（2）適合于納米塑性切削的刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)的開發(fā)；（3）適用的納米塑性切削工藝的開發(fā)。

微細(xì)切削

1 微細(xì)切削的內(nèi)涵

微細(xì)切削（Micro-cutting）[8,21-22]是指對(duì)毫米級(jí)總體尺度的零件進(jìn)行微米級(jí)切削層去除的切削加工，通常通過線度尺寸微小的實(shí)體刀具對(duì)微細(xì)切削層的擠壓、摩擦、剪切、撕裂作用實(shí)現(xiàn)材料的微量去除。微細(xì)切削不是常規(guī)切削尺度上的簡(jiǎn)單縮小，從原理上講它屬于介觀尺度加工的范疇，因而具有諸多常規(guī)切削所不具有的現(xiàn)象和本質(zhì)[23]。

微細(xì)切削是為了適應(yīng)產(chǎn)品小型化的全球商品市場(chǎng)發(fā)展的重要趨勢(shì)而發(fā)展起來的先進(jìn)切削技術(shù)。與硅基MEMS、高能束加工、LIGA等微細(xì)加工技術(shù)相比，微細(xì)切削在三維加工能力、加工柔性、加工效率和加工成本等方面具有一定的綜合優(yōu)勢(shì)，近年來得到了迅猛發(fā)展。圖2為微細(xì)切削的典型形面。

圖2 微細(xì)切削的典型形面

2 微細(xì)切削的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 微細(xì)切削機(jī)床

微細(xì)切削機(jī)床是實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工的關(guān)鍵。為了適應(yīng)微小型零件的加工需要，同時(shí)也為了降低能耗、減小浪費(fèi)，除具有精密與超精密機(jī)床的共有特性之外，微細(xì)切削機(jī)床目前正朝著微型化和多功能化的方向發(fā)展。

自20世紀(jì)90年代，日本、美國(guó)、中國(guó)等相繼開展了微小型機(jī)床的研究與開發(fā)工作。1996年日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)研究院機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室（MEL）開發(fā)了世界上第一臺(tái)微型車床，該機(jī)床體積32×25×30.5mm3，重量約100g，主軸電機(jī)額定功率1.5W，轉(zhuǎn)速10000r/min；切削黃銅獲得表面粗糙度1.5μm，圓度2.5μm，加工出的最小外圓直徑為60μm，切削試驗(yàn)中的功率消耗僅為普通機(jī)床的0.2%。1999年日本機(jī)械技術(shù)研究所研制了世界上第一臺(tái)桌面微型工廠，該微型工廠由微型車床、銑床、搬運(yùn)機(jī)械手和2個(gè)裝配機(jī)械手組成[8]。另外，為了滿足不同結(jié)構(gòu)零件的加工需求，微細(xì)切削機(jī)床必須具備高精度、多軸化、自動(dòng)換刀、自動(dòng)上下料等多功能化特性。

2.2 微細(xì)切削刀具

微細(xì)切削過程是微細(xì)切削刀具以“刀尖區(qū)”和“刃口區(qū)”的極端非自由切削方式進(jìn)行的，切削過程復(fù)雜，刀具變形、摩擦磨損以及應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)均發(fā)生在一個(gè)極小尺度范圍內(nèi)。另一方面，由于高轉(zhuǎn)速（高達(dá)幾萬轉(zhuǎn)乃至十幾萬轉(zhuǎn)）的影響，微細(xì)切削刀具必須具有高剛度、高承載能力、高穩(wěn)定性等基本特征。為此，微細(xì)切削刀具，尤其是微徑鉆頭和銑刀，無論從材料構(gòu)成、幾何結(jié)構(gòu)，還是從制造工藝、涂層制備等方面都要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化提高。圖3為美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制作的幾種異型微細(xì)切削刀具。

3 微細(xì)切削技術(shù)的未來研究和發(fā)展方向

微細(xì)切削技術(shù)的未來研究和發(fā)展將主要集中在以下4個(gè)方面：（1）商品化的高精密微小型機(jī)床的研制與開發(fā)；（2）微細(xì)切削過程監(jiān)控，特別是微細(xì)切削刀具的失效監(jiān)控和微小型零件加工質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控；（3）微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究；（4）難加工材料微細(xì)切削機(jī)理及應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

結(jié)束語

精密切削在制造技術(shù)中占有十分重要地位，是一個(gè)國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志，是先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵與基礎(chǔ)。作為一個(gè)制造大國(guó)，我國(guó)在精密和超精密機(jī)床、精密切削刀具、超精密檢測(cè)等精密切削的關(guān)鍵技術(shù)方面與德國(guó)、日本、美國(guó)等制造強(qiáng)國(guó)相比仍有很大的差距。隨著機(jī)床和刀具技術(shù)的發(fā)展，精密切削技術(shù)將朝著更高精度（分子去除、原子去除、量子技術(shù)等）等方面發(fā)展。因此，要達(dá)到甚至超過國(guó)外精密切削技術(shù)水平，我們?nèi)杂泻荛L(zhǎng)的路要走，至少還需要20～30年的努力。

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