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低投资将硬度高达50HRC~68HRC的钢件快速加工到5微米尺寸公差的想法并非高不可攀
　　与传统观念不同，利用正确的机床和正确的刀具，将淬硬的工件加工到0.005μm并不困难。目前，刀具供应商已开发出能够承受这种加工条件的刀具，机床制造者也已生产出能满足这些新型刀具所需刚度的CNC车床。因此，硬质材料车削就可以从以下诸方面来促进生产：
　　节约时间 对淬硬材料进行车削比磨削至最终尺寸所需工时要少，这是因为车削的金属切除速经高于磨削，而且，一次装夹中可进行多道工序的加工。操作者只需一次装卸，就能完成全部加工，从而实现了及时（just in time）生产。
　　降低成本 节约时间就是节约金钱。再说，使用车床来代替磨床，意味着机床的投资费用有较大的下降。
　 　质量较好 淬硬材料的车削在保证尺寸精度和表面粗糙度方面，比磨削要好得多。您可以将大多数硬质材料车削时的总公差带控制在0.005mm以内，表面粗糙度控制在 Ra0.4μm以内。当然，这样精密的表面粗糙度需要特殊的措施，但要取得Ra0.4μm~0.8μm则是轻而易举的。
　　工序较少 淬火硬材料车削可免去许多形式的磨削工序，以及抛光和其他精加工工序。尤其是对复杂型面的加工，车削可以连续走轨迹，不仅省下加工费用，更有意义的是，可以把许多外协加工的活拿回来自己做。
　　浪费较小 淬硬材料车削的废品极少。因为使用的冷却液与正常车削的相同，不必另选冷却液而造成不必要的浪费。更有甚者，可以选择在不加冷却液状态下进行干车削。使您避免了冷却液和废品工件的浪费。淬硬材料车削 还可以免除费工又费钱的废渣回收与处理问题。
　　对功率和刚度的要求
　 　为了使淬硬材料车削能获得最大效果，机床和刀具的正确结合是很重要的。例如，我们在一次粗车作业中，当利用陶瓷刀，并采用0.28mm/r的走刀量，和 1.9mm的吃刀量时，就需要使15kW电机输出65%的负载。该车床将淬火硬度62HRC、直径50mm钢件的一端车到25mm左右，同时还车削出锥 面、圆弧半径以及其他复杂形状。
　　虽然需要具备高功率进行大吃刀量切削，但很多用户发现，多数情况下并非如此。因为大多数淬硬材料的加工都是精加工。一般可以先在普通车床上粗车，留出0.25mm~0.38mm的余量，然后于热处理后再利用硬质材料车削技术完成精加工。
　 　对淬硬材料车削的另一要求是刚度：包括机床、刀具和工件。机床安装中的任何环节若缺乏刚度，就会引起震颤。为了能够获得能与磨削相比的精度和尺寸公差， 机床从床身起就必须具备特别高的刚度。传统的铸铁床身与花岗岩聚合物相比，是不适合进行硬材料车削的。聚合物床身的抗振动能力比铸铁高20倍，使主轴上的 振动只有装在铸铁床身上主轴的三分之一以下。
　　尽量减小悬伸量是减小振动的另一武器。从理论上讲，工件夹持装置应该使所夹工件尽可能靠近主轴前轴承，刀具则应尽可能靠近刀塔本体，而不出现悬臂状态。为此，主轴内能够直接装夹弹簧夹头的车床。夹头座使工件远离主轴前轴承，不但夹持力小，尤其会增加振动的机会。
　　新品种刀具
　　用陶瓷刀和立方氮化硼（CBN）刀具加工淬硬材料都很好。这些刀具在短短的时间里得到了飞速发展，有些刀具制造商声称：只要机床使用正确，他们的刀具比磨削可以缩短时间300%，并能提高切削精度。
　　这些供应商推荐的陶瓷刀具有负前角和较大的T-倒棱，该倒棱只在刀具-工件介面上增加压力。与此相反，CBN按照工件的具体情况，可以有也可以没有这种不利的T-倒棱。例如，用CBN进行断续切削时，就需要较大的T-倒棱来承受振动。
　　陶瓷刀具的使用会比CBN越来越普遍，这只由于它的成本较低，也因为它们的切削刃较多的缘故。然而，它们极易受热胀裂，此外，如果刀刃修磨不当时，不宜进行断续切削。CBN虽然比陶瓷贵得多，但它的切削性能好得多，加工光洁度高，使用寿命也长些。
　 　在些两种刀具材料之间进行选择，乃是如何使工件材质、几何形状以及切削速度和进给量与其相适应的工作。有些用户通常并不拘泥于逐条地比较，而是以各种刀 具对同样的作业所构成的成本，以及能产生多大效益为选择原则。这些用户用价格较低的陶瓷刀粗车热处理经常残留的锈皮和铁鳞等，然后，用更好些的CBN刀具 进行精加工。一般而言，如果硬化深度大于欲车去的材料深度，最好选用CBN。
　　选择正确的作业方法
　　从实用的立场考虑，淬硬材料车削 是一个与工件特性密切相关的过程。它特别适合切削具有错综圆弧、角度、以及半径等几何形状十分复杂的工件。您可以采用单刀尖编程车削的方法，快速又经济地 完成作业，而不必为磨床去购买成形砂轮了。根据经验，大多数硬质材料车削是以91-150m/min的切削速度和0.05-0.13mm/r的进给速度进 行的。精切吃刀深度一般为0.08-0.5mm。
　　因此，如何控制好材质的纯度，以及车削以前的热处理、粗车和成形工序，便成为本作业所能达到 的精度大小的决定因素了。如果工件硬度波动只有三个洛氏硬度值（举例说），刀具的切削压力就会变化到足以使您保证不了0.005mm的尺寸精度。不稳定的 硬度和不均匀的吃刀深度，都会损坏这种加工。因此，应该使用合格的材料，保持恒定的切削力，并保证热处理硬度在±1HRC~2HRC以内。
　　工 件的长径比也会影响机床保持公差精度的能力。典型的固定床头式车床一般不用尾座，对长径比为5：1至6：1的软质工件加工时，能达到相当严格的精度。由于 工件的硬度、刀具的负前角和切削硬质材料所必需的T-倒棱，使得刀具压力相当大，因而，当工件无尾座支承时，必须将工件的长径比限制在3：1至4：1。当 然，此限制要随作业的不同而变??也就是说，随工件的材质、硬度以及对光洁度和精度要求而主。
　　尾座能起一定作用，但它并非解决所有问题的灵丹 妙药。例如，顶尖不以防止直径25mm、长300mm的工件的震颤。对这种工件，您只能采用磨削的办法。要保证比0.005mm更严格的公差精度，采用磨 削工艺也比较好。虽然说淬硬材料车削不能完全取代磨削，但它可以取代相当大一部分，尤其是工件的长径比较小、形状较复杂时，硬车削不愧为是以车代磨的一种 好工艺。
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1 引言
刀具涂层将刀具基体和涂层材料的优良性能相结合，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的切削性能大大提高。
自硬质涂层刀具问世以来，化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术相继得到发展，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。西方 国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1978年的26% ，增加到1985年的50%～60%。新型数控机床所用切削刀具中有80%左右使用涂层刀具，瑞典山特维克公司和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达 80%～85%以上。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片的比例为80%。瑞典和德国车削用涂层刀片已占70%以上。在日本的硬质合金和陶瓷刀片生产总产 量中，涂层刀片所占比例超过40 %。涂层刀具将是今后机械加工领域中的重要刀具品种，也是刀具技术的一个重要发展方向。
2 涂层刀具的种类
根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD)涂层刀具。涂层硬质合金刀具一般采用CVD)法，沉积温度在1000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用PVD法，沉积温度在500 ℃左右。
根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。

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单涂层

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多涂层
(带中间过渡层)

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多涂层
(纳米结构) 1 梯度涂层

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超硬涂层

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软/硬复合涂层
图1 典型的涂层结构
根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即：“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求高的硬度和耐磨性。目前应用最多的刀具硬涂层物质 有TiC、TIN、TiC(N)、Al2O3和TiAlN等及其组合。“软”涂层刀具追求低摩擦系数，与工件材料的摩擦系数很低，可减小粘结，减轻摩擦， 降低切削力和切削温度。“软”涂层刀具物质主要有MO S2、WS2、TaS2等及其组合。涂层方式有：单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等，如图1 所示。
3 “软”涂层刀具的发展与应用

1. “软”涂层刀具的涂层材料及其作用机理
目前，“硬”涂层刀具技术已经逐渐成熟，应用最为广泛。然而，诸如航空航天工业使用的许多高强度铝合金、钦合金或贵金属材料等都不适合用“硬”涂层刀具加工，仍主要使用无涂层的高速钢或硬质合金刀具。
“软”涂层刀具的开发则可较好地解决此类材料的加工问题。刀具“软”涂层的主要成分为具有低摩擦系数的固体润滑材料，如：MoS2、WS2、BN、 CaF2和T aS2等，在特殊使用条件下具有优良的摩擦学特性，如：摩擦系数低、承载极限高、高温下化学稳定性好、物性变化小、能适应1200℃ 以上的工作温度范围和很宽的摩擦副运动速度范围，适于在高温、高速和大载荷等特殊环境条件下使用 。
涂层可在刀具表面形成固体润滑膜，从而使刀具材料具有很低的摩擦系数。由于具有层状结构的固体润滑剂与摩擦表面具有较强的粘结能力，并且各层之间有较低的 剪切强度，在切削过程中，存在于刀具表面的固体润滑膜会转移到工件材料表面，形成转移膜，使切削过程中摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，在固体润滑膜内部， 从而可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。
表1 MoS2/Ti“软”涂层刀具的适应范围 加工方式 切削条件 结果
车削 V=150～250mm/min, fz=0.125～0.315mm/r, ap=1.5～2.5mm, 断续车削 合适
V>150m/min, fz=0.125～0.315mm/r, ap=1.5～2.5mm, 连续车削 不合适
铣削 V<250m/min, fz=0.25mm/r ap=1.5mm 合适
V>250m/min, fz=0.25mm/r ap=1.5mm 不合适

1
图2 刀具可铁削的材料体积


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图3 刀具后刀面磨损量对比
2. “软”涂层刀具的应用效果
Renevier等研究表明：MoS2/Ti“软”涂层刀具不适合连续高速车削，这是由于连续高速车削产生的高温往往会导致MoS2/Ti涂层产生严重的 氧化磨损；在低速铣削时，MoS2/Ti“软”涂层刀具的寿命比未涂层刀具高1.5～2 倍。总的来说，MoS2/Ti“软”涂层刀具适合于低速断续切削，如表1 所示。图2 为MoS2/Ti“软”涂层刀具、MoS2“软”涂层刀具和非涂层刀具铣削34CrNiMo6 工件时，每个刀具可铣削的工件材料体积，其中，fz=0.1mm/r , a p=1.5mm。可见，MoS2/Ti“软”涂层刀具的寿命远高于MoS2“软”涂层刀具和非涂层刀具。
图3为WC/Co/MoS2“软”涂层刀具和WC/Co硬质合金刀具加工302不锈钢时，刀具后刀面磨损量对比，其中，V=103～180m/min, f=0.1mm/r, ap=0.25mm。可见，WC/Co硬质合金刀具切削1800m时，刀具后刀面磨损量VB达到0.32mm，而WC/Co/MoS2“软”涂层刀具切削 4000m时，刀具后刀面磨损量VB只有0.3mm。表2为一些软涂层刀具的一些使用效果。



表2 “软”涂层刀具的使用效果
刀具 试验条件 试验结果
未涂层硬质合金可转位面铣刀
MoS2“软”涂层的硬质合金可转位面铣刀 Al- Cu-Mg合金 “软”涂层铣刀的生产率可比未徐层的铣刀提高3 倍
无涂层丝锥
TiAlN涂层丝锥
MoS2“软”涂层丝锥 Al- Cu-Mg合金 无涂层丝锥能加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可加工1000个孔，而MoS2“软”涂层丝锥可加工4000个螺孔
单涂层(TiCN)硬质合金铣刀
TiCN/MoS2/Ti“软”涂层硬质合金铣刀 V=150m/min, f=0.04mm/r, ap=4mm, 工件：AlSi304不锈钢 软涂层铣刀切削力明显减小，加工表面质量显著提高
普通高速钢
TiCN/MoS2/Ti“软”涂层高速钢钻头 V=6000r/min, 工件：AlSi15硅铝合金 “软”涂层钻头钻孔938个后无任何磨损，普通高速钢钻头只能钻100个孔
未涂层高速钢钻头
TiCN/MoS2/Ti“软”涂层高速钢钻头 V=2200r/min, 工件：Ti6Al4V合金 “软”涂层钻头的钻削力比未涂层钻头减小约33% ，钻削性能显著优于未涂层钻头
未涂层Si3N4刀具
Si3N4/MoS2“软”涂层刀具
未涂层Ti(CN)刀具
Ti(CN)/MoS2“软”涂层刀具 V=103～180m/min, f=0.1mm/r, ap=0.25mm, 工件：1045碳钢 “软”徐层刀具寿命比未涂层刀具提高50%以上

4 结语
国内外“硬”涂层刀具技术日趋成熟，其应用已经非常广泛。而“软”涂层刀具技术在国外刚刚起步，而国内尚无这方面的研究报道。“软”涂层刀具的研究开发为 提高刀具性能开拓了新的途径，为新型涂层刀具的设计提供了新的思路和新的研究领域。“软”涂层刀具可应用于干切削，对阻止粘结、减小摩擦、降低磨损、提高 刀具寿命、降低加工成本等具有重大的理论和实际意义，具有广阔应用前景。
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由 于数控加工的复杂性（如不同的机床，不同的材料，不同的刀具，不同的切削方式，不同的参数设定等等），决定了从从事数控加工（无论是加工还是编程）到到达 一定水平，必须经过一段比较长的时间，此手册是本实验室的工程师在长期实际生产过程中总结出来的、有关数控加工工艺、工序、常用刀具参数的选择、加工过程 中的监控等方面的一些经验总汇，可供大家参考

　　一 .问：如何对加工工序进行划分？

　　答：数控加工工序的划分一般可按下列方法进行：

　　（1）刀具集中分序法 就是按所用刀具划分工序，用同一把刀具加工完零件上所有可以完成的部位。在用第二把刀、第三把完成它们可以完成的其它部位。这样可减少换刀次数,压缩空程时间，减少不必要的定位误差。

　　（2）以加工部位分序法 对于加工内容很多的零件，可按其结构特点将加工部分分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等。一般先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，再加工精度要求较高的部位。

　　（3）以粗、精加工分序法 对于易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能发生的变形而需要进行校形，故一般来说凡要进行粗、精加工的都要将工序分开。

综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性，机床的功能，零件数控加工内容的多少，安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。另建议采用工序集中的原则还是采用工序分散的原则，要根据实际情况来确定，但一定力求合理。

　　二． 问：加工顺序的安排应遵循什么原则？

　　答：加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位夹紧的需要来考虑，重点是工件的刚性不被破坏。顺序一般应按下列原则进行：

　　(1)上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。

　　(2)先进行内形内腔加工序，后进行外形加工工序。

　　(3)以相同定位、夹紧方式或同一把刀加工的工序最好连接进行，以减少重复定位次数，换刀次数与挪动压板次数。

　　(4)在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏小的工序。

　　三．问：工件装夹方式的确定应注意那几方面？

　　答：在确定定位基准与夹紧方案时应注意下列三点：

　　（1） 力求设计、工艺、与编程计算的基准统一。

　　（2） 尽量减少装夹次数，尽可能做到在一次定位后就能加工出全部待加工表面。

　　（3） 避免采用占机人工调整方案。

　　（4） 夹具要开畅，其定位、夹紧机构不能影响加工中的走刀（如产生碰撞），碰到此类情况时，可采用用虎钳或加底板抽螺丝的方式装夹。

　　四．问：如何确定对刀点比较合理？工件坐标系与编程坐标系有什么关系？

　 　1．对刀点可以设在被加工零件的上，但注意对刀点必须是基准位或已精加工过的部位，有时在第一道工序后对刀点被加工毁坏，会导致第二道工序和之后的对刀 点无从查找，因此在第一道工序对刀时注意要在与定位基准有相对固定尺寸关系的地方设立一个相对对刀位置，这样可以根据它们之间的相对位置关系找回原对刀 点。这个相对对对刀位置通常设在机床工作台或夹具上。其选择原则如下：

　　1） 找正容易。

　　2） 编程方便。

　　3） 对刀误差小。

　　4） 加工时检查方便、可靠。

　　2. 工件坐标系的原点位置是由操作者自己设定的，它在工件装夹完毕后，通过对刀确定，它反映的是工件与机床零点之间的距离位置关系。工件坐标系一旦固定，一般不作改变。工件坐标系与编程坐标系两者必须统一，即在加工时，工件坐标系和编程坐标系是一致的。

　　五． 问：如何选择走刀路线？

　　走刀路线是指数控加工过程中刀具相对于被加工件的运动轨迹和方向。加工路线的合理选择是非常重要的，因为它与零件的加工精度和表面质量密却相关。在确定走刀路线是主要考虑下列几点:

　　1） 保证零件的加工精度要求。

　　2） 方便数值计算，减少编程工作量。

　　3） 寻求最短加工路线，减少空刀时间以提高加工效率。

　　4） 尽量减少程序段数。

　　5） 保证工件轮廓表面加工后的粗糙度的要求，最终轮廓应安排最后一走刀连续加工出来。

　　6） 刀具的进退刀（切入与切出）路线也要认真考虑，以尽量减少在轮廓处停刀（切削力突然变化造成弹性变形）而留下刀痕，也要避免在轮廓面上垂直下刀而划伤工件。

　　六．问：如何在加工过程中监控与调整？

　　工件在找正及程序调试完成之后，就可进入自动加工阶段。在自动加工过程中，操作者要对切削的过程进行监控，防止出现非正常切削造成工件质量问题及其它事故。

　　对切削过程进行监控主要考虑以下几个方面：
　　
　 　1．加工过程监控粗加工主要考虑的是工件表面的多余余量的快速切除。在机床自动加工过程中，根据设定的切削用量，刀具按预定的切削轨迹自动切削。此时操 作者应注意通过切削负荷表观察自动加工过程中的切削负荷变化情况，根据刀具的承受力状况，调整切削用量，发挥机床的最大效率。
　　
　　 2．切削过程中切削声音的监控在自动切削过程中，一般开始切削时，刀具切削工件的声音是稳定的、连续的、轻快的，此时机床的运动是平稳的。随着切削过程的 进行，当工件上有硬质点或刀具磨损或刀具送夹等原因后，切削过程出现不稳定，不稳定的表现是切削声音发生变化，刀具与工件之间会出现相互撞击声，机床会出 现震动。此时应及时调整切削用量及切削条件，当调整效果不明显时，应暂停机床，检查刀具及工件状况。

　　3．精加工过程监控精加工，主要 是保证工件的加工尺寸和加工表面质量，切削速度较高，进给量较大。此时应着重注意积屑瘤对加工表面的影响，对于型腔加工，还应注意拐角处加工过切与让刀。 对于上述问题的解决，一是要注意调整切削液的喷淋位置，让加工表面时刻处于最佳]的冷却条件；二是要注意观察工件的已加工面质量，通过调整切削用量，尽可 能避免质量的变化。如调整仍无明显效果，则应停机检察原程序编得是否合理。

　　特别注意的是，在暂停检查或停机检查时，要注意刀具的位置。如刀具在切削过程中停机，突然的主轴停转，会使工件表面产生刀痕。一般应在刀具离开切削状态时，考虑停机。

　 　（4）刀具监控刀具的质量很大程度决定了工件的加工质量。在自动加工切削过程中，要通过声音监控、切削时间控制、切削过程中暂停检查、工件表面分析等方 法判断刀具的正常磨损状况及非正常破损状况。要根据加工要求，对刀具及时处理，防止发生由刀具未及时处理而产生的加工质量问题。

　　七．问：如何合理选择加工刀具？切削用量有几大要素？有几种材料的刀具？如何确定刀具的转速，切削速度，切削宽度？

　　1．平面铣削时应选用不重磨硬质合金端铣刀或立铣刀。一般铣削时，尽量采用二次走刀加工，第一次走刀最好用端铣刀粗铣，沿工件表面连续走刀。每次走刀宽度推荐至为刀具直径的60%--75%。

　　2． 立铣刀和镶硬质合金刀片的端铣刀主要用于加工凸台、凹槽和箱口面。

　　3． 球刀、圆刀（亦称圆鼻刀）常用于加工曲面和变斜角轮廓外形。而球刀多用于半精加工和精加工。镶硬质合金刀具的圆刀多用于开粗。

　　八、问：加工程序单有什么作用?在加工程序单中应包括什么内容？

　　（一）加工程序单是数控加工工艺设计的内容之一，也是需要操作者遵守、执行的规程，是加工程序的具体说明，目的是让操作者明确程序的内容、装夹和定位方式、各个加工程序所选用的刀具既应注意的问题等。

　　（二）在加工程序单里，应包括：绘图和编程文件名，工件名称，装夹草图，程序名，每个程序所使用的刀具、切削的最大深度，加工性质（如粗加工还是精加工），理论加工时间等。

　　九、问：数控编程前要做何准备？

　 　答：在确定加工工艺后，编程前要了解：1、工件装夹方式 ；2、工件毛胚的大小----以便确定加工的范围或是否需要多次装夹；3、工件的材料----以便选择加工所使用何种刀具；4、库存的刀具有哪些---- 避免在加工时因无此刀具要修改程序，若一定要用到此刀具，则可以提前准备。

　　十、问：在编程中安全高度的设定有什么原则？

　　答：安全高度的设定原则：一般高过岛屿的最高面。或者将编程零点设在最高面，这样也可以最大限度避免撞刀的危险。

　　十一、问：刀具路径编出来之后，为什么还要进行后处理？

　　答：因为不同的机床所能认到的地址码和NC程序格式不同，所以要针对所使用的机床选择正确的后处理格式才能保证编出来的程序可以运行。

　　十二. 问：什么是DNC通讯？

　 （一）程序输送的方式可分为CNC和DNC两种，CNC是指程序通过媒体介质（如软盘，读带机，通讯线等）输送到机床的存储器存储起来，加工时从存储器里 调出程序来进行加工。由于存储器的容量受大小的限制，所以当程序大的时候可采用DNC方式进行加工，由于DNC加工时机床直接从控制电脑读取程序（也即是 边送边做），所以不受存储器的容量受大小的限制。

　（二）切削用量有三大要素：切削深度,主轴转速和进给速度. 切削用量的选择总体原则是:
少切削,快进给(即切削深度小,进给速度快)

　 (三).按材料分类,刀具一般分为普通硬质白钢刀(材料为高速钢),涂层刀具(如镀钛等),合金刀具(如钨钢,氮化硼刀具等).
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由于高速切削通常会需要较高的转速，由此使刀具在巨大离心力作用下发生破碎、解体的可能性大大增加。

刀片飞脱的可转位铣刀机床的防弹玻璃被击碎

刀片飞脱的可转位铣刀是国内某知名厂商生产的直径100mm的面铣刀。
山东大学在使用该铣刀安装单刀片进行切削试验时，在转速增加到5000r/min时，仅有的一个刀片在离心力超过锲块摩擦力的情况下飞离了刀体，击打在机床的防护钢板上。而苏州的一个用户则比较不幸，他们的刀具破碎后碎片击中了机床的防弹玻璃，结果是玻璃被完全击碎。

那么，高速加工的刀具为什么会有如此大的破坏能力呢？我们作了如下的简要分析。如果一个直径40mm的可转位铣刀以40000r/min的转速进行加工， 其线速度为5024m/min，即83.7m/s，以刀片重量0.015kg计算，其动量为1.26 kg·m/s。这一结果与一著名的微声手枪子弹的出膛动量相当(该手枪子弹弹头重量约0.005kg，出膛初速度为230m/s，因此动量为1.20 kg·m/s)。
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摘要：金刚石铰刀具有加工精度高、表面粗糙度值小、效率高、寿命长等优点，目前已日益广泛应用于精密孔零件的加工之中。文章介绍了精密金刚石铰刀的一种新型设计与制造的方法——内包容电镀法，阐述了此种铰刀的设计与制造中一些关键技术问题。
1 前言

　 　金刚石铰刀是近20年发展起来的一种高精度内孔加工刀具。由于它的加工精度高(一般可达2µm)、表面粗糙度值小(一般可达Ra0.4～0.2µm)、 加工效率高(一般可提高3～5倍)、寿命长(一般能加工10000件以上)、质量稳定可靠，因而在液压、农机、汽车、机床、军工等行业中得到了日益广泛的 应用。
　　电镀金刚石铰刀是利用电镀的方法，以金属镍、铁或铜等作结合剂，将金刚石颗粒包络在刀体上形成的。电镀铰刀要求电镀层表面达到较高的几何精度，以确保磨粒切削刃具有较好的等高性和锋利性，减小切削负荷，提高铰刀的几何质量、物理质量和耐用度。
　 　目前，国内金刚石铰刀采用外镀法制造。制造时，需要对磨粒进行严格筛选，通过镀层金属直接将磨粒固定在刀体周围。所镀铰刀磨粒等高性差，需用金刚石砂轮 修磨，但修磨将破坏磨粒的天然刃口，钝化磨粒，影响加工效率及被加工孔的表面质量。为此，我们提出了一种新型设计与制造的方法——内包容电镀法(简称内镀 法)，并进行了铰刀设计、制造与切削试验研究，以求其在精密孔加工中取得更佳的加工效果。

1.刀体 2.切屑 3.粘结剂 4.金刚石颗粒
图1
2 金刚石铰刀的内镀法原理与铰削机制

　 　迄今为止，内包容电镀技术已成功应用于高精度金刚石滚轮的制造，但一直未用于制造金刚石铰刀。金刚石铰刀内镀的方法是，采用稳定材料制造一个与铰刀外形 相反的高精度内孔胎模，将金刚石磨粒电镀在胎模内表面，加厚形成电镀层，再将镀层与刀杆粘结在一起。为将胎膜顺利脱出，可在胎膜内表面先镀一层低熔点金 属，最后加热脱模制成铰刀。同时，也可保证高精度内孔胎模不受损伤而能重复使用，以降低制造成本。
　　采用内镀法制造的铰刀，其磨粒完全由高精度内孔胎模包容，镀层磨粒表面可以达到较高的几何精度，磨粒等高性好，微刃锋利，所以其切削性能优于外镀法铰刀，所加工孔的表面粗糙度值小，且刀具不需修磨，使用寿命长。
　 　在金刚石铰刀铰削过程中，铰刀磨粒与工件孔壁相互干涉，相互作用，不断地将干涉点切去而进行相互修整。铰刀表面和孔表面不断地产生新的干涉点，使孔壁与 铰刀表面的接触面积不断增大，特别是铰刀校正部的磨粒顶部的锐边和锐角被磨成了一个个小平面，如图1所示。与此同时，切削余量越来越小，切削作用也越来越 弱。而铰刀对孔壁的挤压和抛光的作用却越来越强，这就使孔的圆度越来越高、表面粗糙度值越来越小。这就是为什么金刚石铰刀使用时间越长，加工孔的表面粗糙 度值越小的原因所在。
　　金刚石铰刀铰削工件内孔的过程中，铰刀切削部切除工件大部分余量(实际上总的铰削余量很小)，而校正部只切除少许余量， 但其对工件表面的挤压和抛光作用却是金刚石铰刀铰孔的主要过程，是保证工件加工质量的主要因素。同时通过挤压和抛光，工件表面会产生塑性变形而提高硬度。 据实验测定，工件表面经金刚石铰刀铰削后的硬度比铰削前明显提高0.5～1.0倍，这无疑对提高工件使用寿命是非常有利的。

1.金刚石 2.切屑
图2
1.金刚石颗粒 2.切屑 3.粘结剂 4.刀体
图3
1.夹持部 2.后导部 3.倒锥部 4. 校正部 5.切削部 6.前导部
图4
　 　对于一把正常使用的金刚石铰刀，其磨粒应露出来参加切削。因此，磨粒间的结合剂应形成一个个凹坑。在铰削的过程中，大量的切屑藏于这些凹坑中(图2)， 并蚀除部分结合剂，使得磨粒前面的凹坑逐渐加深；磨粒后面的结合剂则很少被切屑所蚀除，同时由于挤压力的作用，使结合剂向后蠕动，更加强了对磨粒的支撑作 用。这就是金刚石铰刀的颗粒不容易脱落，铰刀保持较长寿命的原因之一(图3)。
3 内包容金刚石铰刀的结构设计

　　目前金刚石铰刀有固定式和可调式两大类型，。为了加工出高精度内孔，金刚石铰刀宜采用固定式。因为固定式铰刀制造工艺简单，易于修磨，成本较低，加工孔的尺寸稳定性好。加工通孔用固定式金刚石铰刀的结构简图如图4所示。下面具体讨论一下铰刀主要部分的结构设计。

1. 校正部的设计 校正部是铰刀的修光和提高精度的部分，主要承担清除切削部加工时遗留下来的粗糙波峰的少许余量，是影响被加工孔的加工质量的关键因素。
一般地，校正部的长度按加工孔径的2～3倍来选取。孔长时取小值，孔短时取大值。校正部径向尺寸取决于工件表面粗糙度、孔的形状、预制孔精度和铰削扩张量等具体条件。
2. 切削部的设计 切削部是铰刀的切削部分，负担切除被加工工件的80%～90%的加工余量，对铰刀寿命和加工质量有很大影响。

L——切削部长度，x——实际切削长度，q——切削部锥角
图5
图6
　　切削部的长度和锥角主要根据切削余量的大小来确定，一般地，长度取15～25mm；切削锥角粗铰时取q=0°3′～0°15′，精铰时取q=0°1′～0°5′，以保证铰刀在2/5～1/2处即进入实际的切削状态(图5)。锥角大小的计算公式为
tgq=S/LK
式中 S——切削深度，mm
L——切削部长度,mm
K——长度系数，取2/5～1/2
锥角公差取3～4级。
3. 冷却槽的设计 金刚石铰刀铰孔时，若热量和切屑来不及排出，刀体将发热膨胀，孔的加工质量会明显降低，严重时还会发生“咬死”刀现象。因此铰刀的各主要表面上都要设计有 冷却槽，并满足下列条件：①冷却槽必须保证铰刀工作时能得到充分冷却；②冷却槽不能影响铰刀的刚性和寿命；③冷却液流道通畅，以便能将切屑带走。
　　螺旋槽一般设计2～5条，螺旋角取ψ=20°～45°，螺旋方向选用左旋，使切屑和冷却液向未铰削表面推进，确保已铰过的表面免受擦伤。同时螺旋槽和螺旋角的选择要保证铰刀切削宽度大小适当，一般以12～18mm为宜(图6)。

4 金刚石铰刀的内镀法制造工艺

　　由于内包容铰刀的尺寸精度与形状精度主要由胎模精度保证，所以胎模的设计与制造至关重要。胎模内孔应设计成与铰刀外形相反，并在高精度磨床上精磨而成。

　 　电镀工艺方面，利用电解作用，采用光亮镀镍方法，通过制造添加剂含量，来减小镀层内应力，同时保证镀层平整。比较合理的电镀工艺规范如下表所示： 名称 含量(g/L) 硫酸镍(NiSO4—7H2O) 250～300 氯化钠(NaCl) 10～20 硼酸(H3BO3) 35～40 糖精(6H5COSO2NH2) 1～2 香豆素(C9H6O2) 0.5～1 十二烷基硫酸钠(C12H25SO4Na) 0.1～0.2 PH值 4.0～4.5 温度(℃) 40～45 电流密度(A/dm2) 1.5～3
　　了使电镀层尺寸均匀且沉积速度快，针对内镀法电镀液流动性差的缺陷，电镀时宜采用流动电镀工艺，电镀液循环流动的速度大约为5～30m/min。
　　刀体材料一般用45钢，淬火至硬度40～45HRC，经精磨而成。
　　开刃和开槽处理时，必须保证铰刀的镀层尺寸精度不受影响。开刃时可用刚玉砂轮修磨镀层金属，也可通过电镀两种化学溶解度不同的金属，再进行腐蚀处理。开槽时采用电化学腐蚀及机械加工的方法即可。
5 结束语

　　经过反复试验，最终我们得到了系列化和标准化的内包容精密金刚石铰刀。通过对典型材料与典型零件的加工与试验，以及和外镀法制造的铰刀技术指标与切削性能的对比，可以得到以下结论：

1. 精密和高精度金刚石铰刀更适宜采用内镀法进行设计与制造。
2. 金刚石铰刀的内镀法比外镀法加工精度更高、表面粗糙度值更小。
3. 只要工艺参数合理和规范，内镀法金刚石铰刀的设计与制造同样简单、方便。
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数 控车削加工技术已广泛应用于机械制造行业，如何高效、合理、按质按量完成工件的加工，每个从事该行业的工程技术人员或多或少都有自己的经验。笔者从事数控 教学、培训及加工工作多年，积累了一定的经验与技巧，现以广州数控设备厂生产的GSK980T系列机床为例，介绍几例数控车削加工技巧。
一、程序首句妙用G00的技巧

目前我们所接触到的教科书及数控车削方面的技术书籍，程序首句均为建立工件坐标系，即以G50 Xα Zβ作为程序首句。根据该指令，可设定一个坐标系，使刀具的某一点在此坐标系中的坐标值为(Xα Zβ)(本文工件坐标系原点均设定在工件右端面)。采用这种方法编写程序，对刀后，必须将刀移动到G50设定的既定位置方能进行加工，找准该位置的过程如 下。

1. 对刀后，装夹好工件毛坯；
2. 主轴正转，手轮基准刀平工件右端面A；
3. Z轴不动，沿X轴释放刀具至C点，输入G50 Z0，电脑记忆该点；
4. 程序录入方式，输入G01　W-8　F50，将工件车削出一台阶；
5. X轴不动，沿Z轴释放刀具至C点，停车测量车削出的工件台阶直径γ，输入G50 Xγ，电脑记忆该点；
6. 程序录入方式下，输入G00 Xα Zβ，刀具运行至编程指定的程序原点，再输入G50 Xα Zβ，电脑记忆该程序原点。


上述步骤中，步骤6即刀具定位在XαZβ处至关重要，否则，工件坐标系就会被修改，无法正常加工工件。有过加工经验的人都知道，上述将刀具定位到XαZβ 处的过程繁琐，一旦出现意外，X或Z轴无伺服，跟踪出错，断电等情况发生，系统只能重启，重启后系统失去对G50设定的工件坐标值的记忆，“复位、回零运 行”不再起作用，需重新将刀具运行至XαZβ位置并重设G50。如果是批量生产，加工完一件后，回G50起点继续加工下一件，在操作过程中稍有失误，就可 能修改工件坐标系。鉴于上述程序首句使用G50建立工件坐标系的种种弊端，笔者想办法将工件坐标系固定在机床上，将程序首句G50 XαZβ改为G00 Xα Zβ后，问题迎刃而解。其操作过程只需采用上述找G50过程的前五步，即完成步骤1、2、3、4、5后，将刀具运行至安全位置，调出程序，按自动运行即 可。即使发生断电等意外情况，重启系统后，在编辑方式下将光标移至能安全加工又不影响工件加工进程的程序段，按自动运行方式继续加工即可。上述程序首句用 G00代替G50的实质是将工件坐标系固定在机床上，不再囿于G50 Xα Zβ程序原点的限制，不改变工件坐标系，操作简单，可靠性强，收到了意想不到的效果。中国金属加工在线
二、控制尺寸精度的技巧

1. 修改刀补值保证尺寸精度
　　由于第一次对刀误差或者其他原因造成工件误差超出工件公差，不能满足加工要求时，可通过修改刀补使工件达到要求尺寸，保证径向尺寸方法如下：
1. 绝对坐标输入法
根据“大减小，小加大”的原则，在刀补001～004处修改。如用2号切断刀切槽时工件尺寸大了0.1mm，而002处刀补显示是X3.8，则可输入X3.7，减少2号刀补。
2. 相对坐标法
如上例，002刀补处输入U-0.1，亦可收到同样的效果。
同理，对于轴向尺寸的控制亦如此类推。如用1号外圆刀加工某处轴段，尺寸长了0.1mm，可在001刀补处输入W0.1。
2. 半精加工消除丝杆间隙影响保证尺寸精度
　　对于大部分数控车床来说，使用较长时间后，由于丝杆间隙的影响，加工出的工件尺寸经常出现不稳定的现象。这时，我们可在粗加工之后，进行一次半精加工 消除丝杆间隙的影响。如用1号刀G71粗加工外圆之后，可在001刀补处输入 U0.3，调用G70精车一次，停车测量后，再在001刀补处输入U-0.3，再次调用G70精车一次。经过此番半精车，消除了丝杆间隙的影响，保证了尺 寸精度的稳定。
3. 程序编制保证尺寸精度
1. 绝对编程保证尺寸精度
　　编程有绝对编程和相对编程。相对编程是指在加工轮廓曲线上，各线段的终点位置以该线段起点为坐标原点而确定的坐标系。也就是说，相对编程的坐标原点经 常在变换，连续位移时必然产生累积误差，绝对编程是在加工的全过程中，均有相对统一的基准点，即坐标原点，故累积误差较相对编程小。数控车削工件时，工件 径向尺寸的精度一般比轴向尺寸精度高，故在编写程序时，径向尺寸最好采用绝对编程，考虑到加工及编写程序的方便，轴向尺寸常采用相对编程，但对于重要的轴 向尺寸，最好采用绝对编程。
2. 数值换算保证尺寸精度
　　很多情况下，图样上的尺寸基准与编程所需的尺寸基准不一致，故应先将图样上的基准尺寸换算为编程坐标系中的尺寸。如图2b中，除尺寸13.06mm 外，其余均属直接按图2a标注尺寸经换算后而得到的编程尺寸。其中， φ29.95mm、φ16mm及60.07mm三个尺寸为分别取两极限尺寸平均值后得到的编程尺寸。
4. 修改程序和刀补控制尺寸
　　数控加工中，我们经常碰到这样一种现象：程序自动运行后，停车测量，发现工件尺寸达不到要求，尺寸变化无规律。如用1号外圆刀加工图3所示工件，经粗 加工和半精加工后停车测量，各轴段径向尺寸如下：φ30.06mm、φ23.03mm及φ16.02mm。对此，笔者采用修改程序和刀补的方法进行补救， 方法如下：
1. 修改程序
原程序中的X30不变，X23改为X23.03，X16改为X16.04，这样一来，各轴段均有超出名义尺寸的统一公差0.06mm；
2. 改刀补
在1号刀刀补001处输入U-0.06。

　　经过上述程序和刀补双管齐下的修改后，再调用精车程序，工件尺寸一般都能得到有效的保证。

数控车削加工是基于数控程序的自动化加工方式，实际加工中，操作者只有具备较强的程序指令运用能力和丰富的实践技能，方能编制出高质量的加工程序，加工出高质量的工件。
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1 引言

高速铣削工艺在汽车、飞机和模具制造业中应用广泛。由于铣刀高速旋转时刀具各部分承受的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷，而离心力达到一定程度时会造成刀具变形甚至破裂，因此研究高速铣刀的安全性技术对发展高速铣削技术有着极其重要的意义。

2 高速铣刀安全性技术研究的现状

　 　20世纪90年代初德国就开始了对高速铣刀的安全性技术研究，并制订了DIN6589-1《高速铣刀的安全要求》标准草案，规定了高速铣刀失效的试验方 法和标准，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导性意见，规定了统一的安全性检验方法。该标准草案已成为各国高速铣刀安全性的指导性文件。

2.1 高速铣刀的安全失效形式与试验方法

　 　标准草案规定了高速切削的速度界限，超过该速度后离心力将成为铣刀的主要载荷，必须采用安全技术。在刀具直径与高速切削范围关系图中，曲线以上区域为该 标准规定的铣刀必须经过安全检验的高速切削范围：对于直径d1≤32mm的单件刀具（整体或焊接刀具），其切削速度超过10000m/mm为高速切削范 围；对于直径d1>32mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上区域。

　　高速铣刀的安全失效形式有两种：变形和破裂。 不同类型铣刀的安全试验方法也不同。对于机夹可转位铣刀，有两种安全试验方法：一种方法是在1.6 倍最大使用转速下进行试验，刀具的永久性变形或零件的位移不超过0.05mm；另一种方法是在2倍于最大使用转速下试验，刀具不发生破裂（包括夹紧刀片的 螺钉被剪断、刀片或其他夹紧元件被甩飞、刀体的爆裂等）。而对于整体式铣刀，则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。

2.2 高速铣刀强度计算模型

　　高速刀具在离心力的作用下是否发生失效的关键在于刀体的强度是否足够、机夹刀的零件夹紧是否可靠。当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀具形状的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果误差很大，常常不能满足安全性设计的要求。

　 　为了在刀具设计阶段对其结构强度在离心力作用下的受力和变形进行定性和定量的分析，可通过有限元方法计算不同转速下的应力大小，模拟失效过程和改进设计 方案。高速铣刀有限元计算模型中包括刀体、刀体座、刀片和夹紧螺钉。首先计算刀体（包括螺钉、刀片等零件质量）的弹性变形，再对分离出的刀座作详细分析， 把所获得的刀体弹性变形作为边界条件加到刀座分离体；然后由切出的刀座、刀片、螺钉及无质量的摩擦副组成刀片夹紧系统的模型，进行夹紧的可靠性分析。有限 元模型能模拟刀片在刀座里的倾斜、滑动、转动以及螺钉在夹紧时的变形，可计算出在不同转速下刀片位移和螺钉受力的大小。

3 提高高速铣刀安全性的措施

　　结合高速铣刀安全性标准，通过有限元计算模型的分析，为适应安全性要求，可采取以下措施：

（1）减轻刀具质量，减少刀具构件数，简化刀具结构

　 　由试验求得的相同直径的不同刀具的破裂极限与刀体质量、刀具构件数和构件接触面数之间的关系，经比较发现，刀具质量越轻，构件数量和构件接触面越少，刀 具破裂的极限转速越高。研究发现，用钛合金作为刀体材料减轻了构件的质量，可提高刀具的破裂极限和极限转速。但由于钛合金对切口的敏感性，不适宜制造刀 体，因此有的高速铣刀已采用高强度铝合金来制造刀体。

　　在刀体结构上，应注意避免和减小应力集中，刀体上的槽（包括刀座槽、容屑槽、键 槽）会引起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。同时，刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。刀片和刀座的夹紧、调整 结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。目前，高速铣刀已广泛采用HSK刀柄与机床主轴连接，较大程度地提高了刀具系统的刚度和重复定位精度，有利 于刀具破裂极限转速的提高。此外，机夹式高速铣刀的直径显露出直径变小、刀齿数减少的发展趋势，也有利于刀具强度和刚度的提高。

（2）改进刀具的夹紧方式

　 　模拟计算和破裂试验研究表明，高速铣刀刀片的夹紧方法不允许采用通常的摩擦力夹紧，要用带中心孔的刀片、螺钉夹紧方式，或用特殊设计的刀具结构以防止刀 片甩飞。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，同时要控制好螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。对于小直径的带柄铣刀，可采用液压夹头或热 胀冷缩夹头实现夹紧的高精度和高刚度。

（3）提高刀具的动平衡性

　　提高刀具的动平衡性对提高高速铣刀的安全性有很大的帮助。因为刀具的不平衡量会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。

　　设旋转体质量为m，质心与旋转体中心的偏心量为e，则由不平衡量引起的惯性离心力F为：

　　F=emω2=U（n/9549）2

式中：U为刀具系统不平衡量（g·mm），e为刀具系统质心偏心量（mm），m为刀具系统质量（kg），n为刀具系统转速（r/min），ω为刀具系统角速度（rad/s）。

　　由上式可见，提高刀具的动平衡性可显著减小离心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照标准草案要求，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940－1规定的G4.0平衡质量等级以上要求。

4 结语

　　高速铣刀安全性技术是研究高速刀具的一个重要内容，应加强刀具安全性的定量分析，精确确定影响高速铣刀安全性的微量因素，并从刀具的材料、结构、制造工艺等方面解决好高速铣刀的安全性。
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