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保护地球环境是21世纪最优先考虑的课题。在机械加工领域，一些保护环境措施的研究开发及其成果已得到广泛应用。其中，对节约能源和减少废物的主要加工方式，即干式、半干式加削加工技术的研究，正在加速进行。在铣削加工、齿轮的切齿加工等方面已实用化，并取得令人满意的效果。但在铝件特别是铝件的孔加工方面，由于产生铝屑粘刀而导致刀具折断、加工精度恶化，这一问题有待于进一步研究解决，目前铝件的孔加工采用干式加工的实例还不多。

　　环保技术的发展动向

　　在机械加工领域，有各种各样的环保技术，大体上可分为节约能源、减少废弃物、确保工作环境安全、舒适性三大类(见图1)。

图1 环保技术的分类

　　在节约能源方面有：减少液压管路的阻力而使切削液泵的规格减小和无液压化等。通常情况下，工作中即使泵的额定功率很小，但它消耗的功率一般都很大，特别是切削液所消耗的功率要占总功率的60%以上(见图2)，因此，前述技术对节约能源是切实有效的。

图2 机械加工能源消耗内部构成比

　　减少废弃物主要是指减少切削液的废液量。各公司都在致力于切削液的长效化和重复循环使用等技术的开发与应用。在切削液长效化(长寿命化)方面，切削液的合成化是开发的项目之一。由于合成切削液是以化学合成的油剂为基液来使用的，因此，应充分注意它和水的亲和性，能够人为地设计分子量等。由于钙等的金属离子与其它油的混合而导致界面活性剂的恶化，所以油水分离等都是可控制的有利一面；同时也应充分注意对设备的不利影响(如滑动部分润滑液被洗掉及泄漏对电气系统的影响)和废水可处理性。

　　在确保工作环境安全及舒适性方面，该公司最近正致力于切削液的氯游离化的研究。氯系化合物作为高压润滑油添加剂含在高负荷用切削液中，在高温切削和废油燃烧处理时，可产生剧毒物，因此，氯系切削液已从JIS标准中废除。目前各切削液生产厂家正在进行氯游离化的研究开发，以不断完善与原有切削油性能相同的新型切削液。

　　干式切削加工技术开发的主要思路

　　该公司考虑到铝制工件较多，一些孔加工刀具制造厂家和科研机构对干式切削加工技术的开发实例很少，从而决定自行研究开发，把铝件的钻削、攻丝、铰削和镗削加工方法作为研究开发的目标。

　　在干式切削加工中，选择了润滑、冷却和排屑性能优良的半干式切削加工，雾状切削剂供给方式把外部混合内部供给方式作为研究开发的主要内容(见图3)。外部混合方式与赫克斯公司等提倡的内部混合方式比较，其可供给的喷雾量少。但作为技术核心的喷雾生成部分开发的自由度大、主轴内部结构不需做大的改动，因此，可在所有制造厂家生产的设备上采用。

图3 半干式切削加工系统

　　关于切削加工效率(进给速度F)和加工精度，目前还处于研究阶段，最终结果是效率和精度应优于湿式切削。该公司是以国内外的标准检查程序为基准来设定目标值。

　　技术开发

　　喷雾的生成及供给技术

　　通过对所有切削加工方法的分析表明，喷雾的生成和供给技术十分重要。该技术的相关课题见下表。

表 喷雾生成供给的课题

分类
   

项目

喷雾生成
   

不受刀具规格影响的稳定的喷雾生成；

提高喷雾生成量；

控制喷雾量和喷雾压力

喷雾供给
   

控制管道内喷雾的凝结；

降低喷雾压力损失

维修保养和管理
   

喷雾生成状态监控、异常状态检测

　　一般情况下，喷雾是在文丘里(Venturi)喷管部分借助空气压力把油吹散而生成的。喷雾的生成能力主要与文丘里喷管前后的空气压力差(以下称差压)有关。但由于小直径刀具的油孔(以下为O/H)直径小而不能确保充足的差压，喷雾量下降很大。为克服这一缺点，有时将部分喷雾(只限空气部分)排放，以确保足够的差压，但要浪费空气。此外，由于是离散控制，不能进行每种刀具的准确控制，由于O/H断面积不同而导致差压发生变化，喷雾量就很不稳定。为解决这一问题，开发出靠从横向吹散油剂的结构，以确保即便在较小差压条件下，也能获得大喷雾能力的特殊的文丘里和即便在不同O/H断面积条件下，也能保持差压恒定(稳定)的新技术(见图4)，该技术的特点是不受刀具规格的限制，能稳定地确保喷雾润滑剂的供给。此外，该技术在废除弯管接头配管后，采用空气增加器和中间缓冲措施，实现了最大限度地减少喷雾润滑剂的压力损失及润滑剂的凝结，提高了排屑性能。

图4 喷雾装置

材料:ADC12，f5×15，p=0.4MPa，q=30ml/h
v=157m/min，f=0.2mm/r，F=2000mm/min
图5 即将折断前刀尖的磨损情况

图6 刀尖温度和能否加工的关系

图7 钻头折断过程的推测

　　钻削加工

　　由于钻削加工单位时间内切屑的切除体积大，所以散热性很差。现以M6的底孔为例，其目标值进给速度设定为6000mm/min。在开始基础试验中，由于切屑粘刀造成切屑在钻沟中堵塞而导致钻头折断(见图5)。在提高转数度试验时发现，钻削能否正常进行与钻尖的温度密切相关(见图6)，根据图7所示，为此对钻尖折断的过程进行推测，把钻头温度作为评价的项目之一进行了研究。

图8 喷雾冷却剂供给方式

材料:ADC12，f5×15，p=0.4MPa
q=30ml/h，v=157m/min
f=0.4mm/r，F=4000mm/min
图9 不同喷雾冷却方式对刀尖温度影响的比较

图10 钻头参数对钻头温度的影响

材料:ADC12，f5×15，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=157m/min
f=0.35mm/r，F=3500mm/min
图11 合理修磨横刃的效果供给方式

材料:ADC12，f5×15，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=57m/min
f=1mm/r，F=3000mm/min
图12 刀具磨损量比较

　　通常，喷雾冷却剂是从钻头部分喷出，但实际钻削时间很短，只有在这段时间，喷雾冷却剂才起作用。此外，冷却剂喷射到钻头沟槽内可抑制粘刀，但切屑的不利影响依然存在。因此，把冷却剂供给的结构做成也可从钻头外周喷射冷却剂的结构形成 (见图8)，我们把这种模式称作“通过钻头排屑沟模式”，其弹簧夹头孔部形成沟道，钻头柄部形成沟道、孔等的结构形式，根据不同的切削加工方法，其结构形式也有所不同。采用这样的结构形式，利用接近、轴移动等非切削时间可使雾状冷却剂粘附在钻沟上，可获得雾状冷却剂的冷却效果(见图9)。但应注意的是，如设计不当，就不能获得充分的冷却润滑效果，相反还会出现阻碍切屑的排出。

　　为了确定合理的刀具形状，对不同的刀具几何参数形状对刀尖温度的影响进行了调查 (见图10)，调查结果表明，横刃修磨、芯厚和油孔(O/H直径)对钻尖温度影响大，其中横刃修磨的影响最大。尽管横刃部分的切削性能不好，但修磨成3个前倾面可使切屑排出通畅(见图11)。由此可知，充分注意切屑的流动性至关重要。

　　对钻头进行涂层处理可改善切屑粘刀。涂层材料有很多，但效果好的涂层是DLC (Diamond Like Carbon)涂层和超微细结晶金刚石涂层(晶粒直径1µm左右，比普通金刚石涂层表面更光滑)。特别是超微细结晶金刚石涂层的效果更佳，即使F=10000mm/min，也不会产生粘刀。然而这两种涂层在结合强度、成本等方面还存在一些需解决的难题，有待以后加以解决。

　　由于新增了以上技术(涂层除外)，能够达到F=6000mm/min的进给速度。由大量生产中钻头磨损的评价结果见图12(在此例中因工件刚性小，钻头长，进给速度有所降低)，由图可知，半干式钻削磨损小，可实现良好的钻削效果。

材料:ADC12，M6，深度12mm，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=157m/min
f=0.35mm/r，F=3500mm/min
图13 丝锥形状引起小崩损量的变化

材料:ADC12，M6，深度12mm，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=157m/min
f=0.35mm/r，F=3500mm/min
图14 喷雾冷却剂供给方式对形状误差的影响

图15 丝锥磨损量和牙型

　　螺纹加工

　　在螺纹加工中，有切削加工法、搓制法和铣制法。下面介绍的是关于螺纹加工的研究开发实例，其目标是使螺纹加工精度达到JIS2级、牙形优于湿式加工的牙形、进给速度F=3000mm/min。

　　螺纹加工的技术课题是控制由于切削性能低下而产生挤裂切削，把挤裂切削将发生前的牙形放大后观察，右牙形面的小崩损量比湿式切削大。高速螺纹加工采用螺旋丝锥，其切削刃的工作前角为负前角，切削性能差，在湿式攻丝时没有问题，但在半干式切削时就有很大影响。因此，用试验方法对不同螺旋角和前角导致小崩损量的变化情况进行了评价，其结果是螺旋角小、前角大，可大幅度减少崩损量(见图 13)。另外，采用前节所述的合理的刀具内外同时供给喷雾冷却剂的方法，在盲孔和通孔攻丝时都能得到良好的螺纹牙形(见图14)。由大量生产加工刀具磨损的评价结果见图15，由图可知，其磨损量比湿式攻丝还小，且螺纹牙形也很好。

材料:ADC12，f18.4×12，p=0.4MPa，q=30ml/h
v=178m/min，f=0.1mm/r，F=300mm/min
图16 基础试验中产生的粘屑状况

图17 刀具开发

　　铰削加工

　　下面介绍的是关于一次将大加工余量孔完成铰削加工的研究开发实例(f2mm左右)，其目标是使孔的表面粗糙度达到3.2Rz，圆度为0.05，进给速度为F=2000mm/min。铰削加工的技术课题是抑制刀尖和深孔铰刀导向块的粘屑。将硬质合金抛光铰刀进行基础试验后的刀具磨损状况示于图16。铰削加工要求获得高精度的加工质量，因此，即使是极小的粘刀，也会影响铰孔的质量。为了抑制切削刃产生粘刀，对铰刀的螺旋角、涂层和切削刃的材质等进行了试验，结果表明，切削刃材料采用合成金刚石的效果最佳。

　　过去，深孔钻的导向块和已加工面接触能确保良好的圆度和表面粗糙度，因此，硬质合金部分和已加工表面接触能抑制粘屑，把切削刃做成有刃带的结构而形成台阶式多刃表面，让只有刃带部分接触已加工面，这样可降低形成已加工面的切削刃负荷，确保良好的导向性和提高加工精度(见图17)。

　　设备

　　在干式切削加工中，设备、切屑处理很重要。在干式切削加工中，由于没有切削液冲洗排屑，切屑易在夹具、床身上产生堆积及粘附在刀具基准面上而发生支承异常。为解决这些问题，从设备制定标准规格阶段就应考虑到干式切削加工，应设计相应的床身、导轨、夹具及防护罩等。具体来说就是要进行在产生切屑的正下方设置切屑回收中心槽、设置工件装卸时吹去基准面上切屑的空气喷射装置及对夹具、切屑防护罩进行润滑性涂层处理等。但在自动传送线方面，还有开发机内清洗装置的课题。

　　干式切削加工技术开发是包括喷雾冷却剂生成供给技术、刀具技术及设备的综合性技术。今后在推进所谓一次性切削加工及只用一把刀具加工的更高效加工技术开发的同时，还应致力于切屑处理技术的研究。
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1.一般概念

　　粗加工

　　粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，在粗加工时应选用大的进给量和尽可能大的切削深度，以便在较短的时间内切除尽可能多的切屑。粗加工对表面质量的要求不高，刀具的磨钝标准一般是切削力的明显增大，即以后刀面的磨损宽度VB为标准。

　　精加工

　　在精加工时最主要考虑的是工件表面质量而不是切屑的多少，精加工时通常采用小的切削深度，刀具的副切削刃经常会有专门的形状，比如修光刃。根据所使用的机床、切削方式、工件材料以及所采用的刀具，可使表面粗糙度达到Ra1.6µm的水平，在极好的条件下甚至可以达到Ra0.4µm。
在精加工时刀具后刀面的磨损量不再是主要标准，它将让位于工件的表面质量。

　　2.铣削方式

　　顺铣

　　顺铣时切削点的切削速度方向在进给方向上的分量与进给速度方向一致。

　　顺铣是为获得良好的表面质量而经常采用的加工方法。它具有较小的后刀面磨损、机床运行平稳等优点，适用于在较好的切削条件下加工高合金钢。

　　使用说明：

　　不宜加工表面具有硬化层的工件(如铸件)，因为这时的刀刃必须从外部通过工件的硬化表层，从而产生较强的磨损。

　　如采用普通机床加工，应设法消除进给机构的间隙。

　　逆铣

　　逆铣时切削点的切削速度方向在进给方向上的分量与进给速度方向相反。

　　鉴于采用这种方式会产生一些副作用，诸如后刀面磨损加快从而降低刀片耐用度，在加工高合金钢时产生表面硬化，表面质量不理想等，所以的加工中不常使用。

　　使用说明：必须将工件完全夹紧，否则有抬起工作台的危险。


  
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　1　程序结构

　　程序段是可作为一个单位来处理的连续的字组，它实际是数控加工程序中的一段程序。零件加工程序的主体由若干个程序段组成。多数程序段是用来指令机床完成或执行某一动作。程序段是由尺寸字、非尺寸字和程序段结束指令构成。在书写和打印时，每个程序段一般占一行，在屏幕显示程序时也是如此。

　　2　程序格式

　　常规加工程序由开始符(单列一段)、程序名(单列一段)、程序主体和程序结束指令(一般单列一段)组成。程序的最后还有一个程序结束符。程序开始符与程序结束符是同一个字符：在ISO代码中是%，在EIA代码中是ER。程序结束指令可用M02(程序结来)或M30（纸带结束）。现在的数控机床一般都使用存储式的程序运行，此时M02与M30的共同点是:在完成了所在程序段其它所有指令之后，用以停止主轴、冷却液和进给，并使控制系统复位。M02与M30 在有些机床(系统)上使用时是完全等效的，而在另一些机床(系统)上使用有如下不同：用M02结束程序场合，自动运行结束后光标停在程序结束处；而用 M3O结束程序运行场合，自动运行结束后光标和屏幕显示能自动返回到程序开头处，一按启动钮就可以再次运行程序。虽然M02与M30允许与其它程序字合用一个程序段，但最好还是将其单列一段，或者只与顺序号共用一个程序段。

　　程序名位于程序主体之前、程序开始符之后，它一般独占一行。程序名有两种形式:一种是以规定的英文字(多用O)打头、后面紧跟若干位数字组成。数字的最多允许位数由说明书规定，常见的是两位和四位两种。这种形式的程序名也可称作程序号。另一种形式是，程序名由英文字、数字或英文、数字混合组成，中间还可以加入“—”号。这种形式使用户命名程序比较灵活，例如在 LC30型数控车床上加工零件图号为215的法兰第三道工序的程序，可命名为LC30-FIANGE-215-3，这就给使用、存储和检索等带来很大方便。程序名用哪种形式是由数控系统决定的。

　　%
　
　　O1001
　
　　N0   G92 X0 Y0 Z0

　　N5   G91 G00  X50  Y35  S500  MO3

　　N10  G43 Z-25 T01.01

　　N15  G01 G007 Z-12

　　N20  G00   Z12

　　N25        X40

　　N30  G01   Z-17

　　N35  G00  G44  Z42  M05

　　N40  G90  X0  Y0

　　N45  M30

　　%

　　3　程序段格式

　　程序段中字、字符和数据的安排形式的规则称为程序段格式(block format)。数控历史上曾经用过固定顺序格式和分隔符(HT或TAB)程序段格式。这两种程序段格式己经过时，目前国内外都广泛采用字地址可变程序段格式，又称为字地址格式。在这种格式中，程序字长是不固定的，程序字的个数也是可变的，绝大多数数控系统允许程序字的顺序是任意排列的，故属于可变程序段格式。但是，在大多数场合，为了书写、输入、检查和校对的方便，程序字在程序段中习惯按一定的顺序排列。

　　数控机床的编程说明书中用详细格式来分类规定程序编制的细节：程序编制所用字符、程序段中程序字的顺序及字长等。例如:

　　/  NO3   G02   X+053   Y+053  I0  J+053 F031  S04   T04   M03   LF

　　上例详细格式分类说明如下：N03为程序段序号；G02表示加工的轨迹为顺时针圆弧；X+053、Y+053表示所加工圆弧的终点坐标；I0、 J+053表示所加工圆弧的圆心坐标；F031为加工进给速度；S04为主轴转速；T04为所使用刀具的刀号；M03为辅助功能指令；LF程序段结束指令；/为跳步选择指令。跳步选择指令的作用是:在程序不变的前提下，操作者可以对程序中的有跳步选择指令的程序段作出执行或不执行的选择。选择的方法，通常是通过操作面板上的跳步选择开关扳向ON或OFF，来实现不执行或执行有“/”的程序段。

　　4　主程序与子程序
　
　　编制加工程序有时会遇到这种情况：一组程序段在一个程序中多次出现，或者在几个程序要使用它。我们可以把这组程序段摘出来，命名后单独储存，这组程序段就是子程序。子程序是可由适当的机床控制指令调用的一段加工程序，它在加工中一般具有独立意义。调用第一层子程序的指令所在的加工程序叫做主程序。调子程序的指令也是一个程序段，它一般由子程序调用指令、子程序名称和调用次数等组成，具体规则和格式随系统而别，例如同样是“调用55号子程序一次”， FANUC系统用“M98 P55。”，而美国A-B公司系统用“P55x”。

　　子程序可以嵌套，即一层套一层。上一层与下一层的关系，跟主程序与第一层子程序的关系相同。最多可以套多少层，由具体的数控系统决定。子程序的形式和组成与主程序大体相同：第一行是子程序号(名)，最后一行则是“子程序结束”指令，它们之间是子程序主体。不过，主程序结束指令作用是结束主程序、让数控系统复位，其指令已经标准化，各系统都用M02或 M30；而子程序结束指令作用是结束子程序、返回主程序或上一层子程序，其指令各系统不统一，如FANUC系统用M99、西门子系统用M17，美国A—B 公司的系统用M02等。

　　在数控加工程序中可以使用用户宏(程序)。所谓宏程序就是含有变量的子程序，在程序中调用宏程序的指令称为用户宏指令，系统可以使用用户宏程序的功能叫做用户宏功能。执行时只需写出用户宏命令，就可以执行其用户宏功能。

　　用户宏的最大特征是：

　　●可以在用户宏中使用变量；

　　●可以使用演算式、转向语句及多种函数

　　●可以用用户宏命令对变量进行赋值。

　　数控机床采用成组技术进行零件的加工，可扩大批量、减少编程量、提高经济效益。在成组加工中，将零件进行分类，对这一类零件编制加工程序，而不需要对每一个零件都编一个程序。在加工同一类零件只是尺寸不同时，使用用户宏的主要方便之处是可以用变量代替具体数值，到实际加工时，只需将此零件的实际尺寸数值用用户宏命令赋与变量即可。
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　1 引言

　　SiCp/Al是一种新型的陶瓷/金属系多相材料，由于它的比刚度和比强度高，膨胀系数小，耐热性和尺寸稳定性好，因此在航空航天、汽车制造等行业得到日益广泛的应用。在汽车制造业中，SiCpAl材料最具潜力的应用前景之一是用于制造发动机活塞。采用SiCp/Al制造发动机活塞可减小活塞销孔的磨损，避免因热膨胀引起的“咬死”现象，提高装配精度，减少能耗，提高发动机功率。SiCp/Al材料在德、日、英、美等工业发达国家汽车制造业中的应用已取得了良好效果。我国在这方面的研究开发工作也取得了一定成果。

　　在SiCp/Al材料中，引入了无机非金属颗粒作为补强第二相，从而大幅度提高了材料的强度、硬度和耐磨性能，但同时也使材料的机械加工性能变差。加工SiCp/Al材料时，刀具磨损严重，耐用度降低，工件尺寸精度和表面质量难以保证，这在一定程度上阻碍了这种新型材料的推广应用。为此，本文通过试验研究，利用常规硬质合金刀具材料设计出一种可采用常规工艺和设备加工SiCp/Al材料的新型刀具。使用证明，采用该刀具加工SiCp/Al材料，可提高刀具耐用度和工件表面质量，降低加工成本。

　　2 SiCp/Al切削表面成形机理

　　作为补强第二相引入母体第一相铝合金中的SiC 颗粒是非连续、均匀、无方向性(各向同性)地分布于母体材料中，从而使SiCp/Al材料具有如下切削表面形成机理：在切削力作用下材料产生变形，首先在强度薄弱处和已有缺陷处形成微观裂纹核，然后裂纹根据最小能量原则以极快速度扩展，直至材料断裂，形成原始裂纹表面。切削刃分流点以上的材料经剪切区域成屑流出，分流点和待加工与已加工表面之间的(过渡)原始裂纹表面材料再经钝圆切削刃的推挤、修整和已磨损的副后刀面的熨压形成已加工表面。切削表面并非全部由切削刃直接切出，而是在很大程度上受到原始裂纹表面形成机理的影响。原始裂纹表面的形成具有很大随机性，由材料组织结构决定。因此，SiCp/Al材料的已加工表面分布有颗粒被拔出后留下的凹坑、切削时被压下复又弹起的凸粒、颗粒自然解理表面、挤压及摩擦导致的局部材料侧流扩展(或熔融)表面、晶粒细化和沿切削方向纤维化表面、磨(破)损不平的切削刃复制出的表面等多种结构。

　　3 刀具磨损与破损机理

　　由于SiCp/Al材料中SiC颗粒(显微硬度值HV=27GPa)的存在，切削时，常规硬质合金刀具(YG类刀具材料显微硬度值HV= 16～18GPa)会很快磨损或破损。切削刃分流点以下的剩切现象使第一相母体材料的弹性恢复顶起裹携着带有微刃的第二相补强颗粒与副后刀面发生剧烈摩擦，造成刀具的磨粒磨损，这是刀具的主要失效形式。这种现象在第二相的粒度及体积分数均较小(如粒度小于15µm，体积分数小于15%)的SiCp/Al 材料中，由于弹性恢复趋势强烈而显得尤为明显。

　　SiCp/Al材料结构中的局部不均匀性和非连续性造成对刀具的冲击，致使主切削刃处发生崩刃现象，崩刃处发现有沿切屑流出方向分布的沟纹，随着切削路径的延长，崩刃处呈钝圆槽形。接近材料外缘处的刀具崩刃程度较低。虽然也存在边界磨损，但发生概率较小。

　　4 SiCp/Al材料的切削试验

　　4.1 试验材料

　　1#材料：SiCpAl(粒度：14µm，体积分数10%)；2#材料：SiCpAl( 粒度40µm，体积分数20%)。两种材料的第一相母体合金均为ZL109。试件经160MPa挤压铸造，制备为中空圆柱体，经T6 热处理。

　　4.2 试验条

　　切削机床：CM6140 型精密卧式普通车床；进给量f=0.10mm/r，切削深度ap=0.10mm，切削1#材料切削速度vc1=19.3m/min，切削2#材料切削速度vc2=18.5m/min；采用干式纵向切削。

　　4.3 试验刀具

　　加工SiCp/Al多相材料时，磨粒磨损是刀具的主要失效形式，也是造成已加工表面质量恶化的主要原因。根据材料组织结构和加工表面微观形貌特征，笔者认为，只有针对SiCp/Al材料在加工中的弹、塑性变形特点，有效减轻刀具—工件的挤压滑擦，才能减轻刀具磨损，提高刀具耐用度和加工表面质量。

　　试验结果表明，采用主偏角小于90°(如45°和75°)的外圆车刀切削SiCp/Al材料时，由于切削径向分力和母体材料高弹性变形的作用，刀具—工件接触面发生剧烈挤压和滑擦，很快在副后刀面上磨出磨损带，磨损带挤压在已加工表面上，严重时可引起不规则的中频振颤，振颤“锤击”作用可使已加工表面质量进一步恶化，同时进一步加剧了刀具损坏。如刀具采用90°(或稍大于90°)的主偏角，切削时就能够有效卸去切削径向分力，减轻刀具对材料的挤压以及由此引起的材料弹性恢复。此外，针对材料弹性恢复的不利影响，在副后刀面与刀尖连接处刃磨出一定形状，不仅能够减轻刀具—工件的挤压、滑擦，提高刀具耐用度，还可对已加工表面起到熨平修整作用，提高加工表面质量。

　　根据上述思路设计了一种新型引导光整刀具。刀具几何形状为：前角γ0=6°，主后角α0=10°，主偏角kr=90°，刃倾角λs=0°，副后角α0’=5°，副偏角kr’=15°，刀尖圆弧半径rε≤0.20mm；在与rε圆弧相接的副切削刃上刃磨出长度b≤1mm 的大半径 ( R≈150mm)圆弧，平滑过渡到副切削刃；在副切削刃上刃磨出α01≤-2°、宽度br’≤0.20mm 的负倒棱；在与rε相连的大圆弧的负倒棱下刃磨出R’≈200mm、高度b’≤0.50mm 的外切圆柱面，向下与副后刀面平面圆滑过渡(如图1所示)。

图1 刀具引导光整面几何形状示意图

　　这种新型引导光整刀具的关键是刀尖圆弧半径与相连的由R 和R’组成的椭球面(即引导光整面)的形状和高度，该椭球面可引导修整已加工表面的弹性变形恢复和轮廓微观不平度。其它几何参数的设计主要应满足刀具强度和耐冲击性的要求。

　　试验刀具的材料选用YG8 硬质合金。

　　4.4 试验结果

　　试验刀具进入正常磨损阶段后，副后刀面上光滑的引导光整面对已加工表面的微观不平轮廓进行修整。经切削光整后，1#材料已加工表面粗糙度平均值 Ra=1.08µm，裸视观察呈无光泽银白色，在显微镜下观察，轮廓顶峰被部分修整，呈钝圆状，加工纹路清晰可见；2#材料已加工表面粗糙度平均值Ra= 0.52µm。由于2#材料的粒度和体积分数均大于1#材料，因此硬度和刚度有所提高，弹塑性变形减弱，表面呈有金属光泽的镜面。用Taylor- Hobson轮廓仪描绘出的使用普通刀具(未在副后刀面上刃磨出引导光整面)和新型引导光整刀具切削2#材料的表面微观轮廓形貌(两种刀具材料均为YG8 硬质合金，且几何参数基本相同)。

　　与普通刀具相比，新型引导光整刀具切削出的表面微观轮廓顶峰和峰谷变化平缓，微观不平度减小。

　　对新型引导光整刀具的检测显示，切削1#材料15分钟后，刀具上未发现明显的磨损带；继续切削2#材料，在开始的12.5 分钟里，引导光整面的长度b由原来的0.9mm扩展到1.0mm，高度b’由原来的0.4mm扩展到0.5mm，在随后37.5 分钟的切削过程中，未发现磨损带进一步扩大。切削试验中，工件表面粗糙度值基本保持稳定，Ra最大值未超过0.76µm。

　　5 结论

　　引导光整刀具是一种适用于切削SiCp/Al多相材料的新型刀具，能有效提高常规材料刀具的耐用度，降低工件表面粗糙度。

　　新型刀具的光整作用可使已加工表面延展和拉伸，产生塑性流动；挤压作用可弥合表面微观裂纹，减轻应力集中现象，使表面呈残余压应力状态，从而提高零件抗疲劳强度。

　　SiCp/Al材料的表面加工质量在很大程度上由引导光整面的高度和切削用量决定。其高度应小于轮廓微观不平度的平均高度，以减小母体材料的受压弹形变形；其宽度应大于进给量f，以实现重叠连续光整，使已加工表面获得良好的尺寸精度和表面质量。

　　对于不同粒度和体积分数的SiCp/Al材料，存在一个引导光整面优化值。可根据材料粒度和体积分数的不同适当修整引导光整面的几何尺寸。本文推荐的引导光整刀具几何尺寸较适合于切削中等粒度和体积分数的SiCp/Al材料，对于粒度和体积分数过大或过小的材料加工效果稍差。

　　新型引导光整刀具的几何形状较适合直线加工，对于复杂曲面的加工则有其局限性。


 
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图示螺纹特形轴，毛坯为φ58mm×100mm棒材，材料为45钢。数控车削前毛坯已粗车端面、钻好中心孔。

　　1．根据零件图样要求、毛坯情况，确定工艺方案及加工路线

　　1）对细长轴类零件，轴心线为工艺基准，用三爪自定心卡盘夹持φ58mm外圆一头，使工件伸出卡盘175mm，用顶尖顶持另一头，一次装夹完成粗精加工（注：切断时将顶尖退出）。

　　2） 工步顺序

　　① 粗车外圆。基本采用阶梯切削路线，粗车φ56mm、SφS50mm、φ36mm、M30mm各外圆段以及锥长为10mm的圆锥段，留1mm的余量。

　　② 自右向左精车各外圆面：螺纹段右倒角→切削螺纹段外圆φ30mm→车锥长10mm的圆锥→车φ36mm圆柱段→车φ56mm圆柱段。

　　③ 车5mm×φ26mm螺纹退刀槽，倒螺纹段左倒角，车锥长10mm的圆锥以及车5mm×φ34mm的槽。

　　④ 车螺纹。

　　⑤ 自右向左粗车R15mm、R25mm、Sφ50mm、R15mm各圆弧面及30°的圆锥面。

　　⑥ 自右向左精车R15mm、R25mm、Sφ50mm、R15mm各圆弧面及30°的圆锥面。

　　⑦ 切断。

　　2．选择机床设备

　　根据零件图样要求，选用经济型数控车床即可达到要求。故选用CK0630型数控卧式车床。

　　3．选择刀具

　　根据加工要求，选用三把刀具，T01为粗加工刀，选90°外圆车刀，T03为切槽刀，刀宽为3mm，T05为螺纹刀。

　　同时把三把刀在自动换刀刀架上安装好，且都对好刀，把它们的刀偏值输入相应的刀具参数中。

　　4．确定切削用量

　　切削用量的具体数值应根据该机床性能、相关的手册并结合实际经验确定，详见加工程序。

　　5．确定工件坐标系、对刀点和换刀点

　　确定以工件左端面与轴心线的交点O为工件原点，建立XOZ工件坐标系。

　　采用手动试切对刀方法（操作与上面数控车床的对刀方法相同）把点O作为对刀点。换刀点设置在工件坐标系下X70、Z30处。

螺纹特形轴

　　编写程序（该程序用于CK0630车床）

　　按该机床规定的指令代码和程序段格式，把加工零件的全部工艺过程编写成程序清单。该工件的加工程序如下：

　　N0010 G59 X0 Z195
　　N0020 G90
　　N0030 G92 X70 Z30
　　N0040 M03 S450
　　N0050 M06 T01
　　N0060 G00 X57 Z1
　　N0070 G01 X57 Z-170 F80
　　N0080 G00 X58 Z1
　　N0090 G00 X51 Z1
　　N0100 G01 X51 Z-113 F80
　　N0110 G00 X52 Z1
　　N0120 G91
　　N0130 G81 P3
　　N0140 G00 X-5 Z0
　　N0150 G01 X0 Z-63 F80
　　N0160 G00 X0 Z63
　　N0170 G80
　　N0180 G81 P2
　　N0190 G00 X-3 Z0
　　N0200 G01 X0 Z-25 F80
　　N0210 G00 X0 Z25
　　N0220 G80
　　N0230 G90
　　N0240 G00 X31 Z-25
　　N0250 G01 X37 Z-35 F80
　　N0260 G00 X37 Z1
　　N0270 G00 X23 Z-72.5
　　N0280 G00 X26 Z1
　　N0290 G01 X30 Z-2 F60
　　N0300 G01 X30 Z-25 F60
　　N0310 G01 X36 Z-35 F60
　　N0320 G01 X36 Z-63 F60
　　N0330 G00 X56 Z-63
　　N0340 G01 X56 Z-170 F60
　　N0350 G28
　　N0360 G29
　　N0370 M06 T03
　　N0380 M03 S400
　　N0390 G00 X31 Z-25
　　N0400 G01 X26 Z-25 F40
　　N0410 G00 X31 Z-23
　　N0420 G01 X26 Z-23 F40
　　N0430 G00 X30 Z-21
　　N0440 G01 X26 Z-23 F40
　　N0450 G00 X36 Z-35
　　N0460 G01 X26 Z-25 F40
　　N0470 G00 X57 Z-113
　　N0480 G01 X34.5 Z-113 F40
　　N0490 G00 X57 Z-111
　　N0500 G01 X34.5 Z-111 F40
　　N0510 G28
　　N0520 G29
　　N0530 M06 T05
　　N0540 G00 X30 Z2
　　N0550 G91
　　N0560 G33 D30 I27.8 X0.1 P3 Q0
　　N0570 G01 X0 Z1.5
　　N0580 G33 D30 I27.8 X0.1 P3 Q0
　　N0590 G90
　　N0600 G00 X38 Z-45
　　N0610 G03 X32 Z-54 I60 K-54 F40
　　N0620 G02 X42 Z-69 I80 K-54 F40
　　N0630 G03 X42 Z-99 I0 K-84 F40
　　N0640 G03 X36 Z-108 I64 K-108 F40
　　N0650 G00 X48 Z-113
　　N0660 G01 X56 Z-135.4 F60
　　N0670 G00 X56 Z-113
　　N0680 G00 X40 Z-113
　　N0690 G01 X56 Z-135.4 F60
　　N0700 G00 X50 Z-113
　　N0710 G00 X36 Z-113
　　N0720 G01 X56 Z-108 F60
　　N0730 G00 X36 Z-45
　　N0740 G00 X36 Z-45
　　N0750 M03 S800
　　N0760 G03 X30 Z-54 I60 K-54 F40
　　N0770 G03 X40 Z-69 I80 K-54 F40
　　N0780 G02 X40 Z-99 I0 K-84 F40
　　N0790 G03 X34 Z-108 I64 K-108 F40
　　N0800 G01 X34 Z-113 F40
　　N0810 G01 X56 Z-135.4 F40
　　N0820 G28
　　N0830 G29
　　N0840 M06 T03
　　N0850 M03 S400
　　N0860 G00 X57 Z-168
　　N0870 G01 X0 Z-168 F40
　　N0880 G28
　　N0890 G29
　　N0900 M05
　　N0910 M02



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一、前言

　 　精密和半精密磨削钛合金时，由于钛合金的材料特性造成了其磨削困难。这主要是以下几方面的原因：(1)钛及钛合金材料导热、导温系数小，仅为铝及铝合金 热导率的1/15，钢热导率的1/5。低的导热、导温率使其在磨削加工中，磨削热不易散发，还会产生加工粘结现象。(2)钛及钛合金在高温时化学活性高， 由于磨削温度高，磨屑易于空气中的氧、氮等元素发生化学反应形成，加快砂轮的磨损。摩擦系数大，弹性模量小，屈服强度比大，这种特性会使加工零件表面产生 较大的回弹变形，从而造成磨削力大，并影响加工精度。

　　由于钛合金具有化学活性高、粘、韧等特点，加上磨粒磨削点局部高温和压力作用， 磨粒和金属表面会因亲和力而发生物理性粘结。钛合金磨削过程中的粘附问题将使砂轮加快损耗，影响工件的加工表面质量，而且造成了钛合金磨削力的大小不仅取 决于切削工件材料产生的力，而且取决于粘附到工作磨粒上的钛合金材料与工件表面相互接触产生的力。

　　针对以上对钛合金精密和半精密磨削中存在问题，采用液氮作为冷却介质，降低钛合金的磨削温度，改变其材料性质，减少钛合金在磨削过程中的粘附现象，并从磨削力随磨削深度的变化趋势及钛合金磨削机理等方面，研究了低温对钛合金磨削的影响。

a)18℃冲击断口

b)-40℃冲击断口

c)-196℃冲击断口
图1 不同温度下钛合金冲击断口微观表面形貌

　　二、钛合金(TC4)低温性能的研究

　 　为了研究钛合金的低温加工性能，进行了钛合金低温性能实验。实验结果表明，随着温度降低，钛合金的硬度和脆性增加，冲击韧性降低。图1为不同温度下钛合 金的冲击断口微观表面形貌照片。当温度由室温降至液氮温度(-196℃)时，其断裂表面形貌由塑性韧窝状断口向脆性解理状断口转变。由此可知，如使磨削处 于低温状态，可以使钛合金的塑性降低，增加其脆性，从而使其适合于磨削。

　　三、低温磨削实验装置与实验条件

　　实验采 用的方法原理如图2所示。试件装夹在KISTLER三向压电晶体测力仪上，液氮喷嘴将液氮直接喷射入磨削区。由此，磨削过程中产生的力的信号经电荷放大器 转变为放大的电压信号，然后经A/D数据采集卡转变为数字信号输入计算机，最后对所采集的数据进行计算机处理，在本实验中主要测量钛合金磨削过程中所产生 的法向力Fn与切向力Ft。

图2 低温磨削钛合金实验装置原理

　　实验条件

　　磨床：MM7120A精密平面磨床

　　砂轮：W10铁基结合剂 CBN砂轮

　　砂轮最大线速度：Vs=14m/s

　　进给速度：Vw=5.8m/min

　　磨削工艺：干磨、ELID磨削、ELID结合液氮喷雾冷却低温磨削

　 　实验过程中，采用两种不同的磨削工艺方法，对钛合金磨削过程中所产生的磨削力Fn、Ft进行测量，W10铁基结合剂CBN砂轮采用电火花方法整形，并应 用ELID技术进行在线电解预修锐。通过比较两种不同磨削工艺条件下，钛合金磨削力随磨削深度变化的趋势及大小，以及对不同磨削工艺条件下所磨工件表面进 行微观形貌分析，可以看出低温对钛合金磨削的影响，推断出不同磨削工艺条件下的钛合金粘附，并据此判断低温磨削钛合金的磨削效果。

　　四、实验结果与分析

　　图3 为在不同磨削工艺条件下测得的磨削力Fn、Ft与磨削深度变化曲线。由图中可以看出，在低温条件下采用ELID磨削钛合金能够有效地降低磨削法向力Fn与切向力Fn，其原因为：

图3 不同工艺条件下磨削力随磨削深度的变化曲线

　　磨粒切削材料的过程可大致分为弹性变形、塑性变形及切屑形成三个阶段，这样在低温条件下，由于钛合金的硬度与低温脆性有所增加，而且其断口形态有从韧窝状向解理性脆断转化的趋势，由此，在低温条件下，磨粒与工件的滑擦与耕犁过程减小，从而减小了钛合金的磨削力；

　　在低温条件下， 能够显著降低磨削区的温度， 这样就使钛合金粘附现象产生的必要条件如局部高温等不复存在，因此磨粒和金属表面的亲和力降低，不会与砂轮发生物理性粘结，粘附率降低，磨削力减小；

　 　采用常规方法磨削钛合金，由于钛为活泼的金属元素，并且磨削区温度高，从而造成钛合金新鲜磨削表面在大气中与氧作用，氧扩散到钛合金表层中，造成所谓的 污染层。氧扩散会在被磨表面上形成钛的氧化物TiO2、Ti2O3或氧在a-Ti中的固溶体。氧扩散到钛合金表层后，造成钛合金微薄表层的硬度和强度增 加，塑性下降，其结果使磨削力增大，加剧砂轮的磨损。而采用喷射式低温磨削装置，能够使磨削处于隋性气体保护下进行，这样就避免了上述常规磨削的缺点，从 而使磨削力降低，工件表面的磨削质量提高；

　　在低温条件下结合线修整(ELID)磨削技术能够长时间保持磨粒的锋锐性，增加砂轮的容屑空间，避免砂轮堵塞，从此方面来说亦可减小钛合金的磨削力。

　　五、结论

　　液氮喷雾式低温ELID磨削钛合金能够有效地降低钛合金磨削力及磨削区温度，从而使砂轮表面钛合金粘附明显减小。

　　采用喷雾式低温磨削装置使钛合金磨削处于惰性气体保护氛围，减少了钛合金表层污染。

　　以液氮取代钛合金磨削液，对周边环境及操作者没有污染与伤害，有利于实现绿色制造。



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 　粗铣加工的目标是以最短的时间从工件上切除尽可能多的金属材料。虽然材料去除率的大小主要取决于加工机床的有效功率（马力），但是，通过采用径向减薄切屑厚度的方法，即使在一台小功率的机床上，仍然可以实现生产率的最大化和保持加工要求的切削条件。

　　径向切屑减薄（radial chip thinning）是铣削所采用的径向切削宽度（WOC）ae小于铣刀直径的25％时所产生的一种效应。随着径向切削宽度的减小，基于设计每齿进给量fz的切屑厚度也将随之变薄，从而导致实际每齿进给量fz减小，而fz的减小会使刀具与工件表面发生刮擦而无法切入工件，因此当径向切深减小时需要增大每齿进给量fz。采用减薄径向切屑厚度的高进给铣削方式（见图1）可以缩短加工时间，延长刀具寿命。

图1 减薄切屑的高进给粗铣加工

　　刀具主偏角的变化

　　刀具的主偏角是实现切屑减薄最重要的因素。当采用较平的刀具主偏角χ时，刀具以90°主偏角开始切入，随着切削的进行，主偏角逐渐减小，切屑厚度h也随之减小。

　　在加工某一类特定的工件材料时，为了获得最佳的切屑厚度，需要采用不同的切削参数。编制CNC加工程序时需要输入的每齿进给量可用以下公式计算：fz＝h/sink。针对某一类工件材料给出的h值有一个数值范围，其中较小的数值为切削始点的切屑厚度值。在机床功率达50hp的加工中心上铣削加工铝或非铁族合金时，推荐的切屑厚度范围为h＝0.002″-0.003″（0.051-0.076mm）；加工不锈钢、铝合金和耐热超级合金时，推荐的切屑厚度范围为h＝0.003″-0.006″（0.076-0.152mm）；加工钢、铸铁和球墨铸铁时，推荐的切屑厚度范围为h＝0.006″- 0.010″（0.152-0.254mm）。如果采用大于推荐值的切屑厚度，则要冒刀片过载和切削刃崩损的风险。

　　无论刀具主偏角为90°、60°、45°、30°或更小，切屑厚度将始终保持不变，只有圆形铣刀或纽扣铣刀所使用的圆刀片例外（见图2）。由于圆刀片的顶部无几何刃型，加之倒棱极小，因此其切削刃的强度最高。

ap—切削深度 b—切屑长度 fz—每齿进给量 h—切屑厚度 r—半径 k—主偏角
图2 具有不同主偏角（90°-30°）的刀片切削截面形状（图右为圆刀片）

　　与直刃刀片不同的是，圆刀片切出的切屑厚度将随着切削深度的增加而增大。因此，可采用平均切屑厚度hm来表示圆刀片的切削厚度。hm值是根据通过刀具直径的圆刀片与工件径向接合处的切屑厚度来确定的。对于不同类型的工件材料，典型的hm值选取范围与上述h值的选取范围相同。

　　将一种圆刀片（RDMT2006）与一种90°刀片（ADMT1606）的切削情况作一比较。如果两种刀片采用相同的切削深度和每齿进给量进行切削，则它们切除的切屑量也完全相同。但是，如果当切削深度为圆刀片内切圆（IC）的1/2时，圆刀片的切屑厚度将减薄30%，这是因为圆刀片与工件径向接合的切削刃较长的缘故（见图3）。换言之，如果圆刀片和90°刀片各自切除的切屑量相等，而圆刀片切削产生的切屑长度比90°刀片长约50%，则圆刀片切出的切屑厚度必然会大幅度减薄。此时，如果进给量保持不变，而切削深度减小至等于纽扣铣刀内切圆的25%，则在切屑量相等的情况下，纽扣铣刀切出的切屑厚度将减薄50%。为了达到通过减薄切屑厚度来提高生产率的目的，选取的最大切削深度应为圆刀片内切圆的20%-25%。

ap—切削深度 fz—每齿进给量 h—切屑厚度 r—半径 k—主偏角
图3 圆刀片（RDMT2006）与直刃刀片（ADMT1606的切屑厚度对比）

apmax—最大切削深度 ap—切削深度 k—主偏角
图4 在仿形铣削中，当切削深度变浅时，主偏角随之变平

　　进给率的提高

　　由于切屑厚度随着切削深度的变浅而减薄，因此，为了获得高水平的加工生产率，需要通过提高进给率来补偿较小的切削深度。无论是使用圆刀片或是小主偏角的铣刀，均可利用切屑减薄效应来实现高进给率铣削，这是因为随着圆刀片切削深度变浅，主偏角也随之变平（见图4）。因此，在确定输入CNC加工程序的每齿进给量时，将变量平均切屑厚度hm和主偏角kχ代入计算公式fz＝hm/sink中，进给率可获得大幅度提高（可增加 1倍）。

　　为确定纽扣铣刀的有效主偏角，可用以下公式计算：tank=ap/（ICeff/2）k=有效主偏角（式中ICeff为有效内切圆）。

　　需要注意，当切入角为90°时，输入加工程序的每齿进给量与切屑厚度是相等的。如果减小主偏角，切屑量仍将保持不变，但刀具切削刃与工件的接合长度会增大，由此产生的切屑厚度将小于程序设定值，但切屑会变长。在切削深度小于圆刀片半径的情况下，为了将切屑厚度增大到程序设定值，则需要提高刀具进给率的编程设定值。因此，虽然圆刀片产生的切屑与主偏角为90°的直刃刀片所切除的切屑厚度相同，但纽扣铣刀切除工件材料的进给率却要高得多。

　　当然，为了切除一定量的工件材料，对加工机床的功率也有一定的要求。如果刀具的进给率提高1倍，则加工机床的功率也需要增大1倍。

　　在粗铣加工中，采用90°主偏角的铣刀对于提高加工生产率最为不利，但这种铣刀却比较适合加工90°的台肩，因为它不需要二次走刀进行清根作业。有些加工车间为了减少所用刀具的种类，主要采用90°直刃铣刀进行铣削加工。在其它情况下，这种铣刀并非必需。

　　在切削深度保持不变的情况下，圆刀片越小，其加工效率也越低，这是由于小刀片的主偏角较大，将其代入每齿进给量计算公式得出的设定进给率也较小。此外，当圆刀片的切削深度增大时，其加工效率也会降低。因此，当一把纽扣铣刀采用等于其内切圆的50%（IC/2）的切削深度（可能采用的最大切深）进行铣削加工时，它切出的切屑厚度与加工程序设定的每齿进给量完全相等，且其加工效率与使用45°主偏角的直刃铣刀相同。但是，如果该纽扣铣刀的圆刀片有4个切削刃，则它的加工成本/效率（cost-effective）比使用45°双面刀片要高，因为45°双面刀片共有8个切削刃（纽扣刀片只在单面有切削刃，而45°双面刀片两面均有切削刃）。

　　使用圆刀片获得切屑减薄效应的限制因素之一是切削深度。最大的标准圆刀片直径约为0.800″（20mm），因此进行高速铣削时的最大切削深度为0.200″（5mm）——或许可达到0.250″（6.35mm）。虽然45°直刃铣刀可以更大的切削深度进行铣削，但纽扣铣刀可在粗铣加工编程时采用二次走刀（如果需要的话）实现比其它刀具一次走刀更高的切削效率。

　　采用切屑减薄技术进行加工时，如果生成的切屑过薄，刀具与工件表面就会发生刮擦现象。例如，用大倒棱刀片以极低的每齿进给率进行切削时，切屑难以正常成形，也无法顺畅流动。

　　切削力方向的变化

　　当刀具主偏角变平、切屑减薄时，切削力的方向也会发生变化。例如，用45°主偏角的铣刀进行切削时，轴向切削力与径向切削力大小相等。由于径向切削力会引起刀具偏斜和振颤；而轴向切削力作用于机床主轴方向，可使加工过程较少受到破坏性振动的影响。因此，使用主偏角较小的刀具所产生的切削力主要为轴向切削力，对保持加工过程的稳定性比较有利。

　　综上所述，对于以在最短时间内切除最多工件材料为目标的粗铣加工而言，通过减小刀具主偏角和采用较小的切削深度，可以实现切屑减薄效应，大幅度提高刀具的进给率，从而显著提升粗铣加工效率。
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