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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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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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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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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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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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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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