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在高強度或高硬度金屬材料的切削加工性很差，切削時或者刀具壽命縮短，或者卷屑、斷屑困難，或者加工表面品質差，或者這幾種現象兼而有之，故這類材料稱為難加工金屬材料。切削加工中常遇到的難加工金屬材料有不銹鋼、鈦合金、高溫合金、高強度鋼和高錳鋼等。

材料難切削主要因素:

1. 材料中含有硬度高成分
2. 硬度或高溫硬度高，加工硬化大
3. 導熱性差、切削溫度高
4. 材料強度大，特別是高溫強度大
5. 易與刀具黏接
6. 化學活性大

難切削材切削加工原則:

1. 選用合理的刀具材料
   切削刀具需與難切削材化學親和力小，導熱性好、抗變強度高、熱硬性好、耐磨耗及散熱性好…。常見適合刀具有PCD材質刀具(聚晶鑽石刀具)、鍍層硬質合金刀具、PCBN刀具…。
2. 改善切削條件
   • 機床-夾具-刀具的系統剛性要好。機床各部分間隙要調整好，主軸的徑向跳動要小。夾具裝夾工件要牢固，要有足夠剛性。
   • 要保持刀刃鋒利，以保證排屑流暢，避免粘屑崩刃。
3. 選擇合理的切削用量
   選擇合理的切削用量。因為切削速度對切削刃的溫度影響很大，切削速度越高，則切削刃溫度劇增，切削刃溫度的高低直接影響著刀具的壽命，所以要選擇合適的切削速度。
4. 對被加工材料進行適當的熱處理
   通過熱處理來改變難切削材的性能和晶相組織，達到改善材料切削加工性的目的。
5. 合理設計刀具結構及刀具幾何參數
6. 選用適當的切削液和供液方法
7. 採用振動切削、等離子弧加熱切削等新工藝或電火花加工、電解加工等特種加工方法。

※在切削加工中，主軸轉數與切削速度及加工深度之間調整應對是很重要，其中考量面相可以下列三種為考量模式:

1. 刀具磨損
2. 主軸損耗
3. 床台損耗

加工速度雖為作業基本要求，但就遠觀維修成本考量下，機台主軸維修最為昂貴，床台損耗維修次之，應該特別避免主軸損害，建議主軸轉數應維持在可接受轉數為宜(若主軸轉數過大時，會造成機台加工聲音過大，此時就應該調整主軸速度)，而切削速度快則加工深度吃淺為宜；反之，若切削速度放慢則可加工深度吃深。因應切削工件切削特性再控制好切削速度與加工深度，在刀具正常磨損下，刀具壽命就能維持。

參考資料來源:
　　鈦合金的超高速切削 平原大學 劉莉莉 著
　　鈦合金材料的機械加工工藝綜述 李樹俠 朴松花 著
　　難加工金屬材料的切削http://www.hudong.com/wiki/

碧威為專業的刀具,銑刀,鎢鋼,切削刀具製造商，致力於製造優秀的產品，在客製化刀具方面的經驗十分豐富，並擅於幫助客戶解決各式各樣之刀具切削面臨之問題，對各種刀具材質切削刀具鍍模都非常瞭解透徹，可選用常見的鎢鋼及高速鋼或是近來詢問度極高的鑽石刀具。

碧威銑刀熱門產品為圓鋸片、鎢鋼刀、鋸片、木工鋸片、鎢鋼刀具及側銑刀。

機械類則有對刀具加工非常有幫助的冷風槍、渦流管槍，並有最新設計和技術的粉末成型機。

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在銑削加工中，顫振是一種由刀具振動引起的加工不穩定現象，它會在工件表面留下顫振刀痕，而當刀具再次經過這些刀痕時，就會引起更大的振動， 在工件表面產生更深的刀痕，造成工件表面的波浪形和較大的粗糙度，並且加速刀具的磨耗 。如此惡性循環，終極會導致刀具或工件損壞。

機械振動:

自由振動

物體在外力撤銷後暗自身固頻率進行振動，由於阻尼的存在振幅逐漸減小而停止。

強制振動

有外力的作用且振動頻率跟激勵頻率一致。這是在斷續切削而導致的強制振動或者是因轉動零 件有瑕玼而造成的振動，一般常見常見的如軸承的損壞而造成的異音或齒輪嚙合不佳以及工件夾持不佳、主軸擺 幅過大 等現象皆屬此類。這類問題中，斷續車削屬於加工技術問題，而零件瑕玼即大部份來自於工具機的裝配 技術及其關鍵零組件的品質控制，而且也與機台結構設計理念 有關。其特徵為振動的特性與轉數的大小有直接 的關聯。

自激振動

這是因為切削加工時具有週期性的工作凹凸不平特性造成週期相位的少許錯 開而又反覆重疊的再生效果所產生的影響一般又可稱之為“共振” (Resonance)，其主因來自於工具機結構的自 然頻率受到激發或者是工件夾持系統的自頻率過低而受到激發所引起。由於結構的自然頻率只隨夾持或固定 方 式的改變而改變，因此振刀發生時，改變切削條件（如改變轉速）往往以改善切削振動，然 而在某些無法改變切削速度的場合（如攻牙或某些材質的切削），往往只有借助於夾持方式 的變更，甚至於改變刀具或刀具固定方 式才能解決這類問題。

抑制振刀的對策:

將主軸轉速、進給量、切削寬度以及刀具角度等切削參數適當調整,即可抑制顫振的發生。其中 最為突出的是改變主軸轉速的變速切削,對顫振的抑制效果顯著。因為機床整體結構的復雜性，控制顫振的理想 手段應該 可以從其局部部件著手,包括對機床床身、立柱等基礎部件的改進,以提高機床的抗振性能，也可以對 機床的刀具結構進行必要的改進。

依據研究所得的振刀原理，目前應用於加工現場中有一些比較具體而實用的方法：

1. 儘量選擇切削阻抗較小的一切條件，亦即最適當的刀具進給速率與切削速度（或主軸轉速）。
2. 調整切削速度以避開共振。
3. 減輕造成振動的部份的工作重量，慣性越小越好。
4. 針對振動最大的地方予以固定或夾持，如中心架、工作保持器等。
5. 提高加工系統的剛性，例如使用彈性係數較高的刀柄或使用加入動態減振器(Dynamic Damper)的特抗震力，以吸收衝擊能量。
6. 從刀片與工作旋轉方向下功夫。
7. 改變刀具的外型與進角。

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碧威銑刀熱門產品為圓鋸片、鎢鋼刀、鋸片、木工鋸片、鎢鋼刀具及側銑刀。

機械類則有對刀具加工非常有幫助的冷風槍、渦流管槍，並有最新設計和技術的粉末成型機。

碧威是在刀具製造及機械工具業界中具有足夠水準的製造供應商!

Bewise Inc., being a professional manufacturer of various cutting tools, is endeavoring to make excellent products. We are very experienced in custom-made tools, and good at solving customers’ problems when they meet difficulties and troubles. Through everlasting research and practices, we understand thoroughly about different materials of cutters and cutting tools.

BW’s popular products for tool series including circular saw, carbide cutting tool, saw blade, wood saw blade, special tool,side milling cutter, …etc; For machines we have spiral tube cooler, cutter grinder, and the latest design and advanced powder forming machine / pelletizer. Bewise is a superior manufacturer and supplier of cutter production and machinery industry.

一般粗銑刀減少了切削變形，由原來的寬帶切屑分割成數條較窄的切屑，使得銑削過程中切屑的形 成捲曲和排屑情況得以改善，隨之降低了切削抗力，粗銑刀之外周刃為波浪形，由於切屑很細就會斷裂 ，切削抵抗會很小，加工面會呈凹凸不平狀，因此可從事進給大之重切削(粗加工)。

但由於切削振動很大，刀具和機器之接合部很容易變成很粗糙(摩擦腐蝕) ，因此應避免使用於高精 度之機器。特別是乾切削的時候，由於刀具很容易具有高熱，因此應將切削速度降低10至20％左右，以增長刀具壽命。

一般粗銑刀主要是分屑

降低切削力，便與排屑，用於粗加工，基本無特定的加工物件材料。

波浪槽型銑刀多應用於粗中加工上

在粗加工時，針對軟材加工(銅、鋁…)時(吃深排屑量多)，因波浪槽型銑刀排屑槽比一般粗銑刀大，在作切削加工時，可以大量排屑，但對於硬材加工時(吃淺排屑量小)，不要求排屑量時，優勢亦無法凸顯，波浪槽型銑刀也只針對某些材料加工具良好效果，在用於形成刃間的相對切屑厚度不同，可以消除再生顫振，可用於一些難加工材料，特別是鈦合金。

良好4刃波浪槽型銑刀，其各刃波峰波谷區域位置設計不一(錯開)及同一波浪高度(在加工不造成振刀範圍內，角度約可差1-2度)，以達加工省力及延長壽命之目的。但此波浪銑刀製作工序繁複且易磨耗砂輪，對於加工機台損也耗大，相對成本較高，考慮成本上，多數工廠粗加工仍以一般粗銑刀為主。

波浪槽型銑刀優點

1. 切屑容易變形折斷。切削不但有縱向變形，還有橫向變形，所以容易斷屑。
2. 實際切削刃增長，便於散熱，減低切削力
3. 切屑與前刀面粘附力小
4. 切削平穩。在同一斷面上，它相當於不等齒結構，每條刃波峰波谷，錯開，避免週期性振動。
5. 可用於精加工。它刃口每一點都處於同一圓柱的表面，因此可用於精加工。

高效的切削技術和刀具已成為汽車製造業的基礎工藝和關鍵技術。高速切削、幹切削、硬切削等新的切削工藝正在改變傳統的加工工藝，顯現出強大的影響力。汽車工業是專用刀具應用繁多的行業，目前汽車製造業的機械加工所使用的刀具主要是超硬刀具材料，汽車工業一般常見加工如下:

在汽車零件加工方面

曲軸的粗加工

曲軸的金屬加工工藝流程為：銑端面、定總長、鑽品質中心孔、車大小端外圓→銑主軸頸及軸肩→銑連杆頸及軸肩→車拉主軸頸及沉槽→車拉連杆頸及沉槽→槍鑽油 孔→清洗→圓角滾壓→法蘭鑽孔攻絲→精磨主軸頸（CBN）→精磨連杆頸（CBN）→斜切磨小端→斜切磨法蘭端→車滾止推面、銑鍵槽→動平衡→砂帶拋光主 軸、連杆及法蘭外徑→清洗、冷卻→檢測分類。

平面銑削的應用

可轉位面銑刀在現代汽車製造業中，平面銑削的應用極為普遍。選用高硬度、高強度的刀具材料，再進行適當塗層，是延長刀具壽命的首要措施。同時，改進刀具幾何形狀也是增加刀具壽命的重要手段，在汽車製造業中，鑄鐵的銑削加工是一個重要課題。包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵在內的各種合金鑄鐵有著不同的加工特性，因此，對銑刀幾何角度的優化改進十分重要。

孔加工刀具

在孔加工中，目前仍大量使用高速鋼麻花鑽，但各企業之間在孔加工精度和加工效率方面已逐漸拉開差距。高速切削鑽頭的材料以陶瓷塗層硬質合金為主，在各種塗層鑽頭中，陶瓷塗層硬質合金鑽頭特別重視耐磨性、耐熱性及潤滑性，其塗層工藝也採取多層塗覆方式，如利用TiAlN、TiN、TiCN等複合氮化物形成複合塗層結構。鑽頭的切削正不斷高速化，隨著被加工材料的不同，切削速度已可分別達到200～300m/min。

今後的發展趨勢是，將普遍採用高速(超高速)乾式切削技術。採用超硬材料製作的各類刀具、複合 (組合)或各類高速切削刀具的結構設計與製造技術將成為刀具品種發展的主導技術。其中無屑加工工藝的搓、擠、滾壓成形類刀具的應用將會更加廣泛；超硬刀具材料發展會更快，應用領域會更加擴大。

參考資訊來源:www.autooo.net/utf8-classid130-id6800.html
http://info.qipei.hc360.com/2012/02/150835435162-5.shtml

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燒結碳化物(碳化鎢、鎢鋼)有兩等級

一為純碳化物類及抗陷穴類。純碳化物只包含碳化物和鈷，強度及耐磨特性最好，任何其他物質加入均將減少其強度及耐磨性，通常用來切削鑄鐵及非鐵金屬材料。但純碳化物不耐高溫，在高熱下鋼屑易沾黏在刀面上，使刀面因擴散作用形成凹陷。而加入碳化鉭及碳化鈦之碳化物，因這兩成分熔點高於碳化鎢，故抗高溫性也相對提高，相對的強度及耐磨特性較純碳化物低。

鎢鋼材質特性:

鎢鋼材質刀具適性:

參考資訊來源:刀具設計 黃榮文 著

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工件受刀具之切削後，內部產生了塑性變形，其塑性流動程度之大小直接影響了切屑的形態。一般切屑的基本形態有：不連續切屑、連續切屑和積屑刀口的連續切屑等3種。

切削刀具的製造過程 :

Polycrystalline diamond (PCD) complex material is made by mixing fine diamond particles of micron grade, Co, Ni, and other metal powder under high pressure and high temperature, which is a new advanced cutter material sintered on WC substrate. There are many superior benefits of PCD complex, not only high hardness, wear resistance, thermal conductivity, low friction, low thermal expansion, but also with excellent strength and toughness. It has conductivity, so it can be cut by wire electrical discharging machine into required cutting edge. Then we weld the blade on the cutter body and grind it into PCD cutter.

Bewise Inc. is an professional cutter manufacturer. We are experienced in researching wood cutting tool. Now we develop a new series PCD diamond cutter specialized in groove wood flooring which may improve the accuracy and stability of groove a lot. Wood floor factories focus on cutting efficiency and roughness of surface.

Hence, BW present this new PCD diamond cutter to prolong the tool life, and we enforce the efficiency for floor grooving to fit European and America customers’ strict request under their temperature range, 30 – 40 degree. Our cutter may make your floor products precise, easy to install, and shorten your installing time.

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刀具磨耗在切削時熱和摩擦所產生的物理作用和化學作用的綜合結果。刀具由開始 切削達到刀具壽命依據以前所經過的切削時間稱為刀具壽命，刀具壽命依據一般採用刀具磨損量的某個預定值，也可以把某一現象的出現作為判斷依據，如振動激化、加工表面粗糙度惡化，斷屑不良和崩刃等。達到刀具壽命後，應將刀具重磨、轉位或廢棄。切削過程中刀具的刀頭部位因不斷地受到很大的作用力、高溫和激烈的摩擦作用而磨損，等磨損到某一程度時刀具即無法再勝任原有的切削功能，稱此段堪用的時間稱為刀具總壽命。

生產中 常根據加工條件，按最低生產成本或最高生產率原則，來確定刀具壽命和擬定工時定額。影響刀具壽命因素很多且複雜，

其中可判斷影響主要因素:

1. 刀具材料與工件材料之配合情形
2. 切削速度
3. 切削厚度
4. 切削寬度

切削速度增加，可使工件加工時間縮短，且加工面精度較佳，但刀具的磨耗速率卻會增加，亦即刀具壽命會縮短。刀具壽命和切削速度之間相互制約的經驗公式為

VTⁿ = C

• T:刀具實際使用的切削時間(min)
• V:為切削速度(m/min)
• N: 常數 (刀具材料、工件材料與切削條件有關)
• C:常數 (指刀具壽命為一分鐘時的切削速度)

刀具的磨損包括磨耗和破損

1. 刀具破損通常是突然發生，產生的原因有：

1. 刀具幾何形狀不當
2. 切削負荷過大
3. 顫動或振動的衝擊作用
4. 切削溫度超過其高溫硬度的極限
5. 刀具本身即存在微裂縫的瑕疵等

2.造成刀具磨耗的主要原因有：

1. 熔著
2. 刮除
3. 擴散

常見刀具磨損

1. 凹陷磨耗(Cater wear)
2. 熱變形(Thermal deformation)
3. 熱龜裂(Thermal cracking)
4. 刀鼻磨耗(Nose wear)
5. 深切凹口(Depth of cut notching)

刀具磨損過程

1. 初期磨損：
   此階段磨損因刀具讓面微觀粗糙不瓶，於切削作用下微觀突起先被磨平，隨之讓面被磨出一磨損帶，此後壓力減少，磨損速度趨於穩定。
2. 正常磨損：
   刀具讓面磨損寬度隨切削時間增長而均勻增加，磨損狀況較穩定，此階段為刀具加工之有效期，刀具應在此範圍內使用。
3. 劇烈磨損：
   此階段刀具變鈍，切削力增大，切削溫度上升，刀具很快失去切削能力，刀具磨損達此階段時，刀具材料損耗過大，刀具使用時應盡量避免到此階段。

參考文獻:

。德霖學報「第二十一期」刀具磨耗考量下之數控削參數最佳化研究 藍天雄 著
。機械工業雜誌 291期 刀具破損之探討 馬寧元及李新中 著

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超硬薄膜被覆:

在硬質合金表面以TiC,TiN,TiCN,Al2O3…等硬質陶瓷被覆數μm者，可以比WC系超硬合金更高的速度使用，也可比陶瓷更高的進刀量切削。其被覆方式有CVD法(化學蒸著法)及PVD法(物理蒸著法)。

被覆方式:

鍍層薄膜被覆材需求特性:

1. 硬度
2. 耐磨耗
3. 那熔著性
4. 耐氧化性
5. 耐蝕性
6. 韌性
7. 疲勞強度
8. 耐熱疲勞性
9. 耐剝離

刀具常見鍍層薄膜特性應用:

鍍層如同刀具之盔甲，具有強大的防護、耐酸、耐氧化抗磨耗等特性，可大幅增加刀具的壽命，使工件表面品質提昇，增進製造效率與品質優良率。

塗層處理必須適材適性，才能在使用的條件件下發揮高性能，故要了解各鍍層特性，然後再應用於切削刀具上達到更好效果。

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銑削加工是最常見應用範圍最廣的加工方式之一，對於各種不同的結構的結構零件的粗銑或精銑大都是以端銑來完成，依切削作用發生時，切削刃的運動方向與工件運動方向相反或相同，而區分為逆銑與順銑兩種。

逆銑:

銑削方向與進給為相反方向(milling against the feed)稱為逆銑;由於切屑是由下向上產生(由薄變厚)，故又稱向上銑削(up milling);因傳統加工銑切方是多採此方式所以也稱傳統銑削(conventional milling)。

逆銑特點：

1. 切屑由薄而厚，銑刀受力始輕末重，可避免刀具受衝擊而斷裂。
2. 適合銑削鑄件黑皮面。
3. 可用於舊式銑床，不產生螺桿無效間隙運動。
4. 摩擦多，刀口易鈍、壽命短。
5. 易震刀、加工面較粗糙、加工精度較差。
6. 裝置不易，不適合銑削薄件。
7. 消耗能量較多。

順銑：

銑削方向與進給方向同向(milling with the feed)稱為順銑;因切削作用是由工件未加工面向下發生(切屑由厚變薄)故又稱向下銑削(down milling)或爬銑(climb milling)。

順銑特點:

1. 切屑由厚而薄，銑刀受力始重末輕，易生衝擊而使刀刃斷裂。
2. 不適合銑削鑄件、鍛件和銑削表面具有鱗皮之工件。
3. 銑床須有間隙消除裝置，否則易產生螺桿無效間隙運動。
4. 加工時摩擦較少，銑刀刃口壽命較長。
5. 夾持容易，無震動，加工面精度較高。
6. 裝置容易，適合銑削長薄型工件。
7. 進給消耗功率少。

在大部分銑削加工情況下，除了鑄件的第一次銑切及無螺隙削除裝置的老式銑床需使用逆銑外，順銑加工效果會比逆銑好。

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要有良好的加工效果，除了要好且正確刀具外，在操作方式更是技術更該重視!

以下介紹CNC機台切削加工操作主要影響因素及常見切削數據。

	介紹	公式
切削數度V(m/min)	銑刀刀尖切削工件的速度 。這些由銑刀直徑和銑刀每分鐘轉數決定。		V=切削速度(m/min) D=銑刀直徑(mm) N=銑刀一分鐘轉速(min-1)
進給數度F(mm/min)	銑刀的進給速度為相對轉 軸工件進給(移動)的速度。銑刀切削時，銑刀刃是 多數，基本考量上，每一刃進給量很重要。		F=每分鐘進給速度 z=刃數 f=每一刃進給量
切削深度a(mm)	切削深度是銑刀刀尖吃進 工件的厚度。在銑刀加工，為求加工效率，會加深切削深度，但加深過深時，會損耗銑刀縮短壽命。採每刃進給量 切削深度量為佳。一起加大進給量和切深量為不宜。	--	--
每一刃近給量 f(mm/刃)	即一次只用一片切刃進行切削。	--	--
切削寬度b(mm)	銑刀切削一回，切削工件的寬度。切削時，也會因銑刀直徑、刃數和切削寬度大小關係而 發生震動。	--	--

切削速度:

每邊進給量:

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微小徑切削刀具的製備工藝是制約微細切削技術發展的難點之一。精密微細機械磨削和電火花線電極磨削（WEDG）、聚焦離子束濺射（FIB）等特種加工方法是目前主要的微細刀具製備技術。

（1）精密微小磨削工藝

磨削工藝是比較成熟的刀具製備和修整方法。微小刀具的精密磨削工藝主要採用金剛石砂輪，能夠實現高速鋼和硬質合金材料的高效成形。該工藝的要點是：為防止小直徑刀具折斷，應合理確定刃磨時的磨削壓力。通過對砂輪施加振動，可以顯著減小磨削力和最小成形直徑。

精密微小磨削工藝在一定程度上可以滿足微小切削刀具的製備要求，但受磨削力的影響，能夠穩定獲得的刀具最小直徑受到侷限。另外，刃磨工藝容易造成刀具表面劃痕和刃口缺陷，將直接影響加工表面質量和精度水平；磨削熱應力容易引起刀具表層微觀結構的變化；微小立銑刀的同心度和直徑偏離等製造誤差有可能大於微細切削的單齒進給量，成形精度有待提高。

（2）電火花線電極磨削工藝

電火花線電極磨削（WEDG）工藝的材料蝕除機理與普通電火花加工相同，電極和工件的運動原理為：線狀電極在導向器上連續移動，導向器沿工件徑向作微進給，而工件隨主軸旋轉的同時作軸向進給。該運動方式的主要優點是：線電極與工件之間為點接觸，容易實現微能放電；線電極始終沿導向器勻速運動，可以忽略線電極損耗對加工精度的影響。

通過控制工件的旋轉與分度，配合軸向的精密進給控制，WEDG工藝可以加工圓柱、圓錐、棱柱、螺旋槽、平面等多種截面形狀。該方法的主要優點是：刀具成形過程中無機械力作用，成形的尺寸精度和形狀精度較高，為微細刀具製備提供了一種有效方法。

（3）聚焦離子束濺射工藝

聚焦離子束濺射工藝是一種顯微加工技術，同樣可以用於微細刀具的製備，其基本原理為：選擇原子量較大的液態金屬鎵（原子量為69.72，其原子質量遠遠大於電子的質量）作為離子源，在離子柱頂端施加高密度的電場，形成數十keV的高能離子束，通過靜電透鏡將離子束聚焦為亞微米直徑的斑點，然後控制聚焦後的鎵離子束對工件進行轟擊，將鎵離子的動量傳遞給工件中的原子或分子，產生濺射效應從而實現材料的去除。通常每個入射鎵離子可以去除3～5個工件原子，可以精確控制材料的去除量。利用聚焦離子束濺射工藝，可以對硬質合金、高速鋼、單晶金剛石等材料進行顯微加工。

與精密磨削相比，基於聚焦離子束濺射的刀具成形過程沒有機械力的作用，刀具在製造過程中不會破損，能夠製備出具有極小特徵尺寸的微細刀具。

（4）激光加工工藝

為了克服聚焦離子束濺射工藝成形效率較低的問題，德國卡爾斯魯厄大學對採用激光加工工藝進行微小刀具製備進行了探索。該工藝同樣無機械力作用，加工過程中無振動，刀具不產生變形，加工成本較低。目前存在的問題是成形表面較粗糙，加工表面質量有待提高。

文章參考來源 - 三工數控工具

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碧威銑刀熱門產品為圓鋸片、鎢鋼刀、鋸片、木工鋸片、鎢鋼刀具及側銑刀。

機械類則有對刀具加工非常有幫助的冷風槍、渦流管槍，並有最新設計和技術的粉末成型機。

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很多淬火後的模具要求較高及難度較大，所以使用一般硬質合金銑刀精度達不到，那麼加工淬火料刀具的選擇應注意本文提出的幾點。

鈦合金以優異的綜合力學性能、低密度以及良好的耐腐蝕性，被譽為是一種使人類走向太空時代的戰略性金屬材料，不僅在航空航天及軍工領域得到廣泛的使用，而且開始逐漸滲透到經濟生活的各個方面。隨著切削刀具產業的發展，鈦合金的加工技術受到更多的關注和研究。

鈦合金的分類

鈦合金按照不同的方法有不同的分類，最常用的分類方法是按退火後組織特點分類，可分成α、α+β、β型鈦合金

• α 型鈦合金密度小，有很好的熱強性和熱穩定性，銲接性能好，室溫、超低溫和高溫性能良好，但不能進行熱處理強化。例如TiAl在600°C時，仍然有很高的強度，而且蠕變性能、熱穩定性、疲勞性能和斷裂韌性等方面都有好的表現，常用於噴氣發動機渦輪盤和葉片的製造。
• α+β型鈦合金雙相合金，組織穩定，韌性、塑性和高溫變形性能隨著β相穩定元素的增加而提高；有較好的熱壓力加工性，能進行淬火時效使合金強化，熱處理後的強度約比退火狀態提高50％ ~100％ ；高溫強度高，可在400~500°C的溫度下長期工作，其熱穩定性次於α 鈦合金。α+β型鈦合金中Ti-6Al-4V是鈦合金中使用量最大的鈦合金，在美國，其產量佔鈦合金產量一半以上，以其優良的綜合力學性能和切削加工性大量用於航空零件製造。上圖為鈦合金航空發動機葉輪
• β鈦合金是β相固溶體組成的單相合金，室溫的強度較高，冷加工和冷成型加工能力強，未熱處理即具有較高的強度，淬火時效後合金強度得到進一步強化，室溫強度可達1372~1666MPa；但熱穩定性較差，不宜在高溫下使用

鈦合金切削加工的特點

鈦合金本身所具有的物理和化學性能給切削加工帶來了困難，具體表現有以下6點。

0. 鈦合金的導熱性差，是不良導熱體金屬材料。由於導熱、導溫係數小，是45號鋼的1/6，所以在加工時所產生的高熱量不能有效擴散，同時刀具的切削刃和切屑的接觸長度短，使熱量大量聚集在切削刃上，溫度急劇上升，導致刀刃的紅硬性下降，刀刃軟化，加快刀具磨損
0. 鈦合金的親和力大。鈦合金在加工中黏刀現象嚴重。增大了刀體與工件的摩擦，摩擦導致大量的熱，降低了刀具的使用壽命。
0. 高的化學活性。在加工中，隨著切屑溫度的升高，容易與空氣中的O、N、CO、CO2、H2O 等發生反應，使間隙元素O、N的含量增加，工件的表面氧化變硬，難以加工，增大了刀具單位面積上所承受的切削力，刀尖應力變大，同時使前刀面和後刀面與工件的摩擦加劇，這將導致刀刃迅速磨損或崩刃
0. 鈦合金的變形係數不大於1。在切削加工中，刀- 屑接觸面積小，增大了切屑和前刀面的摩擦，提高了切削溫度，加快了刀具前刀面磨損。
0. 鈦合金的彈性模量小，在切削中容易產生較大變形、回彈、扭曲和振動，造成加工件幾何形狀和精度差，表面粗糙度增大，刀具磨損增加。
0. 不同的加工方法，鈦合金的加工難度不同。按機械加工由易到難排序為：車削、銑削、鑽削、磨削。其中鑽小直徑深孔更困難

鈦合金切削加工的刀具材料

鈦合金加工的高成本是阻礙其廣泛使用的主要原因，尋求一種高效率、低成本的加工方法已成為當今鈦合金研究的熱點。刀具材料的選擇對於鈦合金的加工有很大影響。加工鈦合金的理想刀具材料必須同時具備較高的熱硬度，良好的韌性、耐磨性，高的導熱係數和較低的化學活性，在銑削時，刀具還應具有良好的抗衝擊性。

當今在生產實際中用來加工鈦合金的刀具材料主要有：硬質合金、聚晶金剛石(PCD) 、聚晶立方氮化硼(PCBN) 等。經過生產實際驗證，硬質合金和PCD刀具被認為是加工鈦合金比較理想的刀具材料

關於刀具材料選用..

• 硬質合金刀具

  硬質合金刀具是目前加工鈦合金應用最為廣泛的一種刀具。因其低廉的價格、優良的導熱性、較高的硬度、韌性和紅硬性己成為國內企業加工鈦合金的首選。硬質合金按晶粒的大小可分為普通硬質合金、細晶粒硬質合金和超細晶粒硬質合金；按化學成分可分為鎢鈷類（YG）、鎢鈷鈦類（YT）和添加稀有碳化物類（YW）。由於鎢鈷鈦（YT）類刀具和鈦合金有強烈的親和力，所以目前在工業生產中獲得廣泛應用的仍然是鎢鈷類硬質合金YG8、YG6、YG3等。如果使用添加的稀有金屬的細晶粒硬質合金YA6、YD15、YG10H、YS2等，可提高刀具的壽命和加工效率。

  硬質合金加工鈦合金速度可以達到45m/min以上，但當切削速度繼續增加時，刀具和工件接觸面的溫度迅速升高，同時由於Co的熔點較低，在高的切削溫度及元素擴散作用下，造成了刀具材料中W和Co元素的擴散和流失，降低了刀具的硬度和韌性，使硬質合金刀具發生嚴重的塑性變形、粘結磨損和擴散磨損，導致刀具失效，因此，硬質合金刀具只適合切削速度小於75m/min的鈦合金。

• 聚晶金剛石（PCD）刀具

  

  聚晶金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、刃口鋒利、低摩擦係數、高彈性模量、高導熱係數、以及與非鐵金屬親和力小等優點。

  金剛石刀具主要有聚晶金剛石（PCD）刀具和化學氣相沉積刀具（VCD）金剛石刀具。金剛石類刀具適用於鈦合金的精加工和超精加工。金剛石的耐熱溫度只有700~800°C，加工時必須進行充分的冷卻和潤滑。試驗表明，在切削速度105m/min的情況下車削鈦合金Ti-6A1-4V時，PCD刀具並沒有發生粘結磨損，在刀具前、後刀面也都粘有較多鈦合金，這些粘著物會被切屑慢慢帶走，不會圖2硬質合金刀具對切削刃帶來損害，因為在刀具表面會形成一層薄薄的TiC層，這種TiC層很穩定，能很大程度降低PCD刀具前、後刀面的粘結和擴散磨損。但是由於PCD刀具刀尖鋒利和切削溫度高，在切削加工中更易發生微崩刃和石墨化引起的溝槽磨損。

• 聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具

  PCBN刀具的硬度雖然略低於金剛石，但卻遠遠高於其他高硬度材料，而且PCBN 刀具熱穩定比金剛石高得多，可達到1200°C以上，適合高溫干切削。另一個優點是化學惰性大，與鈦合金在1200°C不起化學反應。

PCBN刀具加工鈦合金與硬質合金刀具相比，有著切削速度高、表面粗糙度低和刀具壽命長等特點，並且在高速、低進給量、低背吃刀量的條件下，有更長的刀具壽命和非常好的工件加工表面粗糙度，因此PCBN刀具更適合用作鈦合金的精加工，但由於PCBN 刀具脆性很大，在切削加工中應重視刀具可能產生的破損和崩刃問題。

鈦合金切削加工的一般原則美國、日本、前蘇聯從20世紀60年代開始，由於軍事工業和飛機製造業的需要，開始對鈦合金的切削加工原則進行系統的研究，並獲得了大量的成果。鈦合金主要的切削原則有以下5 點。

0. 切削速度：切削速度是影響刀刃溫度的重要因素。過高的切削速度會導致刀刃過熱、刀刃粘結和擴散磨損嚴重，刀具重磨頻繁，會縮短刀具壽命。同時會導致鈦合金工件表面層開裂或氧化，影響其力學性能，所以應在保證較大的刀具耐用度的前提下，選擇適當的切削速度，降低成本，保證加工質量。
0. 進刀深度和走刀量：走刀量的變化對溫度的變化不大，所以降低切削速度增大走刀量是合理的切削方式。如果有氧化層和皮下氣孔層的情況，大的切深可以直接切到基體未氧化金屬層，提高刀具的壽命。
0. 刀具的幾何角度：在切削鈦合金時選擇與加工方法相適應的前角和後角等幾何參數並對刀尖適當的處理，會對切削效率和刀具的壽命有重要的影響。試驗證明，當車削時為了改善散熱條件和增強切削刃，前角一般取5°~9°；為了克服因回彈而造成的摩擦，刀體的後刀面一般取10°~15°；當鑽孔時，縮短鑽頭長度、增加鑽心的厚度和導錐量，鑽頭的耐用度可提高好幾倍。
0. 夾具的夾緊力：鈦合金易變形，夾緊力不能過大，特別在精加工工序時，可以選擇一定的輔助支承。
0. 切削液：切削液是鈦合金加工中不可缺少的工藝潤滑油。切削液不僅可以有效降低切削溫度，減少刀具和切削摩擦產生的熱量，還可以充當切削過程的潤滑劑，減少鈦合金的切屑和刀具面的黏結，提高效率、降低成本，延長刀具的壽命。但不能使用含有氯或其他鹵元素和含硫的切削液，這類切削液會對鈦合金的力學性能產生不良影響。

結語..

綜上所述，鈦合金因其優良的性能在航空航天工業的使用比例逐年增加，但受切削加工成本高和加工效率低的影響，目前應用仍然受到較大限制。隨著刀具材料的研發和加工工藝的不斷完善，鈦合金的加工效率會大大地提高，加工成本將會明顯下降，從而在造船、汽車製造、化工、電子、海洋開發等領域擁有廣闊的應用前景。

文章參考來源 - 瀋陽理工大學機械工程學院

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高速鋼是一種含多量碳(C)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等元素的高合金鋼，熱處理後具有高熱硬性。當切削溫度高達600°C以上時，硬度仍無明顯下降，用其製造的刀具切削速度可達每分鐘60米以上，而得其名。高速鋼按化學成分可分為普通高速鋼及高性能高速鋼，按製造工藝可分為熔煉高速鋼及粉末冶金高速鋼。

普通高速鋼

0. 高速鋼是製造形狀複雜、磨削困難的刀具的主要材料。
0. 普通高速鋼可滿足一般需求。常見的普通高速鋼有兩種，鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼。

• 鎢系高速鋼熱處理硬度可達63-66HRC，抗彎強度可達3500MPa，可磨性好。
• 鎢鉬系高速鋼目前正在取代鎢系高速鋼，具有碳化物細小分佈均勻，耐磨性高，成本低等一系列優點。熱處理硬度同上，抗彎強度達4700MPa，韌性及熱塑性比w18Cr4V提高50％。常用於製造各種工具，例如鑽頭、絲錐、銑刀、鉸刀、拉刀、齒輪刀具等，可以滿足加工一般工程材料的要求。只是它的脫碳敏感性稍強。

高性能高速鋼

高性能高速鋼具有更好的硬度和熱硬性，這是通過改變高速鋼的化學成分，提高性能而發展起來的新品種。它具有更高的硬度、熱硬性，切削溫度達攝氏650度時，硬度仍可保持在60HRC以上。耐用性為普通高速鋼的1.5-3倍，適用於製造加工高溫合金、不銹鋼、鈦合金、高強度鋼等難加工材料的刀具。

主要品種有4種，分別為高碳系高速鋼、高釩系高速鋼、含鈷系高速鋼和鋁高速鋼。

高碳系高速鋼

因含碳量高(0.9％)，故硬度、耐磨性及熱硬性都比較好。用其製造的刀具在切削不銹鋼、耐熱合金等難加工材料時，壽命顯著提高，但其抗彎強度為3000MPa，衝擊韌性較低，熱處理工藝要求嚴格。

高釩系高速鋼

含釩量達3-4％，使耐磨性大大提高，但隨之帶來的是可磨性變差。高釩系高速鋼的使用及發展還需要依賴於磨削工藝及砂輪技術的發展。

鈷高速鋼

其特點為：含釩量不高(1％)，含鈷量高(8％)，鈷能促使碳化物在淬火加熱時更多地溶解在基體內，利用高的基體硬度來提高耐磨性。這種高速鋼硬度、熱硬性、耐磨性及可磨性都很好。熱處理硬度可達67-70HRC，但也有採取特殊熱處理方法，得到67-68HRC硬度，使其切削性能(特別是間斷切削)得到改善，提高衝擊韌性。鈷高速鋼可製成各種刀具，用於切削難加工材料效果很好，又因其磨削性能好，可製成複雜刀具，國際上用得很普遍。但中國鈷資源缺乏，鈷高速鋼價格昂貴，約為普通高速鋼的5-8倍。

鋁高速鋼

主要加入鋁(Al)和矽(Si)、鈮(Nb)元素，來提高熱硬性、耐磨性。適合中國資源情況，價格較低。熱處理硬度可達到68HRC，熱硬性也不錯。但是這種鋼易氧化及脫碳，可塑性、可磨性稍差，仍需改進。國際市場上高性能高速鋼使用量已經超過普通高速鋼25-30％。

粉末冶金高速鋼

粉末冶金高速鋼及其製品

近幾年來高速鋼的最大變革就是發展了粉末冶金高速鋼，它的能優於熔煉高速鋼。用高壓氬氣或氮氣霧化熔融高速鋼水，得到細小高速鋼粉末，篩選後為0.4mm以下的顆粒；在真空(0.04Hg)狀態下，密閉燒結達到密度65％；再在1100°C高溫、300MPa高壓下製成密度100％的鋼坯，然後鍛軋成鋼材，這樣有效地解決了熔煉高速鋼在鑄錠時要產生粗大碳化物偏析的問題，而它無論截面多大，其碳化物級別均為一級。碳化物晶粒極細，小於0.002mm，而熔煉高速鋼碳化物晶粒為0.008-0.02mm。

粉末冶金高速鋼具有良好的力學性能，適合製造：間斷切削條件下易崩刃的刀具、強度高而切削刃又必須鋒利的刀具，如插齒刀、滾刀、銑刀，高壓動載荷下使用的刀具。

它的碳化物偏析小，晶粒細，可磨性好，適合製造：大尺寸刀具、精密刀具、複雜刀具。這類材料的高溫熱硬度高，又適合製造難加工材料所用的刀具，確實是面面俱到。

粉末冶金高速鋼生產過程較複雜，造價較高。中國鋼廠提供的品種較少，市場用量也很少。國際上著名鋼廠如美國Crucible公司已可提供近二十種粉末冶金高速鋼，日本神戶制鋼所、日立金屬公司均可提供近十種粉末冶金高速鋼，供應量也在迅速增長。日本著名的OSG公司用粉末冶金高速鋼製造了鑽頭、銑刀、絲錐，NACHI公司製造了滾刀、插齒刀、剃齒刀。有理由相信技術性能高的粉末冶金高速鋼將會得到更廣泛的應用，為金屬加工業帶來新的發展。

高速鋼的市場定位及發展趨勢

高速鋼材料按製造工藝可分為熔煉高速鋼及粉末冶金高速鋼。

自二十世紀初發現高速鋼以來，對現代工業發展起到了重要作用。可以說沒有高速鋼，就沒有現代的金屬加工業。儘高速鋼管六十年代起，硬質合金等材料崛起，但是對於製造形狀複雜、磨削困難的刀具，如拉刀、剃齒刀、插齒刀等，始終處於主導地位。特別是要求刀具具備高韌性時，就非高速鋼莫屬了。

高速鋼的主要應用領域是機械和工具製造業，必然要適應這個行業的發展，近幾年來機械加工採用了高速度的數控機床，例如加工中心、車削中心等，金屬切削速度越來越快，要求刀具必須具有高速使用性能，即熱硬性、耐磨性、衝擊韌性要好，因此，廠家紛紛研發符合上述要求的高速鋼材料。

在機加工費用中，材料約占15-20％，刀具約占25-35％。用戶對刀具的選用也越來越趨向合理，即選用性能與價格比好的刀具。

高速鋼刀具占主導地位的領域，如精密零件、複雜零件、成形加工零件的市場也越來越大，對可磨性的要求也越來越高。

高速鋼-走過一個世紀的鋼種，應瞄準特定市場空間，提高自身技術含量，去抗衡其他材料的挑戰。

文章參考來源 - 易展模具

碧威為專業的刀具,銑刀,鎢鋼,切削刀具製造商，致力於製造優秀的產品，在客製化刀具方面的經驗十分豐富，並擅於幫助客戶解決各式各樣之刀具切削面臨之問題，對各種刀具材質切削刀具鍍模都非常瞭解透徹，可選用常見的鎢鋼及高速鋼或是近來詢問度極高的鑽石刀具。

碧威銑刀熱門產品為圓鋸片、鎢鋼刀、鋸片、木工鋸片、鎢鋼刀具及側銑刀。

機械類則有對刀具加工非常有幫助的冷風槍、渦流管槍，並有最新設計和技術的粉末成型機。

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1 ．概述 

精密和超精密加工技術的發展，直接影響到一個國家尖端技術和國防工業的發展，因此世界各國對此都極為重視，投入很大力量進行研究開發，同時實行技術保密，控制關鍵加工技術及設備出口。隨著航空航天、高精密儀器儀表、慣導平台、光學和激光等技術的迅速發展和多領域的廣泛應用，對各種高精度複雜零件、光學零件、高精度平面、曲面和復雜形狀的加工需求日益迫切。目前國外已開發了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設備，發展了新的精密加工和精密測量技術。

我國目前已是一個“製造大國”，製造業規模名列世界第四位，僅次於美國、日本和德國，近年來在精密加工技術和精密機床設備製造方面也取得了不小進展。但我國還不是一個“製造強國”，與發達國外相比仍有較大差距。我國每年雖有大量機電產品出口，但多數是技術含量較低、價格亦較便宜的中低檔產品；而從國外進口的則大多是技術含量高、價格昂貴的高檔產品。目前我國每年需進口大量國內尚不能生產的精密數控機床設備和儀器，例如，2003年我國進口了價值41.6億美元的機床，而出口機床僅為3.8億美元，且主要為低精度的普通機床。2004年我國進口機床為57.8億美元，出口機床僅為5.2億美元。2005年我國機床總產值約為50億美元，出口機床為8億美元，而進口機床則達到67億美元。

由 於國外一些重要的高精度機床設備和儀器對我國實行封鎖禁運，而這些精密設備儀器正是我國發展國防工業和尖端技術所迫切需要的，因此，為了使我國的國防和科 技發展不受制於人，我們必須投入必要的人力物力，自主發展精密和超精密加工技術，爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術水平提升到世界先進水平。下面對國內外精密和超精密加工技術的最新發展情況介紹如下。

2 ．精密機床技術的發展

精密機床是精密加工的基礎。當今精密機床技術的發展方向是：在繼續提高精度的基礎上，採用高速切削以提高加工效率，同時採用先進數控技術提高其自動化水平。瑞士DIXI公司以生產臥式坐標鏜床聞名於世，該公司生產的DHP40高精度臥式高速鏜床已增加了多軸數控系統，成為一台加工中心；同時為實現高速切削，已將機床主軸的最高轉速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心的主軸最高轉速為42000r/min，定位精度達5 μ m ，已達到過去坐標鏜床的精度。從這兩台機床的性能可以看出，現在的加工中心與高速切削機床之間已不再有嚴格的界限劃分。

3 ．使用金剛石刀具的超精密切削技術

3.1 超精密切削技術的進展

金剛石刀具超精密切削技術是超精密加工技術的一個重要組成部份，不少國防尖端產品零件（如陀螺儀、各種平面及曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統中的多種零件等）都需要利用金剛石超精密切削來加工。

使用單晶金剛石刀具在超精密機床上進行超精密切削，可以加工出光潔度極高的鏡面。超精密切削的切削厚度可極小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的單晶金剛石刀具要求刃口極為鋒銳，刃口半徑在0.5～0.01μ m 。因刃口半徑甚小，過去對刃口的測量極為困難，現在已可用原子力顯微鏡（AFM）方便地進行測量。

3.2 超精密切削機理的研究

對超精密切削機理的研究近年來有了不少進展。例如，超精密切削脆性材料時，加工表面可以不產生脆性破裂痕跡而獲得鏡面，這涉及到極薄切削時脆性材料塑性切除的脆塑轉換問題，最近對此提出了不少新見解。由超精密切削玻璃的實驗結果可見，開始時切削厚度甚小，切除機理為塑性去除，加工表面無脆性破損痕跡。隨著切削厚度的增大，塑性切除逐漸轉化為脆性破裂去除，加工表面可見到明顯的脆性破損痕跡。

目前，使用計算機仿真和分子動力學模擬等方法對超精密切削過程及機理的研究獲得了很好效果，一方面深化了對極薄層材料切削去除機理的認識，同時可以對超精密切削效果作出比較準確的預報。由超精密切削所形成加工表面的計算機仿真模擬預測和計算機仿真預測超精密切削單晶鋁不同晶面時的切削力可以看到，由於晶體的各向異性，導致在不同方向的切削力是不相等的。利用對超精密切削過程的分子動力學模擬，可以對超精密切削極薄層材料的動態切除過程進行觀察和分析，並能對切除過程進行動畫演示。

3.3 新的金剛石刀具晶體定向方法

由於金剛石硬度極高，且晶體各向異性，因此單晶金剛石刀具的刃磨極為困難。製造金剛石刀具及刃磨時都需要對晶體定向，過去的晶體定向方法主要是使用X光晶體定向儀，儀器昂貴，且定向操作相當繁瑣。哈爾濱工業大學成功開發了一種新的激光晶體定向方法，所用設備較簡單，且定向操作方便，可使金剛石晶體定向大大簡化。

4 ．超精密加工機床的進展

4.1 國外超精密機床的發展情況

研發超精密機床是發展超精密加工的重要前提條件。近年來發達國家已成功開發了多種先進的超精密加工機床。超精密機床的發展方向是：進一步提高超精密機床的精度，發展大型超精密機床，發展多功能和高效專用超精密機床。

美、英、德等國在上世紀七十年代（日本在八十年代）即開始生產超精密機床產品，並可批量供貨。在大型超精密機床方面，美國的LLL國家實驗室於1986年研製成功兩台大型超精金剛石車床：一台為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床，另一台為加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學金剛石車床。其中，LODTM立式大型光學金剛石車床被公認為世界上精度最高的超精密機床。美國後來又研製出大型6軸數控精密研磨機，用於大型光學反射鏡的精密研磨加工。

英國的Cranfield精密加工中心於1991年研製成功OAGM-2500多功能三坐標聯動數控磨床（工作檯面積2500mm×2500mm），可加工（磨削、車削）和測量精密自由曲面。該機床採用加工件拼合方法，還可加工出天文望遠鏡中直徑7.5m的大型反射鏡。

日本的多功能和高效專用超精密機床發展較快，對日本微電子和家電工業的發展起到了很好的促進作用。

4.2 我國超精密機床的發展情況

在過去相當長一段時期，由於受到西方國家的禁運限制，我國進口國外超精密機床嚴重受限。但當1998年我國自己的數控超精密機床研製成功後，西方國家馬上對我國開禁，我國現在已經進口了多台超精密機床。

我國北京機床研究所、航空精密機械研究所、哈爾濱工業大學等單位現在已能生產若干種超精密數控金剛石機床，如北京機床研究所研製的加工直徑800mm的超精密車床和哈爾濱工業大學研製的超精密車床，這兩台機床均有兩坐標精密數控系統和兩坐標激光在線測量系統，可以加工非球迴轉曲面；還有哈爾濱工業大學研製了加工KDP晶體大平面的超精密銑床。KDP晶體可用於光學倍頻，是大功率激光系統中的重要元件。必須承認，在超棈密機床技術方面，我們與國外先進水平相比還有相當大的差距，國產超精密機床的質量水平尚待進一步提高。

在大型超精密機床方面，目前美、英、俄等國都擁有自行開發的大型超精密機床，而我國由於沒有大型超精密機床，因此無法加工大直徑曲面反射鏡等大型超精密零件，國外對這些大型超精密零件的出口有嚴格限制，從而嚴重影響了我國國防尖端技術的發展。現在我國正在加緊研製加工直徑1m以上的立式超精密機床。

在多功能和高效專用超精密機床方面，目前我國基本上仍是空白。

引用出處： 

http://tw.myblog.yahoo.com/lifung-biz/article?mid=4501&prev=-1&next=4500

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（２）Carbide Cutting tools設計

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web  www.tool-tool.com  for more info.

哈爾濱工業大學蓋玉先董申

1 引言

超精密加工機床的研製開發始於20世紀60年代。當時在美國因開發激光核聚變實驗裝置和紅外線實驗裝置需要大型金屬反射鏡，因而急需開發製作反射鏡的超精密加工技術。以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密加工機床應運而生。1980年美國在世界上首次開發了三坐標控制的M-18AG非球面加工機床，它標誌著亞微米級超精密加工機床技術的成熟。日本的超精密加工機床的研製開發滯後於美國20年。從1981～1982年首先開發的是多棱體反射鏡加工機床，隨後是磁頭微細加工機床、磁盤端面車床，近來則是以非球面加工機床和短波長X線反射鏡面加工機床為主。德國、荷蘭以及中國台灣的超精密加工機床技術也都處於世界先進水平。我國的超精密加工機床的研製開發工作雖起步比較晚，但經過廣大精密工程研究人員的不懈努力，已取得了可喜的成績。哈爾濱工業大學精密工程研究所研製開發的HCM-Ⅰ超精密加工機床，主要技術指標達到了國際水平。國外部分超精密加工機床和HCM-Ⅰ超精密加工機床的性能指標如表1所示。本文主要論述超精密加工機床的關鍵部件技術。

表1 國內外典型超精密車床性能指標匯總型號(生產廠家) HCM-Ⅰ 

(中國哈工大) M-18AG 

(莫爾特殊機床,美國) Ultraprecision CNC machine 

(東芝,日本) Ultraprecision Lathe 

(IPT，德國) 主軸 徑向跳動(μm)

≤0.075 ≤0.05(500r/min) ≤0.048 軸向跳動(μm)

≤0.05 ≤0.05(500r/min)

徑向剛度(N/μm) 220

100

軸向剛度(N/μm) 160

200

導軌 Z向(主軸)直線度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/230mm

0.044μm/80mm X向(刀架)直線度 ＜0.2μm/100mm ≤0.5μm/410mm

0.044μm/80mm X、Z向垂直度(") ≤1 1

重複定位精度(μm)

1(全程) 

0.5(25.4mm)

加工

工件

精度 形面精度(μm) 圓度：0.1 平面度：0.3 ＜0.1(PV值) 0.1 表面粗糙度(μm) Ra0.0042 0.0075(PV值) Ra0.002 0.002～0.005RMS 位置反饋系統分辨率(μm)

25 2.5 10 溫控精度(℃) ≤0.004 ±0.006 ±0.1

隔振系統固有頻率(Hz) ≤2 2

加工範圍(mm) 320 356 650×250

2 主軸系統

超精密加工機床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運動，故主軸的迴轉精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是超精密加工機床中最重要的一個部件，通過機床主軸的精度和特性可以評價機床本身的精度。目前研製開發的超精密加工機床的主軸中精度最高的是靜壓空氣軸承主軸(磁懸浮軸承主軸也越來越受到人們的重視，其精度在迅速得到提高)。空氣軸承主軸具有良好的振擺迴轉精度。主軸振擺迴轉精度是除去軸的圓度誤差和加工粗糙度影響之外的軸心線振擺，即非重複徑向振擺，屬於靜態精度。目前高精度空氣軸承主軸迴轉精度可達0.05μm，最高可達0.03μm，由於軸承中支承迴轉軸的壓力膜的均化作用，空氣軸承主軸能夠得到高於軸承零件本身的精度。例如主軸的迴轉精度大約可以達到軸和軸套等軸承部件圓度的1/15～1/20。日本學者研究表明，當軸和軸套的圓度達到0.15～0.2μm的精度時，可以得到10nm的迴轉精度，並通過FFT測定其所製造的精度最高的空氣軸承主軸的迴轉精度為8nm。HCM-Ⅰ超精密加工機床的密玉石空氣軸承主軸的圓度誤差≤0.1μm。另外，空氣軸承主軸還具有動特性良好、精度壽命長、不產生振動、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優點。但是在主軸剛度、發熱量與維護等方面需要做細緻的工作。要做到納米級迴轉精度的空氣軸承主軸，除空氣軸承的軸及軸套的形狀精度達到0.15～0.2μm，再通過空氣膜的均化作用來實現外，還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數量、分佈精度、對軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、表面粗糙度等的不同，均會影響軸承面空氣流動的均勻性。而氣流的不均勻是產生微小振動的直接原因，從而影響迴轉精度。要改善供氣系統的狀況，軸承材料宜選用多孔質材料。這是因為多孔質軸承是通過無數小孔供氣的，能夠改善壓力分佈，在提高承載能力的同時，改善空氣流動的均勻性。多孔質材料的均勻性是很重要的。因為多孔質供氣軸承材料內部的空洞會形成氣腔，如不加以控制會引起氣錘振動，為此必須對錶面進行堵塞加工。3 直線導軌

作為刀具和工件相對定位機構的直線導軌，是僅次於主軸的重要部件。對超精密加工機床的直線導軌的基本要求是：動作靈活、無爬行等不連續動作；直線精度好；在實用中應具有與使用條件相適應的剛性；高速運動時發熱量少；維修保養容易。超精密加工機床中的常用導軌有VV型滑動導軌和滾動導軌、液體靜壓導軌和氣體靜壓導軌。傳統的VV型滑動導軌和滾動導軌在美國和德國的應用都取得了良好的效果。後兩種都屬於非接觸式導軌，所以完全不必擔心爬行的產生。從精度方面來考慮後兩種也是最適宜的導軌。液體靜壓導軌由於油的粘性剪切阻力而發熱量比較大，因此必須對液壓油採取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，而且油路的維修保養也麻煩。氣體靜壓導軌由於支承部是平面，可獲得較大的支承剛度，它幾乎不存在發熱問題，如果最初的設計合理，則在後續的維修保養方面幾乎不會發生什麼問題。但必須注意導軌面的防塵。空氣導軌的間隙僅為十幾微米，而對如此大小的塵埃肉眼是看不到的，這樣的塵埃即使是潔淨室也不能完全消除，塵埃落入空氣導軌面內會引起導軌面的損傷。總體看來，空氣靜壓導軌是目前最好的導軌，但若不能保證防塵條件，則須改用液體靜壓導軌。目前空氣靜壓直線導軌的直線度可達0.1～0.2μm/250mm。

HCM-Ⅰ超精密加工機床上使用的即是空氣直線導軌，其氣浮面上的壓力分佈如圖1所示。

圖1 氣浮面上的壓力分佈

通過安裝調整空氣靜壓導軌得出如下結論：(1)必須保證足夠的排氣通道，否則溜板將產生位置擾動，擾動量有時達數微米。(2)從理論上講減小節流孔徑和氣膜厚度，可以提高溜板剛度，但帶來工藝上的困難。用傳統機械加工手段很難加工出＜f 0.15mm的小孔，需探求其它加工手段，也對防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型導軌的側氣浮塊和下氣浮塊均由螺釘緊固，形成懸臂結構，當用螺釘緊固和有空氣壓力作用時，有可能產生變形，使氣膜厚度不均勻以致於影響其性能。但經過計算證明，使用長螺釘時，氣浮塊和螺釘變形均稍大；使用短螺釘時，氣浮塊和螺釘的變形都在亞微米級，可忽略不計。

4 進給與微量進給系統

進給系統中最常用的是各種進給絲槓，在超精密加工機床中滾珠絲槓因其反向間隙小、傳動效率高而得到了廣泛的應用。精度更高的靜壓絲槓和摩擦驅動裝置也逐漸用於超精密加工機床。

超精密加工機床的滾珠絲槓一般的精度等級為C0級。由於是閉環控制，利用最好等級的滾珠絲槓，可獲得現行最高水平0.01μm的定位精度。滾珠絲槓不需要靜壓絲槓所必需的附屬裝置，是使用極為方便的絲槓。但作為亞微米級超精密加工機床的進給絲槓必須考慮到由於滾珠的轉動和滾珠間的接觸滑動有微小的振動及與滑動絲槓等相比較振動衰減特性差等問題。HCM-Ⅰ超精密加工機床採用的滾珠絲槓，在嚴格保證伺服電動機與絲槓、絲槓和螺母與底座和溜板的聯接裝配的基礎上，加大溜板氣浮面積、提高其氣浮剛度，從而減小由於絲 槓的誤差對溜板運動精度的影響。並且絲槓螺母與溜板採用了浮動連接結構，從而減小了溜板起伏造成滾珠絲槓受壓波動而引起的絲槓瞬間或永久的變形。同時也避免了由於滾珠絲槓本身彎曲引起的因絲槓旋轉而造成的溜板運動誤差，因此實現了運動的最小位移分辨率≤0.01μm。> 

靜壓絲槓副的絲槓與螺母由於不直接接觸，而是有一層高壓液體膜相隔，所以沒有由於摩擦而引起的爬行和反向間隙，因此可以長期保持精度，進給分辨率更高；又由於油膜具有均化作用，可以提高進給精度，在較長的行程上可以達到納米級的定位分辨率。但是靜壓絲槓裝置較大，且必須有油泵、蓄壓器、液體循環裝置、冷卻裝置和過濾裝置等眾多的輔助裝置，另外還存在環境污染問題。

摩擦驅動是通過摩擦把伺服電動機的迴轉運動轉換成從動桿的直線運動，實現無間隙傳動，其工作原理如圖2所示。從微觀上看，壓緊輪與從動桿之間的油膜處於液體潤滑狀態，潤滑油的剪斷特性決定牽引系統。因而要選擇係數較高的潤滑油。壓緊輪滾動時實現進給，進給分辨率取決於伺服電動機迴轉一周的步進數。採用摩擦驅動進給的一個重要問題是預壓，若預壓力過小，則接觸面有可能產生滑動；若預壓力過大，由於彈性變形，則很難實現正確的驅動。另外由於預壓力的存在，還容易產生磨損問題。新的研究表明，用扭曲滾輪摩擦驅動可以實現埃(?)級定位。

圖2 摩擦驅動原理圖

各種進給絲槓及摩擦驅動特性如表2所示。

超精密加工機床中還廣泛應用微量進給機構，以滿足對更高定位精度和進給分辨率的要求。常用的方法有採用滾動絲槓進給和彈性進給並用的方法和由粗調和微調壓電元件組合的方法。HCM-Ⅰ超精密加工機床採用的是壓電式微量進給刀架。

表2 各種進給機構特性表種類 優點 缺點 定位精度 進給絲槓 滑動

絲槓 製造容易，但需有研磨加工技術，衰減性好 需注意爬行 經仔細研磨加工後定位精度為0.01μm 

前加工需達到0.1μm 滾珠

絲槓 已有規格化，容易搞到(C0)級 衰減性不好，

需注意爬行，

注意微小振動 最高可達0.01 μm 

前加工需達到0.1μm 液體靜

壓絲槓 精度高，衰減性小 裝置大，輔助設備多和維護難，油污染 相當好的定位精度為0.01μm，通常是

0.03 μm 氣體靜

壓絲槓 精度高，維護容易 加工難 0.01μm 摩擦驅動 精度高，結構簡單 需要適宜的預壓和管理 當前的目標是0.01μm 壓電元件 超微細的分辨率(亞納米，nm) 行程微小(幾微米～十幾微米) nm，

5 環境條件

超精密加工的環境條件有三。其一是污染，超精密加工機床必須置於潔淨的超淨室內才能充分發揮其優勢。室內的潔淨度以一立方英尺中0.5μm以上的灰塵的數量表示。作為超精密加工機床的工作環境應為20000～3000級以下。

其二是振動。環境振動的干擾不僅會引起機床本體的振動，更主要的是會引起切削刀具與被加工零件間的相對振動位移，後者將直接反映到被加工零件的精度和表面質量上。因此超精密加工機床必須設置性能優異的隔振裝置。目前國外超精密加工機床中，大多數採用以空氣彈簧為隔振元件的隔振系統，並取得了較好的隔振效果。這主要是因為空氣彈簧在具有較大承載能力的同時，具有較低的剛度。彈簧的低剛度可使隔振系統獲得較低的固有頻率，遠離環境干擾頻率，提高隔振效果。經理論分析研究和計算比較，HCM-Ⅰ超精密加工機床採用了直筒約束膜式結構，並取內、外變角均為0°。這樣不僅彈簧剛度的線性度好，而且結構簡單，便於模具的製造以及裝置的安裝和調整。

表3 提高超精密加工精度的計劃目標誤差原因 日本精度(μm) POMA計劃值(μm) 位置檢測精度

定位精度

偏擺、俯仰、傾斜

直線度

軸向跳動

徑向跳動

主軸的延伸

主軸驅動

熱的影響

工件的裝夾

形狀精度(綜合精度) 0.005 

0.005 

(0.05") 

0.02 

0.005 

0.005 

0.025 

0.01 

0.025 

0.025 

0.05 0.05 

0.01 

0.02 

0.02 

0.02 

0.02 

0.05 

0.01 

0.05 

0.05 

0.1 注：POMA是在將直徑為800mm的大型非球面反射鏡的形狀精度提高到0.1μm的前提下出來的。 p>其三是溫度。超精密加工機床的加工必須在恆溫室內進行，加工過程中溫度的變化，會造成機床運動精度下降，不能獲得所定的加工精度。為了解決這一問題，通常從兩個方面入手，一是選擇合適的部件材料，超精密加工機床中使用的和候選的材料有氧化鋁陶瓷、鑄鐵、鋼、殷鋼、花崗岩、樹脂混凝土和零膨脹玻璃。從實際出發，HCM-Ⅰ超精密加工機床幾乎全部採用花崗岩。二是保持溫度的恆定控制。在總結國內外經驗之後，哈爾濱工業大學提出了“有效冷流速率”的概念，在此基礎上進行的超精密恆溫供油系統的溫控精度達到了世界先進水平。

6 結束語

亞微米級超精密機床HCM-Ⅰ的誕生，標誌著我國的超精密加工研究跨入了國際行列。但它畢竟還沒有走出實驗室，沒有商品化，要趕上國際先進水平還需加倍的努力。表3列出的是美國POMA的精度目標值和日本學者認為的今後精度目標值。

引用出處：

http://tw.myblog.yahoo.com/lifung-biz/article?mid=4500&prev=4501&next=4496

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web  www.tool-tool.com  for more info.