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基于约束的建模不仅易于建立产品模型，而且便于对CAD模型作修改和操作。和以前建模方法比较，基于约束的组合
夹具装配建模方法的优点是包含了
夹具设计中很多问题的关联性；一旦定义了约束，特别在修改设计的过程中，只要改变其他条件就可以保持装配关系。
1、
夹具的能模型
组合
夹具是由一套预先制定好的各种不同形状、不同尺寸规格、具有互换性的标准元件或组件，按照一定的装配约束关系组合而成的。根据这个定义，可以把组合
夹具表示为：G = { Vi ，ri ︱ri ∈R (Vi ，Vj ) ，Vi ∈}上式中，V 表示组合
夹具元件的集合，Vi 表示组合
夹具元件或组件； R 表示元件或组件间的约束关系的集合，ri 表示元件或组件间的一种约束关系。这样元件与元件之间形成了一种网状的关系，其中网状节点为元件(组件) ，节点间的联系依赖于它们的装配约束关系。
装配结构可以用两种方式显示某个装配设计：一个是逻辑结构，一个是图形结构。逻辑结构表达了组成装配模型的零件、子部件之间的层次关系，就象目录的树型结构。装配模型的逻辑层次结构通过图1的装配树表达。
图形结构是某个装配模型的几何表示，直观地用分解图表示。根部件：根部件是在生成一个新的装配图时自动产生的，是装配的最顶层。子部件：装配中的一个逻辑组，由零件构成的子装配，子部件可以嵌套任意深度。零件：层次结构中的最低一级，是单一实体，不能拆成更小的实体。
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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet. 在上世纪90年代中期，高速铣削工艺引入模具制造，特别是同硬加工相联系的高速铣削技术在模具制造业中的推广应用，是模具制造技术的一次重大变革。通过高 速硬铣工艺对一次装夹下的模具进行综合加工，不仅可大幅度减少加工时间、改善型面的表面质量和加工精度，而且可以简化生产工艺流程，从而显著缩短模具的制 造周期，降低模具的生产成本。
采用高速硬铣模具，大多数情况可节省制造电极、电火花加工和抛光三道工序。在90年代末，高速硬铣已在许多 场合（除一些窄缝、深槽和极小半径的内角加工外）替代了电火花加工。而近年来，由于微细铣刀（目前最小直径为0.03mm～0.1mm的硬质合金立铣刀已 列入一些厂家的产品目录）的开发和微细铣削工艺的应用，这使一些窄缝和极小半径的内角完全可以通过采用小直径的立铣刀来进行加工，致使电火花加工的应用范 围进一步缩小。根据德国Frauhofer生产技术研究所在2004年对工具和模具企业所进行的咨询表明，在今后几年（至2008年）高速硬铣在工具和模 具的加工工艺中所占份额将增长20%，而电火花加工则将减少12%。由此可见，高速硬铣工艺将愈来愈多的在模具制造业中得到推广，这种高速硬铣工艺已成为 模具加工的关键工艺。
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图1 通过高速硬铣简化模具的生产工艺流程
高速硬铣虽然给模具制造带来诸多好处，但要卓有成效的应用这种工艺，企业必须要具备一定的条件。也就是企业应有较高职业素质和经验丰富的工艺人员和熟知加工工艺的编程人员，要有合适的高速加工机床，要配备适合于进行高速硬铣的刀夹和刀具以及能选用合理的切削参数等。
专业人员的素质和经验是重要前提
优化模具的生产工艺流程，旨在减少加工工序和提高加工质量，显然采用高速硬铣工艺是这种优化的主要途经。
而 高速加工和CAD/CAM系统等高技术不仅意味着在加工装备上的高投资，而且还需要有丰富行业经验、能解决实际生产难题的专业人员。要依靠熟知生产工艺的 人员根据模具的几何形状、材质、硬度和精度等要求来制定合理的生产工艺流程。在这里，硬铣工艺的抉择，电火花加工的取舍，刀具形式、规格和数量，切削用量 的确定，加工时采取何种冷却润滑方式以及NC程序的编制等，都将影响到模具加工的生产效率、加工质量和制造成本。
有一些模具生产企业，在 高速硬铣工艺方面尚缺少实际的经验，如有些企业未经过三轴联动机床使用经验的积累而直接购置五轴联动加工中心。除聘用和培训专业人员外，与机床制造厂、刀 具厂以及专业研究机构进行合作是一个重要途径。在模具加工中，进行必要的工艺试验对优化工艺过程也是十分重要的。例如我国一家玩具制造厂的注塑模，加工机 床是德国Hermle公司C800V立式加工中心，采用9把不同类型的立铣刀和球头铣刀，加工时采用大流量冷却润滑，加工时间为125分钟。为了制造型腔 底部的花纹图案，在铣削加工后接着要进行电火花加工。根据中德“在中国工具和模具制造中的高速加工”研究项目，为优化该模具的生产工艺流程，德国 Darmstadt工业大学的生产管理、工艺和机床研究所（PTW）在Hermle公司的C30U加工中心上进行了铣削试验，模具型腔底部的花纹图案的加 工并拟通过高速精铣工艺替代电火花加工。试验结果表明，目前加工只需采用6把刀具，减少了3把刀具，这样，除节省刀具费用外，还减少了换刀次数，从而减少 了30%的辅助时间，整个加工时间仅需99分钟，加工时间比原先减少了26%。加工时采用微量润滑，减少了刀具磨损。由于免去了电火花加工（也就省掉电极 制造），使花纹图案的表面粗糙度降低了50%，同时也避免了由电火花加工造成的模具加工表层的损伤（白色层）。
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注塑模：材质40CrMnNiMo8.6.4，硬度35HRC
机床、刀具和刀夹是重要保证
为了高效和高质量硬铣模具，对机床、刀具和刀夹有很高的要求。
◆ 机床
采 用的高速加工中心应具有较高的主轴转速、大的功率、高的刚性、高的动态性能以及良好的阻尼特性，并备有快速的控制系统。目前，加工模具的高速机床，主轴转 速一般均在40000～42000（r/min.）,如Mikro公司第一代高速铣削中心HSM400、HSM700和第二代的 HSM600u（五轴联动高速铣削中心），DMG的DMC100V ，Hermle的C800V（36000r/min.），Digma的700GC、850HSC，R歞ers的RFM 600和PTW的Hi-Dyn（60000r/min.）等。这样的主轴转速基本上能满足常用小直径铣刀（2mm～12mm）的加工需要。但是对于更小直 径的铣刀（0.2mm～1mm），这样的主轴转速就不能使刀具达到理想的切削速度。例如，当采用160m/min.的切削速度时，对于直径为1mm的铣刀 就需要51000r/min.的主轴转速；而对于0.2mm的铣刀，则需高达250000r/min.的转速，而在主轴最高转速为42000r/min. 的情况下，对于上述两种铣刀只能分别以132m/min.和26m/min.较低的切削速度进行铣削，例如一个齿轮模的加工，采用的最小铣刀直径为 0.2mm，机床主轴最高转速为40000 r/min.，此时只能达到25m/min.这样低的切削速度。因此，为适应微细切削的发展，需要开发更高转速的机床。
目前，高速加工机 床的轴加速度一般达1～2 g，个别有达到3 g（Mikron 的HPM800）。较高的轴加速度，意味着机床具有较高的动态性能，这在加工模具的自由曲面、进给方向不断变化的情况下，仍可保持调定的进给速度。从而有 利于提高模具自由曲面的加工精度和表面质量，据业界人士预测，机床的轴加速度在最近的3～4年内可望达到3～5 g。
五轴联动高速加工中 心虽在价格上要比三轴联动机床高很多，但它特别适合用来加工复杂曲面的型腔。在加工较深型腔和对凸台清根时，可以通过附加的两个回转轴（通过转矩电机直接 驱动的C轴和B轴，可提供与直线轴相配匹的加速度和进给速度）的同步运动从而可采用悬伸较短的立铣刀，由此增强了刀具刚性，并避免刀具和刀杆与型腔壁的碰 撞，减少了刀具加工时的抖动或刀具破损的危险，从而有利于提高模具的表面质量、加工效率和延长刀具的寿命。
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齿轮模：材质X155CVMo12-1,60HRC，最高进给速度5000mm/min，加工时间9小时
◆ 刀具
高速硬铣最常用的是小直径（12mm以下）立铣刀，主要有双刃球头铣刀、双刃圆刀片铣刀、端齿六刃立铣刀和装有两个可转位圆刀片的立铣刀。其中整体硬质合金立铣刀则具有圆跳动误差小和刚性高的优点。
合 适的硬质合金刀体、耐热的硬涂层和负的刀具角度是硬铣获得成效的重要刀具参数。铣刀主要采用具有很好韧性的精细晶粒（0.5μm～0.8μm）和超细晶粒 （0.2μm～0.5μm）的硬质合金制成。刀具的耐磨性则通过具有较高抗氧化性能和较低内应力的氮铝化钛（TiAlN）或TiAlCN涂层来改善，单涂 层厚度为（2～3)μm，采用PVD工艺进行涂敷。
目前，在有利的几何边界条件下，硬铣可以加工硬度为65HRC的工件，而在实际生产中，模具的硬度多数在47～54HRC范围内。
采用超细晶粒硬质合金和TiAlN涂层的铣刀，在硬铣时切削速度可达200～350m/min.，每转或每齿进给量为0.1mm～0.2mm。
加工模具应尽可能采用粗铣和精铣两道工序，通过高速铣削铣去大部分材料余量，留接近成品轮廓的0.05 mm加工余量，然后采用较小的行距宽度进行精铣。所采用的行距宽度在很大程度上影响到加工时间、质量和表面粗糙度。
◆ 刀夹
加 工模具时由于采用的是细长的小直径铣刀，铣削时切屑厚度较小，切削速度又高，加工过程易受圆跳动误差和振动的影响。因此，要求刀夹不仅要具有回转对称的细 长结构，同时还要具有刚性好、圆跳动误差小、夹持力大和滑转力矩高等特性。从综合性能看，目前最能满足这些要求的是一种采用空心锥柄（HSK）的热装冷缩 式刀夹。这种刀夹的圆跳动误差仅为3μm （在悬伸长度为3×d的检验棒上测量），如对于装刀直径为6mm的刀夹，可传递22Nm的转矩。这种刀夹，在模具加工中已较普遍采用，用来装卸刀具的感应 加热仪往往已作为模具高速加工机床的随机配套附件。
为获得较长的刀具寿命和较好的加工表面质量，机床—刀夹—刀具系统的圆跳动误差应在 12μm之内，最好不要超过10μm，这就需要选用比普通铣刀更精密的铣刀，这种铣刀的圆跳动误差一般要在5μm之内。这样，如把主轴的圆跳动误差（一般 是：主轴直径φ70mm为2μm，φ90mm为2.5μm）、刀夹(3μm)和铣刀(5μm)的圆跳动误差按极限情况进行叠加,其总的圆跳动则达到 10.5μm。
高速硬铣时的润滑或冷却
高速硬铣时，在切削刀刃上会产生很高的温度，如果采用冷却液进行冷却润滑时，会使 刀具产生急剧的温度突变负荷，致使硬质合金刀体中组织产生微细裂纹。这样，刀具就会过早失效。因此，高速硬铣时不宜采用冷却液进行冷却润滑，应采用干式硬 加工。但是考虑到硬铣时的切削温度是随着工件硬度和切削速度的提高而增加，所以在工件硬度不是很高的情况下，在高速硬铣时也可以考虑采用微量润滑。当工件 硬度很高时，这种微量润滑也会引起硬质合金刀具产生强烈的热冲击负荷。因此，对于这类高速硬铣应采用压缩冷空气进行吹除切屑，以避免产生热冲击负荷，刀具 寿命一般能提高20～30%。此外，特别是对于六刃立铣刀，采用压缩空气吹屑还可避免加工时切屑的缠绕。
采用压缩冷空气吹屑时，压缩空气 的压力应至少达到6巴（0.6MPa）。例如，一个硬度为61HRC的模具，在高速硬铣时，采用了压力为6巴，冷却至-30℃的压缩空气，根据德国 Franken公司的介绍，这样的压缩冷空气不仅有利于吹除切屑，并且在最有利的情况下可使刀具的耐用度提高30%。
在这里应提及的是，这里所采用的压缩冷空气是通过一个专门的涡流管装置将压缩空气加速至声速，在加速过程中，使其分离成冷、热两部分，并分别引出，由此所产生达-30℃度的冷空气，再通过装有喷咀的塑料软管对准铣刀刀刃进行吹屑。
高速硬铣应遵循的原则
模具的高速硬铣，由于能获得较好的表面质量、显著短的加工时间、短的生产工艺流程和较低的加工费用而得到越来越广泛的应用。在高速硬铣模具时，为较好的达到这些效果，应遵循下列原则：
◆ 刀具的悬伸应尽可能短，而在热装冷缩式刀夹中刀具刀柄应有足够长的夹紧长度。
◆ 应采用顺铣方式，以便提高刀具的寿命（至少20%）和获得较好的加工表面质量。
◆ 立铣刀的圆跳动误差应尽可能小些。
◆ 应放弃湿式加工，尽可能采用致冷的压缩空气进行吹屑和冷却刀具。
◆ 应根据模具的材质、硬度和加工条件选用合适的切削速度和进给速度。
◆ 粗铣时应尽可能切除大部分材料余量，即为精铣约留0.05 mm的加工余量，免去半精铣工序以缩短生产工艺流程。
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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet. 1 引言
高 速切削、强力切削可显著提高加工效率，是现代制造技术的重要发展趋势之一。但随着切削速度的提高，在某些加工场合也带来了加工质量方面的问题。如采用旋风 铣削法高速铣削内、外螺纹时(见图1)，虽然加工效率高、刀具冷却效果好，但加工出的螺纹精度并不高，且螺纹牙槽两侧面的表面质量存在较大差异。对于粗加 工工序，螺纹牙侧表面加工精度影响不大，但对于一次完成全牙深切削的最终加工而言，这一问题不容忽视。为此，本文对旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧面的表面质 量进行了分析计算，并介绍了旋风铣刀的设计方法。
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a)铣削外螺纹
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(b)铣削内螺纹
图1 旋风铣削内、外螺纹
2 牙槽两侧面表面质量的计算与分析
1) 牙槽两侧面表面特征
旋 风铣削丝杠螺纹时，当铣削速度提高到2000r/min 以上，螺纹牙槽底面(沟底)及其中一侧面的表面质量明显提高。由加工结果可知，无论是采用刀具进给方式、由车床改装的旋风铣削装置，还是采用工件进给方式 的专用丝杠加工设备，均为迎向铣刀的牙槽一侧(记为A侧)的表面加工质量明显优于相对的另一侧(记为B侧)。A侧表面光滑锃亮；B侧表面光泽不明显，用手 触摸有细微粗糙感。
2) A侧表面粗糙度计算
如图2所示，设刀刃位于水平线OO'时为零时刻，经过时间t后，铣刀盘转过一齿，则有
wFt+wwt=1/Z
式中，wF、ww分别为铣刀和工件的转动角速度，Z为装刀数。设转速比l=wF/ww=nF/nw(nF，nw分别为铣刀和工件的转速)，则可得
t=1(/l+1)wwZ
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图2 牙槽侧面粗糙度分析
设被加工螺纹螺距为P，则经过时间t后，刀具的轴向进给位移量为
S1=wwtP=P(/l+1)Z
与此同时，工件转过的角度为
q=2pwwt=2p(/l+1)Z
刀具下降高度为
Y=2(R-h/2)sin(q/2)=2(R-h/2)sin[p(/l+1)Z]
则刀具的横向位移量为
S2=Ytanb=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]
式中，R为丝杠直径，h为牙槽深度，b为螺旋升角。由此可得A侧表面的理论粗糙度值为
Rz1=S2=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]
3) B侧表面粗糙度计算
由于刀具加工时既有横向位移又有进给位移，因此经过时间t后，铣刀盘转过一齿时，刀具切入点的位移量为轴向进给位移与向后的横向位移之和，则B侧表面的理论粗糙度值为
Rz2=S1+S2=P(/l+1)Z+2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]
4) 两侧面表面质量差异分析
铣 刀作轴向进给运动时，A侧面在铣刀侧刃挤压下被高速铣削。当切削速度达2000～3000r/min时，加工区火花四溅，切屑局部呈柑红色，表明该处切削 温度已达800℃以上(通过计算也可得出此结论)，此时金属原子热振动振幅增大，原子间键力减弱，导致工件材料的硬度和强度降低，同时切削时的弹性变形、 塑性变形和摩擦力也明显减小。由于大部分切削热被切屑带走，传入工件表层的切削热很少，渗入层很薄，表面层物理力学性能的变化在允许范围内，因此A侧面的 表面质量得到提高。此外，由于每齿切削厚度和进给量减小，A侧相当于在被铣削的同时也被研磨，使表面质量进一步提高。而B侧被铣削时，由于存在进给运动， 刀具在该时刻已离开被铣部位，因此不存在挤压与研磨作用。可见，切削力作用形式的差异也给两侧的表面质量带来不同的影响。
根据上述计算与分析可知，由于Rz1 < Rz2，加上A、B两侧铣削作用力的不同影响，故A侧表面质量优于B侧，这与在实际加工中的观察结果一致。
3 旋风铣刀的设计
刀具材料的选用
当 铣削速度达到2000r/min以上时，刀具与工件接触时间约为0.003s，而切削热在钢中的传播速度约为0.5mm/s，即在刀具与工件接触时间内热 量传播距离仅为1.5µm 左右，因此仅有极少量切削热传入刀具中。此外，由于刀刃空行程较长，使刀刃承受的热脉冲大大降低，因此铣刀刃部温度始终保持在300℃左右，不易引起刀具 硬度降低，刀具磨损较小。但是，由于刀刃工作方式为高速断续切削，整个工艺系统振动较大，刀刃部位需要承受较强的正压力脉冲和弯曲应力脉冲，因此要求刀具 材料具有较好韧性。综合考虑上述加工特点，刀具材料不宜选用硬质合金，选用65Mn淬火钢较好。
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图3 铣刀盘装配图
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图4 刀夹结构图
刀具结构设计
为 提高加工效率，笔者设计了图3所示铣刀盘结构和图4所示刀夹。刀夹上开有装刀槽，将长条形刀片置于其中，上面盖压一带槽薄板，然后装入铣刀盘刀槽中，用内 六角螺钉压紧，即可进行铣削加工。当刀片磨损后，松开压紧螺钉，取出长条形刀片，对切削刃部分重新刃磨后即可重复使用。如切削时刀片有后退倾向，可在铣刀 盘上加装可调挡块。与焊接式或其它刀具结构相比，这种可转位铣刀盘结构可减少刃磨、装卸和对刀工时，刀片可重复利用，具有加工效率高、加工成本低等优点。
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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet. 摘要：通过对夹具设计中优化设计和经济性评价问题的阐述，讨论了夹具设计的原则和要点，特别在设计上提出了数学模型作为依据的最优数法设计观点，以及经济 性评价概念。对企业丰富工装设计、改进企业实施工艺装备的通用化、系列化和标准化，提高企业产品开发能力，降低生产成本，缩短生产周期，提高产品质量和指 导生产实践都具有十分重要的现实意义和技术效果。
前言
现代夹具(如成组夹具、通用可调夹具、组合夹具)的结构共性，大都 由通用基体和可调、可换元件两部分组成。其通用基体部分是零件组中所有零件共用的主要部分；而可调、可换部分则是针对零件组中某种(或几种)特定零件而专 门设计的专用或准专用部分。可调、可换元件一般是随夹具适用对象数的多少而变化的，因此，在现代夹具设计时，适用对象种数选择得是否合理，将直接关系到可 调、可换元件的数量和夹具的整体经济性，以成组夹具为例进行探讨和研究。
1 优化设计分析
这种优化设计的特点：
a. 可以正确确定适用对象种数。
b. 根据优化设计的结果，对可调、可换元件和通用基体的结构设计从成本比例的角度进行调整，从而使之满足优化设计，达到整体经济性的目的。
1) 成组夹具的成本
成组夹具的成本Cc=Ct+PN (1)
式中：Ct——成组夹具上通用基体的成本，元；
P——成组夹具上可调、可换元件平均单件成本，元/种；
N——成组夹具适用零件种数，种。
式(1)中，t对整套夹具来说是一常数；PN则随着N的增减而变化(其中P为常数)。
2) 衡量成组夹具经济性的2个基本概念
从成组夹具适用对象种数所分摊的夹具成本看，可以认为：适用对象在成组夹具满负荷的范围内，对象种数愈多则夹具分摊到适用对象种数上的单位成本就愈低。
从夹具上的可调、可换元件看，随着夹具适用对象种数的增加，则夹具上的可调、可换元件也随着增加，这时，可调、可换元件的设计、制造费用以及夹具的调整次数和调整、保管费用也随之相应增加。
以上2个不同内容有些矛盾的因素，从不同的角度影响着成组夹具的经济性。下面将通过建立数学模型，进一步阐明上述这2个基本概念。
3) 建立数学模型
a. 从式(1)中得知，在1≤N≤Nx时，其中Nx为夹具在满负荷时的适用对象种数，成组夹具分摊到适用对象种数上的单位成本
P0=(Ct+PN)/N
整套夹具中可调、可换元件所需的费用PTW=PN (3)
b. 建立数学模型F
把式(2)和式(3)进行叠加，则得
F=P0+Ptw=(Ct+PN)/N+PN
4) 最优数NK的求解
假设：Ct=1,000元，P=50元/种，Nx=100种对式(4)用微分法求极小值K，即求出NK值
令 dF/dN=0
即 F'=-Ct/N2+P
又令 F'=0
则有 N=(Ct/P)½ (5)
式(5)中求出的N 即为NK，且1≤NK≤Nx。得 NK=(1,000/50)½≈4.5种
取整数，则NK=5种，该NK值，亦即为当Ct=1,000元，P=50元/种时，夹具适用对象种数的最优数值。
2 优化设计的现实意义
当 所设计的成组夹具，其适用对象零件种数等于或接近NK值时，可以认为这套成组夹具符合经济性的原则；反之，从经济的角度可以认为是不合理的。这时，应该从 各方面采取调整措施，如修改通用基体或可调、可换元件的结构设计，使之Ct值与P值的比例关系得到调整，最终符合经济性的原则。
在成组夹具设计中，根据夹具的复杂程度，从已积累的统计资料中取得Ct值与P值的当量值，以预定成组夹具适用对象零件种数，然后对实际的Ct值与P 值进行评价，这样可以达到减少过程损失的目的。
为 了使成组夹具达到优化设计，必须对NK进行求解，但当已经掌握了它们内在的数学关系之后，便没有必要在每套成组夹具设计中都逐个进行求解，为了达到提高设 计工效之目的，可以通过建立速查表的办法来提高优化设计和评价效率。这个速查表可以根据非常简便的均方根关系来建立，详见表1。
表1 速查表
Ct/PTW 4 9 16 25 36 49 64 81 100…
NK 2 3 4 5 6 7 8 9 10…
可借助表1 中所列的NK值，来确定优化设计中的NK值，或者在设计之后用表1中列的NK值来检验设计结论的经济性，如等于或接近表列的NK值，则从经济的角度可裁定该设计已达到了优化设计的目的。否则，则应相应修改设计方案，直至达到或接近NK值为止。
按照此方法进行通用化工装设计，可大大降低工装成本，缩短产品开发周期。由于通用夹具在产品开发中的占总体工装的1/5～1/10，其制造可由本企业的机修单位来完成，工装夹具的到货周期由原来的几个月缩短为几天。
可以大大减少夹具库存量。以工装库存的最低储备量来估算，库存量为现场用量的2～3 倍，而通用工装夹具会使原来现场使用的夹具由几百种下降为几十种，库存量可降至1/2～1 倍的生产用量。
大幅度提高单机设备的通过能力，提高产品质量。现场同类设备由于工装的差异影响了设备本身较宽的工艺通过能力，通用工装使现场整体的设备通过能力得到提高，有利于均衡生产，提高了工艺质量和产品质量。
提高现场应变能力和单一品种的加工能力，有利于物流顺畅和均衡生产。
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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.除了传统类型的氮化硅陶瓷以外，在α/β硅铝氧氮聚合材料领域有许多令人期待的发展。这一类型材料的高温特性以及韧度特性能够得到显著优化。
陶 瓷切削材料是一种高效率的材料，一贯用于高速切削(HSC)和高效切削(HPC)。由于切削速度和进给速度的提高，不但明显提高了单位时间的切削量，显著 降低了单件加工对间，同时也提高了切削加工过程的经济性。除此以外每个单位时间内可能的较高的产量也减少了必要的机械工艺的投资费用。
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α/β硅铝氧氮聚合陶瓷材料的带转位式刀片的平面直角铣刀MS90°
作为切削材料，硅铝氧氮聚合物胜过氮化硅陶瓷
氮化砖陶瓷一直用来作为铸铁工件高效切削的材料。在切削速度很高的情况下，氮化硅陶瓷能提供杰出的过程安全性和过程稳定性、并且凭借极好的经济性保证了设备的高产量和很高的可支配性。最近硅铝氧氮聚合切削材料的开发充实了氮化硅家族。
氮化硅陶瓷(Si3N4)是一种二相材料，其高度稳定的杆型氮化硅晶粒贮藏在耐高温的晶界(第二相)中。材料的组成确定了切削材料的硬度，韧度以及耐高温性。通过烧结法可以影响材料的结构，比如氮化硅晶粒的L/D比例，这样就能对材相进行有针对性的优化。
除 了这些传统类型的氮化硅陶瓷，也就是所说的b氮化硅陶瓷，在α/β硅铝氧氮聚合材料领域中还有很多研发活动。材料的特性除了由结构组成来决定，根本的是由 材料组成来决定的。在α/β硅铝氧氮聚合材料中，第二相有一部分嵌入了氮化硅晶格中。由于这个特性使得有进一步的可能性去影响结构。通常这类型的材料是以 拥有改良的高温特性而出名。
这一种类的材料可以使切削材料的特性方面朝韧性的方向优化，另一方面又考虑到了较高的耐磨性。
由于很 好地分散填充了碳化物硬质材料颗粒，尤其是在硅铝氧氮聚合材料晶粒之间，使得硅铝氧氮聚合切削材料的硬度和温度突变稳定性更有可能提升。此外同传统类型的 b氮化硅相比，硅铝氧氮聚合材料拥有出色的抗氧化性及化学稳定性。图1展示的就是典型的α/β硅铝氧氮聚合切削材料的结构。
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图1 典型的α/β硅铝氧氮聚合切削材料的结构
硅铝氧氮聚合切削材料不仅使用于车削，也适用干铣削
由 于其所其备的特点．新型的a/b硅铝氧氮聚合材料的使用频谱非常宽。按照其不同类型的特性，覆盖了从粗加工到精加工，从平整打光到强断续切削。因此硅铝氧 氮聚合切削材料不仅使用于车削，也同样使用于铣削。切削含片状石墨(GJL)和球状石墨(GJS) 的铸铁工件，加工速度快，单位时间切削量高。在加工片状石墨工件时．氮化硅陶瓷被运用于使用频谱的全部带宽，而对于球状石墨工件来洗这种材料除了用于铣 削，到目前为止更适用于断续切削和强断续切削中的车削。在切削方面，首先使用的是韧度经过优化的α/β硅铝氧氮聚合切削材料，它在切削片状石墨材料是显示 出了很高的生产能力。SL808型切削材料正是这一研发方向的成果。
在使用平面-直角铣刀MKS90° 对材料为片状石墨250的罩壳进行粗铣加工时，由于SL808型切削材料提升了的高温稳定性，使得切削速度达到了VC=1,2OOm/mim．每齿进给为 fz=0.275mm，进给速度Vf=1000mm/min，啮合宽度为5mm至12mm，切削速度达到最大值ap=12mm。尽管切削值这么高，每次切 削都能达到50m的标准路程。
α/β硅铝氧氮聚合材料的优势可以通过同传统b氮化硅的比较中表现出来，比如对材料为片状石墨250的压缩 机罩表面进行切削(图2)。在每齿进给量同β氮化硅陶瓷相同的悄况下，使用α/β硅铝氧氮聚合切削材料SL808, 因为其较高的切削速度，使得每一个零件加工时间相应缩短了。此外，其较高的耐磨性使得刀具的使用寿命比较长，这就再次提高了加工的经济性。在所展示的情况 中．通过使用α/β硅铝氧氮聚合切削材料使切削速度提高了约15个百分点，刀具使用寿命提高了63个百分点。每齿进给量为fz=0.20mm，切削深度 ap=5.0mm时，切削速度为VC=900m/min。
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图2 压缩机罩壳，使用平面直角铣刀MKS90°及α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808。
同 传统的β氮化硅陶瓷相比，α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808在对法兰面和螺钉紧固面进行粗铣加工中也证明了它的效率。由于其高度的热稳定性使得切削速度可 以从500m/min提高到800m/min。进给速度从大约300Om／min提高到接近4000mm/min，因此加工时间减少了至少20%。尽管切 削速度和进给速度较高，但使用α/β硅铝氧氮聚合陶瓷材料的刀具的使用寿命是使用b氮化硅陶瓷材料刀具的2倍。使用寿命显著提高，而同时加工时间又缩短 了，这使得加工费用减少了至少30%。
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图3 使用α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808同氮化硅陶瓷，加工时间短，加工费用低。
在 同氧化铝涂层的硬质合金在不同使用位置进行的比较中，α/β硅铝氧氮聚合陶瓷也经受住了考验。在切削球形罩壳的侧面，切削深度ap=3mm，啮合宽度ae =40mm时，使用了直径为50mm ，含5个MSK88°切削刃的铣刀替代更大的含7个切削齿的硬质合余铣刀 来切断连接面。因为其优良的耐高温性使得切削速度达到VC=100m/min，进给速度Vf=3600m/min，接近于初始值的3.6倍。由于使用 α/β硅铝氧氮聚合陶瓷缩短了加工周期，提高了每个工件的刀具使用寿命，铣刀只用5个切削齿替代了7个切削齿，并且每个转位式刀片有8个而不是2个切削 刃，因此同使用硬质合金进行加工相比，加工的经济性显著提高。仅仅考虑年度生产中分摊到的设备费用，就降低了70%。
生产GJS400轴 承座使用了直径为80mm的平面直角铣刀MKS90°(图4)。在第一次夹紧时对不同的直径循环铣切，啮合宽度ae=40mm，切削深度ap=10mm。 同使用氧化铝涂层的硬质合金相比，进给速度由550mm/min提高到了3000mm/min，使得加工时间从6.8分钟减少到了1.25分钟。
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图4 切削速度及进给速度高，经济性好，在GJS400轴承座上使用α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808进行循环切削,加工时间从6.8分钟减少到1.25分钟。
使用寿命长，经济性高
α/β 硅铝氧氮聚合陶瓷材料的发展，可以看作是氮化硅陶瓷家族发展的指导方向。同传统的b氮化硅陶瓷相比、α/β硅铝氧氮聚合陶瓷的耐高温性以及耐磨损性显著提 高，而它在使用频谱中的韧性并没有被限制。在切削条件高的情况下使用α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808切削铸铁材料就证明了这一点。同硬质合金切削材料相 比，在高温情况下其较高的耐磨性的优点表现在切削速度和进给速度的提高：而同β氮化硅陶瓷相比，它可以在生产中达到更长的使用寿命和更高的经济性。
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金 刚石刀具的高硬度及其它优异性能使其非常适合加工硅合金、铝合金、铜合金等有色金属材料以及纤维增强复合材料、酚醛树脂、石墨等非金属材料。天然金刚石材 料由于颗粒较小、价格昂贵、不易加工等原因，其推广应用受到一定限制。人造聚晶金刚石(PCD)刀具虽然在半精加工、精加工领域发挥着重要作用，但由于刀 片形状单一、无断屑槽以及几何参数的局限性等，其优异性能难以充分发挥。金刚石厚膜刀具是将沉积的金刚石厚膜焊接在硬质合金刀片上制成的新型刀具，具有优 异的加工性能及较高的性能价格比。我国对金刚石厚膜端铣刀的研究、开发及应用目前尚处于起步阶段。本文对金刚石厚膜端铣刀的显微组织、设计与制备以及在超 精加工中的应用进行了试验研究。
2 金刚石厚膜的显微组织分析
为研究金刚石厚膜刀具的加工性能，用JSOM35C型扫描 电镜对国产金刚石厚膜与进口PCD复合片的显微组织进行了对比测试分析，由两种材料的显微组织图像可知，PCD复合片的显微组织为颗粒状聚晶组织，存在较 多空隙，含有许多针状石墨体；由于在高温高压的制备过程中添加了微量粘结剂，因此其硬度受到一定影响 (HK5000～8000)，低于天然金刚石的硬度，但其抗冲击强度较高；用PCD复合片制成的刀具刃口上呈现许多不平整的微锯齿，因此适用于半精加工和 精加工，但不适合要求达到镜面级表面精度的超精加工。由图2可知，金刚石厚膜的显微组织完整单一，空隙少而细微，与单晶金刚石相似；由于材料组织完全由金 刚石组成，无粘结剂夹杂，因此具有较高硬度(HK8300)，接近天然金刚石的平均硬度值；如选用适当的刃磨工艺，金刚石厚膜刀具可获得无锯齿的直线状刀 刃，十分适合镜面级表面精度的超精加工。
3 端铣刀的设计与制备
为进行对比切削试验，分别用金刚石厚膜和PCD复合片制 备成具有相同形状及几何参数的端铣刀。经优选的端铣刀设计参数为：直径Ø125mm，刀齿数为6齿，切深前角3°～8°，径向前角0°～-5°，主偏角 75°；硬质合金基体采用YG3X正方形刀片，刀体采用可转位前压式，刀体厚度、孔径、连接尺寸等按国家标准设计。
用激光分别将PCD复 合片和金刚石厚膜切割为三角形小片，用专用工装将YG3X硬质合金刀片磨削成与三角形膜片尺寸一致的刀槽，以备钎焊时使用。金刚石厚膜与一般金属及其合金 之间具有很高的界面能，难以被一般的低熔点合金所浸润，且金刚石厚膜可焊性较差。为了提高金刚石厚膜与硬质合金基体之间的可焊性，采用了特制的高强度银铜 合金焊料，并采用硬质合金低温钎焊工艺焊接金刚石厚膜刀片和PCD刀片。分别将钎焊好的刀片进行同级别表面精度的刃磨，半精刃磨时选用高强度、粗粒度的金 刚石砂轮，精刃磨时选用细粒度的金刚石砂轮，刀具刀尖圆弧则采用工装自动刃磨。端铣刀经装配、调试后，其轴向和径向圆跳动控制在0.002mm 范围内。
4 切削试验
加 工机床：BI-266型数控铣床；测量仪器：M4P表面粗糙度测量仪；工件材料：LY12铝合金；切削方式：干切削。在相同切削用量下分别用金刚石厚膜端 铣刀和PCD端铣刀铣削LY12铝合金并对试件表面粗糙度进行测量。试验结果见表1。铣削加工结束后，用100倍显微镜对金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀 的6个刀齿进行了检查，发现每个刀齿经过6000 多次切削冲击载荷(6个刀齿共承受36000 次冲击)后，刀齿均无崩刃现象发生。试验结果证明，采用合理刀头几何形状的金刚石厚膜刀具不仅具有PCD端铣刀的优点，而且可实现大平面的超精加工。
表1 金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀对比试验结果
刀具 工件 切削用量 工件表面粗糙度
Ra(µm)
切削速度(m/min) 切深(mm) 走刀量(mm/r)
金刚石厚膜端铣刀 LY12铝合金 157 0.02 0.02 0.10
PCD端铣刀 LY12铝合金 157 0.02 0.02 0.40
我厂设计生产的6～32齿金刚石厚膜端铣刀已应用于发动机生产现场，实现了“以铣代磨”的高效率、高质量超精加工。
5 结论
金刚石厚膜材料的显微组织与天然单晶金刚石类似。金刚石厚膜刀具适用于超精切削加工，可部分替代昂贵的天然单晶金刚石刀具。
几何形状及参数设计合理的金刚石厚膜端铣刀可承受切削载荷的反复冲击，有效解决有色金属及其合金材料的大平面、超大平面超精加工难题，铣削加工有色金属材料大平面工件时可获得镜面精度的加工效果。
金刚石厚膜端铣刀不仅可应用于精密型加工机床，也可应用于普通铣床，可获得较好加工效益，具有推广应用价值。
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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)。
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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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用UPC刀具对模具进行超精密切削加工正朝着高精度和更加微的加工方向发展。从CD到CD-ROM、MD、DVD，不断发展的光盘种类所需要的拾波镜片模具也不断精密化，因此，加工此类模具的UPC刀具也在不断改进。
随 着拾波用非球面镜片塑料化和高精度化的进展，要求加工模具(非电解镀镍材料)的刀具切削刃的轮廓精度(不圆度)必须具有非常高的精度。现在已开始出一种 UPC-R刀具，其圆弧切削刃的轮廓精度为50nm(0.05μm，工作范围90°)。这种车刀是为超精密切削加工开发的专用刀具，配用于CNC多轴超精 密车床。
随着光盘制品不断向小形化发展，镜片也日趋小型化，曲率也日益减小。UPC刀具的刀尖圆弧半径也由R1.0mm减小至R0.1mm，为获得锋利的切削刃，刀尖角也降至40°以下。
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刀尖圆弧半径为R5μm的UPC-R车刀
随着DVD的问世，为了生产DVD和CD可共用的零件，光学系统更加复杂，镜片也更加微小，包含镜片在内的光学元件数量随之减少。为了将复杂的光学元件功能集中在1个光学元件上，便产生了利用衍射效应的全息元件。
DVD 和CD(含CD-ROM)盘面信号的位置各不相同，因此，用来读出信号的激光的焦点聚焦位置也不同，通过镜片将不同位置的两个焦点聚集在一起。具有此种功 能的镜片叫做双焦点全息镜片，其中，在非球面镜片位置聚焦一个焦点，通过该非球面镜片上刻制的衍射栅所生成的衍射光，聚焦另一个焦点。加工这种镜片模具的 刀具必须具有高精度圆弧切削刃，以便在使用该模具加工非球面镜片时，能够保持极高的轮廓精度。加工微细全息衍射栅时，要求刀具必须具有非常锋利的切削刃。 现在已开发出能够满足此种要求的UPC-R刀具，其刀尖圆弧半径为R5μm。当UPC-R刀具刀尖圆弧半径较大，在加工微米级衍射栅时，衍射栅沟槽部位呈 现出圆弧形，其光学性能将大为减弱；当刀尖圆弧半径减小至5μm时，加工出的衍射栅沟槽便非常精密，其光学性能大为提高。另外，R5μm的圆弧切削刃轮廓 精度达到50nm，这种高精度切削刃通过超高精度机床，可加工出精度极高的非球面形状，其光学性能完全能够达到标准所要求的水平。如要进一步提高双焦镜片 的光学性能，则应开发出刀尖圆弧更小(如R1μm)的刀具。
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加工5μm沟槽的UPC-T车刀
DVD这类产品不仅要求双焦点，而且要求图象、信息高密度化和高精度化，正向着小型化、多功能化发展，因此，其光学系统也更加复杂。此种将复杂光学系统集成化的元件称为HOE(Holographic Optical Element)。
在HOE上刻制有许多微米级间隔的细槽，利用光衍射现象，将10余个镜片等光学元件的功能集成在一个HOE上。变更间距和深度，便可自由进行光的分度、偏转和形状的变换。
这 些光学元件的加工，过去大都用半导体加工时所采用的光刻蚀技术，但光刻技术所加工出的沟槽底部为圆形，深槽则要分数次刻蚀，因此，常常出现刻蚀不均匀情 况，这将降低光的利用率。为解决这一难题，现已开发出一种UPC-T车刀，这种刀具可进行微米级超细沟槽的精密切削加工。
刃尖宽度为 5μm的UPC-T车刀，其矩形部位的切深可达10μm。用这种刀具可加工间距为5μm的平行槽。加工时刀具固定，规定切深，工件沿单一方向作直线运动即 可完成加工。加工条件为：被加工材料：非电解镀镍模具；机床：超精密CNC车床；刀具：长度8～35L，刃宽5μm；工艺参数：进给速度：1m/min， 切削深度：1μm，切削液：电加工用润滑油(雾状冷却)。在这样的条件下，采用UPC刀具加工矩形槽，可获得刻蚀加工无法达到的矩形槽精度。另外，利用 UPC刀具加工的模具所生产的塑料光学元件，具有优异的光学性能。
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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet. 位于美国新墨西哥州的圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratories)对尺寸仅为10µm和20µm的微型车刀和铣刀进行了切削实验与研究。
虽 然“微加工(micro machining)”这一术语可用于表示在极小尺度范围内完成的各种加工操作，但圣地亚国家实验室的研究人员却避免将他们进行的微小尺度车削和铣削加工 称为“微加工”。他们认为，在“加工”一词前面冠以“微(micro)”的前缀，则表示用该加工方法可加工出尺寸小至1µm的工件形貌，而该实验室目前还 做不到这一点——至少在车削和铣削加工上还达不到这一水平，目前他们研制的微型刀具能够加工出的工件形貌尺寸最小可达到25µm。换句话说，虽然他们已达 到的加工尺度水平还不能称为“微加工”，但已比几乎任何其它金属切削加工车间都更接近 “微加工”的目标。圣地亚国家实验室的研究人员将这种尺度水平的加工称为“亚微加工(meso-machining)”。
亚微加工所用的 微型铣刀和微型车刀是采用聚焦离子束对硬质合金和高速钢刀坯材料进行雕蚀加工而成。用该方法制造的微型立铣刀的直径可小至约20µm；微型车刀的宽度可小 至约10µm。这种微型刀具是实现亚微加工所必不可少的关键工艺因素，因为目前在机床上使用这种微型刀具的适用加工技术已基本成熟。在圣地亚国家实验室， 虽然仍然需要全力开发亚微切削实验所用的微型刀具，但实验所用加工机床已完全具备了使用微型刀具的技术条件。研究人员利用市场上机床供货商提供的精密加工 机床，即可有效地使用微型刀具进行亚微切削加工。
美国开展亚微加工研究的一个主要原因与核武器有关。美国现存核武器上的某些零件需要经常 更换，并且需要对这些零件的结构形貌不断进行改进。但是，因为核武器上的各个零件与周围其它零件之间都有不允许改变的装配关系，所以每一个零件的尺寸和外 形都必须保持固定不变。因此，为了在零件上增加新的结构形貌，惟一的途径就是将更多结构微缩于现有空间之中，而亚微加工可以成为实现这一目标的一种有效手 段。
圣地亚国家实验室通过大量实验研究，已可在包括铝、黄铜、4340钢等材料上成功地铣削出宽度20～30µm的槽，典型切削深度为 1µm。该实验室用一把φ22µm硬质合金双刃立铣刀进行的切削实验表明，在切深1µm、转速18000r/min的切削条件下加工铝件时，微型立铣刀能 以最大至50mm/min的进给率进行有效切削，刀具铣削时间超过6小时以上，且在整个进给率变化范围内未发生刀具破损现象。
微型车刀的切削可靠性也已得到证实。典型的切削实验表明，一把宽度为13µm的微型车刀能够在全长200mm的铝件上切出深度为4µm的螺旋槽。
微型车刀的几何形状与常规尺寸车刀类似，而微型铣刀的几何形状则与常规尺寸铣刀有所不同。由于用聚焦离子束对微型铣刀进行成形加工时，难以加工出典型的标准立铣刀带有容屑槽的复杂几何形状，因此，亚微加工用微型立铣刀的刀体剖面几何形状较为简单。
微 型刀具的切削机理与常规尺寸刀具基本相同，可看作是常规刀具切削的“微缩版”。用光学显微镜对亚微铣削过程的观测表明，切屑可从铣刀附近快速排出。此外， 用电子显微镜观测表明，铣削工件表面同样出现了切削刀痕。对亚微车削的观测结果也清楚地表明，与常规尺寸车刀加工的常见现象一样，用亚微车刀切削后，也经 常可以发现刀具上粘附有长条形切屑。
上述亚微铣削实验是在一台上世纪九十年代购进的Boston Digital加工中心上进行的。该机床的位移分辨率达到1µm，因此可以利用在手动铣床加工中常用的“触发(touching off)”对刀方式来实现微型铣刀相对于工件的定位。研究人员采用手动方式，以每次1µm的步距持续缓慢地微动进刀，直至通过显微镜观察到出现了一点切 屑，即表明此时铣刀已刚好与工件接触。
最近，圣地亚国家实验室又在一台Willemin-Macodel公司的精密加工中心上进行了亚微 铣削的实验研究。亚微车削实验则是在一台Moore Tool公司的金刚石车床上进行的(虽然使用的微型车刀材料并不是金刚石)。该实验室还在Agie公司的线切割机和电火花成形机上进行了亚微放电加工 (EDM)的实验研究。此外，亚微激光加工也是该实验室亚微加工研究的另一重要领域。
目前，亚微车削比亚微铣削更具实用性。对于亚微铣削 而言，制约其应用的因素除了亚微刀具制造工艺难以复制出传统立铣刀的复杂几何形状外，另一个原因是很难将安装在刀夹中的微型铣刀的径向跳动减小至一把直径 仅20µm的刀具可以容许的误差范围内。另一个问题是目前对亚微铣削的需求还不多。圣地亚国家实验室的用户迄今提出的研制要求是需要直径小于130µm的 铣刀。对于某些工件形貌，例如微型外齿轮的轮齿，实验室趋向于采用线切割机进行放电加工(EDM)。不过，如果需要加工微型内齿轮的轮齿，则可能需要采用 亚微铣削。
虽然存在上述问题，对各种亚微加工方法(包括亚微铣削)的实验研究仍在继续进行。为了避免因铣刀夹持及与此相关的铣刀径跳引起 的问题，圣地亚国家实验室正在对一种可带动刀具旋转而不需要刀具夹头的专用主轴进行实验，这种由佛罗里达大学开发的主轴转速可高达 500000r/min。
影响亚微切削加工的另一个常见问题是使用亚微刀具需要较高的专业知识水平。亚微切削加工与常规切削加工的要求不 同。在常规切削中，刀具、工件和加工程序可在不同的机床之间替换使用；而亚微切削则要求操作者必须了解在不同的加工环境下微小误差的叠加规律有何不同，以 及选择的特定切削参数(如切削速度、进给率等)是如何影响特定机床的加工精度的。要成为一个熟练的亚微切削操作者，可能需要好多个月的时间不断进行学习和 实践，以正确掌握亚微切削的技术知识和操作要领。这种较高的技术要求大大限制了亚微切削技术的推广应用。即使在圣地亚国家实验室的五、六十名技术精湛的机 械技师中，也只有少数几人能够熟练掌握此项操作技术。
亚微加工技术的发展现状可总结如下：
1) 聚焦离子束工艺(用于制造亚微刀具)：可加工最小形貌尺寸：200nm，公差20nm；材料去除率：0.5µm3/sec；可加工材料：任何材料。
2) 亚微铣削、亚微车削：可加工最小形貌尺寸：25µm(车削可达10µm)，公差2µm；材料去除率：10400µm3/sec；可加工材料：铝，黄铜，低碳钢，PMMA塑料。
3) 亚微放电加工(EDM)：可加工最小形貌尺寸：25µm，公差3µm；材料去除率：25×106µm3/sec；可加工材料：导电材料。
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使用新购买的刀具或重磨的刀具一段时间后，就会发现已加工表面粗糙度增大，切屑的颜色、形状和初始切削时不同，切削温度升高，切削力增大，切削加工系统甚至出现振动或不正常的声响。上述现象表明刀具已发生严重磨损，必须更换新刀或重新进行刃磨。
刀具磨损是切削加工过程中不可避免的现象，但刀具磨损过快或发生非正常磨损(也称破损)，必然会影响加工质量，增加刀具消耗，使生产效率降低，加工成本提高。因此，通过研究刀具磨损，可制订合理的切削加工方案，提高生产效率和零件加工质量，并有利于降低加工成本。
为 了能使刀具经久耐用，尽量减少磨损，需要了解各种切削因素对刀具磨损的影响。影响刀具切削性能的主要因素有：刀具几何参数(后角、前角、主偏角、刀尖圆弧 半径等)、刀具材料、切削用量、工件材料及其机械性能等。这些因素中工件材料属于不可控因素，改变其它因素的属性可控制刀具的磨损形式及磨损率，如通过改 变工件材料的热处理状态可改变工件材料的机械性能，从而影响刀具的磨损；选择合理的刀具材料和刀具几何参数也可改善刀具磨损；生产上一般还可通过合理选择 切削用量来减少刀具磨损，提高刀具的使用寿命。
要知道如何合理选择上述可控因素，还需要分析刀具失效的形式及其产生机理。刀具失效的形式 (图1)可分为正常磨损和非正常磨损两大类：正常磨损是在切削过程中，刀具切削刃、前刀面、后刀面分别与加工表面、切屑和已加工表面接触，在接触区里受切 削力和切削热的耦合作用，并发生强烈的摩擦产生的，切削刃、前刀面和后刀面都会产生磨损。正常磨损时，刀具的磨损量随切削时间增长而均匀地增加。刀具的先 期破坏或使用过程中的剥落、突然崩刃、卷刃或刀片的整个破裂都称之为非正常磨损。
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图1 刀具失效形式
刀具正常磨损主要是由以下几种原因造成的：
1) 磨料磨损是切屑或工件表面存在硬质点(如碳化物颗粒以及积屑瘤碎片等)在刀具表面(前刀面和后刀面)上划出沟纹而造成的磨损。低速切削时，其它原因产生的磨损不明显，因此对低速切削的刀具而言，磨料磨损是刀具磨损的主要原因；
2) 黏结磨损是切削时切屑和工件材料沿刀具前、后刀面移动，破坏了刀具表面的氧化层和其它吸附膜，特别是刚从工件材料内部切削出的新鲜表面间形成强烈黏结造成 的磨损。切削速度与黏结磨损之间存在着非常复杂的关系，一般黏结磨损主要发生在中等切削速度范围内，刀具材料与工件材料之间的亲和力、刀具材料和工件材料 之间的硬度比以及刀具材料组分、晶粒粗细、刀具表面状态和切削液类型等都影响刀具黏结磨损速度；
3) 扩散磨损是由于切屑、工件与刀具前、后刀面在高温、高压下接触且有较大的化学活性，接触面上的化学元素互相扩散到对方去，改变了两者的化学成分和材料结构 而形成的磨损。扩散磨损一般与黏结磨损同时发生。由于每种元素的扩散速度是不同的，因此扩散磨损的程度与刀具材料的组分有很大关系，另外扩散的速度与温度 也有很大关系，温度越高，则扩散越快，因此扩散磨损主要发生在高速切削速度范围内。
4) 其它磨损如溶解磨损、氧化磨损等。
可见刀具磨损产生的原因非常复杂，牵涉到机械、热、化学、物理等各种因素，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损的原因和磨损程度是不同的，对于一定的工件材料与刀具材料组合，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。
刀具发生非正常磨损的原因也很多，主要有：
1) 刀具材料的韧性或硬度太低；
2) 刀具的结构或几何角度不合理，使得切削刃过于脆弱或切削力过大；
3) 切削用量选择不合理，使切削力太大或切削温度太高；
4) 刀具由于骤热骤冷(如断续切削、冷却液等)产生太大的热应力以致出现裂纹；
5) 操作不当等使切削刃受到突然机械或热冲击，以致崩刃、热裂等。
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图2 刀具后刀面磨损
由于后刀面磨损(如图2所示)可以较准确地进行预报，刀具寿命较易控制，因此也是期望发生的失效形式。切削力增加或切削速度升高引起的切削温度增加均会使后刀面磨损加剧。刀具使用寿命通常用其后刀面磨损带的宽度VB来表示，如图3所示。
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图3 刀具后刀面磨损的典型曲线
机械磨损引起的剥落既发生在前刀面，也发生在后刀面。发生在前刀面上的剥落区域一般比发生在后刀面上的剥落区域小，如图4所示。
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图4 机械磨损引起的剥落
热扩散也会导致前、后刀面的剥落，如图5所示。
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图5 热扩散引起的剥落
刀 具的非正常磨损即剥落破损或刀刃的断裂通常发生在断续切削过程中，加工系统刚性差时也会发生刀具破损。增加刀具材料的韧性(增加硬质合金刀具材料中黏结相 钴的含量，或增加TiC及TaC等的含量)可有效避免刀具破损的发生。另外，增加刀具结构的强度，增大加工系统的刚性都会减少刀具发生破损的概率。
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图6 边界磨损
边 界磨损(图6)一般发生在切削深度方向与工件表层相接触的切削位置，是局部的剥落及前刀面月牙洼磨损，在加工不锈钢、高温合金、淬硬材料、表层较硬或很软 的钢时，容易发生边界磨损。为了减小这类刀具磨损，可采用CVD涂层刀具；增加硬质合金刀具材料中黏结相钴的含量(如富钴类硬质合金)，也可减小这类刀具 磨损。
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图7 刀具失效分析
总之，刀具失效的影响因素、失效形式及产生机理都是非常复杂的。生产上，可从观察刀具失效形式入手，分析其失效机理，找出影响因素，提出相应的减少刀具失效的措施(如图7)。
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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.CNC 加工中心在过去的30年间得到了持续改进和发展。如今这些机床的设计充分体现了柔性化，通过很小的结构变化，就能够应用于从短期工具制造到长期产品生产的 各种加工场合。过去曾采用焊接或铆接装配的飞机零部件，现在则可以在高速大功率加工中心上将整块铝坯掏空加工而成。汽车发动机过去几乎完全由专用的传送流 水线进行生产，如今则趋于用加工中心进行敏捷制造。这些加工中心都有一个基本特点：能够自动更换工具而无需操作者干预。
工具夹头在各种不 同的切削刀具与加工中心主轴之间提供标准连接。它的工作方式与一个可调整的钻夹头类似，就像家庭维修工可以更换手提钻的钻头一样。加工中心的主轴孔和工具 夹头的柄部及法兰均按标准制造，这些标准过去25年间在世界范围内得到了发展。总的来说，这些标准的制定比较完备，只要主轴和工具夹头都符合标准规定，就 可以保证它们之间的连接既牢靠又有很高的同心度。
由于工具夹头采用标准结构，也由于它相对于机床主体而言创新发展较缓慢，因此在一些加工 中心用户中形成了一种挥之不去的印象：工具夹头似乎是一种 “商品”（标准化产品）。从今天在市场竞争中打拼获得成功的工具夹头制造商的数量来看，也很容易得出这一结论。但是一些终端用户并不认同“商品”的概念。 确实，某种类型的所有工具夹头看似相像，但肯定不会完全相同。
工具夹头的质量差异
是什么原因使一种产品优于另一种呢？在大多数金属切削加工中，合格零件与废品之间的区别常常在于关键尺寸上极微小的差异。同样，一个高精度工具夹头的不同之处也取决于所采用的制造公差。
评价指标1：同心度
切削刀具的回转轴线必须与机床主轴的回转轴线精确一致。实现近于完美的同心度的方法虽然很明确，但也很复杂。
首 先，将工具夹头的锥柄装入对应的主轴锥孔时，每一次都必须非常精确。为此，配合表面的锥角公差必须很小。这些公差由国家或国际标准委员会制定和颁布，一般 可供任何人查阅。制造完成的工具夹头要用量规检测其圆度和锥角，而这些量规则由实物基准规来标定。生产现场采用的测量方法各不相同，从实物接触机械式测 量、实物接触/电子模拟量测量到非接触模拟量测量（如气动量规）。所有这些行之有效的方法都有一个共同特点：都要用实物基准规来标定。
不 同工具夹头制造商的基准规之间存在明显的差异。这一肯定的判断是基于多年来对不同制造商的工具夹头产品进行成百上千次测量的结果。简言之，它们的确不同。 即使假定市场销售的所有工具夹头均与它们各自对应制造商的基准规相符，但不同的制造商采用的基准规却并不相同。随之产生了一个问题：不同制造商的工具夹头 与机床主轴的适配性也不尽相同。其原因很简单：没有标定标准锥度的“母基准规”。虽然位于马里兰州的美国国家标准和技术研究所（NIST）和一些高水平计 量实验室（如位于俄亥俄州的Timken公司实验室）具备了在确定环境条件下采用具有适配精度的回转工作台测量锥度的能力，但没有单一基准实物量规能够方 便地检定其它具有相同尺寸和锥度的实物量规。可以理解，在没有单一基准源或可供所有量规溯源的基准规的情况下，市场上不同厂家的产品与标准规定尺寸的符合 程度就存在差异，而这些差异将影响与主轴的配合质量。下面作进一步分析。
现在讨论的仍是使工具与主轴中心线同心的问题。即使主轴适配性混 乱的问题很快得到解决，问题也会转向工具夹头的业务终端：由于目前还没有锥度基准的国家标准或国际标准，因此工具夹头的终端用户更有理由对产品失去信心。 国际或各国标准化组织（如ISO、ANSI、JIS、DIN等）已对主轴与工具夹头的锥度适配性和工具更换功能作出了相应规定。但另一方面，切削刀具与工 具夹头的适配性则取决于工具夹头制造商，他们自行设定立铣刀夹头的内径公差、套筒夹头的锥角公差以及套式铣刀轴的端面垂直度等，他们还自行制定工具夹头的 夹持部与连接机床主轴的锥柄的同心度。这样，只有工具夹头制造商能给他们自己的机床配备专用夹具，以机床主轴的接口面作为参照面，加工出适配的锥柄工作表 面。
在结束关于同心度的讨论之前，还必须考虑一个更具普遍性的变数——制造商本身是否具有不仅能生产优质产品，而且能始终如一地长期生产 优质产品的能力。在任何制造业中，不同制造厂商具备的能日复一日长期制造高质量产品的能力都不尽相同。在你自己的业务范围内，你总能列举出好的和不太好的 竞争对手及供应商的名字。通常在每个市场中总有一个龙头企业，而好的制造商都会努力争取获得这种地位。
总之，对于工具夹头的首要质量指标——同心度而言，完全有理由相信，由不同制造商生产的工具夹头可能因计量检测、产品标准、公差及制造能力不同而存在质量差异。
评价指标2：夹持强度
绝 大多数工具夹头都按照标准制造，具有非常相似的外观。CAT、BT或HSK系统都是侧面锁紧式立铣夹头，可利用一个紧固螺钉顶紧刀具上的一个平面，以防止 刀具松动。它们可以使用标准夹套，使夹头在夹持不同直径刀具时具有更好的适配性，也可以专门用于夹持螺纹刀具或莫氏锥柄钻头，此外还有其它功能。事实上， 每个CNC工具夹头制造商都在努力提供适用于大多数切削刀具和机床主轴的解决方案。
夹持力是防止刀具在夹头中转动的能力。使用夹套是引起 夹持力变化的主要原因。通常应首选单角夹套，如ER和TG系列产品。单角夹套能施加更大的夹持力，并能保证极好的同心度。但像工具夹头一样，不同制造商生 产的夹套之间也有很大差异。为使由夹头、夹套和刀具构成的组件能获得尽可能好的同心度，必须采用专用量具或高精度刀具预调仪来测量同心度。为了获得夹持力 与同心度的最佳组合，应采用液压夹头或热缩夹头，这样可以完全不必使用夹套。
一些制造商仍可提供用于极端加工场合的重载套筒夹头和立铣夹 头。但是，除了液压和热缩技术可能有所不同外，大多数制造商都在复制彼此的产品系列，因此市场上的工具夹头产品在外观上令人吃惊地千篇一律，不同之处仅在 于各自采用的制造方式。这就又回到了前面得出的结论：差异在于制造商的检测方式、企业标准、公差大小以及——最重要的——制造能力的不同。总而言之，各种 工具夹头不可能完全相同。
评价指标3：检测
这里有一个可说明工具夹头检测差异的例子：6年前，COMMAND TOOLING SYSTEMS公司开始按照HSK标准生产工具夹头，首先购买了所需的量具。获得量具后经过测量比对，发现不少竞争对手（当时大部分为欧洲制造商）生产的 HSK工具夹头与我们从德国获得的基准量规相比变化范围相当大。结果令人吃惊：所检测的产品没有一件位于公差范围之内。为了确保检测结果正确，我们又从德 国另一家量规制造商处购买了一个新的基准量规。令人吃惊的是，这两个量规完全一致，区别仅在于制造方法不同。制造符合HSK标准的工具夹头毕竟不是在公园 里散步，因此应该得到更好的检测结果。
每一个被加工产品都有公差，主要用于衡量制造变化量的大小——变化越小，公差越紧。因此，上述事例 并不否认被检测的夹头在某种水平上（或对于某些主轴）能够使用。但是，工具夹头制造商却无法控制夹头的终端使用情况。如果提供销售的夹头产品就未达到相关 标准，则夹头制造商对于夹头严重偏离标准的情况也无能无力。
评价指标4：平衡
如今销售的越来越多的加工中心配备了设计最 高转速达10000rpm或更高的主轴。用于这些机床的刀具不但必须具有很好的同心度和高强度，而且必须与主轴一样进行精细的平衡，否则将会产生有害的振 动而引起震颤，从而降低加工表面光洁度，缩短刀具寿命。在不平衡量很大的极端情况下，还可能造成主轴损坏。近年来已有不少文献对工具夹头的平衡问题进行了 探讨，在此无需重复。但其中很重要的一点是，因刀具/ 工具夹头组合系统不平衡而产生的离心力与主轴转速的平方成正比。如果在转速1000rpm时产生的力可忽略不计的话，转速10000rpm时产生的力则是 其100倍，20000rpm时的力则是其400倍。因此，在主轴转速不断提高的情况下，要求具有极好的同心度显得更为重要，因为如果刀具回转偏离了主轴 中心线，它将成为附加不平衡量的一个主要来源。
工具夹头的不平衡通常来源于功能性设计，如立铣夹头中的锁紧螺钉或CAT夹头中传动槽的深 度不等。但由于许多原因，不平衡量的产生常常是随机性的。无论不平衡源于何处，都需要去除一部分材料，以消除不平衡量，起到修正作用。另一种解决办法是使 用可调平衡刀具夹头，用户可通过调整径向螺钉或平衡环来消除不平衡。在此情况下，需要确定工具夹头不平衡的位置和大小，而这就需要使用复杂的平衡检测仪。 在某些情况下，车间最好使用来源可靠的、经过预平衡的工具夹头，并配套使用高质量的切削刀具，与购买和使用动平衡仪相比，这样性价比更高。
不可忽视工具夹头
许 多事例表明，通过改善主轴适配性、同心度和平衡性能，可以降低加工难度。从事模具制造的Gem Tool公司通过简单地将夹套系统由双角设计更换为单角的DR20系列，改善了同心度和换刀重复性，使刀具寿命和加工精度都得到了提高。波音公司在加工复 合材料仪表板时，由于刀具非常小，几乎不允许有不平衡引起的误差，因此为转速30000rpm的弹簧夹头设计了特殊的突出部，进一步提高了夹头的平衡性和 同心度。另一个明尼苏达州的制造商用单点金刚石刀片对几十万个孔进行单点镗孔加工，孔的公差仅为0.0003in.（0.007mm）。要通过多次自动换 刀完成如此高精度的加工操作，主轴的适配精度极其重要。
在上述加工实例中，有些属于极端加工条件，有些则不是（如更换夹套系列）。关键在 于，如果没有精确的主轴适配性、同心度和良好的动平衡，要在这种极端条件下完成加工实际上是不可能的。而将这些理念应用于车间的日常加工中也大有裨益。精 确的主轴适配性可提高批量加工零件的重复精度，在生产过程中易于保证公差，从而降低加工成本。高的同心度可使刀具每齿切削负荷均衡，刀具寿命延长，从而减 少刀具费用和辅助工时。良好的平衡能充分发挥机床的加工能力，提高工效，减少工时。
希望降低加工过程可变性的精密制造商应认真考虑高质量工具夹头的边际成本差异。良好的工具夹头能够在增加生产效率的同时减少刀具费用和辅助工时。
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