1 引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為爭(zhēng)取技術(shù)優(yōu)勢(shì)，各國(guó)紛紛開(kāi)展*制造技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。伴隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，*制造技術(shù)一方面發(fā)展了以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)的自動(dòng)化加工技術(shù)，另一方面發(fā)展了各種新的加工方法和加工工藝，比較典型的有（超）高速切削、干切削、硬切削、（超）精密切削技術(shù)等。微機(jī)械（或微型裝置）是另一個(gè)新型研究領(lǐng)域，其加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。虛擬切削加工技術(shù)是在計(jì)算機(jī)上借助虛擬現(xiàn)實(shí)、立體建模和仿真技術(shù)，檢驗(yàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)合理性和可加工性，對(duì)產(chǎn)品的加工過(guò)程進(jìn)行模擬與仿真，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的加工質(zhì)量、制造周期、使用性能等，以便及時(shí)修改設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的研制周期，獲得*產(chǎn)品質(zhì)量、zui低生產(chǎn)成本和zui短開(kāi)發(fā)周期。本文主要綜述（超）高速切削、干切削、硬切削、（超）精密切削、虛擬切削加工技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容及其關(guān)鍵技術(shù)。

2 高速切削加工技術(shù)

提高切削速度一直是切削加工領(lǐng)域十分關(guān)注并為之不懈努力的重要目標(biāo)。雖然目前國(guó)內(nèi)外專家尚未對(duì)高速切削的切削速度的界定達(dá)成共識(shí)，但通常認(rèn)為高速切削的切削速度比常規(guī)切削速度高5~10倍以上。

高速切削加工技術(shù)是在機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高精度測(cè)量測(cè)試技術(shù)、高速切削機(jī)理、高速切削工藝等諸多相關(guān)硬件與軟件技術(shù)綜合應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。因此，高速切削加工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，高速切削加工技術(shù)體系（見(jiàn)圖1）是機(jī)床、刀具、工件、加工工藝、切削過(guò)程監(jiān)控、切削機(jī)理等諸多方面的有機(jī)集成。

圖1 高速切削加工技術(shù)體系

高速切削加工具有以下特點(diǎn)：①切削力隨著切削速度的提高而下降；②切削產(chǎn)生的熱量絕大部分被切屑帶走；③加工表面質(zhì)量提高；④在高速切削范圍內(nèi)機(jī)床的激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍。以上特點(diǎn)有利于提高生產(chǎn)效率；有利于改善工件的加工精度和表面質(zhì)量；有利于減少模具加工中的手工拋光；有利于減小工件變形；有利于使用小直徑刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料；有利于加工較大零部件；可替代其它加工工藝（如磨削），獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但是，隨著切削速度的提高，刀具壽命會(huì)下降。

目前，航空制造業(yè)（尤其是大型整體鋁合金薄壁飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工）、模具制造業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)等行業(yè)均已積極采用高速切削加工技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體加工情況合理選用高速機(jī)床和加工工藝，不同的生產(chǎn)領(lǐng)域和加工對(duì)象對(duì)高速機(jī)床的性能要求和適用的工藝方法是有區(qū)別的。適于高速切削加工的工件材料包括鋁合金、鋼、鑄鐵、鉛、銅及銅合金等，隨著高速切削加工技術(shù)的發(fā)展，其適用材料的范圍已進(jìn)一步拓寬到模具鋼、鈦合金、不銹鋼、鎳基合金、纖維增強(qiáng)合成樹(shù)脂等難加工材料。現(xiàn)在，傳統(tǒng)切削工藝能夠加工的工件材料高速切削幾乎都能加工，而傳統(tǒng)切削工藝很難加工的工件材料（如鎳基合金、鈦合金、纖維增強(qiáng)塑料等）在高速切削條件下將變得易于切削。常用工件材料的高速切削速度范圍見(jiàn)表1。目前，高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于車(chē)削和銑削工藝。隨著各類(lèi)高速切削機(jī)床的開(kāi)發(fā)，高速切削工藝范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，高速切削將涵蓋所有的傳統(tǒng)加工范疇，包括從粗加工到精加工，從車(chē)削、銑削到鏜削、鉆削、拉削、鉸削、攻絲、滾齒等。各種加工工藝對(duì)應(yīng)的高速切削速度范圍見(jiàn)表2。

表1 不同工件材料對(duì)應(yīng)的（超）高速切削線速度范圍

3 干切削加工技術(shù)

在切削加工中，使用切削液對(duì)于降低切削溫度、斷屑與排屑、改善零件加工質(zhì)量均可起到重要作用，但同時(shí)也存在諸多弊端，例如：切削液系統(tǒng)的購(gòu)置、使用與維護(hù)需花費(fèi)大量資金，增大加工成本；切削液需定期更換、添加防腐劑等，增加了加工輔助時(shí)間；因切削液加注過(guò)程的不連續(xù)性及冷卻程度的不均勻性，使刀具產(chǎn)生不規(guī)則的冷、熱交替變化，容易使刀刃產(chǎn)生裂紋，引起刀具破損，從而降低刀具使用壽命；切削液是機(jī)械加工中的重要污染源，可污染空氣、水源和土壤，需花費(fèi)大量資金進(jìn)行防護(hù)和治理；切削液中的有害物質(zhì)對(duì)工人的健康及安全也具有一定危害。為此，作為一種綠色制造工藝的干切削加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

干式切削由于缺少切削液的潤(rùn)滑、冷卻、沖洗和排屑斷屑等功能，導(dǎo)致刀具與工件、切屑之間摩擦加劇，切削力增大，切屑變形加劇，切削熱急劇增加，導(dǎo)致切削區(qū)溫度顯著升高，刀具耐用度降低，同時(shí)工件加工質(zhì)量不易保證。為使干切削加工可順利進(jìn)行，達(dá)到甚至超過(guò)濕切削時(shí)的加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具耐用度，就必須通過(guò)分析干切削的各種特定邊界條件和影響干切削的各種因素，尋求相應(yīng)的技術(shù)解決方案及措施來(lái)彌補(bǔ)不使用切削液的缺陷。例如：干切削刀具材料必須具有*的紅硬性和熱韌性、良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性。聚晶金剛石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）等超硬材料刀具、陶瓷刀具、涂層刀具等均可較好滿足干切削的要求。某些刀具涂層材料具有類(lèi)似切削液的功能，可隔離切削熱，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持刀尖硬度和鋒利性，使刀具材料不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外，應(yīng)針對(duì)不同的工件材料和切削用量設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和相應(yīng)的斷屑槽，以滿足干切削的加工要求。干切削對(duì)加工機(jī)床的特殊要求主要為保證快速散熱和快速排屑。

目前，干切削加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于鑄鐵、鋼、鋁、鈦、鎂等及其合金的切削加工。鑄鐵是適合干切削的典型加工材料，采用PCBN刀具干切削鑄鐵的常用切削用量見(jiàn)表3。PCBN刀具干車(chē)削灰鑄鐵時(shí)，前角一般選用-5°～-7°，以承受較大的切削力；粗加工用PCBN刀片的刃口強(qiáng)化與主偏角、前角的配合十分重要；粗加工刀片的刃口倒棱幾何尺寸為-20°×0.02mm，精加工刀片的刃口倒棱幾何尺寸為-20°×0.1mm。

表3 PCBN刀具干切削鑄鐵的切削用量

由于高速切削具有切削力小、散熱快、加工穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此干切削加工應(yīng)盡可能采用較高切削速度。干切削技術(shù)與高速切削技術(shù)的有機(jī)結(jié)合可獲得生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好、無(wú)環(huán)境污染等多重技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。此外，進(jìn)行干切削加工時(shí)，為減小切削力、降低切削溫度，還可采取某些特殊工藝措施，如激光輔助干切削、液氮冷卻干切削、準(zhǔn)干切削等。

4 硬切削加工技術(shù)

硬切削是指對(duì)高硬度（>54HRC）材料直接進(jìn)行切削加工。硬切削工件材料包括淬硬鋼、冷硬鑄鐵、粉末冶金材料及其它特殊材料。硬切削通常可直接作為zui終精加工工序，而傳統(tǒng)加工常以磨削作為zui終工序。與磨削相比，硬切削具有如下優(yōu)點(diǎn)：①加工靈活性強(qiáng)，精度易于保證；②硬切削的加工成本低于磨削（通常僅為磨削的1/4）；③硬切削不需要機(jī)床、刀具和夾具，在現(xiàn)有加工設(shè)備上即可實(shí)現(xiàn)；④硬切削的生產(chǎn)效率高于磨削；⑤磨削產(chǎn)生的磨屑與廢液混合物易污染環(huán)境，難以處理和再利用；而硬切削易于實(shí)現(xiàn)干切削，產(chǎn)生的切屑可再利用。由于硬切削具有以上優(yōu)勢(shì)，因此“以切代磨”已成為切削加工的發(fā)展趨勢(shì)之一。

目前，硬切削主要用于車(chē)削、銑削等加工工藝，并已在許多工業(yè)制造部門(mén)得到應(yīng)用，如汽車(chē)傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)轉(zhuǎn)子的半精加工和精加工，飛機(jī)副翼齒輪、起落架的切削加工，機(jī)床工具、醫(yī)用設(shè)備等行業(yè)也開(kāi)始大量應(yīng)用硬切削加工技術(shù)。

硬切削對(duì)加工機(jī)床的主要要求為剛性好、基礎(chǔ)穩(wěn)定、工作軸運(yùn)動(dòng)精度高等。由于硬切削的切削力較大，切削溫度較高，為保證加工精度、表面質(zhì)量及刀具壽命，硬切削時(shí)必須精心選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)和切削用量。硬切削的適用刀具材料主要有PCBN、陶瓷、高性能金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等。刀具材料選定后，應(yīng)盡量選用強(qiáng)度較高的刀片形狀和較大的刀尖圓弧半徑，PCBN刀具和陶瓷刀具一般應(yīng)采用負(fù)前角（≤－5°）。一般來(lái)說(shuō)，被加工材料硬度越高，硬切削的切削速度應(yīng)越小；使用PCBN刀具的切削速度應(yīng)高于其它刀具材料，PCBN刀具切削淬硬鋼（≥50HRC）的切削用量見(jiàn)表4。

表4 PCBN刀具切削淬硬鋼的切削用量

5 微細(xì)、精密和超精密切削加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)是指對(duì)微型機(jī)械、微小尺寸零件的加工技術(shù)。隨著航空航天、國(guó)防工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)以及生物工程技術(shù)的發(fā)展，各種小型化、微型化設(shè)備和微小尺寸零件的應(yīng)用越來(lái)越多，各種微型機(jī)械和微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的制造對(duì)微細(xì)加工技術(shù)提出了新的要求，向現(xiàn)有制造技術(shù)的加工極限挑戰(zhàn)，發(fā)展精密加工、超微細(xì)加工和納米加工技術(shù)已成為現(xiàn)代*制造技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。

微細(xì)加工除可通過(guò)電子束加工、離子束加工、化學(xué)加工等特種加工方法實(shí)現(xiàn)外，還可通過(guò)微細(xì)、超微細(xì)切削加工來(lái)實(shí)現(xiàn)。高精度機(jī)床和超穩(wěn)定加工環(huán)境是實(shí)現(xiàn)微細(xì)切削加工的重要條件。由于微細(xì)切削的切削深度極小（通常小于材料的晶粒直徑），切削只能在晶粒內(nèi)進(jìn)行，此時(shí)的切削方式相當(dāng)于對(duì)一個(gè)個(gè)不連續(xù)體進(jìn)行切削，使微細(xì)切削具有斷續(xù)切削的性質(zhì)。選用精細(xì)研磨的金剛石刀具，用（1 0 0）或（1 10）晶面作為刀具的前、后刀面，在濕式切削條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)微量加工性（可用納米級(jí)表面粗糙度及在某一加工長(zhǎng)度上對(duì)刀具磨損的忽略性來(lái)定義）好的工件材料（如非晶體材料或有精細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的材料）的微細(xì)切削加工。

通常將加工精度在0.1～1µm、加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm的加工稱為精密加工；將加工精度高于0.1µm、加工表面粗糙度小于Ra0.01µm 的加工稱為超精密加工。精密和超精密切削加工的實(shí)現(xiàn)需要具備超精密機(jī)床設(shè)備和刀具、超穩(wěn)定的工作環(huán)境、超精密測(cè)量技術(shù)及儀器、用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和誤差補(bǔ)償?shù)取?

鏡面銑削和金剛石車(chē)削是zui常用的兩種超精密加工方法。鏡面銑削的切削速度一般在30m/s以上，可加工塑性材料如銅、鋁、鎳等，也可加工脆性材料如硅、鍺、CaF2和ZnS等。鏡面銑削的主要應(yīng)用領(lǐng)域是光學(xué)元器件的加工。

金剛石車(chē)削早期主要用于加工有色金屬材料（如無(wú)氧銅、鋁合金等），主要加工零件是各種光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡。金剛石車(chē)削除可用于加工有機(jī)玻璃、各種塑料制品（如照相機(jī)的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等）外，還可用于加工陶瓷、復(fù)合材料等。為了切除極薄切屑，要求金剛石車(chē)刀切削刃的刃口半徑極小（<0.05～0.1µm）。目前，在科研和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到一些納米（nm）級(jí)的幾何形狀精度和表面質(zhì)量要求，如精密軸、孔的圓度和圓柱度、精密球體（如陀螺球、計(jì)量用標(biāo)準(zhǔn)球）的球度、制造集成電路用單晶硅基片的平面度、光學(xué)、激光透鏡和反射鏡的平面度等，依靠傳統(tǒng)加工方法已難以達(dá)到此類(lèi)納米加工要求，而采用超精密切削技術(shù)可達(dá)到納米級(jí)加工水平，這已被日本Ikawa和美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室的合作研究結(jié)果所證實(shí)：用刃磨得極為鋒利的單晶金剛石刀具切削有色金屬和非金屬材料可獲得Ra0.002～0.02µm的鏡面；用雙坐標(biāo)數(shù)控超精密機(jī)床可加工出幾何精度*的球面和非球曲面；經(jīng)精細(xì)研磨達(dá)到*刃口鋒銳度的金剛石刀具可切除厚度僅為1nm的切屑。

目前精密和超精密切削加工零件主要是感光鼓、磁盤(pán)、多面鏡、遺跡平面、球面和非球面的激光發(fā)射鏡等，工件材料多為銅、鋁及其合金、非電解鍍鎳層、塑料以及陶瓷等硬脆材料。上述零件可達(dá)到的加工精度見(jiàn)表5。

表5 精密零件的加工精度

6 虛擬切削加工技術(shù)

虛擬切削加工技術(shù)是在對(duì)零件幾何參數(shù)、材料物理性能、加工過(guò)程切削參數(shù)以及加工物理過(guò)程（受力變形、熱變形等）進(jìn)行全面物理建模的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)情況和加工結(jié)果進(jìn)行實(shí)際綜合分析的一種新興技術(shù)。為分析加工過(guò)程及結(jié)果，可根據(jù)NC加工機(jī)床的實(shí)際狀況用NC代碼驅(qū)動(dòng)虛擬加工環(huán)境中的NC機(jī)床進(jìn)行虛擬切削加工，它可描述刀具的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，完成碰撞、干涉檢查，還可逼真地描述加工后工件的形位誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度等屬性，并將虛擬成品零件與設(shè)計(jì)零件進(jìn)行比較，如零件精度不能滿足設(shè)計(jì)要求，則可對(duì)工藝參數(shù)（進(jìn)給量、切削速度等）或工件裝夾方式進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，如有必要還可對(duì)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，以提高其可加工性。通過(guò)虛擬切削加工可得到一個(gè)優(yōu)化的加工方案，據(jù)此進(jìn)行實(shí)際加工，可提高加工成功率，減少原材料消耗，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

虛擬切削加工與傳統(tǒng)切削加工的區(qū)別在于它生產(chǎn)的是數(shù)字化產(chǎn)品，而不是實(shí)際產(chǎn)品，它的zui大好處是不需消耗實(shí)際資源和能量。

7 結(jié)語(yǔ)

據(jù)估計(jì)，切削加工約占機(jī)械制造工作量的30%～40%，*每年約有1億噸鋼料通過(guò)刀具切削而成為切屑，*每年切削加工耗資約2500 億美元。與*水平相比，目前我國(guó)的切削加工技術(shù)水平還比較低，努力研究和開(kāi)發(fā)高速切削、硬切削、干切削、精密切削、虛擬切削等*切削加工技術(shù)，對(duì)于提高我國(guó)機(jī)械制造技術(shù)水平和機(jī)電產(chǎn)品性能、質(zhì)量及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)*制造技術(shù)的發(fā)展都具有重要意義