河南科技學院機電學院 馬利杰

北京理工大學機械與車輛學院 王西彬

切削加工是指利用刀具切除毛坯上多余的材料，以獲得加工精度和表面質量都符合要求的機械零件的工藝方法[1]。自世界上第一臺切削機床發(fā)明以來，切削加工發(fā)展至今已有240多年的歷史，已成為機械制造業(yè)中最基本的工藝方法[2]。據統(tǒng)計，目前機械加工總量中約70%以上是由切削加工完成的，其在國民經濟中具有重要的地位[3]。

隨著科學技術的飛速發(fā)展，機械裝備的精度要求越來越高，產品更新?lián)Q代也越來越快。此外，環(huán)境惡化和能源枯竭都要求傳統(tǒng)制造技術做出相應的改進和提高。為了適應制造技術的總體發(fā)展要求，傳統(tǒng)切削加工也在不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，呈現(xiàn)出精密化、高效化、綠色化的發(fā)展趨勢，產生了諸如金剛石超精密切削、微細切削、振動切削、塑性切削等精密加工工藝，高速切削、強力切削等高效加工工藝，以及低溫冷風切削、MQL潤滑切削、干切削等綠色加工工藝。

在對精密切削的一般機理和關鍵制約因素簡要論述的基礎上，本文主要對金剛石超精密切削、微細切削、振動切削、塑性切削4種典型的精密切削工藝的內涵、特點、應用及其發(fā)展進行了簡要分析和概括。

精密切削及其關鍵制約因素

1 精密切削及其加工機理

1.1 精密和超精密切削的內涵

精密加工主要是根據加工精度和表面粗糙度兩項指標來劃分的。通常將加工精度在0.1～1μm、表面粗糙度Ra在0.01～0.1μm之間的切削方法稱為精密切削，而把加工精度高于0.1μm、加工表面粗糙度Ra小于0.025μm的切削方法稱為超精密切削[4]。

精密切削的關鍵是能夠在被加工表面進行微量去除，即采用精密機床和精密刀具通過微量的切削深度和進給量在工件上切除極小的余量，以達到所需的加工精度和表面粗糙度要求。故精密和超精密切削的加工原理是微量切削，又稱為“極薄切削”[5]。

1.2 精密和超精密切削的加工機理

常規(guī)尺度切削時，由于切削深度和進給量較大，切削刀具刃口半徑ρ與切削厚度hD相差很遠，常忽略刃口半徑ρ的影響。而在精密和超精密切削條件下，受加工尺度和刃口半徑的共同影響，將發(fā)生一系列特有的加工現(xiàn)象和機理，這就是所謂的刃口半徑效應。刃口半徑效應是精密切削特有的切削特征，將導致實際負前角、臨界切削厚度等特殊現(xiàn)象。

圖1為精密切削的圓弧刃切削模型，由于切削厚度hD與刃口半徑ρ相當，切削區(qū)刃口各點的實際前角各不相同，總體上表現(xiàn)為較大的負值，相比較刀具名義切削前角γo，刀刃幾何形狀產生的實際負前角γe對精密切削的影響較大[6]。由于實際負前角的影響，被加工材料的剪切滑移不是發(fā)生在刀具與工件接觸區(qū)的最低點O，而是發(fā)生在臨界點A處，即剪切平面上剪切應力最大的位置。因此，把與A點對應的有效切削厚度稱為臨界切削厚度hDmin[7]。精密和超精密切削時，臨界切削厚度hDmin是刀具所能實現(xiàn)的極限切削厚度，它的大小與刀工摩擦系數(shù)μtw和刀具刃口半徑ρ直接相關。

圖1 精密切削的圓弧刃切削模型

精密和超精密切削時，單位體積切削能量的W（J/cm3）的大小與加工單位的大小、材料缺陷分布的大小有關。由于材料內部存在晶界空隙、點缺陷、位錯缺陷、微裂紋等不同層級的缺陷，當應力作用的區(qū)域不同時，材料切除的破壞方式不同，則加工單位體積材料所消耗的切削能量W也就不同[8]。

2 實現(xiàn)精密切削的關鍵制約因素

2.1 精密和超精密切削機床

機床性能是工件加工精度和表面質量的決定性因素，在切削過程中，機床的主軸回轉精度、導軌運動精度、定位精度、剛度及其穩(wěn)定性都要在已加工表面上得到復映。根據機械加工的一般規(guī)律：工作母機的精度通常要比被加工零件的精度高約一個數(shù)量級。因此，精密和超精密機床的主軸回轉精度通常都在1μm之內，有的甚至小于0.05μm；導軌直線度一般小于10μm/100mm；定位精度小于0.1μm，有的超精密車床可達0.01μm；目前超精密機床的剛度一般為108～109N/m，工作運轉穩(wěn)定，無振動。此外，大多精密和超精密機床都具有能夠進行微量切削且具有在線誤差補償?shù)奈⒘窟M給系統(tǒng)。表1為美國Moore公司的M-18G金剛石精密切削車床的主要性能指標[9]。

表1 M-18G金剛石精密切削車床的主要性能指標

2.2 精密切削刀具

切削加工是利用刀具與工件之間的相對運動，通過刀具對工件材料的擠壓、變形、剪切、撕裂等一系列作用去除多余材料的工藝方法[10]，因此精密切削刀具的幾何精度、表面質量和物理力學性能對被加工零件的精度和質量都有直接而顯著的影響。

除具備普通刀具的所有性能要求之外，精密切削刀具必須滿足以下幾個特性：

（1）刀具刃口必須非常鋒利。刀具的刃口半徑ρ大小直接決定了臨界切削厚度hDmin的大小，從而最終影響到加工精度和表面質量。刃口半徑越小，刀具對切削層的擠壓作用就越小，彈性恢復就越小，加工表面的變質層就越小。普通刀具刃口半徑ρ一般為5～50μm，而精密切削刀具的刃口半徑ρ通常都在亞微米級，甚至納米級。當前，用來精密切削的刀具材料主要有：金剛石、超細晶粒硬質合金和高性能高速鋼。

（2）刀面和刃口的表面粗糙度必須非常低。切削加工時，刀面及刃口的輪廓和粗糙度在被切削表面都能得到復映，所以精密切削刀具的刀面和切削刃的表面粗糙度Ra都要求在0.01～0.005μm之間，約為普通刀具的5%～10%。

（3）刀具材料與被切削材料的親和作用要小。刀具材料和工件材料的親和作用將導致切削力、熱、摩擦作用加劇，刀屑之間的粘結作用增強，從而破壞了刀面和刀刃的原始性狀，最終導致刀具磨損加劇，加工表面質量下降。

2.3 工作環(huán)境

精密和超精密切削要求具有穩(wěn)定的工作環(huán)境，尤其是超精密切削加工，必須處于穩(wěn)定（防振隔振）、恒溫、超凈的工作環(huán)境中。

防振隔振是精密及超精密機床非常重要的問題。超精密機床多安放在帶防振溝和隔振器的防振地基上隔離外界振源，還可使用空氣彈簧（墊）對低頻振動進行隔離[11]。此外，電動機和主軸的回轉頻率也應遠離共振區(qū)。例如，美國LLL實驗室LODTM大型立式金剛石車床被公認為目前世界上精度最高的超精密車床，采用空氣彈簧等防振隔振措施后，其軸承部件的相對振動振幅為2nm，并可防止1.5～2Hz的外界振動傳入。

熱變形是精密和超精密切削中誤差的主要來源之一，若要保證0.01～0.1μm的加工精度，環(huán)境溫度應分別控制在±0.01℃和±0.1℃的范圍內[12]。所以，精密和超精密機床的恒溫控制是研究的重點，如機床導軌可采用膨脹系數(shù)小的人造花崗巖；采用恒溫油（水）澆淋機床內部各發(fā)熱部件，造成局部小環(huán)境的高度恒溫等。

隨著精密和超精密切削的飛速發(fā)展，對空氣潔凈度也提出了更加苛刻的要求，被控制的微粒直徑從0.5μm減小到0.3μm，有的甚至減小到0.1μm或0.01μm，已經遠遠超過無菌手術室的空氣潔凈度要求。

金剛石超精密切削

1 金剛石超精密切削的內涵及特點

金剛石超精密切削是指在超精密數(shù)控機床上，采用具有納米級鋒利度的金剛石刀具，在對機床和加工環(huán)境進行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點切削出符合質量要求的精密零件的加工方法[13]。金剛石超精密切削是超精密加工技術的重要分支，也是超精密加工技術中發(fā)展最早的、應用最為廣泛的技術之一。目前，主要包括金剛石超精密車削和金剛石超精密飛切兩種工藝。

金剛石超精密切削通常以切除金屬層的厚度為其加工水平的標志之一。目前，最小切削厚度可達亞微米級，甚至幾十納米，此時切削厚度可能已經小于晶粒的大小，切削過程在晶粒內部進行，因此切削力一定要超過晶體內部的原子、分子結合力，刀刃上所承受的剪應力急速增加并變的非常大，甚至接近于材料剪切強度極限。

2 金剛石刀具

金剛石是實現(xiàn)金剛石超精密切削的必須刀具材料，它是單一碳原子的結晶體，晶體結構屬原子密度最高的等軸面心立方晶系。金剛石晶體中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價鍵，具有較強的結合力、穩(wěn)定性和方向性。金剛石獨特的晶體結構使其具有優(yōu)良的物理力學性能（如表2所示），非常適合于超精密加工，尤其是天然單晶金剛石被公認為理想的、不能代替的超精密切削刀具材料。但金剛石的耐熱溫度為700～800℃，高于這個溫度就會發(fā)生石墨化現(xiàn)象，刀具將很快磨損。

表2 金剛石和硬質合金物理力學性能對比

金剛石材料硬脆，為保證刀刃強度，前角和后角都取值較小，前角γo一般取0°，可根據被切材料選定，后角αo取5°～10°，主偏角取30°～90°，通常多取45°。金剛石刀具的刃口半徑ρ一般為0.2～0.4μm，前后刀面的表面粗糙度通常應研磨到0.008～0.012μm。金剛石刀具的切削刃形狀有直線形和圓弧形兩種，目前國內所用高精度圓弧金鋼石刀具還主要依賴進口[4]。當前，金剛石刀具刃口半徑ρ一直在向更小的方向發(fā)展，據日本大阪大學井川直哉教授介紹，最小可達2～4nm（通過切削獲得厚度為1nm的切屑推算），這是當前的最高水平[14]。

3 金剛石超精密切削的應用及發(fā)展

目前，在科研和生產中經常遇到一些納米級的幾何形狀精度和表面質量要求，如精密軸、孔的圓度和圓柱度，精密球體（如陀螺球、計量用標準球）的球度，制造集成電路用單晶硅基片的平面度，激光透鏡和反射鏡的平面度等，依靠傳統(tǒng)加工方法難以達到此類納米加工要求，而采用金剛石超精密切削可以滿足這種要求。當前，金剛石超精密切削主要用來加工有色金屬、樹脂、塑料、結晶體、陶瓷、復合材料等。由于金剛石材料的化學成分是碳，與鐵系材料有親和力，在加工中會發(fā)生化學磨損，所以不能用于加工黑色金屬[15]。

當前，金剛石超精密切削的技術難題主要有：（1）新型金剛石刀具的定向；（2）刀面及刀刃的研磨拋光；（3）刃口鈍圓半徑的精密測定；（4）脆性材料及難加工材料的金剛石超精密切削。金剛石超精密切削的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在：（1）向更高精度、高效率發(fā)展；（2）采用計算機技術補償加工精度；（3）加工、計量一體化；（4）發(fā)展模塊化的超精密機床。

振動切削

振動切削是20世紀50年代日本宇都宮大學隈部淳一郎教授提出的一種精密切削技術，其通過給刀具（或工件）施加以適當方向、一定頻率fz和振幅A的單一或復合振動，從而實現(xiàn)改變傳統(tǒng)切削機理、提高切削工藝效果的目的[16-17]。

按照振動頻率的不同，振動切削可以分為：低頻振動切削、中高頻振動切削和超聲振動切削。由于外界振動的疊加，使傳統(tǒng)切削技術具有了脈沖切削、變速切削、變角切削、分離沖擊等獨特性能，從而使刀屑摩擦減小、切削液作用效果提高、加工穩(wěn)定性提高、材料加工性能得到改善，最終實現(xiàn)了降低切削力和切削熱、減小切削振動、提高加工質量、延長刀具壽命的目的。因此，振動切削技術在難加工材料的加工方面具有獨特的優(yōu)勢。

近40年來，振動切削技術的研究和應用受到越來越多的關注，特別是工業(yè)發(fā)達國家日本、德國、美國等都很重視其研究開發(fā)，已取得不少實用化的成果，如德國研制的ULTRASONIC 20linear DMG小型超聲切削加工中心。振動切削技術的未來發(fā)展將主要集中在：（1）玻璃、陶瓷等難加工材料振動切削機理與應用基礎研究；（2）振動切削技術的工藝拓展；（3）更多商品化振動切削機床的研制與推廣。

塑性切削

塑性切削，又稱為延性域切削，主要是針對脆性材料而言，其命名源自該種工藝的切屑形成機理，即切削脆性材料時，切屑形成與塑性材料相似，切屑通過剪切的形式被刀具從基體上切除下來。因此，切削后的表面沒有形成微裂紋，也沒有脆性剝落時的無規(guī)則的凹凸不平，呈現(xiàn)出有規(guī)則的紋理。

塑性切削的機理至今尚不十分清楚，但部分研究表明[18-20]：在特定條件下，當?shù)毒叩娜锌诎霃溅涯サ梅浅Ｐ。ㄟ_到納米級），且臨界切削深度hDmin小于刀具的刃口半徑ρ時，垂直于加工表面的法向分力非常大，即可實現(xiàn)塑性切削。由于被加工材料強度越大，實現(xiàn)塑性切削所需的刃口半徑ρ越小，故塑性切削又被稱為納米塑性切削。

當前，納米塑性切削技術的發(fā)展還很不成熟，距離工業(yè)應用尚有一定的距離。該技術的未來發(fā)展將主要集中在：（1）納米塑性切削機理的研究；（2）適合于納米塑性切削的刀具材料和刀具結構的開發(fā)；（3）適用的納米塑性切削工藝的開發(fā)。

微細切削

1 微細切削的內涵

微細切削（Micro-cutting）[8,21-22]是指對毫米級總體尺度的零件進行微米級切削層去除的切削加工，通常通過線度尺寸微小的實體刀具對微細切削層的擠壓、摩擦、剪切、撕裂作用實現(xiàn)材料的微量去除。微細切削不是常規(guī)切削尺度上的簡單縮小，從原理上講它屬于介觀尺度加工的范疇，因而具有諸多常規(guī)切削所不具有的現(xiàn)象和本質[23]。

微細切削是為了適應產品小型化的全球商品市場發(fā)展的重要趨勢而發(fā)展起來的先進切削技術。與硅基MEMS、高能束加工、LIGA等微細加工技術相比，微細切削在三維加工能力、加工柔性、加工效率和加工成本等方面具有一定的綜合優(yōu)勢，近年來得到了迅猛發(fā)展。圖2為微細切削的典型形面。

圖2 微細切削的典型形面

2 微細切削的關鍵技術

2.1 微細切削機床

微細切削機床是實現(xiàn)微細加工的關鍵。為了適應微小型零件的加工需要，同時也為了降低能耗、減小浪費，除具有精密與超精密機床的共有特性之外，微細切削機床目前正朝著微型化和多功能化的方向發(fā)展。

自20世紀90年代，日本、美國、中國等相繼開展了微小型機床的研究與開發(fā)工作。1996年日本通產省工業(yè)技術研究院機械工程實驗室（MEL）開發(fā)了世界上第一臺微型車床，該機床體積32×25×30.5mm3，重量約100g，主軸電機額定功率1.5W，轉速10000r/min；切削黃銅獲得表面粗糙度1.5μm，圓度2.5μm，加工出的最小外圓直徑為60μm，切削試驗中的功率消耗僅為普通機床的0.2%。1999年日本機械技術研究所研制了世界上第一臺桌面微型工廠，該微型工廠由微型車床、銑床、搬運機械手和2個裝配機械手組成[8]。另外，為了滿足不同結構零件的加工需求，微細切削機床必須具備高精度、多軸化、自動換刀、自動上下料等多功能化特性。

2.2 微細切削刀具

微細切削過程是微細切削刀具以“刀尖區(qū)”和“刃口區(qū)”的極端非自由切削方式進行的，切削過程復雜，刀具變形、摩擦磨損以及應力場、溫度場均發(fā)生在一個極小尺度范圍內。另一方面，由于高轉速（高達幾萬轉乃至十幾萬轉）的影響，微細切削刀具必須具有高剛度、高承載能力、高穩(wěn)定性等基本特征。為此，微細切削刀具，尤其是微徑鉆頭和銑刀，無論從材料構成、幾何結構，還是從制造工藝、涂層制備等方面都要進行重新設計和優(yōu)化提高。圖3為美國桑迪亞國家實驗室制作的幾種異型微細切削刀具。

3 微細切削技術的未來研究和發(fā)展方向

微細切削技術的未來研究和發(fā)展將主要集中在以下4個方面：（1）商品化的高精密微小型機床的研制與開發(fā)；（2）微細切削過程監(jiān)控，特別是微細切削刀具的失效監(jiān)控和微小型零件加工質量的在線監(jiān)測監(jiān)控；（3）微細切削刀具的設計和制造技術研究；（4）難加工材料微細切削機理及應用基礎研究。

結束語

精密切削在制造技術中占有十分重要地位，是一個國家制造工業(yè)水平的重要標志，是先進制造技術的關鍵與基礎。作為一個制造大國，我國在精密和超精密機床、精密切削刀具、超精密檢測等精密切削的關鍵技術方面與德國、日本、美國等制造強國相比仍有很大的差距。隨著機床和刀具技術的發(fā)展，精密切削技術將朝著更高精度（分子去除、原子去除、量子技術等）等方面發(fā)展。因此，要達到甚至超過國外精密切削技術水平，我們仍有很長的路要走，至少還需要20～30年的努力。

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