切削加工科普知识

魔神

    

用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)把坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。任何切削加工都必须具备3个基本条件：切削工具、工件和切削运动。切削工具应有刃口，其材质必须比工件坚硬。不同的刀具结构和切削运动形式构成不同的切削方法。用刃形和刃数都固定的刀具进行切削的方法有车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削和锯切等；用刃形和刃数都不固定的磨具或磨料进行切削的方法有磨削、研磨、珩磨和抛光等。

切削加工是机械制造中最主要的加工方法。虽然毛坯制造精度不断提高，精铸、精锻、挤压、粉末冶金等加工工艺应用日广，但由于切削加工的适应范围广，且能达到很高的精度和很低的表面粗糙度，在机械制造工艺中仍占有重要地位。

图1 畜力驱动铣削大铜环(1668)

简史

切削加工的历史可追溯到原始人创造石劈、骨钻等劳动工具的旧石器时期。在中国，早在商代中期(公元前13世纪)，就已能用研磨的方法加工铜镜；商代晚期(公元前12世纪)，曾用青铜钻头在卜骨上钻孔；西汉时期(公元前 206～公元23)，就已使用杆钻和管钻，用加砂研磨的方法在“金缕玉衣”的4000多块坚硬的玉片上钻了 18000多个直径1～2mm的孔。17世纪中叶，中国开始利用畜力代替人力驱动刀具进行切削加工。如公元1668年，曾在畜力驱动的装置上，用多齿刀具铣削天文仪上直径达2丈(古丈)的大铜环，然后再用磨石进行精加工。18世纪后半期的英国工业革命开始后，由于蒸汽机和近代机床的发明，切削加工开始用蒸汽机作为动力。到19世纪70年代，切削加工中又开始使用电力。对种新的刀具材料相继出现。19世纪末出现的高速钢刀具，使刀具许用的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢刀具提高两倍以上，达到25m/min左右。1923年出现的硬质合金刀具，使切削速度比高速钢刀具又提高两倍左右。30年代以后出现的金属陶瓷(见陶瓷)和超硬材料(人造金刚石和立方氮化硼)，进一步提高了切削速度和加工精度。随着机床和刀具不断发展，切削加工的精度、效率和自动化程度不断提高，应用范围也日益扩大，从而促进了现代机械制造业的发展。

分类

金属材料的切削加工有许多分类方法。常见的有以下3种。

车削外圆	刨削平面
磨削外圆	用靠模车削成形面
图2 刀尖轨迹法

• 按工艺特征区分 切削加工的工艺特征决定于切削工具的结构以及切削工具与工件的相对运动形式。按工艺特征，切削加工一般可分为：车削、铣削、钻削、镗削、铰削、 刨削、插削、拉削、锯切、磨削、研磨、珩磨、超精加工、抛光、齿轮加工、蜗轮加工、螺纹加工、超精密加工、钳工和刮削等。
• 按材料切除率和加工精度区分 可分为：
  1. 粗加工：用大的切削深度，经一次或少数几次走刀从工件上切去大部分或全部加工余量，如粗车、粗刨、粗铣、钻削和锯切等，粗加工加工效率高而加工精度较低，一般用作预先加工，有时也可作最终加工。
  2. 半精加工：一般作为粗加工与精加工之间的中间工序，但对工件上精度和表面粗糙度要求不高的部位，也可以作为最终加工。
  3. 精加工：用精细切削的方式使加工表面达到较高的精度和表面质量，如精车、精刨、精铰、精磨等。精加工一般是最终加工。
  4. 精整加工：在精加工后进行，其目的是为了获得更小的表面粗糙度，并稍微提高精度。精整加工的加工余量小，如珩磨、研磨 、超精磨削和超精加工等。
  5. 修饰加工：目的是为了减小表面粗糙度，以提高防蚀、防尘性能和改善外观，而并不要求提高精度，如抛光、砂光等。
  6. 超精密加工：航天、激光、电子、核能等尖端技术领域中需要某些特别精密的零件，其精度高达IT4以上，表面粗糙度不大于R_a0.01µm。这就需要采取特殊措施进行超精密加工，如镜面车削、镜面磨削、软磨粒机械化学抛光等。
• 按表面形成方法区分 切削加工时，工件的已加工表面是依靠切削工具和工件作相对运动来获得的。按表面形成方法，切削加工可分为3类。
  1. 刀尖轨迹法：依靠刀尖相对于工件表面的运动轨迹来获得工件所要求的表面几何形状，如车削、外圆、刨削平面、磨削外圆、用靠模车削成形面等。刀尖的运动轨迹取决于机床所提供的切削工具与工件的相对运动。
  2. 成形刀具法：简称成形法，用与工件的最终表面轮廓相匹配的成形刀具或成形砂轮等加工出成形面。此时机床的部分成形运动被刀刃的几何形状所代替，如成形车削、成形铣削和成形磨削等。由于成形刀具的制造比较困难，机床-夹具-工件-刀具所形成的工艺系统所能承受的切削力有限，成形法一般只用于加工短的成形面。

     成形车削	成形铣削	成形磨削
     图3 成形刀具法

  3. 展成法：又称滚切法，加工时切削工具与工件作相对展成运动，刀具(或砂轮)和工件的瞬心线相互作纯滚动，两者之间保持确定的速比关系，所获得加工表面就是刀刃在这种运动中的包络面。齿轮加工中的滚齿、插齿、剃齿、珩齿和磨齿(不包括成形磨齿)等均属展成法加工。

  滚齿	滚切包络过程
  图4 展成法(滚切法)

  有些切削加工兼有刀尖轨迹法和成形刀具法的特点，如螺纹车削。

加工精度和表面粗糙度

各类切削加工方法所能达到的精度和表面粗糙度等级见表(各种加工方法的加工精度)。

• 提高切削加工质量的途径 切削加工质量主要是指工件的加工精度(包括尺寸、几何形状和各表面间相互位置)和表面质量(包括表面粗糙度、残余应力和表面硬化)。随着技术的进步，切削加工的质量不断提高。18世纪后期，切削加工精度以mm计；20世纪初，切削加工精度最高已达0.01mm；至50年代，切削加工精度最高已达µm级；70年代，切削加工精度又提高到0.1µm。影响切削加工质量的主要因素有机床、刀具、夹具、工件毛坯、工艺方法和加工环境等方面。要提高切削加工质量，必须对上述各方面采取适当措施，如减小机床工作误差、正确选用切削工具、提高毛坯质量、合理安排工艺、改善环境条件等。
• 减小机床工作误差 通常采用的方法有：
  1. 选用具有足够精度和刚度的机床。
  2. 必要时可以采取补偿校正的方法，如在螺纹磨床或滚齿机上，根据事先测得的机床传动链误差加装误差校正装置，以校正机床的传动系统误差。
  3. 采用机床夹具来保证加工精度，如利用镗模加工箱体上的孔系，使孔距精度由镗模决定而不受机床定位误差的影响。
  4. 防止机床热变形对加工精度的影响。
  5. 消除机床内部振源和采取隔振措施，以减少振动对加工精度和粗糙度的影响。
  6. 提高机床自动化程度，如采用主动测量或自动控制系统，以减少加工过程中的人为误差。
• 正确选用切削工具 应采用耐磨性好的刀具，合理选用刀具几何参数，并仔细地研磨刃口，使其光滑而锋利。例如用磨具加工，一般选用较细、较硬磨粒的磨具，砂轮要正确和及时地修整。
• 提高毛坯质量 工件毛坯要具有均匀的材质和加工余量，同时采用适当的热处理，如时效处理、退火、正火、调质等措施以消减内应力，并改善材料的切削加工性。
• 合理安排工艺 采用合理的工艺程序；正确选用切削用量，以减小切削力和切削热的影响，并防止产生自激振动；选用合适的切削液对切削区进行充分冷却和润滑；选择工件的安装定位基准和夹紧方式时，注意减小安装误差和工件变形。
• 改善环境条件 保持加工环境清洁；对外部振源和热源采取隔离措施；精密加工在恒温、恒湿和防尘的条件下进行。

提高切削加工效率的途径

提高切削用量以提高材料切除率，是提高切削加工效率的基本途径。常用的高效切削加工方法有高速切削、强力切削、等离子弧加热切削和振动切削。

• 高速切削 一般指采用硬质合金刀具所能达到的切削速度的切削加工。磨削速度在45m/s以上的切削称为高速磨削。采用高速切削(或磨削)既可提高效率，又可减小表面粗糙度。用硬质合金刀具高速车削普通钢材的切削速度可达200m/min；用陶瓷刀具可达500m/min；用金刚石刀具车削有色金属的切削速度可达 900m/min。实验室中试验的超高速切削的速度可达4000m/min以上。60年代以来，磨削速度已从 30m/s左右逐步提高到45、60、80以至100m/s；实验室中的磨削速度已达200m/s。高速切削(或磨削)要求机床具有高转速、高刚度、大功率和抗振性好的工艺系统；要求刀具有合理的几何参数和方便的紧固方式，还需考虑安全可靠的断屑方法。
• 强力切削 指大进给或大切深的切削加工，一般用于车削和磨削(见缓进给磨削)。强力车削的主要特点是车刀除主切削刃外，还有一个平行于工件已加工表面的副切削刃同时参与切削，故可把进给量比一般车削提高几倍甚至十几倍。在一般机床上，只要功率足够和工艺系统刚度好就可实行强力切削。与高速切削比较，强力切削的切削温度较低，刀具寿命较长，切削效率较高；缺点是加工表面较粗糙。强力切削时，径向切削力很大，故不适于加工细长工件。
• 等离子弧加热切削 利用等离子弧的高温把工件切削区的局部瞬时加热到800～900℃的切削方法，常采用陶瓷刀具，适用于加工大件。切削时要根据工件的材质、尺寸以及切削速度、切削深度和进给量来调整等离子弧的加热强度。适当调整后，可使工件已加工表面的温度保持在 150℃以下而不致发生金相组织变化。这种方法适于加工淬硬工件和难加工金属材料的切削。材料切除率可提高2～20倍，成本降低30～85％。
  
• 振动切削 沿刀具进给方向附加低频或高频振动的切削加工，可以提高切削效率。低频振动切削具有很好的断屑效果，可不用断屑装置，使刀刃强度增加，切削时的总功率消耗比带有断屑装置的普通切削降低40％左右。高频振动切削也称超声波振动切削，有助于减小刀具与工件之间的摩擦，降低切削温度，减小刀具的粘结磨损，从而提高切削效率和加工表面质量，刀具寿命约可提高40％。

非金属材料的切削加工

对木材、塑料、橡胶、玻璃、大理石、花岗石等非金属材料的切削加工，虽与金属材料的切削类似，但所用刀具、设备和切削用量等各有特点。

• 木材切削加工 木材制品的切削加工主要在各种木工机床上进行，其方法主要有：锯切、刨切、车削、铣削、钻削和砂光等。
  木材的锯切通常采用木工圆锯机或木工带锯机(见木工锯机)。两者都可用不同锯齿形状的刀具(锯片或锯带)进行截料、剖料或切榫。带锯切的锯缝较窄，窄带锯切还能切割曲面和不规则的形状。
  刨削通常用木工平刨床或木工压刨床(见木工刨床)。两者都可用旋转的刨刀刨削平面或型面，其中压刨床加工可得到较高的尺寸精度。当表面的光洁程度要求较高时可用木工精光刨。
  木料的外圆一般在木工车床上车削。
  木料的开榫、开槽、刻模和各种型面的加工，可用成形铣刀在木工铣床上铣削。
  钻孔可用木工钻头、麻花钻头或扁钻，在台钻或木工钻床上进行。小孔也可用手电钻加工。
  木料表面的精整可用木工砂光机。平面砂光可用带式砂光机；各种型面的砂光可用滚筒式砂光机；端面砂光和边角倒棱可用盘式砂光机。也可用木工车床或木工钻床砂光。
  木料加工的切削速度比金属切削高得多，所以刀具的刃口都较薄而锋利，进给量也较大。如锯切速度常达40～60m/s；车削或刨削时，刀具前角常达30°～35°，切削速度达60～100m/s，故出屑量很大。切削时一般不用切削液，干切下来的大量木屑可用抽风机吸走。高速旋转的木工机床一般都设有机动进给和安全防护装置，但不少木材的切削加工仍需用手动进给，因此必须特别注意操作安全。
• 塑料切削加工 塑料的刚度比金属差，易弯曲变形，尤其是热塑性塑料导热性差，易升温软化。故切削塑料时，宜用高速钢或硬质合金刀具，选用小的进给量(0.1～0.5 mm/转)和高的切削速度，并用压缩空气冷却。若刀具锋利，角度合适(一般前角为10°～30°，后角为5°～15°)，可产生带状切屑，易于带走热量。若短屑和粉尘太多则会使刀具变钝并污染机床，这时需要对机床上外露的零件和导轨进行保护。切削赛璐珞时，容易着火，必须用水冷却。
  车削酚醛塑料、氨基塑料和胶布板等热固性塑料时，宜用硬质合金刀具，切削速度宜用 80～150m/min；车削聚氯乙烯或尼龙、电木等热塑性塑料时，切削速度可达200～600m/min。
  铣削塑料时，采用高速钢刀具，切削速度一般为35～100m/min；采用硬质合金刀具，切削速度可提高2～3倍。
  塑料钻孔可用螺旋角较大的麻花钻头，孔径大于30mm时，可用套料钻。采用高速钢钻头时，常用切削速度为40～80m/min。由于塑料有膨缩性，钻孔时所用钻头直径应比要求的孔径加大0.05～0.1mm。钻孔时，塑料下面要垫硬木板，以阻止钻头出口处孔壁周围的塑料碎落。
  刨削和插削的切削速度低，一般不宜用于切削塑料，但也可用木工刨床进行整平和倒棱等工作。攻丝时可采用沟槽较宽的高速钢丝锥，并用油润滑；外螺纹可用螺纹梳刀切削。对尼龙、电木和胶木等热固性塑料，可以用组织疏松的白刚玉或碳化硅砂轮磨削，也可用砂布(纸)砂光，但需用水冷却。由于热塑性塑料的磨屑容易堵塞砂轮，一般不宜磨削。
• 橡胶切削加工 车削硬橡胶工件时，可用刃口锋利的硬质合金车刀(前角为12°～40°，后角为10°～20°)，采用150～400m/min的切削速度，可以干车，也可用水或压缩空气冷却。如用高速钢刀具车削，切削速度要低些。
  硬橡胶钻孔可用顶角为80°左右的硬质合金或高速钢麻花钻头干钻。当钻削孔径为10～20mm时，切削速度可取21～24m/min。硬橡胶工件也可用松而软的砂轮磨削。
• 玻璃切削加工 玻璃(包括锗、硅等半导体材料)的硬度高而脆性大。对玻璃的切削加工常用切割、钻孔、研磨和抛光等方法。
  对厚度在 3mm以下的玻璃板，最简单的切割方法是：用金刚石或其他坚硬物质在玻璃表面手工刻划，利用刻痕处的应力集中，即可用手摺断。
  玻璃的机械切割一般采用薄铁板(或不锈钢薄片)制成的圆锯片，并在切削过程中加磨料和水。常用的磨料是粒度为 400号左右的碳化硅或金刚石。当需要把圆棒形的半导体锭料切割成 0.4mm左右厚度的晶片时，有采用环形圆锯片，利用其内圆周对棒状锭料进行切割的，切割0.4mm厚度的晶片，切缝宽约为0.1～0.2mm。方形晶片平面的切割常采用薄片砂轮直接划出划痕后摺断，圆形晶片也可采用超声波切割。
  研磨和抛光玻璃的工作原理与金属的相似。研磨后的玻璃表面是半透明的细毛面，必须经过抛光后才能成为透明的光泽表面。研磨压力一般取1000～3000帕，磨料可用粒度为W5～20号的石英砂、刚玉、碳化硅或碳化硼，水与磨料之比约为 1:2。玻璃研磨后，平整的毛面常留有平均深度为4～5µm的凹凸层，且有个别裂纹深入表里，故抛光时常需去除厚达20µm玻璃层，这个厚度约为研磨去除量的1/10左右，但抛光所需的时间远比研磨长(数小时到数十小时)。抛光盘的材料通常采用毛毡、呢绒或塑料，所用磨料是粒度W5号以下的氧化铁(红粉)、氧化铈和氧化锆等微粉(直径 5µm以下)。研磨时加等量的水制成悬浮液作为抛光剂，在 5～20℃的环境温度下工作效果较好。
  在玻璃上钻削大孔或中孔时，一般用端部开槽的铜管或钢管作为钻头，在30m/min的切削速度下进行，同时在钻削部位注入碳化硅或金刚石磨料和润滑油。钻孔时，玻璃必须用毛毡或橡胶垫平，以防压碎。对孔径5mm以下的小孔常采用冲击钻孔法，即用硬质合金圆凿以2000r/min左右的转速，同时通过电磁振荡器使圆凿给玻璃表面以6kHz的振动冲击，这种方法的效率很高，只要10秒钟就可钻出孔径2mm、深5mm的小孔。对方孔和异形孔采用超声波(18～24kHz)加工最为方便。
  玻璃的外圆加工一般用碳化硅砂轮磨削，也可用金刚石车刀或负前角的硬质合金车刀在2000r/min左右的转速下进行车削。
• 石料切削加工 对大理石、花岗石和混凝土等坚硬材料的加工主要用切割、车削、钻孔、刨削、研磨和抛光等方法。切割时可用圆锯片加磨料和水；外圆和端面可采用负前角的硬质合金车刀以10～30m/min的切削速度车削。钻孔可用硬质合金钻头，切削速度为4～7m/min。大的石料平面可用硬质合金刨刀或滚切刨刀刨削；精密平滑的表面可用三块互为基准对研的方法或磨削和抛光的方法获得。