技术

金属切削理论发展主要阶段
    对金属切削理论的研究可以追溯到十七世纪，1679年Hooke把他包括6个主要工作的一组报告汇集一起，出了一个单行本《论刀具切削》，这本书中至少包括了Hooke的两个重要的科学发现，一是提出了以其名字命名的定理，这就是著名的应力与应变成正比的弹性定理。另一个发现是Hooke直觉地理解到振动着的弹簧与一个单摆是动力等价的。但真正作为一门学科来研究的话，金属切削理论研究大致从1850年算起。 
    回顾金属切削理论研究一百多年的历史，根据研究重点的不同，可以分为以下三个时期： 
    第一研究阶段可称为力学或切屑形成机理时期(Mechanics or Chip Formation Period)，大致为1850～1900年五十多年的时间。1774年，J.Wilkinson发明了第一台金属镗床，提高了汽缸的加工精度，减少了汽缸和活塞间的蒸汽泄漏，从而使得J.Watt的蒸汽机的应用成为可能，从这一典型事例中我们可以知道金属切削加工在当时社会生产中具有非常重要的地位，是当时最先进的加工方法。 
    这一阶段的初期，金属切削理论主要研究方向是研究切削过程中的切削力和消耗的切削能量，主要的研究者有H.Cocquihat, Wiebe和Joessel。1851年，H.Cocquihat 研究了在铸铁，黄铜和石头等材料上钻孔时，切去一定体积材料所需要的功。1864年，Joesse探讨了刀具几何角度对切削力的影响。 
    在这一时期的后半段，主要的研究方向是塑性剪切和切屑形成机理。Timme在1870年提出切屑是经过剪切面的剪切变形而形成的。Tresca于1864～1872年间在一系列金属挤压实验基础上提出了最大剪应力屈服准则，可以认为是塑性本构关系实验与理论研究的开始。到1873年和1878年Tresca又提出切屑的形成是工件材料受刀具挤压，从而在垂直切削方向的平面发生剪切变形的过程。 
    这一时期也开始了切削模型的研究，在1881年，Mallock提出了类似于卡片模型的理论，而Zvorkin则在1893年建立了剪切角关系式，他假设剪切面是剪应力最大面。值得注意的还有塑性力学Durcker公设的提出者Durcker等力学家的工作。 
    回顾这一阶段的历史，可以发现，切削理论的研究一开始就是和力学的研究有着紧密的关系，金属切削过程中所遇到的问题既给力学家们提供了新的课题，也为他们提供了验证其力学理论可靠而又简便的试验手段。考察自然科学的发展史，在当时力学起着先导和基础的作用，处于自然科学的前沿地位。所以金属切削理论的研究起点是很高的，也是居于当时自然科学的前沿地位。这也跟金属切削加工在当时社会生产中的地位相适应。 
    第二研究阶段可称为切削可加工性时期(Machinability Period)，大致从1900～1930年共约30年时间。在这一时期随着社会生产力的发展，金属切削加工技术也有了长足的进步，新的刀具材料和加工工艺不断出现。例如，1898年Taylor和White发明高速钢。1930年前后人们又发明了硬质合金。 
    新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。以高速钢的应用为例，Trent在他的名著《Metal Cutting》中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并要求完全改变机床的结构，据估计，在最初几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二千万美元的高速钢而增加了八十亿美元的产值。” 
    与此同时，生产实际也给金属切削研究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。这一时期金属切削理论主要的成果有，1907年Taylor在整整工作了26年切除了3万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基础上，在他经典的论文“On the Art of Cutting Metal”中提出了著名的刀具耐用度公式，第一个研究了切削速度和刀具耐用度之间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍有重要的指导意义。有些学者认为金属切削理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重要的里程碑。 
    切削可加工性(Machinability)这一概念是二十世纪20年代中期首先由Herbert，Rosenhain和Sturney提出，在这一时期切削加工性主要是指切削速度与刀具耐用度之间的关系，而对切削表面质量，切屑去除和尺寸精度等的研究还不深入。切削加工性被看作是与材料的硬度，韧性等有关的材料的一个重要特性。在这一时期还开始关注刀—屑温度的重要性，并进行了初步的研究。 
    第三研究阶段从二十世纪30年代至今，可以称之为理论推广应用时期(Amplification and Application Period)，传统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰。在这一时期总结了上两个时期的研究成果，将切屑成形机理与切削可加工性的关系的研究发展到了一个新的高度。而在实验手段和理论应用于生产方面也达到了前所未有的水平，这一时期比较重要的工作有： 
    Bisacres 和Chao在40年代中期首先研究了切削过程中的切削温度分布，提出了温度参数的概念(其中为切削速度，为切削厚度，为热导率)。以后还有Trigger，Lowen等人的工作。 
    在正交切削模型的研究方面，Pisspen、Merchant、Lee和Shaffer、Shaw 以及Oxley等都做了重要的开创性工作。日本的工藤英明，臼井英治利用视塑性方法构造滑移线场，从而建立切削方程式的新方法也值得加以重视。我国的金属切削理论研究者也作出了重要的贡献。 
    这一时期研究重点是切削过程中出现的各种现象及其发生机理的研究，例如剪切角关系、切削温度分布和刀具磨损、切屑卷曲机理以及积屑瘤形成机理等等。 
    金属切削机理的研究可以说是在六七十年代到八十年代初期达到高峰期，新理论，新方法不断涌现，计算机技术的飞速发展及其广泛应用使得金属切削机理的研究有了新的强有力的工具。在这一时期还出现了英国金属学家Trent的《Metal Cutting》 、美国金属切削理论家Shaw 的《Metal Cutting Principles》等全面总结性介绍金属切削理论和实验技术的经典著作。 
    八十年代以后随着计算机技术，自动控制技术在金属切削生产中的广泛应用，金属切削加工的研究重点逐步转向切削加工与计算机技术和自动控制技术相结合方面。对金属切削过程本身现象发生机理的研究相对较少。作者认为要更好地应用计算机技术、自动控制技术于金属切削加工的生产实际中，还是应该重视金属切削基础理论的研究。而且随着生产力的进一步发展，新材料、新工艺的不断涌现以及计算机技术和自动控制技术的在金属切削加工中更为广泛深入的应用，必将为金属切削基础理论的研究开拓新的方向，提出新的要求。 
    切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。虽然由于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如能越过这个“死谷”，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率。 
    高速切削是个相对的概念，究竟如何定义，目前尚无共识。由于加工方法和工件材料的不同，高速切削的高速范围也很难给出，一般认为应是常规切削速度的5～10倍。 
    自从Salomon提出高速切削的概念并于同年申请专利以来，高速切削技术的发展经历了高速切削理论的探索、应用探索、初步应用和较成熟应用等四个阶段，现已在生产中得到了一定的推广应用。特别是20世纪80年代以来，各工业发达国家投入了大量的人力和物力，研究开发了高速切削设备及相关技术，20世纪90年代以来发展更迅速。 
    高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术均得到充分发展基础之上综合而成的。因此，高速切削技术是一个复杂的系统工程。
2.1 高速数控切削 
    主要针对车削和铣削。一般高速数控切削的主轴转速比普通数控切削转速高1～10倍。高速数控切削的另一个内涵是采用高的进给速度。维持切削力不变，提高转速就能够提高切除率，减少切削时间；维持进给速度在普通切削水平，提高转速就能够降低切削力，可以加工较细或较薄的模具零件。 
    高速主轴是高速数控切削的首要条件。目前主轴转速可达100000转/min，高速切削速度在5～100m/s。完全可以达到模具零件的镜面车削和镜面铣削。
数控加工技术 
    数控加工技术已经成为主要的加工制造技术。数控加工制造技术是以一系列机械控制码作为加工机械的加工动作控制指令。在现代制造业中，若采用单一性能的加工机械及人工操作的方式进行加工，要达到所要求的加工精度及尺寸误差的加工目标并不容易，同时还需要投入大量的人力物力。因此采用NC加工制造技术成为必然的趋势。 
    数控机床因其具有宽广的适应范围，高的加工精度和生产效率，在现代制造业中担当了越来越重要的角色。随着自动编程系统的发展，如Master CAM、Pro/E等软件的普及应用，数控机床的编程工作越来越简化。零件加工质量的保证，除了数控机床自身的精度以外，与数控加工的工艺措施是密切相关的。无论哪一种自动编程软件，程序编制中的工艺问题依然离不开编程人员的工艺知识与经验。在数控机床加工过程中，工件的精度不仅与机床和控制程序有关，更受加工工艺与精度控制方法的影响。
基于数控机床的质量保证技术 
    建立完善、可靠的基于数控机床的质量保证系统，不仅是提高数控机床利用率的关键，也是保证产品质量和降低生产成本的关键。基于数控机床的质量保证技术主要包括： 
    (1)数控程序代码的合理性检验检验由CAD／CAM生成或手工编制的 NC程序代码的合理性，避免加工过程出现因NC代码不合理所造成的加工中心的损坏、刀具的损坏或工件的报废； 
    (2)数控加工的计算机仿真研究数控加工仿真建模理论，实施图形仿真和物理仿真，预测加工过程状态和加工质量； 
    (3)数控机床故障的快速诊断与报警采用多传感器的数据融合技术和多模型技术，应用小波理论、神经网络以及模糊控制技术，快速、有效地提取故障信号特征，对机床故障进行 
    (4)数控加工质量的在线检测与质量预报采用类似(3)的诸项技术和各种快速算法，通过对刀具磨损检测、机床工况的检测、工件表面粗糙度的检测，实现在线产品加工检验；并根据检测结果和质量预报模型，进行质量产品预报； 
    (5)数控加工误差的实时补偿与控制根据误差来源分类情况和在线检测结果，研究补偿方案的办法，通过计算机与数控系统的通讯及对伺服系统的补偿控制，采用模糊神经网络等技术，在原有的设备水平的基础上，保持或提高产品的加工质量。
数控机床误差补偿
基于切削过程的数控加工工艺参数优化 
    数控加工工艺的最新研究成果举例 
    通过对“叶片数控加工工艺优化研究”，对三维造型、刀位计算，切削仿真、刀具及切削工艺参数优化、后处理软件等关键技术进行了详细的研究及攻关，开发了一套完整的叶片数控加工工艺。成果已应用于高坝洲、大朝山等电站的叶片和叶片压模制造。已开始用于哈尔滨电机研究所、东方电机有限公司承制的4台三峡机组的叶片的制造。 
    目前，许多工厂依赖校验软件来保证他们的程序是恰当合适的。这种软件可以确保首个零件是合格产品，所以操作员不必站在机床前查看首个零件的生产。如此一来，空转实验和切削测试零件就成为历史了。 
    另外，校验软件可使自动进给速率最优化，并带来种种益处。更为精确的控制可改进循环时间、零件品质以及刀具寿命。具有优化进给速率功能的程序还可以使操作员不必专注于机床操作。
数控铣精确几何仿真技术
　　西飞国际数控中心课题组经过历时一年的自主研发，在原有仿真软件仿真通用刀位文件的基础上，查阅了大量的技术资料，建立了13类48台各种结构、不同坐标数控机床的运动模型、运动参数库、铝合金切削参数库，以及各种特殊指令文件，使该项仿真技术突破性地将局部刀具与零件的仿真运动扩大至整体机床的三维运动结构，并首次具备了直接模拟仿真G代码机床加工程序、机库运动、使用刀柄、工件夹具装夹等实际加工程序和其它加工要素的能力，大幅度地提高了模拟仿真的准确性、新产品首次加工的成功率，缩短了新产品试制、工艺定型周期。同时，该技术不仅可以进行程序模拟检查，还可进行工装刀具系统运动干涉模拟检查，扩展了原有仿真软件的功能，为数控加工工艺方案的优化、提高加工过程的可靠性创造了条件。通过该项仿真技术对现有的各类数控加工程序，特别是对西飞承担的英宇航42项零件数控加工程序进行优化验证，彻底消除了因程序因素导致零件加工中的损伤现象，使加工后的零件与工艺模型符合率达100%，大大促进了数控加工整体水平的提高。
进一步研究的数控加工工艺领域 
    回顾历史，展望未来，作者认为金属切削理论今后的发展方向主要有以下两个方面： 
    1、紧密联系生产实际，研究解决不断涌现的新材料的切削加工机理和加工方法以及切削加工向精密化、自动化和智能化发展过程中所碰到的各种问题。在实验和理论分析计算等方面应用计算机作为一种强有力的工具，以求得到更为精确的理论结果，开拓新的研究领域。 
    2、金属切削过程是一个复杂的动态过程，它具有比常规力学试验大得多的变形和高得多的应变率。金属切削过程中既有弹性变形，又有塑性变形，还有很高的切削温度和复杂的摩擦条件，所以金属切削过程的力学实质到目前为止还有许多未能彻底搞清楚的地方，对金属切削力学机理的研究必将有助于力学的发展和进步，这已经被前人的实践所证明，也必将被未来的实践所证实。 
    例如，当前力学研究的前沿之一是对在高应变率下材料动态力学性能的研究，切削过程正是这样一个大应变和高应变率的过程，运用切削方法可为研究这一动态过程的力学特性提供方便可靠的实验手段。研究切削过程中材料的变形机理应该成为这一研究方向的重要内容。 
    金属切削加工参数的优化设计对提高生产率和经济效益具有重要的意义，是实现自动化加工过程的必要环节。 
    刀具半径补偿指令是加工中心和数控铣床上一个常用的应用指令，但要应用好该指令，必须理解其工作原理和掌握其应用技巧。 
    高速数控加工的关键技术是：①高速主轴及高速进给驱动系统机床；②高速加工刀具系统；③基于CAD/CAM自动化数控编程。
数控修正加工原理
数控机床误差补偿
基于切削过程的数控加工工艺参数优化 
    MasterCAM特有的模拟仿真功能，可以进行三维真实感动态模拟加工，在仿真过程中，刀具沿着所定义的加工轨迹进行动态加工。 
    为了提高加工中心的应用水平，优选刀具及自动生成工艺参数是一个极其重要而又难以获得满意解决方案的课题。在实际工作中，更多的往往是依靠技术人员的经验和知识积累，遗憾的是工厂里常常缺乏这样的人才，这个问题在我国工厂里较为突出。因此，一方面，要尊重和培养这方面的技术人才；另一方面，要加大这方面的研究，建立基本切削数据库，运用模糊数学，人工智能技术和基因遗传算法等研究成果，以期为解决这一难题开辟一条新途径。 
    切削优化的目的在于满足工艺约束的条件下，寻求使切削过程达到最优时的刀具和切削参数。最优的目标可以是最低成本、最大生产率、最大利润或最低成本条件下的最大生产率。　　 
    这一问题的基本思想是：以已有的切削数据库为基础，采用模糊数学，人工智能技术和基因遗传算法为工具，采用问题归约的方法，将问题分解，针对每个问题的特点采用各自最有效的算法或知识表示和推理方法，使所欲解决的问题得到简化，相应地将知识库也进行分解，尽量使每一子问题只涉及到与之有关的知识，以提高知识匹配和搜索效率，并采用表结构或决策矩阵和人工神经网络以便知识在数控系统中的存储和更新。 
    数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。 
    从试切环境的模型特点来看，目前NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。