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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：切削加工技术综述
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业： 机械设计制造及其自动化
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2023年8月20日
随着机械制造技术的出现，为了满足人们的生活和劳动需求，提高劳动效率，降低生产成本，各种各样的机械装备被研制出来。为满足机械装备性能的需要，机械零部件都具有一定的外形、尺寸、精度等要求，而切削加工技术作为制造技术的基础工艺，常被用作机械零部件的主要加工技术，以满足大规模工业生产需求。随着制造行业的发展，切削加工技术在20世纪已经取得了很大的进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。随着计算机技术和传感器技术的发展，超高速切削加工、干切削、硬切削和超声振动切削等先进制造技术也在逐步兴起当中。
本文以切削加工技术为研究对象，通过参考大量文献，结合实例，对切削加工进行了分类，根据不同切削技术的特点，概括了车削、铣削、刨削以及磨削加工方法的特点、效果及应用，最后介绍了近来兴起的超声振动切削技术和先进刀具技术的应用及发展趋势。
关键词：切削加工技术；机械制造；应用；超声振动切削；先进刀具
目 录
5 结论
前 言
切削加工是利用刀具切除被加工对象上的多余材料，从而得到形状、精度和表面质量都符合预定要求的表面。作为制造技术的主要工艺，切削加工技术在国民经济中占据重要地位。
随着工业的发展，切削加工技术在工业生产中的作用越来越明显，人们开始将切削加工技术作为一门独立的学科进行研究。由此，切削加工技术飞速发展，并不断涌现出新的切削加工技术方式。伴随着工业制造领域对工件材料及切削加工速度要求的不断提高，高速钢刀具、硬质合金刀具等金属刀具得到发展并被广泛应用至切削加工领域，从而达到大幅提升切削加工速度，推动机械制造行业发展的目的[1]。近年来，国家在航空航天领域研究实力不断增强，金刚石、立方氮化硼、金属陶瓷等新型材料被发现及应用更加促使着切削加工技术不断向着更高的方向发展。
典型切削加工技术按照切削加工工艺的不同，可分为车、铣、刨、磨几种形式。而随着材料科学的发展，为了实现更多材料的高效加工，特种加工如电火花、超声加工、离子束加工等工艺发展起来，并在国防及武器装备的研制和生产中起到了更重要的作用。超声振动切削作为一种新型的特种加工方式，在难加工金属、脆性材料和复合材料的加工领域有着广泛的应用。超声振动切削通过对刀具或工件施加一个高频、微米级的振动，使刀具与工件发生周期性接触与分离，从而将材料从被加工表面切除。由于该特性，超声振动切削可以有效降低切削力，减少切削热，提高加工精度及表面加工质量，并且减少被加工表面的损伤，已经成为解决各种硬脆材料和超软材料的切削加工难题的重要手段。随着切削加工技术的发展，为了满足越来越高的切削速度及复杂的切削手段，新型刀具结构、刀具材料、涂层技术也在不断研发并投入使用。切削技术与刀具技术交替发展，不断推动切削技术前进[2]。
本文通过查阅及参考大量文献资料，对国内外广泛应用的诸如车削、铣削、刨削、磨削加工技术进行介绍，并着重介绍超声振动切削技术与先进刀具技术的理论与应用，结合实际，对其应用和发展趋势进行了阐述及展望。
1 切削加工技术的概念
工业生产所用到的各种机械装备都是由机械零部件以及连接配件组合而成，为了使其组合后具有完整的功能，最基本的要求就是工件的加工质量满足机械装备所需要的精度条件。选择正确的机械加工手段，对实现机械零部件的尺寸要求、精度要求有着关键的作用。目前，工业中绝大部分机械零部件所用材料都是金属或复合材料，而为了使加工材料形成机械零部件所需要的表面形状，最常用的加工方式就是切削加工。
1.1 切削加工的基本概念
切削加工是指利用各种刀具，通过刀具和工件之间的相对运动将毛坯或工件上多余的金属材料切除，从而使工件实现规定精度及表面质量的加工方法[3]。发展至今天已经出现了多种切削加工技术种类，简单分类可将其分为钳工和机械加工。钳工指生产工人使用手持工具对各种工件进行手工切削加工，包括钻孔、铰孔、锯切、锉削以及研磨等。机械加工指利用其他加工机械装备对各种工件进行切削加工，包括最常见的车铣刨磨以及镗削、拉削、珩磨和超精加工等。虽然各种方法对材料的加工方式有所不同，但都与共同的三个要素息息相关：工件材料、切削刀具和切削用量。正确的掌握三种要素之间的规律和现象，对于工业制造水平的提升具有重要意义[4]。
切削加工运动可以分为主运动和进给运动。主运动是指实现被加工材料和刀具之间进行相对运动的最基本运动；通常在单次切削运动中主运动只有一个，其速度最高，所消耗的功率也最大；主运动既可以是工件的运动，也可以是刀具运动，包括旋转运动和直线运动。进给运动是指将被加工材料投入切削，以实现表面加工目的的运动；进给运动可以有多个，其速度一般较低；既可以是连续的，也可以是中断的[5]。
切削加工过程中，实现切削动作的主要装备为切削刀具。为了达到切除工件材料的要求，刀具需要拥有比被加工材料更高的硬度、足够的抗弯强度和韧性、高耐热性等物理性能，合理的选用刀具材料对于切削加工有事半功倍的效果。在不同的加工方法及加工环境条件下，刀具结构也不尽相同，但目的都是为了方便达到加工所需的精度及表面质量等要求。因此，对切削刀具的研究与创新，是切削加工技术中重要的一部分。
1.2 切削加工的基本知识
零件的加工质量包含加工精度和被加工表面的表面质量两大部分。所谓加工精度，是指零件加工后的实际几何参数和理想零件的几何参数相符合的程度。它一般可分为尺寸精度、形状精度和位置精度三个方面。加工误差是指零件加工后的实际几何参数和理想零件的几何参数偏离程度。加工误差来源于两个方面，一个方面是机床-夹具-刀具-工件所组成的工艺系统本身的误差，另一方面是加工过程中出现的载荷和各种干扰，包括受力变形、热变形、振动、磨损等。
机械加工精度是指经过切削加工之后，所加工出工件的尺寸、形位、粗糙度等参量的实际数值与设计理想值的符合程度。为了提高机械装备的质量，在进行零件设计时就须对加工精度提出要求，机械零件的加工精度的提高，也就代表着所加工出工件的使用性能、可替换性和耐久度的提高。
零件的尺寸精度的高低用公差大小来表示，公差指在满足要求的前提下尺寸可以浮动的范围。根据国家标准GB/T1800，公差可以分为从IT01、IT0到IT18的总共二十个等级，IT后边的数字代表公差等级。随着数字的增大，公差等级和尺寸精度也相应降低。通常对要求较低的零件加工，只需规定尺寸公差。
机械零件的形状精度是指零件在切削加工后的表面与设计理想表面在形状上接近的程度。对于加工质量要求较高的工件，不光需要标出尺寸公差，还需要对其形位公差进行标注。形位公差用来表示工件的形状精度和位置精度，常见的形状公差有直线度、平面度、圆度、圆柱度等。常见位置公差有平行度、垂直度、同轴度、对称度等。形位公差在国家标准GB/T1182中有明确规定，共包括14个项目，如图1.1所示。
图1.1 形位公差表示方法
表面质量指的是工件被加工之后的表面粗糙度以及表面层材质的变化。其中表面粗糙度指工件在进行切削加工的过程中，由于刀具自身不平整、塑性变形、机械振动等都会在刀具和工件发生相对运动的时候在工件表面产生细小的凹凸。这些细小凹凸的不平度和间距称为表面粗糙度。表面粗糙度会影响到被加工工件的耐磨性等物理性能，因此对机械装备的使用寿命有着直接的影响。国家标准GB/T1031-1995对表面粗糙度进行了详细的规定，其大小用轮廓算数平均偏差Ra值。降低工件的表面粗糙度可以提高零件的使用性能和寿命，但相应会提高加工成本。表面层材质指工件在加工后由于金相组织等变化导致的基体材料在力学、物理、化学等性能发生变化，表面层材质的变化通常会导致金属工件表面性能下降，从而进一步影响加工精度。
在没有特殊要求情况时，加工工件可以在满足使用要求和性能的条件下，合理的选择较低精度等级和较大的表面粗糙度，也即经济精度。当然，工件的加工精度和加工质量越高，所加工出来的工件性能越高，寿命也越长，但相应加工需要的加工成本也越高。因此，在批量生产的工业生产活动中，优先选择经济精度作为精度要求，以达到效益最大化[5]。
1.3 切削刀具的基本知识
切削刀具指在机械加工过程中用于切削加工的刀具，通常机械加工工件材料都为金属材料，因此“刀具”一词一般可以认为是金属切削刀具。切削刀具种类繁多，如常见的车刀、刨刀、铣刀和钻头等。从外观上看，这些刀具的几何形状和加工手段都有所不同，但在切削部分有诸多相同特征。车刀，作为在工件加工过程中最常见、最基本的切削刀具，代表性也最强，甚至可以将其他刀具看作是车刀的组合或变形。常见车刀的组成如图1.2所示。
图1.2 常见车刀的组成
车刀由切削部分和刀体两部分组成，其中切削部分是切削加工的主要影响部位，由刀面和切削刃组成。刀面主要包括前刀面、后刀面、副后刀面，前刀面是刀具上切屑流过的表面；后刀面是与被加工工件切削表面相对的刀面；副后刀面是与已加工表面相对的刀面。切削刃由主切削刃、副切削刃、刀尖组成。其中刀尖为主副切削刃相较的一点，该点虽然被称为刀尖，但实际上为一小段折线或者圆弧组成，该圆弧半径称为刀尖圆弧半径。
为了能够准确表示车刀上的几何角度，通常定义好参考系坐标平面，通过测量刀具和参考平面的相对坐标来表示刀具的空间方位。刀具角度参考系可分为两类：标注角度参考系和工作角度参考系[6]。其中标注角度参考系是方便设计刀具时所用的参考系，方便进行刀具的标注、刃磨和测量；工作角度参考系是刀具实际切削加工过程的基准，是为了在加工过程中准确定义刀具与工件的相对位置。目前各个国家由于选用的测量平面不同，所以采用的刀具角度参考系也不完全统一。
刀具材料是决定刀具切削性能的重要因素，对于加工效率、加工质量、加工成本和刀具耐用度的影响很大。使用碳素工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min左右；20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米；20世纪30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米；当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上。从工业生产角度来说，提高切削速度是提高切削效率的最有效途径。因此，刀具材料对切削加工技术的提高具有重要意义。
目前，常用的刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料，其中用得最多的为高速钢和硬质合金。高速钢因其强度韧性高，工艺性较好，被广泛用于制造形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、各种齿轮加工工具等；硬质合金碳化物含量高，因此其硬度高，切削性能优良，但抗弯能力低，工艺性较差。而碳素工具钢、合金工具钢因耐热性较差，目前仅用于手工工具及切削速度较低的刀具。
近20年间，又出现了一些新型刀具，如涂层刀具，即使用物理气相沉积法或者化学气相沉积法，在较好的硬质合金或高速钢等刀具基体上涂覆一层或几层耐磨性高的难熔金属化合物，使刀具性能大大提升。新型陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，以及高耐热性，同时摩擦系数较低，因此对于高硬度材料如硬铸铁等以及高精度零件加工特别有效。超硬材料刀具如金刚石刀具，作为自然界中最硬的物质，是目前高速切削（2500~5000m/min）铝合金最理想的刀具材料。立方氮
