|
（一）：奋起猛追日本的中国切削加工技术
韩国、台湾及中国大陆在CNC数控机床及切削刀具领域取得了惊人进步，切削技术人员的教育质量也突飞猛进，技术水平正迅速接近日本、德国等技术先进国家。笔者想在此介绍一下最近所了解到的、新兴市场国家在切削加工方面的近况。
CNC数控机床和切削刀具
韩国及台湾制造的CNC复合机床开始迅速进入中国大陆及泰国等市场。图1为韩国机床厂商在EMO2009（欧洲国际机床展，意大利米兰市）上进行的展示，图2中为该厂商演示利用搬运机器人的自动搬运系统的场景。与日本及德国的产品相比，韩国的机床不仅具有低成本的特点，而且在功能及性能上也感觉非常接近。 （图片）
图1：EMO2009上展出的韩国机床 （图片）
图2：使用搬运机器人的自动搬运系统 中国大陆的机床生产也在不断扩大，从大型CNC数控机床到并联机床，涉及的机床种类繁多。图3为实际利用大型5轴加工中心进行大型刀片同步3轴切削的演示。而且，在展会上还可看到采用并联结构的大型CNC数控机床（图4）。机床上配备的CNC数控装置多为日本发那科及德国西门子和海德汉制造，但中国也在自主开发CNC数控装置，并已开始提供给中国的机床厂商。 （图片）
图3：中国制造的大型5轴加工中心进行的加工 （图片）
图4：中国制造的并联机床 在台湾、韩国及中国等国家和地区，切削刀具的进步也很显著，中～大规模的刀具厂商接连诞生。EMO2009举行时，在欧洲及日本刀具大厂商退展后空出的空地上，韩国、台湾及中国大陆的企业搭建了大型展台。比如图5就是韩国刀具大厂商在对从超硬合金涂层立铣刀、刀头可更换式刀具，到热装方式的夹具进行综合介绍。台湾也展出了扭角不同的抗振超硬合金涂层立铣刀、可高速车铣的半径立铣刀，以及R0.1微小径球头立铣刀等多种高性能立铣刀。
（图片）
图5：韩国刀具大厂商的展台（西安品鼎数控工业） 从展会及技术信息等来看，中国大陆也有涉足切削刀具材料到成品的刀具厂商大量涌现，并且产品性能及质量都在迅速提高。中国大陆发展如此迅速，其原因除了其本身就是有望实现快速增长的市场之外，还在于从欧洲及日本导入了CNC数控刀具研磨机及刀具测量装置等最新生产设备，在短时间内提高了刀具生产技术。
中国的模具高级技术人员培养体制
中国CNC数控切削技术人员的培养在国家推动下突飞猛进，已达到人才辈出的水平。作为其中一例，介绍一下上海现代模具技术培训中心的情况。
该中心以培养树脂精密模具领域的高级技术人员为目的，进行设计、加工及组装等实践性教育。最初在日本政府开发援助（ODA）下自1991年9月起经营了4年，之后又在上海市主导下取得了持续发展。
要想使工业技术取得进步，就必须提高模具技术，在这一认识下，中国在科学技术生产计划中将模具技术列为最重要的技术领域。顺便提一句，上海市以模具制造教育为重点，而国家则以CNC加工技术教育为重点。
该中心设有120多台通用机床及CNC数控机床，而且还导入了多台5轴控制加工中心、顶级CNC放电加工机以及射出成型机。
学生在初中毕业后经考试入学，大多住校学习，主要为4年学制（专科）或3年学制（测量、质量管理、研磨加工、计测等），最后一年到企业实习。与以前相比，以区别于大学教育为目标，因此课程的重心逐渐从设计转向生产现场。掌握最新加工技术的学生毕业时就业率达到近100％，目前大多活跃于中国及外资企业中。该中心现有学生4000人（每年1000人毕业），但今后为了提高教育内容的密度，正在考虑压缩至2400人（每年600人毕业）。
为了使学生进一步提高实力和即战力，该中心还设立了指导教师到民营企业中锻炼的制度，并与新加坡、韩国及日本等展开交流，力争培养出具备全球工作能力的技术人员。学费按日元换算每年为6万日元。贫困家庭的学生可免除学费，并提供一定的生活费直至毕业。
中国在全国扩充了此类教育设施，与日本相比，正在更为迅速地培养以CNC数控切削为主的专业技术人员。
（二）：日益高性能化的刀具
目前，随着切削加工的领域扩大，刀具也在不断改进。不仅是旨在实现更高效率加工的改进，支持航空器上采用的复合材料之类的新型被切削材料的刀具开发也在不断推进。
高效率的车削及刀具
用于车削（主要是使材料旋转，用固定的刀具进行切削）的机床，正逐步从此前的CNC车床向CNC复合机床过渡。因此，如图所示的刀具正在进行开发，这种刀具具有可安装于CNC复合机床主轴上的锥柄，而且，可利用主轴的旋转功能任意改变刀头导角以及多个刀片。车刀种类的压缩、以及切削的高効率化有望得以实现。（图片）
图6：具有分度头功能的CNC复合加工机用车刀（三菱材料工具） CNC复合机床具有使刀具旋转的主轴，可实现同时利用材料的旋转的“立式车铣”。在车削时刀具一直抵在被切削材料上（连续切削），但在立式车铣时，刀具的切削刃是断续地抵在被切削材料上（断续切削），在切屑的处理以及降低热影响等方面较为有利。
如图所示，是一种可提高车削效率的刀具。虽然采用的是可进行高速进给切削的外径车削用刀头，但平均每转进给量可取高达2.5mm左右的值。（图片）
图7：高速进给切削式外径车削刀头（东芝泰珂洛） 高性能的立铣刀及切削技术
自高速铣削技术得到确立以来，高硬度钢切削得以普及，现在已能通过切削进行最终精加工。其结果是，立铣刀在要求实现高效率化的同时，还要求达到1μm以下的新领域的较高加工精度等，此类多样化开发目前正在进行。通过采用此类刀具，有望实现新的高效率切削加工。
以图8为例，这是一种旨在实现高速进给切削的圆弧半径立铣刀。可针对从铸铁到预硬钢（Prehardened Steel，HRC40程度）的被切削材料，以0.5～0.8（mm/刃：刀具直径为40～125mm，进刀量：2～3mm）的高速进给切削方式进行加工。切削刃边缘部位的刚性较高，即使对凸缘构造的端面等也能稳定地进行切削，具有可进行倾斜、螺旋形刀具轨迹切削的多向切削功能。（图片）
图8：高速进给切削式立铣刀（日本OSG）( 针对加工对象的不同产品类别，也有最佳的刀具方案提出。例如：可进行模具部件上较为多见的凹槽及孔穴的高速铣削的刀具（图9）、适用于汽车部件中的缸体的铸铁材料的刀具（图10）等。图10是具有cBN烧结体八角形刀片的铣刀，可借助负角切削刃（刀口角度为钝角）进行16角切削。上述两种刀具均有望实现高速切削及较长使用寿命下的加工。（图片）
图9：高硬度钢的高精度壁面切削（日本OSG） （图片）
图10：具有八角形cBN烧结体刀片的铣刀（三菱材料工具） 在多见于模具成形部位的曲面形状的切削方面，采用球头立铣刀是普遍的做法，但现在要求进一步实现高效率化、高精度化及长寿命化，具有双刃以上的多刃刀具已开始市售。例如，图11为3刃的球头立铣刀。如果刃的数目多，则在平均每把刃的进给量相同的情况下，进给速度必然提高，在缩短加工时间上较为有利，并且有望获得刀具磨耗量（后刀面磨耗量）小的效果（图12）。（图片）
图11：3刃涂层超硬合金球头立铣刀（日进工具） （图片）
图12：通过切削事例进行3刃与双刃的对比（日进工具） 以往的球头立铣刀具有切削刃中心部位，这成为一个弱点。由于中心部位是刀具旋转的中心，因而没有切削刃的移动，对切削起不到作用。因此，会引起精加工面粗糙度以及刀具寿命的下降。日本理化学研究所开发出了无中心刃的cBN烧结体球头立铣刀，并已确认在切削精度方面较为有利。图13为市售的无中心刃的4刃涂层超硬合金球头立铣刀。今后，预计5轴控制加工中心、CNC复合加工机等将会普及，有意地不用立铣刀的中心部位、而较多利用外周刃的切削将成为主要方式，因此，可以想象此类立铣刀将成为主流。（图片）
图13：去除了中心刃的4刃球头立铣刀（日本优能工具Union Tool） 新材料及切削技术：航空器部件
图14为IMTS2008（美国国际生产技术展，通称芝加哥展）展会上美国波音公司（Boeing）的展台。介绍了包括许多航空器部件及刀具在内的加工技术、以及航空器相关资料等。全球性需求增长使得部件生产有望扩大的航空器与汽车相比，其部件个数较多，复杂形状的一体部件较多。主要的机体部件均为薄长型，从坯料到特定形状的切削占了加工任务的大半。（图片）
图14：美国波音参加芝加哥展 坯料方面，不仅较多采用铝合金及钛合金等，而且为了实现机体轻量化、高强化及高刚性化的效果，目前正在导入纤维强化复合材料。例如，B787的主翼、尾翼及机体全部采用CFRP（碳纤维强化复合材料），加工方法主要是修整以及开孔加工。CFRP为质地较硬、且叠加了被切削性不同的层的构造，抑制因切削导致的内部剥离及毛刺等成为关键。另一方面，适用于航空器部件加工的刀具及切削条件已预先确定，对此的采用及变更必需得到批准。
例如，图15所示为采用切削刃交换式多刃立铣刀切削钛合金时的状况、以及切削条件。要求在具有高速高功率的5轴控制加工中心、支持高效率以及较长刀具使用寿命的立铣刀及切削条件下进行加工。图16为铝合金用切削刃交换式立铣刀。为刀柄一体式，且具有切削刃边缘较长的刀片形状，可应对高速旋转时离心力的两处密配合螺栓的紧固方式等，具有许多独创性。采用重视高速度及高切屑排出量的外观设计，可达到毎分钟2800m的切削速度、毎分钟1万mL左右的切屑排出量。 （图片）
图15：航空器部件（钛合金）切削的情景（牧野铣刀制作所） （图片）
图16：铝合金造部件用的切削刃交换式铣刀（三菱材料工具） 图17所示为采用金刚石烧结体切削刃的立铣刀切削CFRP的例子。切削254m后仍未见产生毛刺。这种立铣刀安装在分体式热套支架上，热套在刀柄部位的部分无法拆装，通过重磨，可将切削刃部位的偏斜精度、刃排列精度控制在数μm以内。（图片）
图17 新材料及切削技术：新石墨电极
随着高速铣削技术被开发出来，高硬度钢也能进行切削了，放电加工的适用范围变窄。近年来，开发出了配备支持石墨电极的新放电电源的CNC放电加工机，同时还开发出了具有μm级超微粒子组织的放电用石墨电极。这样一来，在以往石墨电极材料条件下难以实现的薄壁、锐利边缘形状的切削成为可能，而且还有望实现电极消耗量降低、以及放电加工面精度的提高。
最新的石墨材料为磨料物资的烧结体，预计其高硬度会造成刀具迅速磨耗。例如，图18所示为超微结晶金刚石涂层与涂层超硬合金的对比例，普通的涂层超硬合金立铣刀能看到磨耗程度迅速加深。金刚石涂层超硬合金立铣刀方面，最初由于金刚石粒径的微细化难以实现，便在做了涂层之后用金刚石砂轮进行研磨加工。因此，制造成本增高，尽管性能优良，但在生产一线的应用却进展迟缓。就在此时，微细金刚石层的涂层技术被开发出来，金刚石涂层超硬合金立铣刀的成本大幅降低，开始迅速推广。（图片）
图18：超微结晶金刚石涂层与涂层超硬合金的对比（日本OSG） 通过新式超微结晶金刚石涂层制成的超硬合金立铣刀的切削刃部位，其边缘极其锐利（图19）。与以往的金刚石涂层超硬合金进行对比，差别显而易见。适用于如图20所示留有壁厚0.3mm的薄壁形状的放电用电极的加工。（图片）
图19：超微结晶金刚石涂层与以往金刚石涂层切削刃部位的对比（日本OSG） （图片）
图20：留有0.3mm薄壁的电极事例（日进工具） 此外，具有金刚石切削刃的立铣刀也颇受关注，它使小型部件的超微细加工成为可能。
（三）：向高速车铣和微细加工发展
在CO2减排和节能潮流中，LED（发光二极管）的照明应用得到迅速推进。对制造LED及LED透镜过程中使用的模具加工而言，需要进行基于切削的微细加工。在硬盘流体轴承部件的内径切削，以及医疗领域的微细液体流路加工等微细加工作业中，切削与纳米压印、激光加工及放电加工等占有同等重要的地位。
在技术上，目前已能够实现nm（纳米）级别的加工精度。这是在高速车铣方面的技术积累基础上得到的成果。
可应用于微细加工的高速车铣
高精度化和高生产效率等要求能够以10万rpm以上的高速旋转小径立铣刀来进行切削。下面来解释一下其原理。
要想提高加工精度，必须使刀具很浅地切入。如果不增加其他手段的话，就要付出加工时间随加工长度延长的代价。因此，在每刃切入量保持固定的情况下通过高速旋转进行高速进给，便可使单位时间的切削容积得到增加。而且，高速切削还有望实现大幅减薄切屑，降低切削阻力的优点。
这样，加工过程中刀具所产生的弯曲阻力也会减少，从而使刚性低的小径刀具也能够实现良好的加工效果。另外还有望抑制刀具的磨损。从这些情况来看，如何有效实现基于高速旋转、浅量切入及高速进给的高速切削，对于微加工而言十分重要。
目前已有实验结果实证了这一原理。在超高速小型空气轴承涡轮机轴（ABSF-1600：NAKANISHI制造）上使用超硬涂层半径立铣刀，在切入量和切削长度相同的条件下，分别以10万rpm和14万rpm进行平面加工，尝试测定了加工负荷导致的与标准设定转速的转速偏差。然后经波形信号处理，得出了转速降低时的平均切削阻力和分析结果。数据显示，14万rpm与10万rpm相比，切削阻力降低了9.6％。也就是说，高速旋转使切削负荷明显趋于减轻，在利用小径刀具的加工中起到了有利作用。
适于微细加工的高速车铣刀具设计
不过，现有的装置及系统很难实现上述作业。必须要对刀具、机床及控制方式分别进行全新设计。首先从刀具来看，要想实现次微米级别的超精密切削精度，刀具磨损极限就必须控制在数μm以下（退刀面磨损摩耗宽度）。在这一方面，高速车铣的研究成果提供了有效数据。
比如，在对立铣刀进行微小径设计时，为了提高刀具刚性，必须要最大限度地确保截面面积。因此，切削刀刃间的沟槽较浅，前角为负值（切削刀刃的前倾面比直角更向进给方向一侧进行前倾）的切削刀刃形状更为有利。负值的切削刀刃其刀尖角度以钝角（大于90°）常见，进行高速车铣时具有充分的切削加工能力。
在立铣刀的微小径设计中，刀具材料也起着十分重要的作用。微细形状的切削加工很难在切削后再进行精加工，最好是利用刀尖部无变化的“无损刀具”一次性完成精加工。这时通常使用比涂层超硬合金更具耐磨损性的cBN烧结体及金刚石烧结体等材料。使用超硬合金时还采用图21所示的、粒径为数百nm级的超超微粒子合金。（图片）
图21：超微粒子合金和超超微粒子合金 但这些刀具材料因硬度高而难以进行刀具成型。找出高精度且高效率的刀具成型方法是今后所面临的课题。对此，也可考虑通过研磨进行刀具成型，图22是通过研磨成型的直径30μm的方形立铣刀，为了最大限度地确保截面面积，采用了将圆柱削去一部分的切削刀刃形状。（图片）
图2：超精密微细切削用cBN烧结体半径立铣刀（30μm）（日进工具） 图23中的刀具是一款平面切削用立铣刀，能够实现具有次微米级平坦度和粗细度的加工面。开发时不仅设想将被削切材料的加工面粗细度控制到1μm以下，而且还考虑到了在精度及效率方面切削加工要比研磨加工更为有利。图24中直径为10μm的产品估计是目前尺寸最小的市售立铣刀。（图片）
图23：超精密平面切削用cB烧结体 半径立铣刀（日进工具） （图片）
图24：尺寸最小的市售立铣刀（日进工具） 在不进行插补的情况下直接控制轴移动
在微细加工中，原来的机床控制方法已不足以满足需求。根据三维模型数据由CAM生成的现有CNC程序已到达极限。用于切削出指定形状的刀具轨迹，目前大都是按照分成小的线段以近似数据输出，因此增大加工精度的话会增大数据量，在输出由CAM生成的CNC程序时往往要花费大量时间。而且，数控装置也需要时间去解读CNC程序。这样就阻碍了通过充分发挥加工中心的特性来实现更高速、更高精度的切削作业。其中，尤其在采用CNC程序进行超精密及微小形状的切削加工时，还需要使用更加细小的微小线段和直线插补数据，在精度和效率方面会出现更多问题。
因此，一种不经由NC代码而直接向运动控制器输出轴移动指令的系统（以下称DirectMotion）被开发了出来（沙迪克 Sodick 公布）。这样可在超精密微细切削中提高加工精度和加工效率。
图25展示了DirectMotion发出切削指令的过程与普通控制方式的不同。DirectMotion可在CNC控制系统中内置CAM功能，因此只需输入CAD数据即可执行最佳切削。（图片）
图25：普通CNC控制方式和直接方式的不同（沙迪克） 利用该控制系统进行切削的事例将在以后进行介绍，不过目前已证实切削精度、切削时间均比原来的CNC控制方式有大幅提高。
直接卡紧，用线性马达驱动
除此之外，还要在机床（加工中心）上采取对策，比如在加工微细形状时保持进给速度，将切削时对刀尖的撞击控制到最小限，等等。目前，日本理化研究所和沙迪克共同开发的实验机型正在进行尝试。该实验机型可进行微小径立铣刀切削，主轴通过空气涡轮驱动，转速可达到每分钟20万转，振摆精度和热变形控制在0.3μm以内。为提高刀尖振摆精度，采用了基于热装的主轴直接卡紧方式。线性马达驱动系统的加速度特性方面，XY平面内为1.5G，Z轴为1G，可实现敏捷的进给操作。
沙迪克利用该实验机型进行切削实验后，根据实验结果于2005年12月推出了超微细精密加工中心。采用每分钟12万转的低热变形主轴、全轴线性马达、两轴相对驱动进给机构，以及直接控制CNC装置等新设计，与原来的加工中心相比，可获得10倍以上的高效率。而且，还有望实现具有单纳米级表面粗细精度及形状精度的新型超精密高速切削。
今后随着技术上对超微细加工的进一步支持，还有可能利用肉眼看不到的微小刀具进行切削，届时将很难通过目视来确认切削开始时的接近动作。机床的操作以程序指令为中心，将不可避免地要利用模拟、传感器等手段来防止刀具的撞击。
无需研磨即可实现镜面
以上技术开发成果在超微细精密加工事例中已经得到体现。由于直接关系到最尖端的新产品开发，因此公开的事例很少，不过在高硬度钢方面，已经出现以烧结体立铣刀对20μm和13μm的拐角R形状进行切削的事例。微小R形状的切削，其关键在于要抑制刀角部分的磨损，这一形状是以前公认难以通过切削来实现的。 （图片）
R22μm的拐角部加工（日进工具和沙迪克） 数十～单纳米级的平面切削技术以超精密微细切削时确保材料平面精度等为目的开发而成。其意义在于可实现无需精加工即可切削出光学透镜等形状的精度。
10/27/2010
| 
