摘要：机械制造业在整个国民经济中占有十分重要的地位,而其中金属铣削加工是基本而又可靠的精密加工手段。在进行数控编程的过程中，刀具的选择和切削用量的确定是十分重要，它不仅对被加工零件的质量影响巨大，甚至可以决定着机床功效的发挥和安全生产的顺利进行。所以，在编制加工程序时，选择合理的刀具和切削用量，是编制高质量加工程序的前提。

　　机械制造业在整个国民经济中占有十分重要的地位,而其中金属切削加工是基本而又可靠的精密加工手段,在机械、电机、电子等各种现代产业部门中都起着重要的作用。工具的设计、制造和使用自古以来就很受重视,这里我们所说的工具,不仅仅指进行机械加工的机床,我们更关心的是直接进行切削加工的刀具。刀具是推动金属切削加工技术发展的一个极为活跃而又十分关键的因素,可以说切削加工技术发展、革新的历史就是刀具发展的历史。某单位前几年年引进了小巨人公司制作的两台车铣加工中心。但一直未能在零件上真正实现和普及数控车铣加工中心的铣削功能。刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工。因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点。研究掌握数控车铣加工中心的铣削功能，对于形状复杂以及精度要求很高的回转体零件的精密加工，提升我单位数控精密加工能力精密零件，具有很重要的现实意义。［1］金属铍材料具有低密度、低热膨胀系数、高比热容、高比强度、高弹性模量、良好的辐照透过性和良好的热稳定性等优异的力学及物理性能，可用于制造核装置、空间飞行器、惯性导航系统和精密光学系统的关键零部件，在航空航天、军工、电子和核能等领域具有非常重要的应用前景，被誉为“核时代金属”和“空间时代金属”［2］。铍与其他常见金属材料的性能对比如表所示。

　　国内铍材棒料是通过电解制备高纯铍粉、粉末冲击碾磨和热等静压技术制备得到，铍材料独特的硬脆性和较差的延展性使其机械加工性能较差，在询的方式进行主子表间内容查询，以减少数据冗余。关系型数据库的应用可以使模具全生命周期管理系统实现工厂内部模具的建档和模具使用数据及相关业务表单的上传和记录。系统通过对历史数据进行分析，辅助设人员和管理人员优化模具设计和规范业务流程。通过实时更新模具作业情况，监控模具寿命状态，实现工厂模具状态的动态管理，降低生产废品率。

　　机械加工过程中存在微裂纹和残余应力等不同形式的损伤［3］，而通过前期的相关研究发现，铍材料在切削过程中温升不明显［4］，这对刀具的选型具有重要的指导意义。在铍材料切削、铣削加工过程中会出现微冲击，粉末状的切屑容易粘接在刀具表面，导致刀具严重磨损、边缘崩裂以及铍材料工件表面产生裂纹和表面质量差等问题，因此对铍材料的机械加工工艺提出了较高的要求，以保证切削和铣削过程的顺利进行，从而加工制造出形位精度和表面质量都满足技术要求的精密铍零件。

　　高精尖极端制造技术是制造业发展的必然趋势之一，超精密加工技术则是以追求不断提高加工精度为目标的工程科学与技术。２０世纪６０年代初，因宇航和国防技术的发展需要，超精密加工技术在美国形成和发展起来，之后一段时间得到快速发展。目前，超精密加工技术已经得到各个国家的广泛重视，成为各国重点发展技术。该技术己经成为衡量一个国家制造水平高低的标志，在国防及其他重点领域发挥着举足轻重的作用。

　　铣削加工作为一种发展相对成熟的加工方式，其切削基本原理己被广泛探讨。通过铣刀相对于工件的运动，产生切削力迫使工件材料分离，进而形成预期的表面形貌。所以在切削过程中，对刀具运动过程的分析就成为表面形貌生成建模的关键一步。铣刀按照编程路线做平动时9博体育，同时匀速旋转，因此铣刀切削刃相对工件同时具有平动和旋转两种运动，两种运动的复合运动为摆线运动。切削刃在工件表面的摆线运动的轨迹复印即为理论的切削加工表面形貌，所以建立切削刃在切削过程中的运动轨迹方程贯穿在表面形貌生成建模的始终针对超精密加工技术的研究，目前主要集中在加工过程的切削机理研究、刀具磨损研究、加工后的工件表面形貌以及对加工质量产生影响的内、外因素研究。［5］无论是从加工设备还是加工参数以及刀具使用上来说，超精密铣削和传统铣削加工都有很大不同。正是由于这些不同，尽管加工原理及方法基本相同，但其加工后的工件表面形貌更加复杂多变。因此，对加工工件表面形貌的预测就十分必要，尤其是对精度要求极高且加工周期极长的工件来说，更为重要。随着信息技术的快速发展及计算机水平的不断提高，机械加工技术迎来了新的发展时机。借助计算机的超强计算能力，可以对加工过程中刀具切削工件表面的完整过程进行建模和仿真，生成加工后工件的表面形貌特征，以工件加工完成之后的质量，借此确定最优切削参数。同时，还可以利用表面形貌预测模型来探宄加工参数对工件加工后表面质量的影响规律，为合理选取加工参数提供理论依据。基于模型的研宄分析，不需要进行大量实际生产加工，可以大大减少时间和经济成本，这对于产品质量提升以及生产成本控制都具有十分重要的意义。［6］因此，建立工件加工后的表面形貌预测模型是有价值，是值得投入时间和精力的。

　　在“中国制造2025”大背景下，超精密加工技术将是衡量我国制造水平的重要标志之一是国家高新技术和战略性新兴产业的基础，是现代基础科学研究与发展的基石精密零件，是我国现代化装备制造的核心支撑技术，在民用高技术发展和专业技术领域中具有不可替代作用，图1.1展示了一些典型应用对象。

　　超精密加工目前主要包含两个研究领域：１）超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面，它成功解决了高精度陀螺仪、激光反射镜和某些大１型反射镜的加工问题。２）超精密磨削研磨，例如大规模集成电路基片和高精度硬磁盘等的加工。超精密切削是在２０世纪６０年代发展起来的新技术，它在国防和尖端技术的发展起着至关重要的作用，和传统金属切削类似，超精密切削也可分为车削和铣削等类型，但超精密切削也有其独特的飞刀切削加工方式。目前，国内外学者针对超精密车削和飞刀切削两种加工方式的刀具轨迹研宄较多，而针对超精密铣削相对较少，对具体的金刚石球形单刃铣刀的切削形貌的研宄则是较少的。［7］

　　针对超精密加工技术的研究，目前主要集中在加工过程的切削机理研究、刀具磨损研究、加工后的工件表面形貌以及对加工质量产生影响的内、外因素研究。无论是从加工设备还是加工参数以及刀具使用上来说，超精密铣削和传统铣削加工都有很大不同。正是由于这些不同，尽管加工原理及方法基本相同，但其加工后的工件表面形貌更加复杂多变。因此，对加工工件表面形貌的预测就十分必要，尤其是对精度要求极高且加工周期极长的工件来说，更为重要。随着信息技术的快速发展及计算机水平的不断提高，机械加工技术迎来了新的发展时机。借助计算机的超强计算能力，可以对加工过程中刀具切削工件表面的完整过程进行建模和仿真，生成加工后工件的表面形貌特征，以工件加工完成之后的质量，借此确定最优切削参数。同时，还可以利用表面形貌预测模型来探宄加工参数对工件加工后表面质量的影响规律，为合理选取加工参数提供理论依据。基于模型的研宄分析，不需要进行大量实际生产加工，可以大大减少时间和经济成本，这对于产品质量提升以及生产成本控制都具有十分重要的意义。因此，建立工件加工后的表面形貌预测模型是有价值，是值得投入时间和精力的。

　　数控铣加工刀具种类很多，为了适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，所用刀具正朝着标准化、通用化和模块化的方向发展，主要包括铣削刀具和孔加工刀具两大类。为了满足高效和特殊的铣削要求，又发展了各种特殊用途的专用刀具。数控铣刀具的分类有多种方法，根据刀具结构可分为：①整体式；②镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；③特殊型式，如复合式刀具，减震式刀具等。根据制造刀具所用的材料可分为：①高速钢刀具；②硬质合金刀具；③金刚石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。从切削工艺上可分为：平端立铣刀、圆角立铣刀、球头刀和锥度铣刀等。

　　刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。生产中，被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。1）铣削刀具的选用。加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀；铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀；铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀；铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀；2）孔加工刀具的选用。数控机床孔加工一般无钻模，由于钻头的刚性和切削条件差，选用钻头直径D应满足L/D≤5（L为钻孔深度）的条件；钻孔前先用中心钻定位，保证孔加工的定位精度；精绞前可选用浮动绞刀，绞孔前孔口要倒角；镗孔时应尽量选用对称的多刃镗刀头进行切削，以平衡镗削振动；尽量选择较粗和较短的刀杆，以减少切削振动。在经济型数控加工中，由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行，占用辅助时间较长，因此，必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下原则：①尽量减少刀具数量；②一把刀具装夹后，应完成其所能进行的所有加工部位；③粗精加工的刀具应分开使用，即使是相同尺寸规格的刀具；④先铣后钻；⑤先进行曲面精加工，后进行二维轮廓精加工；⑥在可能的情况下，应尽可能利用数控机床的自动换刀功能，以提高生产效率等。另外，刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使整个加工成本大大降低。总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好，耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意的加工质量的前提。3）切削速度的确定。进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。在轮廓加工中，在接近拐角处应适当降低进给量，以克服由于惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成“超程”或“欠程”现象。确定进给速度的原则：1）当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在

　　100~200mm/min范围内选取。2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20~50mm/min范围内选取。3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20~50mm/min范围内选取。4）刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以选择该机床数控系统给定的最高进给速度。4）背吃刀量（或侧吃刀量）的确定。在保证加工表面质量的前提下，背吃刀量应据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。总之，数控加工中心具有轴向和颈相动力头，能实现三个坐标的联动。利用极坐标插补指令和圆柱插补指令进行了程序优化和开发，并对机床加工工位重复定位误差进行了有效的补偿，初步实现对回转体的侧面进行快捷可靠的精密铣削加工，提高了加工精度和表面加工质量。

　　精密铍零件作为新型精密仪表系统的最关键零部件，承担着许多精密部件安装支架的重要支撑作用，安装基准较多且精度要求较高(见图 a) ，有许多形位精度和尺寸精度要求达到了微米级，加工精度总体要求达到 IT3 ～ IT4 级。对于机械零部件的加工，制造系数与加工精度等级的关系如图b所示，精度要求越高，其制造时间、难度和成本也越高。对于精密的难加工铍材料框架零件，需要加工出4个螺纹孔，与端面的垂直度为0.01 mm，其直径为 2mm，深度为 8mm，深径比高达4，这对螺纹铣刀的材料、几何参数的选型及铣削工艺也提出了巨大的挑战。

　　陈晓磊等［4］对铍材薄壁回转零件进行镗铣研究发现，刀具前、后刀面出现了大面积的月牙洼磨损和切削刃破损，其原因是镗刀在切削去除铍材料时，切屑和刀具前、后刀面摩擦严重，切屑粘结刀具并发生剥落等现象，从而对刀具造成严重的磨损。由于铍材料零件具有明显的硬脆特性，在螺纹孔的9博体育铣削过程中，螺纹铣刀的铣削部分在较大的铣削力和较高的铣削温度下工作，同时还面临着铍材料碎屑的粘着、铣削加工时振动冲击的不利影响，且大深径比螺纹孔的加工对铣刀的长度也有要求，因此铣削刀具材料必须具备高硬度、高刚度、高耐磨性、高强度、高韧性和高耐热性等性能。［8］铍材料的硬度为75HR，所选螺纹铣刀的硬度

　　必须高于铍材料并且保证预留一定的安全余量。为了保证螺纹孔铣削加工的质量，要求螺铣刀具有很好的耐磨性。在铍材料螺纹孔的铣削过程中，大深径比微小螺纹孔的直径为2 mm，螺纹铣刀在铣削过程中会承受较大的铣削力，由于是在铍材料脆性域的情况下进行加工去除，铣刀面临着强烈的振动和冲击，容易出现刀具铣削面崩刃和刀体断裂等问题，因此，螺纹

　　铣刀必须要有很高的强度和韧性，并且铍材料碎屑容易粘着在铣刀上，使得加工时温度较高，因此，需要螺纹铣刀在高温下保持良好的性能，即需要刀具也具备良好的红硬性。综上所述，可选择硬质合金螺纹铣刀加工铍材料大深径比螺纹孔。硬质合金刀具的常温硬度可高达 78 ～ 82HR，刀具铣削面有Ti N 涂层，热熔性高达800 ℃ ～1000 ℃，可实现难加工铍材料螺纹孔的铣削加工。此外，螺纹孔铣削加工用的硬质合金刀具有单齿型螺纹铣刀和多齿型螺纹铣刀两种。对于单齿型螺纹铣刀，其在铣削加工时沿着径向旋转一周而在轴向下降一个螺距的长度，即可完成单个螺纹的铣削加工，单齿型螺纹铣刀在铣削螺纹孔的过程中铣削力较小，但是效率相对较低。对于多齿型螺纹铣刀，其加工时沿螺旋线加工一周即可完成整个螺纹的加工，加工过程中铣削平稳，加工效率高，但是铣削力较单齿型螺纹铣刀更大，制造成本也更高。对于难加工的脆性铍材料，单齿型螺纹铣刀对铍零件的振动冲击较小，有利于铍屑的排出，并能保证螺纹孔铣削过程中的刀具稳定性、使用寿命和螺纹孔的铣削加工质量。因此，最终选择单齿型螺纹铣刀作为铍零件微小螺纹孔的铣削加工刀具。［9］

　　铍零件螺纹孔的铣削加工过程包含三个工序，选用φ1mm 的中心钻进行定心孔的加工再利用φ1.6mm 的硬质合金刀具以啄钻断续的方式进行通孔加工，采用定制的 M 单齿螺纹铣刀进行螺纹孔的铣削加工(见图2)。

　　由于铍零件尺寸较小，且尺寸精度较高，达到IT3 － IT4 级，采用精密加工中心进行铣削加工，选用78海德汉数控系统，主轴最高转速 4 r/min。铍零件在精密加工中心上的固定方式为专用工装夹持。［10］

　　通孔加工的钻头采用φ1. 6mm × mm 的瓦尔特硬质合金钻头，转速8 r/min进给量为. 5mm / r。螺纹孔加工的铣刀采用φ1.55mm 瓦尔特整体硬质合金M 螺纹铣刀，转速1000 r/min，进给量为 6. 3mm/min，铣削方式为自上而下，分层顺铣。加工完成后的铍零件螺纹孔见图3。

　　通过对铍材料力学和物理性能的认识以及对螺纹铣刀进行材料和齿形的优化选择，采用单齿型硬质合金螺纹铣刀加工铍材料零件上的大深径比 M 螺纹孔，保证了铣削难加工铍材料螺纹孔过程中的刚性、精度和使用寿命，实现了铍零件上的大深径比微小螺纹孔的精密铣削加工，加工后的螺纹孔有效满足了尺寸精度和定位精度的要求，为精密铍零件在航空航天等领域关键器件的应用打下了基础。

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