机械制造基础(第二版)第3章z金属切削过程.ppt

1,第三章 金属切削过程,本章要点,切削变形及其影响因素,切削力及其影响因素,切削热与切削温度,刀具磨损与刀具耐用度,刀具角度和切削用量的选择,2,第3章 金属切削过程,机械制造基础,3.1 切削过程的基本规律,3,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45,偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移,切削：与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,图3-2 金属挤压与切削比较,3.1.1 切削变形,4,图3-3 切屑根部金相照片,3.1.1 切削变形,5,3.1.1 切削变形,图3-4 切削变形实验设备与录像装置,6,第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。,图 切削部位三个变形区,第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。,3.1.1 切削变形,7,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。,3.1.1 切削变形,厚度变形系数,（3-1）,长度变形系数,（3-2）,8,3.1.1 切削变形,当0=030，h 1.5时，h与相近 主要反映第变形区的变形，h还包含了第变形区的影响。,（3-3）,9,3.1.1 切削变形,积屑瘤成因,由于刀屑接触面的粘结摩擦及滞流作用，在切削塑性金属时，在前面上的温度、压力适宜的时候，切屑底层金属粘结在刃口附近的前面上，形成一个硬度很高的楔块，这楔块称为积屑瘤，或称刀瘤，如图36所示。,积屑瘤在形成过程中是一层层增高的，到一定高度会脱落，是一个生成、长大、脱落的周期性过程。,10,3.1.1 切削变形,积屑瘤对加工的影响,积屑瘤的存在可代替切削刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用，还可增大刀具实际前角。对粗加工的切削过程有利。,但是积屑瘤的顶端从刀尖伸向工件内层，使实际背吃刀量和切削厚度发生变化，将影响工件的尺寸精度，由于积屑瘤的高度变化使已加工表面粗糙度的值变大，并易引起振动，所以在精加工应避免产生积屑瘤。,11,3.1.1 切削变形,影响积屑瘤产生的主要因素,塑性大的工件材料，刀屑之间的摩擦系数和接触长度大，生成积屑瘤的可能性就大，脆性材料一般不产生积屑瘤。切削速度对积屑瘤有很大影响，切削速度很低(c18mmin或很高(c80mmin)都很少产生积屑瘤，在中等速度范围内(加工普通钢c20mmin)最容易产生积屑瘤，此时，其高度也最大，如图36所示。,刀具前角增大可以抑制积屑瘤的生成或减小积屑瘤的高度，当前角o35时，一般就不会产生积屑瘤。使用润滑性能好的切削液可减小摩擦，有效地抑制或减小积屑瘤。,12,3.1.1 切削变形,加工硬化（冷硬）,已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象,加工硬化产生的原因,经切削产生的变形使得已加工表面层的金属晶格产生扭曲、挤紧和碎裂造成已加工表面的硬度增高。,加工硬化产生的后果,加工硬化的控制,硬化程度严重的材料使得切削变得困难。冷硬还使得已加工表面出现显微裂纹和残余应力等，从而降低了加工表面的质量和材料的疲劳强度。,提高切速，加大前角，减小刃口半径；如加大后角，提高刀具刃磨质量；进行适当的热处理,13,3.1.1 切削变形,鳞刺,已加工表面上一种鳞片状毛刺的现象。它对表面粗糙度有严重的影响。,通常在较低的切削速度时对塑性金属进行车、刨、钻、拉螺纹加工和齿轮加工，都可能出现鳞刺。,采用减小切削厚度和使用润滑性能好的极压切削油或极压乳化液、高速切削、加热切削等措施，都可抑制鳞刺。,控制鳞刺的方法,鳞刺产生的场合,14,3.1.1 切削变形,工件材料工件材料的强度、硬度越高，刀屑之间的摩擦系数就越小，所以切屑变形就越小,刀具的角度前角的影响 刀具的前角越大，切削刃越锋利，刀具前面对切削层的挤压作用越小，则切屑变形就越小。刀尖圆弧半径的影响,切削用量切削速度的影响,进给量的影响进给量增加变形减小,15,3.1.2 切削力,切削力来源,切削时，在刀具作用下切削层与加工表面层发生了弹性变形和塑性变形，因此有变形抗力作用在刀具上，这个变形抗力称为切削力。,作用在前面上的变形抗力Fnr和摩擦力Ffr的合力为Fr；作用在后面上的变形抗力Fna和摩擦力Ffa的合力为Fa。Fr和Fa的合力F就是总切削力。,16,3.1.2 切削力,17,3.1.2 切削力,切削力经验公式,（3-6）,式中 CFc,CFp,CFf 与工件、刀具材料有关系数；xFc,xFp,xFf 切削深度ap 对切削力影响指数；yFc,yFp,yFf 进给量 f 对切削力影响指数；KFc,KFp,KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。,18,3.1.2 切削力,（3-7）,式中 Fc 主切削力（N）；v 主运动速度（m/s）。,（3-8）,19,3.1.2 切削力,机床电机功率,式中 机床传动效率，通常=0.750.85,（3-10）,（3-9）,指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率,20,3.1.2 切削力,工件材料,切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂（图3-16）,21,3.1.2.3 影响切削力因素,前角0 增大，切削力减小（图3-17）,主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（r Fp，Ff，图3-18）,刀具几何角度影响,22,3.1.2.3 影响切削力因素,刀具几何角度影响,与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（s Fp，Ff）刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（r Fp，Ff）；,刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；切削液：有润滑作用，使切削力降低；后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著；,23,3.1.3 切削热和切削温度,切削热来源,切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热,切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去,主要来源 QA=QD+QFF+QFR（3-12）,（3-11）,式中，QD,QFF,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量,24,3.1.3 切削热和切削温度,TJ University,切削温度分布,切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。,25,3.1.3.3 影响切削温度的因素,切削用量的影响,式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；Z、Y、X vc、f、ap 的指数。,经验公式,（3-12）,26,3.1.3.3 影响切削温度的因素,刀具几何参数的影响,前角o切削温度主偏角r切削温度负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小,工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度工件材料导热性 切削温度,刀具磨损的影响,冷却液的影响,27,3.1.3.4 切削温度的测量,自然热电偶法,工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。,利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。,用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极（图3-22）。,可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。,28,3.3.4 磨削热与磨削温度,磨削热,磨削区温度 砂轮与工件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。磨粒磨削点温度 磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。工件平均温度 磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。,磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的1030倍，砂轮线速度高，且为非良导热体 磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。,29,3.1.4 刀具磨损与刀具耐用度,刀具磨损形态,正常磨损,前刀面磨损,形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量,后刀面磨损,形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料,v 较小,hD 较小；加工脆性材料影响：切削力,切削温度,产生振动，降低加工质量,前、后刀面磨损,30,3.5.1 刀具磨损,非正常磨损,破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）,31,磨粒磨损 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损（冷焊）刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切速,粘结磨损加剧,扩散磨损 高温下发生 氧化磨损 高温情况下，在切削刃工作边界发生,3.5.1 刀具磨损,刀具磨损原因,32,3.5.2 刀具寿命,刀具寿命（耐用度）概念,刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T 表示。刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。,（3-14）,式中CT、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数。,（3-15）,可见v 的影响最显著；f 次之；ap 影响最小。,用硬质合金刀具切削碳钢（b=0.763GP a）时，有：,33,3.5.2 刀具寿命,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,34,3.5.3 刀具寿命确定,式中to、tm、ta、tc 分别为工序时间、基本时间、辅助时间和换刀时间；T 为刀具寿命。令f，ap为常数，有：,使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：,将上式代入式（4-14），对T求导，并令其为0，可得到最大生产率刀具寿命为：,（3-16）,（3-17）,又：,35,（3-18）,式中 C0 工序成本；Cm 机时费；Ct 刀具费用；tm，ta，tc，T 含义同前。,使工序成本最小的刀具寿命。仍以车削为例，工序成本为：,（3-19）,仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为（图3-28）,3.5.3 刀具寿命确定,36,规定刀具切削时间，离线检测,3.5.4 刀具磨损、破损检测与监控,通过切削力（切削功率）变化幅值，判断刀具的磨损程度；当切削力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损 通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值”,切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍,37,3.5.4 刀具磨损、破损检测与监控,38,第3章 金属切削过程,机械制造基础,3.2 切削过程基本规律的应用,39,3.2.1 切屑的控制,为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（图3-7）,图3-7 切屑的卷曲,图3-8 断屑的产生,断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图3-8）,40,3.2.1 切屑的控制,图3-6 切屑形态照片,41,3.2.1 切屑的控制,42,3.2.1 切屑的控制,从加工过程的平稳、保证加工精度和加工表面质量考虑，带状切屑是较好的类型。,容易缠绕在工件或刀具上，影响切削过程的进行，甚至伤人,在数控机床上C状切屑是较好的形状，但高频折断会影响切削的平稳性,43,3.2.1 切屑的控制,自动线上宝塔状切屑不会缠绕，清理也方便,精车时螺卷状切屑较好，过程平稳，清理方便,自动线上宝塔状切屑不会缠绕，清理方便,重型机床上常使切屑卷曲成发条状,44,3.2.1 切屑的控制,切屑的流向对工件质量和加工安全有直接的影响。由于切削条件的不同，切屑流向的控制目的和方法也不仅相同。刃倾角对切屑的流向影响最大，如图326所示。,45,3.2.1 切屑的控制,切屑的卷曲是由于切屑内部变形或碰到断屑槽等障碍物造成的。如图327所示,46,3.2.1 切屑的控制,断屑的原因,切屑经第、第变形区的严重变形后，硬度增加，塑性大大降低，性能变脆，从而为断屑创造了先决条件。由切屑经变形自然卷曲或经断屑槽等障碍物强制卷曲产生的拉应变超过切屑材料的极限应变值时，切屑即会折断。,47,3.2.1 切屑的控制,断屑的措施,磨制断屑槽,改变刀具角度：主偏角和刃倾角对断屑的影响最大。主偏角越大，切屑厚越大，切屑卷曲时的弯曲应力越大，易于折断，一般来说Kr在7590范围较好。还可改变刃倾角的正、负值，控制切屑流向达到断屑的目的。,改变切削用量：切削速度提高，易形成带状切屑，不易断屑；增大进给量使切屑厚度增大，一般来说hD/bD(切削厚度/切削宽度)值较小时，断屑较困难，hD/bD较大时，易于断屑。,48,3.2.2 工件材料切削加工性,工件材料的切削加工性是指材料进行切削加工的难易程度。研究材料加工性的目的是为了改善材料切削加工性的途径。,刀具耐用度指标,在相同的切削条件，一定刀具耐用度T下，切削某种工件材料所允许的切削速度VCT与加工性能较好的正火状态45钢(VCT)J相比较，则相对切削加工性Kr为：,一般取T60min，对于难加工材料可用T20min。,凡Kr1的材料，其加工性能较好，小于1者，其加工性能较差。常用的分为八级，如表32所示。,49,3.2.2 工件材料切削加工性,50,3.2.2 工件材料切削加工性,切削力、切削温度指标,在相同的切削条件下，凡是切削力大，切削温度高的材料难加工，即加工性能差；反之，加工性能好。,加工表面质量指标,精加工时，常以此作为切削加工性指标。凡容易获得好的加工表面质量的材料，其切削加工性较好，反之较差。例如，低碳钢的加工性不如中碳钢，纯铝的加工性不于硬铝合金。,断屑难易程度指标,凡切屑容易控制或容易断屑的材料，其加工性能较好，反之较差。在自动线和数控机床上常以此作为切屑加工性指标。,51,3.2.2 工件材料切削加工性,工件材料韧性对切削加工性的影响,工件材料硬度的影响,1）工件材料常温硬度对切削加工性影响：工件材料硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快。2）工件材料高温硬度的影响：工件材料高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程的有利影响（软化）对高温硬度高的材料不起作用。3）金属材料中硬质点对加工性的影响：金属中硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，则材料的加工性越差。4）材料的加工硬化对切削加工性的影响：加工硬化性越严重，切削加工性越差。,52,3.2.2 工件材料切削加工性,工件材料韧性对切削加工性的影响,强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削温度亦越高，刀具容易磨损。因此，在一般情况下，加工性随工件材料强度提高而降低。,工件材料强度的影响,工件材料塑性的影响,材料塑性大，切削加工性差：切削力大；刀具容易产生粘结和扩散磨损；低速切削时易出现刀瘤与鳞刺；断屑困难。但材料塑性太小时，切屑与前刀面的接触变得很短，切削力、切削热集中在切削刃附近，使刀具磨损严重，故切削性也差。,53,工件材料韧性对切削加工性的影响,工件材料韧性的影响,韧性大的材料，切削加工性较差：在断裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且断屑困难。,工件材料弹性模量的影响,材料的弹性模量E是衡量材料刚度（抵抗弹性变形的性能）的指标，E值越大，材料刚度越大，切削加工性越差。,材料的切削加工性是上述这些机械性能（硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量等）综合影响的结果。,3.2.2 工件材料切削加工性,54,工件材料韧性对切削加工性的影响,如镁合金易燃烧，钛合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削进行。,工件材料导热系数的影响,工件材料导热系数低，切削温度高，刀具易磨损，切削加工性差。金属材料导热系数大小顺序：纯金属、有色金属、碳结构钢、铸铁、低合金结构钢、合金结构钢、工具钢、耐热钢、不锈钢。,工件材料物理化学反应的影响,3.2.2 工件材料切削加工性,55,3.2.2 工件材料切削加工性,56,有色金属,有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。,铸铁,铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。,，,3.2.2 工件材料切削加工性,57,碳素钢,普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。相对而言，中碳钢的切削加工性较好。,，,在碳素钢中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。,合金工具钢,3.2.2 工件材料切削加工性,58,3.2.2 工件材料切削加工性,59,，,3.2.2 工件材料切削加工性,采取适当的热处理,通过热处理可以改变材料的金相组织，改变材料的物理力学性能。例如，低碳钢采用正火处理或冷拔状态以降低其塑性、提高表面加工质量，高碳钢采用退火处理以降低硬度以减少刀具的磨损，马氏体不锈钢通过调质处理以降低塑性，热轧状态的中碳钢，通过正火处理使其组织和硬度均匀，中碳钢有时也要退火，铸铁件一般在切削前都要进行退火以降低表层硬度，消除应力。,60,，,3.2.2 工件材料切削加工性,调整工件材料的化学成分,在大批量生产中，应通过调整工件材料的化学成分来改善切削加工性。例如易切钢就是在钢中适当添加一些化学元素(S、Pb等)以金属或非金属夹杂物状态分布、不与钢基体固溶，从而使得切削力小、容易断屑，且刀具耐用度高，加工表面质量好。,此外，还应针对工件材料难加工的因素，采取其他相应的对策。例如：选择或研制最合适的刀具材料；选择最佳的刀具几何参数；选择合理的切削用量；选择合适的切削液等等。,采用工艺手段,61,3.2.3 刀具几何参数的合理选择,前角是刀具上重要的几何参数之一，前角的大小决定着刀刃的锋利程度。,前角大小的选择总的原则是，在保证刀具耐用度满足要求的条件下，尽量取较大值。具体选择应根据以下几个方面考虑：,（1）根据刀具切削部分材料选 高速钢强度、韧性好，可选较大前角；硬质合金的强，度、韧性较高速钢低，故前角较小；陶瓷刀具前角应更小。（2）根据工件材料选 加工塑性金属前角较大，而加工脆性材料前角较小；材料的塑性越大，前角越大；材料的强度和硬度越高，前角越小，甚至取负值。（3）根据加工要求选 粗加工和断续切削选较小前角；精加工时前角应大些。,62,3.2.3 刀具几何参数的合理选择,后角的主要作用是减小刀具后面与工件表面之间的摩擦，所以后角不能太小。后角也不能太大，后角过大虽然能使刃口锋利，另一方面会使刃口强度降低，从而降低刀具耐用度。,后角大小选择总的原则是，在不产生较大摩擦条件下，尽量取较小后角。具体选择大小时，根据以下几个因素考虑。,（1）根据加工要求选 粗加工时，切削用量较大，刃口需要有较好的强度，后角应选小些。精加工时，切削用量较小，工件表面质量要求高，为了减小摩擦，使刃口锋利，后角应选得大些。（2）根据加工工件材料选 加工塑性金属材料，后角适当选大值；加工脆性金属材料，后角应适当减小；加工高强度、高硬度钢时，应取较小后角。,63,3.2.3 刀具几何参数的合理选择,主偏角较小时，刀刃参加切削的长度长，刀尖角增大，提高了刀尖强度，改善了刀刃散热条件，对提高刀具耐用度有利。但是，主偏角较小时，吃刀抗力FP大，容易使工件或刀杆(孔加工刀)产生挠度变形而引起“让刀”现象，以及引起工艺系统振动，影响加工质量。因此，工艺系统刚性好时，常采用较小的主偏角；工艺系统刚性差时要取较大主偏角。主偏角影响切削厚度及切削宽度的比例，主偏角越大，切削厚度越大，切削宽度越小，越容易断屑。因此，当出现带形切屑时，可考虑增大主偏角。,副偏角的大小主要影响已加工表面粗糙度，为了降低工件表面粗糙度，通常取较小的副偏角。,64,粗加工一般钢材铸铁时，s=0-5；精车时取s=0+5，有冲击载荷时取s=-5-15。,3.2.3 刀具几何参数的合理选择,刃倾角的主要作用是它可以控制切屑流出方向，增加刀刃的锋利程度；增加刀刃参加工作的长度，使切削过程平稳以及保护刀尖。,粗加工时宜选负刃倾角，以增加刀具的强度；在断续切削时，负刃倾角有保护刀尖的作用。当工件刚性较差，不宜采用负刃倾角，因为负刃倾角将使吃刀抗力增加。精加工时宜选用正刃倾角，可避免切屑流向已加工表面，保证已加工表面不被切屑碰伤。大刃倾角刀具可使排屑平面的实际前角增大，刃口圆弧半径减小，使刀刃锋利。因此在微量切削时，常常采用很大的刃倾角，如在精镗孔、精刨平面时，常采用s=3075。,65,3.2.4 切削用量的合理选择,正确地选择切削用量对提高生产率、保证加工质量有着很重要的作用。下面以下图为例来论述选择切削用量的一般原则。,工件材料:45钢(正火)=0.893Gpa；加工要求：表面粗糙度为Ra=6.3m;刀具材料:YT15;刀杆尺寸:16mm25mm;刀具:o=15,o=o=6,r=75,r=15,s=0,r=0.5mm;机床：C6120-1。,66,3.2.4 切削用量的合理选择,粗加工选择切削用量的原则是，在保证刀具一定耐用度前提下，要尽可能提高在单位时间内的金属切除量。车削时，单位时间内金属切除量(单位为mm3s)：Zw=1000cfap,由上式可见，提高切削用量三要素中任何一个，都能提高金属切除率，从而达到提高生产率降低成本的目的。但是三个因素中，影响刀具耐用度最大的是切削速度c，其次是进给量f，影响最小的则是背吃刀量ap，因此，在选择粗加工切削用量时，应优先采用大的背吃刀量ap，其次采用较大进给量f，最后根据刀具耐用度的限定选一个合理的切削速度c，这样的选择可在T一定时使(c、f、ap)三者的乘积最大，ap大还可减少走刀次数，达到减少切削时间，提高生产率。,67,3.2.4 切削用量的合理选择,精加工或半精加工选择切削用量的原则是，在保证加工质量的前提下，兼顾必要的生产率。,背吃刀量ap是根据尺寸精度要求和切削用量确定的。进给量f是根据工件表面粗糙度的要求来确定。根据加工条件从表34选取f=0.3mm/r切削速度c的确定应避开积屑瘤产生区。一般硬质合金车刀应采用高速切削，其速度一般要80100m/min以上；高速钢车刀一般采用低速切削，其速度一般在38m/min之间。根据切削条件选取c150r/min。,68,3.2.5 切削液的合理选用,冷却作用 在切削过程中，切削液能带走大量的切削热，有效地降低切削温度，提高刀具耐用度。在刀具材料的耐热性较差及工件材料导热系数较差的情况下，切削液的冷却作用显得更为重要。,切削液冷却性能的好坏，主要取决于它的导热系数、比热、汽化热、流量的大小。一般说来，水溶液冷却效果最好，乳化液其次，油类最差。,润滑作用 是通过切削液渗透到刀具与切屑、工件表面之间形成润滑油膜，由干摩擦(摩擦系数大)变为边界润滑摩擦(摩擦系数较小)而实现的。,作为一种性能优良的切削液，除了具有良好的冷却、润滑性能外，还应具有防锈作用、不污染环境、稳定性好，价格低廉等。,69,3.2.5 切削液的合理选用,水溶液 主要成分是水，并在水中加入一定的防锈剂。它的冷却性能好，润滑性能差，呈透明状，便于操作者观察，它常在磨削中使用。,乳化液 是将乳化油用水稀释而成。呈乳白色，一般水占9598，故冷却性能好。乳化液中常加入极压添加剂以提高油膜强度，起到良好的润滑作用。一般材料的粗加工常使用乳化液，难加工材料的切削常使用极压乳化液。,(3)切削油 主要是矿物油(机油、煤油、柴油)，有时采用少量的动、植物油及它们的复合油。切削油的润滑性能好，但冷却性能差。为了提高切削油在高温高压下的润滑性能，在切削油中加人极压添加剂以形成极压切削油。一般材料的精加工，常使用切削油。难加工材料的精加工，常使用极压切削油。,70,优化问题的数学模型,求设计变量：X=x1,x2,xn T，使目标函数 f(X)min，并满足约束条件：g i(X)0（i=1,2,m）,3.6.2 切削用量的优化,设计变量：切削过程可以控制的输入变量，即切削用量。ap通常已由工艺过程确定，故一般取 v 和 f 为设计变量。目标函数：指优化目标与设计变量之间的函数关系式。,1）以最大生产率为优化目标使工序时间为最短,71,2）以最小生产成本为优化目标使工序成本为最小,3）以最大利润为优化目标使单位成本金属去除率最大,3.6.2 切削用量的优化,72,约束条件：指设计变量的取值范围,1）机床结构参数限制,2）加工表面粗糙度限制,（3-25）,式中 Ra 表面粗糙度（m）；r 刀尖圆弧半径（mm）。,3）机床功率的限制,（3-26）,式中各符号含义同前。,3.6.2 切削用量的优化,73,3.6.3 切削用量优化方法,即函数求极值的方法。不能考虑约束条件，只适于处理简单问题。,（3-27）,可利用设置惩罚函数，将约束优化问题转化为无约束优化问题处理。惩罚函数的表达式：,74,寻优过程示意图（采用田川法+局部寻优）,3.6.3 切削用量优化方法,75,1931年德国切削物理学家在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。,尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的510倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000 r/min。,3.7.1 高速加工概述,高速加工定义,76,3.7.1 高速加工概述,77,高速加工的切削速度范围,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图3-32,车削：700-7000 m/min铣削：300-6000 m/min钻削：200-1100 m/min磨削：50-300 m/s,高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同,3.7.1 高速加工概述,78,加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍 切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件 切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件 加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量 工序集约化：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集约化。这对于模具加工具有特别意义,高速加工的特点,3.7.1 高速加工概述,79,航空航天：带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min 汽车工业：,高速加工的应用,3.7.1 高速加工概述,80,3.7.1 高速加工概述,81,3.7.1 高速加工概述,82,3.7.1 高速加工概述,83,高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。与高速加工密切相关的技术主要有：高速加工刀具与磨具制造技术；高速主轴单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速加工在线检测与控制技术；其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等。此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具有重要意义。,3.7.1 高速加工概述,84,3.7.2 高速加工刀具,85,金刚石与CBN晶体结构相似，每一个原子都以理想四面体方式以10928键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合，并存在少数离子键。,3.7.2 高速加工刀具,86,天然金刚石,天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为。天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m。天然金刚石耐热性为700-800，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。,3.7.2 高速加工刀具,87,聚晶金刚石,人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000。聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。,3.7.2 高速加工刀具,88,聚晶金刚石应用实例,3.7.2 高速加工刀具,89,较高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。,PCBN切削性能,聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride)1970年问世,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-37）,3.7.2 高速加工刀具,90,良好的化学稳定性 1200-1300与铁系材料不发生化学反应；2000 才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。良好的导热性 CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。较低的摩擦系数 CBN与不同材料间的摩擦系数为（硬质合金为），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。,3.7.2 高速加工刀具,91,加工HRC45以上的硬质材料 例如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。,PCBN刀具应用,金属软化效应 用PCBN切削淬硬钢，工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加而增加；工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图3-38），金属软化，硬度下降，加工易于进行。,3.7.2 高速加工刀具,92,PCBN刀具应用实例,3.7.2 高速加工刀具,93,3.7.3 高速加工机床,陶瓷轴承高速主轴结构,94,采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似；采用“小珠密球”结构，滚珠材料Si3N4；与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力；陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度；陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失；陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。采用电动主轴（电机与主轴作成一体）；轴承转速特征值（=轴径（mm）转速（r/min）较普通钢轴承提高1.2 2倍，可达0.51106。,陶瓷轴承高速主轴结构特征,3.7.3 高速加工机床,95,回转精度高，液体静压轴承回转误差在0.2m以下，空气静压轴承回转误差在0.05m以下；功率损失小；液体静压轴承转速特征值可达1106，空气静压轴承转速特征值可达3106。空气静压轴承承载能力较小。,3.7.3 高速加工机床,96,3.7.3 高速加工机床,电磁铁绕组通过电流 I0，对转子产生吸力 F，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图3-32）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功放变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置,位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。,97,磁浮轴承主轴结构,3.7.3 高速加工机床,98,主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。转速特征值可达4106。回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达0.2m。机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。,磁浮轴承主轴特点,3.7.3 高速加工机床,99,自检测磁悬浮轴承系统,为检测转子位移，需使用位移传感器，使轴承系统轴向尺寸加大，动态性能下降，制造成本增高。由此提出利用电磁铁线圈的自感应来检测转子位移。工作原理：转子发生位移时，电磁铁线圈的自感应系数也要发生变化，即电磁铁线圈的自感应系数是转子位移 x 的函数，相应的电磁铁线圈的端电压（或电流）也是位移 x 的函数。将电磁铁线圈的端电压（或电流）检测出来并作为系统闭环控制的反馈信号，通过控制器调节转子位移，使其工作在平衡位置上（图3-32）。脉宽调制信号（PWM）经驱动电磁铁产生磁场。从控制电磁铁提取PWM载波电压中包含了转子位移信息。提取的信号经全波整流后，由低通滤波器变为转子的低频位移信号。PID将此信号转变为控制信号，经功率放大后控制电磁铁，形成闭环控制。,3.7.3 高速加工机床,100,3.7.3 高速加工机床,