《机械制造技术基础第3版 教学课件 ppt 作者 卢秉恒 西安交大 主编 补充-第2章第八节 高速切削及刀具》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造技术基础第3版 教学课件 ppt 作者 卢秉恒 西安交大 主编 补充-第2章第八节 高速切削及刀具（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八节 高速切削及刀具,刀具的结构 刀具材料 金属切削过程及物理现象 切削力与切削功率 切削热和切削温度 刀具磨损与刀具寿命 切削用量的选择及工件材料加工性 高速切削及刀具(High speed cutting),第八节 高速切削及刀具,高速切削技术的概念 高速切削的发展史 高速切削的优点 高速切削的应用 高速切削的“软硬件”要求,高速切削的概念与特点,高速切削技术的概念,20世纪90年代走向实际应用的先进制造技术，目前国际上对其定义尚无统一规定; 通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣; 现阶段一般把转速10000r/min以上视为高速切削; 国外对高速切削两种表述方法： High Speed
2、 Machining （高速加工，HSM） High Velocity Machining（高移速加工，HVM）,第八节 高速切削及刀具,高速切削的发展史,1929年由德国Salomon博士提出 1931年发表切削速度与切削温度理论 理论核心：Vc Tv 上升到一定程度后达到极限。 之后 Vc Tv,第八节 高速切削及刀具,目前划分切削速度的方法和观点有多种：,根据切削速度划分：切削速度比常规高出510倍以上的切削加工。,按不同加工工艺:,按加工不同的材料：,第八节 高速切削及刀具,根据机床主轴转速等划分,按主轴的Dn值区分：,Dn=D（mm）*n（r/min） 一般为50万200万,主轴要达
3、到所规定的平衡标准，速度至少要超过8000r/min,按主轴锥孔的大小划分：,机床主轴转速高 当前主流的高速加工设备主轴转数已经普遍超过2万转，更高的可达到6、7万转以上。 进给速度快 通常快速空行程4060米/分,更快的可达80100米/分,高速切削的优点,研究的出发点： 提高效率 解决难加工零件质量问题,1、切削速度和进给速度大幅提高,效果 单位时间内的材料切除率大大增加，达到常规切削的36倍。,第八节 高速切削及刀具,2、切削力可降低30%以上。 特别有利于提高薄壁细筋件等刚性差零件的高速精密加工,高速切削的优点:,高速带来突变滑移，减少硬化阻力； 即摩擦因数减小，剪切角增大。,基本原理
4、:,3. 减少切削热对机床和刀具的影响 90%以上的切削热来不及传给工件被切屑带走，工件基本上保持冷态，适合加工容易热变形的零件。,高速切削的优点:,切屑成形模型,切削热的产生,切削角的变化和减少切削热,4 机床的激振频率特别高 远离“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围，能加工精密、非常光洁的零件。,高速切削的优点:,5 可以加工难加工材料 例如镍基合金和钛合金，100-500 m/min,为常规切速的10倍左右。可有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。,高速切削的优点:,6 高速硬切削,高速切削的优点:,可以加工淬火材料 HRC5060； 模具精加工。,第八节 高速切削及刀具,高
5、速切削机理,切削力； 切削热。,切削力,在高速切削时随切削速度增加，切削温度升高，摩擦系数减小，剪切角增大，切削力反而降低；,高速切削力下降的解释：,1）剪切断裂： 发生在加工过程中不稳定的初始阶段，导致初始剪切区金属的热软化和应变硬化。,延展材料随着塑性变 形而发生应变硬化,第八节 高速切削及刀具,2）不稳定性的解释： 当变形缓慢时，上述过程是等温的。开始时，塑性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区。在这个区里，应变硬化强化了材料，而且应变区在材料上扩散，使切削力增加。这是传统速度切削时切削力的情况。 然而如果切削速度足够快，使应变来不及发生，变形就只发生在小范围内，会使切削力小于传统速度的切削
6、力。 此即高速切削时切削力下降的原因。,第八节 高速切削及刀具,3）突变滑移和绝热剪切： 在快速塑变过程中，局部发热产生温度梯度，最大的温度出现在发热最大的点。如果被切削材料应变强化速率下降，会导致切削点局部温度升高，当下降速率等于或大于应变硬化材料的速率时，金属将继续保持局部变形而不扩散。这个不稳定过程导致突变条件产生，称为突变滑移。随着切削温度的提高，达到绝热条件后，使热能量限制在特定的滑移区。因为特定滑移区的软化，发生附加滑移，最终得到完全剪切。,第八节 高速切削及刀具,4）高速切削力下降原因：,5）其他原因：,切削速度高，切屑流出的速度加快，改善了切屑与刀具前面之间的摩擦，切屑流出阻力
7、减小，剪切区变形减小，从而使切削力减小。,高速切削比普通切削快得多，发生突变滑移和绝热剪切，使切削区的应变硬化来不及发生，因而高速切削力下降。,第八节 高速切削及刀具,直角切削时剪切角和前刀面受力简图,高速切削时，假设定为单一 剪切面,为前角， 为剪切角,切屑厚度为,带状切屑切削厚度为,第八节 高速切削及刀具,为剪切力,切削层材料经过剪切面时，沿着剪切面滑移，以致造成动量的改变需要加一个作用力,当高速切削时（ m/min）， 增加会很大 ，需要刀具前刀面增加作用力,（合力 ）。,与,合力的方向取决于前角与前刀面摩擦系数 ，其值大小决定于 和 。,第八节 高速切削及刀具,另外要求出切削力，还必须
8、知道剪切角与前刀面摩擦系数（摩擦角）、前角之间的关系。,根据能量平衡原理推导的麦钱特剪切角公式,切削开始时，随切削速度增加，摩擦系数增加，剪切角减小，切削力增加。但在高速切削范围内，则随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角增大，切削力降低。,切削热,高速切削功的消耗：,1）形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需能量 2）剪切区的剪切变形功 3）前、后刀面与切屑、工件的摩擦功 4）切削层材料经过剪切面时，由于动量改变而消耗的功,切削热,产生的热：,形成新生表面消耗的功： 成为工件和切屑所增加的内能 剪切变形功和动量改变消耗的功： 大部分变为基本变形区的热量， 小部分形成新生表面的内能 前后刀面的
9、摩擦功产生的热： 变为第二、三变形区的热量,1）高速切削时，切屑变形所消耗的能量绝大部分转变成热,切削热,2）基本剪切区的高温有助于加速塑性变形和切屑的形成。,有一种假设认为，基本剪切区的高温 刀具前刀面和切屑 接触面上产生一层极薄的液体 加快了塑性流动的速度 高速下切除材料所需的切削力反而小一些。,切削热分布估算,切削热耗散渠道,3）切削热分布和耗散渠道：,切削热,高速切削范围内尽可能提高切削速度是有利的。,已有研究表明，切削速度越高，被切屑带走 的热量越多，传入刀具和工件的热量越少。,4）切削速度越高，传入刀具和工件的能量越少,这也正是为什么高速切削工件热变形小的原因。,高速切削的刀具刀具
10、磨损,损坏形式：磨损和破损 损坏原因：磨料磨损、粘结磨损、化学磨损（氧化、扩散和溶 解等）、脆性破损和塑性变形等 低切削速度：以磨料磨损为主，随切削速度提高，切削温度增 加，粘结磨损和化学磨损越来越突出 高切削速度：后刀面磨损、前刀面磨损、边界磨损和微崩刃等 磨损形态以及崩刃、碎断和塑性变形等破损形态,高速切削的刀具,高速切削对刀具材料有更高的要求，具体表现在： 1)高硬度、高强度和耐磨性； 2)韧度高，抗冲击能力强； 3)高的热硬性和化学稳定性； 4)抗热冲击能力强等。,由于高速切削时离心力和振动的影响，刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能。设计刀具时，必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、
11、强度、刚度和精度等方面因素。,刀具材料,刀具材料主要以镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基或氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼为主，刀具的发展主要集中在如下两方面：,一是研制新的镀膜材料和镀膜方法以提高刀具的抗磨损性；,二是开发新型的高速切削刀具，特别是那些形状比较复杂的刀具。,刀柄结构,刀柄的一端是机床主轴、另一端是刀具。高速切削时既要保证加工精度，又要保证很高的生产效率，所以高速切削时刀柄须满足下列要求：,很高的几何精度和装夹重复精度； 很高的装夹刚度； 高速运转时安全可靠。,HSK 刀柄,HSK型刀柄及其联结结构,它以其端面及1：10锥度的空心锥套作双重定位，与以往常用的7
12、：24锥柄相比，有如优点： 1)重量减少约50%； 2)重复使用时装夹和定位精度高； 3)刚度高，并可传递大的转矩； 4)装夹力随转速升高而加大。,HSK刀柄,刀具与刀柄的连接,目前常用的有收缩夹头、液压膨胀夹头和力膨胀夹头。,收缩夹头利用材料热胀冷缩的原理，把刀具装人刀柄时，先用辅助系统把刀柄孔加热，使之膨胀，待刀具插入刀柄后进行冷却，刀具就被稳当地夹持在刀柄内。这种夹头的优点是精度高，刚性大。缺点是操作不便，每次装夹须对刀柄进行加热和冷却，易引起刀柄的热疲劳和变形。,刀具与刀柄的连接,液压膨胀夹头 (a) 外径胀套夹头 (b) 内径胀套夹头 1推动活塞的螺栓 2活塞 3液压腔 4膨胀薄壁,
13、刀具与刀柄的连接,液压控胀夹头的原理如图所示，在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推动油腔顶部的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具。其优点是精度高，刚性大，操作方便。缺点是对刀具的尺寸公差要求较严，过松时，可能达不到应有的夹持力。,刀具与刀柄的连接,液压膨胀夹头,刀具与刀柄的连接,力膨胀夹头的原理如图所示。刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时，先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的力，使刀柄孔变形成圆，然后把刀具插入刀柄，再除去变形外力，刀柄孔弹性回复，刀具就被夹持在孔内。这种夹头的优点在于装夹精度高，操作简单，结构紧凑，造价较低。缺点是需备有一个辅助的加力装置。,(a) 夹头
14、孔制成三棱,(b) 受力后夹头孔呈圆形,力膨胀夹头(TRIBOS刀具夹头),高速切削应用,航空航天制造业,（超）高速切削应用于航空航天工业的大型柔性件加工，提高工效10倍。,许多薄壁、细筋结构零件，高速切削成为此类零件 加工工艺的唯一选择。,对一些“整体制造法”零件，高速切削大大提高生 产效率和产品质量，降低制造成本,例如：波音公司在生产波音F-15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42%，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。,高速切削应用,模具加工业,淬硬模具型腔的直接高速加工，提高模具加工质量和效率，可取代电火花加工。,EDM电极加工，提高电火花加工
15、质量和效率，减少后续加工工序。,快速样件制造，比快速原型制造技术效率高、质量好。,应用于精密模具的加工，可实现淬火钢模具加工“一次过”，直接达到级精度及接近镜面的表面质量。,高速切削应用,两种模具加工过程比较,高速切削应用,汽车发动机及其配件的高速切削加工,汽车覆盖件及零件模具的高速切削加工,汽车制造业,高速加工中心组成柔性生产线(FTL),例如：国内如一汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿车能力15万辆，制造节拍1150辆/min；,高速切削应用,高速切削应用,高速切削应用,高速加工的问题和难点,为什么高速切削 推广有障碍？,新技术,新观
16、念,新机床,新刀具,新工艺,担心什么？,刀具磨损 机床损坏 安全问题,高速切削的“软硬件”,高速加工系统化新技术,第八节 高速切削及刀具,高性能的高速机床,高速切削刀具,专用高速切削编程软件,高速主轴单元,高速进给单元,高速数控装置,高速机床结构,新刀具材料,新工艺涂层,专业化服务,适合于高速工艺策略,保护刀具的走刀路径,高速加工已经不是难题,电主轴的结构和系统组成,Electrospindle Motor Spindle Motorized Spindle,主轴由内装式 电机直接驱动 ；,高转速主轴单元电主轴,加工中心电主轴结构,具有加工中心的功能结构和电机结构,无外壳主轴电机,高速机床的进给系统,一、高速机床对进给系统的要求 (1) 高速度。高速机床对进给速度的基本要求为60m/min 以上，特殊情况可达120m/min。 (2) 高加速度。提供
