机械制造技术基础电子教案课件

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1、MMT第3章 切削原理本章要点切屑的形成过程切削力及其影响因素切削热与切削温度积屑瘤、残余应力和加工硬化刀具磨损与刀具寿命切削用量的选择高速加工技术1MMT第第3章章 切削原理切削原理Cutting Theory机械制造技术基础机械制造技术基础 3.1 切屑的形成过程切屑的形成过程Process of Chip Forming2MMT3.1.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 直角切削直角切削没有副刃参加切削，且s=0图3-1直角、斜角自由切削与不自由切削a）直角切削直角切削b）斜角切削斜角切削c）不自由切削不自由切削3MMT 切切屑屑的的形形成成与与切切离离过过程程，是是切切削削层层受

2、受到到刀刀具具前前刀刀面面的的挤挤压压而而产产生生以以滑移为主的塑性变形过程。滑移为主的塑性变形过程。FABOM45a）正挤压正挤压FABOM45b）偏挤压偏挤压OMFc）切削切削 正正挤挤压压：金金属属材材料料受受挤挤压压时时，最最大大剪应力方向与作用力方向约成剪应力方向与作用力方向约成4545。 偏偏挤挤压压：金金属属材材料料一一部部分分受受挤挤压压，OBOB线线以以下下金金属属由由于于母母体体阻阻碍碍，不不能能沿沿ABAB线滑移，而只能沿线滑移，而只能沿OMOM线滑移。线滑移。 切切削削：与与偏偏挤挤压压情情况况类类似似。弹弹性性变变形形剪剪切切应应力力增增大大，达达到到屈屈服服点点产产

3、生生塑塑性性变变形形，沿沿OMOM线线滑滑移移剪剪切切应应力力与与滑滑移移量量继继续续增增大大，达达到到断断裂裂强强度度切屑与母体脱离。切屑与母体脱离。图3-2金属挤压与切削比较3.1.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 挤压与切削挤压与切削4MMT图3-3切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角3.1.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 金属切削变形过程金属切削变形过程5MMT3.1.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 金属切削变形过程金属切削变形过程图3-4 切削变形实验设备与录像装置6MMT 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

4、的塑性变形主要集中于此区域。图3-5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 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 三个变形区分析三个变形区分析 第变形区：靠近前刀面处切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。7MMT3.1.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤

5、裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料， 刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑表3-1切屑类型及形成条件8MMT3.1.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 切屑类型切屑类型带状切屑Real挤裂切屑Real单元切屑Real崩碎切屑Real图3-6切屑形态照片9MMT3.1.2 切屑类型与变

6、形系数切屑类型与变形系数 切屑控制切屑控制v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。v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v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）10MMT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。LchhDhch3.1.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 LD图3-9切屑与切削层尺寸 厚度变形系数（3-1） 长度变形系数（3-2）变形系数变形系数11MMT3.1.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 当当 00

7、=0=03030， h h 1.51.5时，时， h h与与 相近相近 主主要要反反映映第第 变变形形区区的的变变形形， h h还还包包含含了了第第 变形区的影响。变形区的影响。ysOM0图3-10相对滑移系数（3-3）相对滑移系数相对滑移系数12MMT 粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。3.1.3 切屑与前刀面的摩擦变形切屑与前刀面的摩擦变形 图3-11切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。 滑动区：切屑在脱离前

8、刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfi特点特点两个摩擦区两个摩擦区13MMT3.1.4 已加工表面的变形已加工表面的变形 n切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDhDhACFE图3-12已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。变形原因变形原因变形情况变形情况应力分布应力分布14MMT3.1.5 硬脆非金属材料切屑形成机理硬脆非金属材料切屑形成机理GGC （3-4）式中G裂纹扩展单位长度时释

9、放的能量（应变能释放率）；GC裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩展阻力）。K1K1C （3-5）式中K1应力强度因子；K1CK1临界值。脆性断裂条件脆性断裂条件对于型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断裂条件为：15MMT3.1.5 硬脆非金属材料切屑形成机理硬脆非金属材料切屑形成机理脆性材料切削过程脆性材料切削过程 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-13）a）b）c）d）e）图3-13硬脆材料切削过程a）大规模挤裂（大块破碎切除）b）空切c）小规模挤裂（小块破碎切除）d）小规模挤裂（次小块破碎切除）e）重复大规模挤裂（大块破碎切除）flashflash16MMT3.1.6 磨削机理

10、磨削机理磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为6085）磨粒及切削刃随机分布磨削厚度小（几m），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000以上）磨削特点磨削特点17MMT3.1.6 磨削机理磨削机理磨屑形成过程磨屑形成过程 弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件 塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕(犁沟)，但无磨屑产生 切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有图3-14磨屑形成过程a）平面示意图b）截面示意图18MMT第第3章章 切削原理切削原理Cutting Theory机械制造技术基础机械制造技

11、术基础 3.2 切削力切削力Cutting Force19MMTrFcFFpFf pFfFf pFf pfv图3-15切削力的分解3.2.1 切削力的来源与分解切削力的来源与分解 切削力来源切削力来源3个变形区产生的弹、塑性变形抗力切屑、工件与刀具间摩擦力F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力切削力分解切削力分解20MMT3.2.2 切削力经验公式切削力经验公式 切削力经验公式切削力经验公式（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

12、, 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。21MMT3.2.2 切削力经验公式切削力经验公式 （3-7）单位切削力单位切削力切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc=1）式中Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。（3-8）切削功率切削功率22MMT3.2.2 切削力经验公式切削力经验公式 机床电机功率机床电机功率单位切削功率单位切削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23MMT3.2.3 影响切削力因素影响切削力因素 工件材料工件材料切削深度与切削力近似成正比；进给量

13、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） 强度高加工硬化倾向大切削力大519283555100130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削力Fc（N）图3-16切削速度对切削力的影响切削用量切削用量24MMT3.2.3 影响切削力因素影响切削力因素 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（rFp，Ff，图3-18）图3-17前角对0切削力的影响前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff图3-18主偏角r对切削力的影响主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006

14、001000140018002200刀具几何角度影响刀具几何角度影响25MMT3.2.3 影响切削力因素影响切削力因素 刀具几何角度影响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）；其他因素影响其他因素影响刀具材料：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26MMT第第3章章 切削原理切削原理Cutting Theory机械制造技术基础机械制造技术基础 3.

15、3 切削热与切削温度切削热与切削温度Cutting Heat and Cutting Temperature27MMT3.3.1 切削热的来源与传出切削热的来源与传出 切削热来源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)等传散出去工件切屑刀具图3-19切削热的来源与传出切削热传出切削热传出主要来源 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28MMT3.3.2 切削温度及分布切削温度及分布 TJ University切削温度分布切削温度分布切

16、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。750刀具图3-20二维切削中的温度分布工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；切削条件：干切削，预热611C29MMT3.3.3 影响切削温度的因素影响切削温度的因素 q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）刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.10铣削80钻削150硬质合金车削3

17、20f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2切削温度的系数及指数30MMT3.3.3 影响切削温度的因素影响切削温度的因素 q刀具几何参数的影响 前角前角 o o切削温度切削温度 主偏角主偏角 r r切削温度切削温度 负倒棱及刀尖圆弧半径负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小对切削温度影响很小 q工件材料的影响 工工件件材材料料机机械械性性能能切削温度切削温度 工工件件材材料料导导热热性性 切切削温度削温度 vc（m/min）图3-21切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH13121Cr18Ni9Ti345钢(正火)4HT200刀具材料：YT15；Y

18、G8刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243q刀具磨损的影响 q冷却液的影响 31MMT3.3.4 切削温度的测量切削温度的测量 自然热电偶法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

19、及温度分布场。人工热电偶法人工热电偶法红外测温法红外测温法mV图3-22人工热电偶工件刀具金属丝小孔32MMT3.3.5 磨削热与磨削温度磨削热与磨削温度磨削热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。磨削温度磨削温度33MMT第第3章章 切削原理切削原理Cuttin

20、g Theory机械制造技术基础机械制造技术基础 3.4 积屑瘤、残余应力与加工硬化积屑瘤、残余应力与加工硬化Cutter Tumor, Remains Stress and Work Hardening34MMT3.4.1 积屑瘤积屑瘤 积屑瘤成因积屑瘤成因一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接 粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化增大前角，保护刀刃影响加工精度和表面粗糙度滞留粘接长大积屑瘤形成过程积屑瘤形成过程积屑瘤影响积屑瘤影响切屑刀具图3-23积屑瘤积屑瘤RealReal35MMT3.4.2 残余应力残余应力 残余应力概念残余应力概念未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存

21、在的应力。残余应力种类及影响残余应力种类及影响残余张应力：易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度 残余压应力：有利于提高零件疲劳强度 残余应力分布不均：会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度36MMT3.4.2 残余应力残余应力 热塑变形效应：表层张应力，里层压应力 里层金属弹性恢复：若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力 表层金属相变：影响较复杂，若切削区温度超过相变温度，珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力 实际应力状态是上述各因素影响的综合结果残余应力产生原因残余应力产生原因 控制切削过程：尽可能减小残余应力 时效处理：最大限度减

22、小残余应力 残余压应力的利用：采用滚压、喷丸等方法残余应力的控制残余应力的控制37MMT3.4.3 加工硬化加工硬化 加工硬化概念加工硬化概念已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化 硬化程度（3-13）式中H硬化层显微硬度（HV）；H0基体层显微硬度（HV）。 硬化层深度指硬化层深入基体的距离hd（m）加工硬化产生原因加工硬化产生原因加工硬化度量加工硬化度量38MMT3.4.3 加工硬化加工硬化 减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等 减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等 进行适当的热处理加工硬化的控制加工硬

23、化的控制距表面深度HVH0hiH0图3-24加工硬化与表面深度的关系39MMT第第3章章 切削原理切削原理Cutting Theory机械制造技术基础机械制造技术基础 3.5 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命Cutter Wear and Its Life40MMT3.5.1 刀具磨损刀具磨损 刀具磨损形态刀具磨损形态 正常磨损前刀面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

24、量VBVBmaxa) KTKBb)图3-25刀具磨损形态前、后刀面磨损前、后刀面磨损41MMT3.5.1 刀具磨损刀具磨损 非正常磨损破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）图3-26刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间刀具磨损过程3个阶段（图3-26）常取后刀面最大允许磨损量VB磨钝标准42MMT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 刀具磨损原因刀具磨损原因43MMT3

25、.5.2 刀具寿命刀具寿命 刀具寿命（耐用度）概念刀具寿命（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=0.763GPa）时，有：刀具寿命（耐用度）经验公式刀具寿命（耐用度）经验公式44MMT3.5.2 刀具寿命刀具寿命 图3-27不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度T（min）123568102

26、0304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料寿命（耐用度）比较不同刀具材料寿命（耐用度）比较45MMT3.5.3 刀具寿命确定刀具寿命确定 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：最大生产率寿命最大生产率寿命46MMT（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

27、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）tmCm刀具费用taCmC0刀具耐用度Top成本图3-28经济寿命经济寿命经济寿命3.5.3 刀具寿命确定刀具寿命确定 47MMT规定刀具切削时间，离线检测常规方法常规方法3.5.4 刀具磨损、破损检测与监控刀具磨损、破损检测与监控 通通过过切切削削力力（切切削削功功率率）变变化化幅幅值值，判判断断刀刀具具的的磨磨损损程程度度；当当切切削削力力突突然然增增大大或或突突然然下下降降很很大大幅幅值值时时，则则表表明明刀具发生了破损刀具发生了破损 通过实验确定刀具磨损与破损的通过实验

28、确定刀具磨损与破损的“阈值阈值” 切削力与切削功率检测方法切削力与切削功率检测方法 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 声发射检测方法声发射检测方法 48MMT3.5.4 刀具磨损、破损检测与监控刀具磨损、破损检测与监控 钻头破损检测器图3-29声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号flash49MMT第第3章章 切削原理切削原理Cutting Theory机械制造技术基础机械制造技

29、术基础 3.6 切削用量的选择切削用量的选择Determine the Cutting Parameters50MMT3.6.1 选择切削用量的传统方法选择切削用量的传统方法 1. 确定切削深度ap尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分2次走刀，第一次走刀的切削深度取单边余量的2/33/4。2. 确定进给量 f 粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表） 精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）3. 确定切削速度 v根据规定的刀具耐用度确定切削速度v（计算或查表）4. 校验机床功率(仅对粗加工) （3-20）式中P机床电机功率（KW）；机床传动效率； Fc 主切削力（N）。由：，

30、可导出：51MMT优化问题的数学模型优化问题的数学模型求设计变量：X=x1,x2,xnT，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。（3-21）1）以最大生产率为优化目标使工序时间为最短切削用量优化模型切削用量优化模型52MMT（3-22）（3-23）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

31、化切削用量的优化 53MMT 约束条件：指设计变量的取值范围（3-24）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 切削用量的优化切削用量的优化 54MMT3.6.3 切削用量优化方法切削用量优化方法 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：式中Ra惩罚函数；r原目标函数；Mp惩罚因子（一个很大的数）；惩罚项；间接法（解析法）间接法（解析法）直接法（数值法或搜索法）

32、直接法（数值法或搜索法）55MMT 寻优过程示意图（采用田川法 + 局部寻优）fv0图3-30田川法寻优过程示意图fminfmaxvminvmaxPPmax约束边界Pop可行域等值线Pcop3.6.3 切削用量优化方法切削用量优化方法 56MMT第第3章章 切削原理切削原理Cutting Theory机械制造技术基础机械制造技术基础 3.7 高速加工技术高速加工技术High Speed Machining Technology57MMT概述概述 19311931年年德德国国切切削削物物理理学学家家C.J.SalomomC.J.Salomom在在“ “高高速速切切削削原原理理” ”一一文文中中给

33、给出出了了著著名名的的“ “SalomomSalomom曲曲线线” ”对对应应于于一一定定的的工工件件材材料料存存在在一一个个临临界界切切削削速速度度，此此点点切切削削温温度度最最高高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。 SalomomSalomom的的理理论论与与实实验验结结果果，引引发发了了人人们们极极大大的的兴兴趣趣，并由此产生了并由此产生了“ “高速切削（高速切削（HSCHSC）” ”的概念。的概念。 尚尚无无统统一一定定义义，一一般般认认为为高高速速加加工工是是指指采采用用超超硬硬材材料料的的刀刀具具，通通过过极极大大地地提提

34、高高切切削削速速度度和和进进给给速速度度，来来提提高高材材料料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。 以以切切削削速速度度和和进进给给速速度度界界定定：高高速速加加工工的的切切削削速速度度和和进进给速度为普通切削的给速度为普通切削的5 51010倍。倍。 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速以主轴转速界定：高速加工的主轴转速 10000r/min10000r/min。3.7.1 高速加工概述高速加工概述q高速加工定义58MMT3.7.1 高速加工概述高速加工概述图3-31Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/mi

35、n)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金85016001200800400切削温度/切削适应区非铁金属59MMT图3-32高速与超高速切削速度范围10100100010000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金q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，见图高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图3-323-32车削：700-7000m/min铣削：300-6000m/min钻削：200-1100m/min磨削：50-300m/s 高速加工切削速度范围随加工方法

36、不同也有所不同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 高速加工概述高速加工概述60MMT 加加工工效效率率高高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍 切切削削力力小小：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 切切削削热热小小：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 加加工工精精度度高高：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 工工序序集集约约化化：可获得高的加工精

37、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q高速加工的特点3.7.1 高速加工概述高速加工概述RealReal61MMT 航空航天：航空航天： 带带有有大大量量薄薄壁壁、细细筋筋的的大大型型轻轻合合金金整整体体构构件件加加工工，材材料去除率达料去除率达100-180cm100-180cm3 3/min/min。 镍合金、钛合金加工，切削速度达镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000m/min200-1000m/min 汽车工业：汽车工业：q高速加工的应用3.7.1 高速加工概述高速加工概述 采采用用高高速速数数控控机机床床和和高

38、高速速加加工工中中心心组组成成高高速速柔柔性性生生产产线，实现多品种、中小批量的高效生产（图线，实现多品种、中小批量的高效生产（图3-333-33） 模具制造：模具制造： 高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-53-5倍倍（图（图3-343-34，图，图3-353-35）。）。 仪器仪表：仪器仪表： 精密光学零件加工。精密光学零件加工。62MMT 高高速速加加工工虽虽具具有有众众多多的的优优点点，但但由由于于技技术术复复杂杂，且且对对于于相关技术要求较高，使其应用受到限制。相关技术要求较高，使其应用受到限制。3.7.1 高速加工概述高速加工概述

39、 与高速加工密切相关的技术主要有：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；高速加工刀具与磨具制造技术； 高速主轴单元制造技术；高速主轴单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速加工在线检测与控制技术；高速加工在线检测与控制技术；其其他他：如如高高速速加加工工毛毛坯坯制制造造技技术术，干干切切技技术术，高高速速加加工的排屑技术、安全防护技术等。工的排屑技术、安全防护技术等。 此此外外高高速速切切削削与与磨磨削削机机理理的的研研究究，对对于于高高速速切切削削的的发发展展也具有重要意义。也具有重要意义。63MMT刀具材料种类合金高速钢硬质合金陶瓷天然聚晶金刚

40、石聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4金刚石PCD化硼PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000HV7500HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa导热系数40-5020-3070-10030-40146.5100-12040-100热稳定性35062010001400800600-8001000化学惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低较高高最高最高很高一般精度Ra0.8高精度Ra=0.4-0.2加工质量Ra0.8IT7-8Ra=0.1-0.05IT5-6IT7-8IT5-6可替代磨

41、削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表3-3普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比3.7.2 高速加工刀具高速加工刀具64MMT图3-36金刚石（左）与CBN（右）原子结构碳原子氮原子硼原子 金金刚刚石石与与CBNCBN晶晶体体结结构构相相似似，每每一一个个原原子子都都以以理理想想四四面面体体方方式式以以1092810928键键角角与与邻邻近近4 4个个原原子子结结合合。金金刚刚石石中中的的每每个个C C原原子子都都以以共共价价键键方方式式与与邻

42、邻近近4 4个个C C原原子子结结合合。CBNCBN中中每每个个N N原原子子与与4 4个个B B原原子子结结合合，每每个个B B原原子子又又与与4 4个个N N原原子子结结合合，并存在少数离子键。并存在少数离子键。3.7.2 高速加工刀具高速加工刀具65MMTq天然金刚石 天天然然金金刚刚石石是是目目前前已已知知的的最最硬硬物物质质，根根据据其其质质量量不不同同，硬度范围为硬度范围为HV8000-12000HV8000-12000，相对密度为相对密度为3.48-3.563.48-3.56。 天天然然金金刚刚石石是是一一种种各各向向异异性性的的单单晶晶体体，在在晶晶体体上上取取向向不不同，硬度

43、及耐磨性也不相同。同，硬度及耐磨性也不相同。 天天然然金金刚刚石石耐耐磨磨性性极极好好，刀刀具具寿寿命命可可长长达达数数百百小小时时；刃刃口锋利，切削刃钝圆半径可达口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m0.01m。 天天然然金金刚刚石石耐耐热热性性为为700-800700-800，高高于于此此温温度度，碳碳原原子子转化为石墨结构，硬度丧失。转化为石墨结构，硬度丧失。 天天然然金金刚刚石石价价格格昂昂贵贵，刃刃磨磨困困难难，主主要要用用于于加加工工精精度度和和表表面面粗粗糙糙度度要要求求极极高高的的零零件件，如如激激光光反反射射镜镜、感感光光鼓鼓、多多面镜、磁盘等。面镜、磁盘等。3.7.2 高速加

44、工刀具高速加工刀具66MMTq聚晶金刚石 人人造造金金刚刚石石是是在在高高温温高高压压条条件件下下，借借助助于于某某些些合合金金触触媒媒的作用，由石墨转化而成。的作用，由石墨转化而成。 在在高高温温高高压压下下，金金刚刚石石粉粉经经二二次次压压制制形形成成聚聚晶晶金金刚刚石石（2020世纪世纪6060年代出现）。年代出现）。 聚聚晶晶金金刚刚石石不不存存在在各各向向异异性性，硬硬度度略略低低于于天天然然金金刚刚石石，为为HV6500-8000HV6500-8000。 聚聚晶晶金金刚刚石石价价格格便便宜宜，焊焊接接方方便便，可可磨磨性性好好，应应用用广广泛泛，可在大部分场合代替天然金刚石。可在大

45、部分场合代替天然金刚石。 用用等等离离子子CVDCVD（化化学学气气相相沉沉积积）可可将将聚聚晶晶金金刚刚石石作作成成涂涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。层，用途和聚晶金刚石刀具相同。 金金刚刚石石刀刀具具不不适适于于加加工工铁铁族族材材料料，因因为为金金刚刚石石中中的的碳碳元元素素与与铁铁元元素素有有很很强强的的亲亲和和力力，碳碳元元素素极极易易向向含含铁铁的的工工件件扩扩散，使金刚石刀具很快磨损。散，使金刚石刀具很快磨损。3.7.2 高速加工刀具高速加工刀具67MMT 聚晶金刚石应用实例表3-4聚晶金刚石应用实例加工对象硬度加工方式工艺参数加工效果铝合金端铣v=4000m/mimRa0.8-

46、0.4m共晶硅HRC71车削v=600m/mim一次刃磨切削行程800km铝合金f=0.1mm/rRa0.8m，刀具寿命为硬质合金的50倍共晶硅HRC71铣削v=2900m/mim刀具寿命为硬质合金的80倍vf=0.018mm/齿Ra0.8m玻璃纤维HRA87车削v=500m/mim刀具寿命为硬质合金的强化塑料150倍，Ra0.8-0.4m热塑性醋铣削v=4500m/s比硬质合金寿命提高380倍酸盐vf=10mm/minRa=0.8m高Si-Al铣削v=2200m/mimRa=0.8m铸造件铝合金钻削v=360m/mim以钻代镗，Ra=0.8m3.7.2 高速加工刀具高速加工刀具68MMT 较

47、较高高的的硬硬度度和和耐耐磨磨性性： CBNCBN晶晶体体结结构构与与金金刚刚石石相相似似，化化学学键键类类型型相相同同，晶晶格格常常数数相相近近。CBNCBN粉粉末末硬硬度度 HV8000HV8000， PCBNPCBN硬硬 度度3 3000-5000000-5000。切切削削耐耐磨磨材材料料时时，其其耐耐磨磨性性为为硬硬质质合合金金刀刀具具的的5050倍倍，涂涂层层硬硬质质合合金金刀刀具具的的3030倍倍，陶陶瓷瓷刀刀具具的的2525倍。倍。 PCBN切削性能切削性能q聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic BoronNitride)1970年问世500040

48、003000200010000硬度/HV02004006008001000温度/BN100BN20陶瓷硬质合金图3-37PCBN刀具高温硬度 高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图（图3-373-37）3.7.2 高速加工刀具高速加工刀具69MMT良好的化学稳定性良好的化学稳定性 1200-13001200-1300与与铁铁系系材材料料不不发发生生化化学学反反应应；20002000才才与与碳碳发发生生化化学学反反应应；对对各各种种材材料料粘粘结结、扩扩散散作作用用比比硬硬质质合合金金小小的的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。多。化

49、学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。良好的导热性良好的导热性 CBNCBN导导热热性性仅仅次次于于金金刚刚石石，导导热热系系数数为为1300W/m1300W/m，是是硬硬质质合合金金的的2020倍倍，陶陶瓷瓷的的3737倍倍，且且随随温温度度升升高高而而增增加加。这这一一特特性性使使PCBNPCBN刀刀具具刀刀尖尖处处温温度度降降低低，减减少少刀刀具具磨磨损损，提提高高加加工精度。工精度。较低的摩擦系数较低的摩擦系数 CBNCBN与与不不同同材材料料间间的的摩摩擦擦系系数数为为0.1-0.30.1-0.3（硬硬质质合合金金为为0.4-0.4-0.60.6），且且随随切切削削速速度度的

50、的提提高高而而减减小小。这这一一特特性性使使切切削削变变形形和切削力减小，加工表面质量提高。和切削力减小，加工表面质量提高。3.7.2 高速加工刀具高速加工刀具70MMT加工加工HRC45HRC45以上的硬质材料以上的硬质材料 例例如如各各种种淬淬硬硬钢钢（工工具具钢钢、合合金金钢钢、模模具具钢钢、轴轴承承钢钢等等），铸铸铁铁（钒钒钛钛铸铸铁铁、冷冷硬硬铸铸铁铁、高高磷磷铸铸铁铁等等），高高温温合合金金，硬硬质合金，粉末金属质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料表面喷涂（焊）材料等。等。 PCBN刀具应用刀具应用金属软化效应金属软化效应 用用PCBNPCBN切切削削淬淬硬硬钢钢，工工件件材材料料硬

51、硬度度HRC50HRC50时时，切切削削温温度度随随材材料料硬硬度度增增加加而而增增加加；工工件件材材料料硬硬度度HRC50HRC50时时，切切削削温温度度随随材材料料硬硬度度增增加加有有下下降降趋趋势势（图图3-383-38），金金属属软软化化，硬度下降，加工易于进行。硬度下降，加工易于进行。8007507006506003040506070硬度HRC（V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm）切削温度/图3-38切削温度与硬度关系3.7.2 高速加工刀具高速加工刀具71MMT PCBN刀具应用实例刀具应用实例加工对象硬度加工方式工艺参数加工效果GCr15HRC71车削V=1

52、80m/mim以车代磨，工效提高4-5倍钢轧辊f=5.6mm/rRa0.8-0.4mYG15HRA87镗孔V=50m/mim工效较电火花加工提高30冷挤压模倍，Ra0.8-0.4mA3热压板端铣V=800m/mim以铣代磨，工效提高6-7倍Vf=100m/mimRa1.6-0.8m，平面度0.02凸轮轴HRC60磨削V=80m/s比单晶刚玉砂轮寿命提高20倍，生产效率提高50%GCr15HRC62磨削V=65m/s比棕刚玉砂轮耐用度提高轴承内孔170倍，生产效率提高一倍Cr、Cu端铣V=800m/mimRa0.8m，平面度0.02铸铁Vf=0.1mm/齿40Cr钢HRC38立铣V=850m/m

53、im以铣代磨，工效提高5-6倍Ra0.8m表3-5PCBN刀具应用实例3.7.2 高速加工刀具高速加工刀具72MMT图3-39 陶瓷轴承高速主轴陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口高速主轴高速主轴3.7.3 高速加工机床高速加工机床q陶瓷轴承高速主轴结构73MMT 采采用用C C或或B B级级精精度度角角接接触触球球轴轴承承，轴轴承承布布置置与与传传统统磨磨床床主轴结构相类似；主轴结构相类似； 采用采用“ “小珠密球小珠密球” ”结构，滚珠材料结构，滚珠材料SiSi3 3N N4 4； 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：q陶瓷轴承高速主轴结构

54、特征3.7.3 高速加工机床高速加工机床 陶瓷球密度减小陶瓷球密度减小60%60%，从而可大大降低离心力；，从而可大大降低离心力； 陶瓷弹性模量比钢高陶瓷弹性模量比钢高50%50%，使轴承具有更高刚度；，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。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）；采用电动主轴（电机与主轴作成一体）； 轴轴承承转转速速特特征征值值（=轴轴径径（mmmm） 转转速速（r/minr/min）较较普通钢轴承提高普通钢轴承提高1.21.22 2倍，可达倍，

55、可达0.50.51101106 6。74MMT 回回转转精精度度高高，液液体体静静压压轴轴承承回回转转误误差差在在0.2m0.2m以以下下，空空气静压轴承回转误差在气静压轴承回转误差在0.05m0.05m以下；以下； 功率损失小；功率损失小； 液液体体静静压压轴轴承承转转速速特特征征值值可可达达1101106 6，空空气气静静压压轴轴承承转转速特征值可达速特征值可达31031066。 空气静压轴承承载能力较小。空气静压轴承承载能力较小。3.7.3 高速加工机床高速加工机床75MMT3.7.3 高速加工机床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

56、（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磁浮轴承高速主轴磁浮轴承高速主轴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）。放大器电磁铁（定子）传感器转子图3-32磁悬浮轴承工作原理控制器76MMT前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图3-41磁浮轴承高速主轴q磁浮轴承主轴结构3.7.3 高速加工机床

57、高速加工机床77MMT 主主轴轴由由两两个个径径向向和和两两个个轴轴向向磁磁浮浮轴轴承承支支承承，磁磁浮浮轴轴承承定子与转子间空隙约定子与转子间空隙约0.1mm0.1mm。 刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度1010倍。倍。 转速特征值可达转速特征值可达4104106 6。 回回转转精精度度主主要要取取决决于于传传感感器器的的精精度度和和灵灵敏敏度度，以以及及控控制电路性能，目前可达制电路性能，目前可达0.2m0.2m。 机机械械结结构构及及电电路路系系统统均均较较复复杂杂；又又由由于于发发热热多多，对对冷冷却系统性能要求较高。却系统性能要求较高。q磁浮轴承主轴特点3.7

58、.3 高速加工机床高速加工机床78MMTq自检测磁悬浮轴承系统 为为检检测测转转子子位位移移，需需使使用用位位移移传传感感器器，使使轴轴承承系系统统轴轴向向尺尺寸寸加加大大，动动态态性性能能下下降降，制制造造成成本本增增高高。由由此此提提出出利用电磁铁线圈的自感应来检测转子位移。利用电磁铁线圈的自感应来检测转子位移。 工工作作原原理理：转转子子发发生生位位移移时时，电电磁磁铁铁线线圈圈的的自自感感应应系系数数也也要要发发生生变变化化，即即电电磁磁铁铁线线圈圈的的自自感感应应系系数数是是转转子子位位移移 x x 的的函函数数，相相应应的的电电磁磁铁铁线线圈圈的的端端电电压压（或或电电流流）也也是

59、是位位移移 x x 的的函函数数。将将电电磁磁铁铁线线圈圈的的端端电电压压（或或电电流流）检检测测出出来来并并作作为为系系统统闭闭环环控控制制的的反反馈馈信信号号，通通过过控控制制器器调调节转子位移，使其工作在平衡位置上（图节转子位移，使其工作在平衡位置上（图3-323-32）。）。 脉脉宽宽调调制制信信号号（PWMPWM）经经驱驱动动电电磁磁铁铁产产生生磁磁场场。从从控控制制电电磁磁铁铁提提取取PWMPWM载载波波电电压压中中包包含含了了转转子子位位移移信信息息。提提取取的的信信号号经经全全波波整整流流后后，由由低低通通滤滤波波器器变变为为转转子子的的低低频频位位移移信信号号。PIDPID将将此此信信号号转转变变为为控控制制信信号号，经经功功率率放放大大后后控制电磁铁，形成闭环控制。控制电磁铁，形成闭环控制。3.7.3 高速加工机床高速加工机床79MMTCCPU转子转子功率放大PID低通滤波图3-34自检测磁悬浮轴承系统控制原理3.7.3 高速加工机床高速加工机床80