第3章 切削原理.ppt

1 第3章切削原理 本章要點(diǎn) 切屑的形成過(guò)程 切削力及其影響因素 切削熱與切削溫度 積屑瘤 殘余應(yīng)力和加工硬化 刀具磨損與刀具壽命 切削用量的選擇 高速加工技術(shù) 2 第3章切削原理CuttingTheory 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 3 1切屑的形成過(guò)程ProcessofChipForming 3 3 1 1金屬切削過(guò)程的變形 沒(méi)有副刃參加切削 且 s 0 4 切屑的形成與切離過(guò)程 是切削層受到刀具前刀面的擠壓而產(chǎn)生以滑移為主的塑性變形過(guò)程 正擠壓 金屬材料受擠壓時(shí) 最大剪應(yīng)力方向與作用力方向約成45 偏擠壓 金屬材料一部分受擠壓時(shí) OB線以下金屬由于母體阻礙 不能沿AB線滑移 而只能沿OM線滑移 切削 與偏擠壓情況類似 彈性變形 剪切應(yīng)力增大 達(dá)到屈服點(diǎn) 產(chǎn)生塑性變形 沿OM線滑移 剪切應(yīng)力與滑移量繼續(xù)增大 達(dá)到斷裂強(qiáng)度 切屑與母體脫離 圖3 2金屬擠壓與切削比較 3 1 1金屬切削過(guò)程的變形 5 圖3 3切屑根部金相照片 3 1 1金屬切削過(guò)程的變形 6 3 1 1金屬切削過(guò)程的變形 圖3 4切削變形實(shí)驗(yàn)設(shè)備與錄像裝置 7 第 變形區(qū) 即剪切變形區(qū) 金屬剪切滑移 成為切屑 金屬切削過(guò)程的塑性變形主要集中于此區(qū)域 圖3 5切削部位三個(gè)變形區(qū) 第 變形區(qū) 已加工面受到后刀面擠壓與摩擦 產(chǎn)生變形 此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應(yīng)力的主要原因 3 1 1金屬切削過(guò)程的變形 8 3 1 2切屑類型與變形系數(shù) 9 3 1 2切屑類型與變形系數(shù) 圖3 6切屑形態(tài)照片 10 3 1 2切屑類型與變形系數(shù) 為使切削過(guò)程正常進(jìn)行和保證已加工表面質(zhì)量 應(yīng)使切屑卷曲和折斷 切屑的卷曲是切屑基本變形或經(jīng)過(guò)卷屑槽使之產(chǎn)生附加變形的結(jié)果 圖3 7 圖3 7切屑的卷曲 圖3 8斷屑的產(chǎn)生 斷屑是對(duì)已變形的切屑再附加一次變形 常需有斷屑裝置 圖3 8 11 切削層經(jīng)塑性變形后 厚度增加 長(zhǎng)度縮小 寬度基本不變 可用其表示切削層變的變形程度 3 1 2切屑類型與變形系數(shù) 厚度變形系數(shù) 3 1 長(zhǎng)度變形系數(shù) 3 2 12 3 1 2切屑類型與變形系數(shù) 當(dāng) 0 0 30 h 1 5時(shí) h與 相近 主要反映第 變形區(qū)的變形 h還包含了第 變形區(qū)的影響 3 3 13 粘結(jié)區(qū) 高溫高壓使切屑底層軟化 粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中 形成長(zhǎng)度為lfi的粘接區(qū) 切屑的粘接層與上層金屬之間產(chǎn)生相對(duì)滑移 其間的摩擦屬于內(nèi)摩擦 3 1 3切屑與前刀面的摩擦變形 圖3 11切屑與前刀面的摩擦 在高溫高壓作用下 切屑底層與前刀面發(fā)生沾接 切屑與前刀面之間既有外摩擦 也有內(nèi)摩擦 滑動(dòng)區(qū) 切屑在脫離前刀面之前 與前刀面只在一些突出點(diǎn)接觸 切屑與前刀面之間的摩擦屬于外摩擦 14 3 1 4已加工表面的變形 切削刃存在刃口圓弧 導(dǎo)致擠壓和摩擦 產(chǎn)生第 變形區(qū) A點(diǎn)以上部分沿前刀面流出 形成切屑 A點(diǎn)以下部分受擠壓和摩擦留在加工表面上 并有彈性恢復(fù) A點(diǎn)前方正應(yīng)力最大 剪應(yīng)力為0 A點(diǎn)兩側(cè)正應(yīng)力逐漸減小 剪應(yīng)力逐漸增大 繼而減小 15 3 1 5硬脆非金屬材料切屑形成機(jī)理 G GC 3 4 式中G 裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)釋放的能量 應(yīng)變能釋放率 GC 裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)所需的能量 裂紋擴(kuò)展阻力 K1 K1C 3 5 式中K1 應(yīng)力強(qiáng)度因子 K1C K1臨界值 對(duì)于 型 張開(kāi)型 裂紋 在平面應(yīng)變條件下 脆性斷裂條件為 16 3 1 5硬脆非金屬材料切屑形成機(jī)理 大規(guī)模擠裂與小規(guī)模擠裂交替進(jìn)行 圖3 13 17 3 1 6磨削機(jī)理 磨粒切削刃幾何形狀不確定 通常刃口前角為 60 85 磨粒及切削刃隨機(jī)分布 磨削厚度小 幾 m 磨削速度高 磨削點(diǎn)瞬時(shí)溫度高 達(dá)1000 以上 18 3 1 6磨削機(jī)理 彈性變形 磨粒在工件表面滑擦而過(guò) 不能切入工件 塑性變形 磨粒切入工件 材料向兩邊隆起 工件表面出現(xiàn)刻痕 犁溝 但無(wú)磨屑產(chǎn)生 切削 磨削深度 磨削點(diǎn)溫度和應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值 形成磨屑 沿磨粒前刀面流出具體到每個(gè)磨粒 不一定三個(gè)階段均有 圖3 14磨屑形成過(guò)程a 平面示意圖b 截面示意圖 19 第3章切削原理CuttingTheory 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 3 2切削力CuttingForce 20 3 2 1切削力的來(lái)源與分解 切削力來(lái)源 3個(gè)變形區(qū)產(chǎn)生的彈 塑性變形抗力 切屑 工件與刀具間摩擦力 21 3 2 2切削力經(jīng)驗(yàn)公式 切削力經(jīng)驗(yàn)公式 3 6 式中CFc CFp CFf 與工件 刀具材料有關(guān)系數(shù) xFc xFp xFf 切削深度ap對(duì)切削力影響指數(shù) yFc yFp yFf 進(jìn)給量f對(duì)切削力影響指數(shù) KFc KFp KFf 考慮切削速度 刀具幾何參數(shù) 刀具磨損等因素影響的修正系數(shù) 22 3 2 2切削力經(jīng)驗(yàn)公式 3 7 式中Fc 主切削力 N v 主運(yùn)動(dòng)速度 m s 3 8 23 3 2 2切削力經(jīng)驗(yàn)公式 機(jī)床電機(jī)功率 式中 機(jī)床傳動(dòng)效率 通常 0 75 0 85 3 10 3 9 指單位時(shí)間切除單位體積V0材料所消耗的功率 24 3 2 3影響切削力因素 工件材料 切削深度與切削力近似成正比 進(jìn)給量增加 切削力增加 但不成正比 切削速度對(duì)切削力影響復(fù)雜 圖3 16 25 4 2 3影響切削力因素 前角 0增大 切削力減小 圖3 17 主偏角 r對(duì)主切削力影響不大 對(duì)吃刀抗力和進(jìn)給抗力影響顯著 r Fp Ff 圖3 18 刀具幾何角度影響 26 4 2 3影響切削力因素 刀具幾何角度影響 與主偏角相似 刃傾角 s對(duì)主切削力影響不大 對(duì)吃刀抗力和進(jìn)給抗力影響顯著 s Fp Ff 刀尖圓弧半徑r 對(duì)主切削力影響不大 對(duì)吃刀抗力和進(jìn)給抗力影響顯著 r Fp Ff 刀具材料 與工件材料之間的親和性影響其間的摩擦 而影響切削力 切削液 有潤(rùn)滑作用 使切削力降低 后刀面磨損 使切削力增大 對(duì)吃刀抗力Fp的影響最為顯著 27 第3章切削原理CuttingTheory 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 28 3 3 1切削熱的來(lái)源與傳出 切削熱來(lái)源 切削過(guò)程變形和摩擦所消耗功 絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠?切削熱由切屑 工件 刀具和周圍介質(zhì) 切削液 空氣 等傳散出去 主要來(lái)源QA QD QFF QFR 3 12 3 11 式中 QD QFF QFR分別為切削層變形 前刀面摩擦 后刀面摩擦產(chǎn)生的熱量 29 3 3 2切削溫度及分布 TJUniversity 切削溫度分布 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖處溫度最高 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖處溫度最高 30 3 3 3影響切削溫度的因素 切削用量的影響 式中 用自然熱電偶法測(cè)出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度 C C 與工件 刀具材料和其它切削參數(shù)有關(guān)的切削溫度系數(shù) Z Y X vc f ap的指數(shù) 經(jīng)驗(yàn)公式 3 12 31 3 3 3影響切削溫度的因素 刀具幾何參數(shù)的影響 前角 o 切削溫度 主偏角 r 切削溫度 負(fù)倒棱及刀尖圓弧半徑對(duì)切削溫度影響很小 工件材料的影響 工件材料機(jī)械性能 切削溫度 工件材料導(dǎo)熱性 切削溫度 刀具磨損的影響 冷卻液的影響 32 3 3 3切削溫度的測(cè)量 自然熱電偶法 工件和刀具材料不同 組成熱電偶兩極 切削時(shí)刀具與工件接觸處的高溫產(chǎn)生溫差電勢(shì) 通過(guò)電位差計(jì)測(cè)得切削區(qū)的平均溫度 利用紅外輻射原理 借助熱敏感元件 測(cè)量切削區(qū)溫度 可測(cè)量切削區(qū)側(cè)面溫度場(chǎng) 用不同材料 相互絕緣金屬絲作熱電偶兩極 圖3 22 可測(cè)量刀具或工件指定點(diǎn)溫度 可測(cè)最高溫度及溫度分布場(chǎng) 33 3 3 4磨削熱與磨削溫度 磨削熱 磨削區(qū)溫度 砂輪與工件接觸區(qū)的平均溫度 它與磨削燒傷 磨削裂紋密切相關(guān) 磨粒磨削點(diǎn)溫度 磨粒切削刃與磨屑接觸點(diǎn)溫度 是磨削區(qū)中溫度最高的部位 與磨粒磨損有直接關(guān)系 工件平均溫度 磨削熱傳入工件引起的溫升 影響工件的形狀與尺寸精度 磨削時(shí)去除單位體積材料所需能量為普通切削的10 30倍 砂輪線速度高 且為非良導(dǎo)熱體 磨削熱多 且大部分傳入工件 工件表面最高溫度可達(dá)1000 以上 34 第3章切削原理CuttingTheory 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 35 3 4 1積屑瘤 積屑瘤成因 一定溫度 壓力作用下 切屑底層與前刀面發(fā)生粘接 粘接金屬嚴(yán)重塑性變形 產(chǎn)生加工硬化 增大前角 保護(hù)刀刃 影響加工精度和表面粗糙度 滯留 粘接 長(zhǎng)大 36 3 4 2殘余應(yīng)力 殘余應(yīng)力概念 未施加任何外力作用情況下 材料內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力 殘余張應(yīng)力 易使加工表面產(chǎn)生裂紋 降低零件疲勞強(qiáng)度 殘余壓應(yīng)力 有利于提高零件疲勞強(qiáng)度 殘余應(yīng)力分布不均 會(huì)使工件發(fā)生變形 影響形狀和尺寸精度 37 3 4 2殘余應(yīng)力 熱塑變形效應(yīng) 表層張應(yīng)力 里層壓應(yīng)力 里層金屬?gòu)椥曰謴?fù) 若里層金屬產(chǎn)生壓縮變形 則彈性恢復(fù)后表層得到壓應(yīng)力 里層為張應(yīng)力 表層金屬相變 影響復(fù)雜 若切削區(qū)溫度超過(guò)相變溫度 則珠光體受熱轉(zhuǎn)變成奧氏體 冷卻后又轉(zhuǎn)變成馬氏體 體積膨脹 表層產(chǎn)生壓應(yīng)力 實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)是上述各因素影響的綜合結(jié)果 殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因 控制切削過(guò)程 盡可能減小殘余應(yīng)力 時(shí)效處理 最大限度減小殘余應(yīng)力 殘余壓應(yīng)力的利用 采用滾壓 噴丸等方法 38 3 4 3加工硬化 加工硬化概念 已加工表面表層金屬硬度高于里層金屬硬度的現(xiàn)象 加工表面嚴(yán)重變形層內(nèi)金屬晶格拉長(zhǎng) 擠緊 扭曲 碎裂 使表層組織硬化 硬化程度 3 13 式中H 硬化層顯微硬度 HV H0 基體層顯微硬度 HV 硬化層深度 指硬化層深入基體的距離 hd m 39 3 4 3加工硬化 減小切削變形 提高切速 加大前角 減小刃口半徑等 減小摩擦 如加大后角 提高刀具刃磨質(zhì)量等 進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?40 第3章切削原理CuttingTheory 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 41 3 5 1刀具磨損 刀具磨損形態(tài) 正常磨損 前刀面磨損 形式 月牙洼形成條件 加工塑性材料 v大 hD大影響 削弱刀刃強(qiáng)度 降低加工質(zhì)量 后刀面磨損 形式 后角 0的磨損面 參數(shù) VB VBmax 形成條件 加工塑性材料 v較小 hD較小 加工脆性材料影響 切削力 切削溫度 產(chǎn)生振動(dòng) 降低加工質(zhì)量 前 后刀面磨損 42 3 5 1刀具磨損 非正常磨損 破損 裂紋 崩刃 破碎等 卷刃 刀刃塑性變形 43 磨粒磨損 各種切速下均存在 低速情況下刀具磨損的主要原因 粘結(jié)磨損 冷焊 刀具材料與工件材料親和力大 刀具材料與工件材料硬度比小 中等偏低切速 粘結(jié)磨損加劇 擴(kuò)散磨損 高溫下發(fā)生 氧化磨損 高溫情況下 在切削刃工作邊界發(fā)生 3 5 1刀具磨損 刀具磨損原因 44 3 5 2刀具壽命 刀具壽命 耐用度 概念 刀具從切削開(kāi)始至磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的切削時(shí)間 用T表示 刀具總壽命 一把新刀從投入切削開(kāi)始至報(bào)廢為止的總切削時(shí)間 其間包括多次重磨 3 14 式中CT m n p為與工件 刀具材料等有關(guān)的常數(shù) 3 15 可見(jiàn)v的影響最顯著 f次之 ap影響最小 用硬質(zhì)合金刀具切削碳鋼 b 0 763GPa 時(shí) 有 45 3 5 2刀具壽命 不同刀具材料壽命 耐用度 比較 46 3 5 3刀具壽命確定 式中to tm ta tc分別為工序時(shí)間 基本時(shí)間 輔助時(shí)間和換刀時(shí)間 T為刀具壽命 令f ap為常數(shù) 有 使工序時(shí)間最短的刀具壽命 以車削為例 工序時(shí)間 將上式代入式 4 14 對(duì)T求導(dǎo) 并令其為0 可得到最大生產(chǎn)率刀具壽命為 3 16 3 17 又 47 3 18 式中C0 工序成本 Cm 機(jī)時(shí)費(fèi) Ct 刀具費(fèi)用 tm ta tc T 含義同前 使工序成本最小的刀具壽命 仍以車削為例 工序成本為 3 19 仍令f ap為常數(shù) 采用相同方法 可得到經(jīng)濟(jì)壽命為 圖3 28 3 5 3刀具壽命確定 48 規(guī)定刀具切削時(shí)間 離線檢測(cè) 3 5 4刀具磨損 破損檢測(cè)與監(jiān)控 通過(guò)切削力 切削功率 變化幅值 判斷刀具的磨損程度 當(dāng)切削力突然增大或突然下降很大幅值時(shí) 則表明刀具發(fā)生了破損通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定刀具磨損與破損的 閾值 切削加工時(shí) 切屑剝離 工件塑性變形 刀具與工件之間摩擦以及刀具破損等 都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射 正常切削時(shí) 聲發(fā)射信號(hào)小而連續(xù) 刀具嚴(yán)重磨損后聲發(fā)射信號(hào)會(huì)增大 而當(dāng)?shù)毒咂茡p時(shí)聲發(fā)射信號(hào)會(huì)突然增大許多 達(dá)到正常切削時(shí)的幾倍 49 3 5 4刀具磨損 破損檢測(cè)與監(jiān)控 50 第3章切削原理CuttingTheory 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 51 3 6 1選擇切削用量的傳統(tǒng)方法 1 確定切削深度ap 盡可能一次切除全部余量 余量過(guò)大時(shí)可分2次走刀 第一次走刀的切削深度取單邊余量的2 3 3 4 2 確定進(jìn)給量f 粗切時(shí)根據(jù)工藝系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度條件確定 計(jì)算或查表 精切時(shí)根據(jù)加工表面粗糙度要求確定 計(jì)算或查表 3 確定切削速度v 根據(jù)規(guī)定的刀具耐用度確定切削速度v 計(jì)算或查表 4 校驗(yàn)機(jī)床功率 僅對(duì)粗加工 3 20 式中P 機(jī)床電機(jī)功率 KW 機(jī)床傳動(dòng)效率 Fc 主切削力 N 由 可導(dǎo)出 52 優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型 求設(shè)計(jì)變量 X x1 x2 xn T 使目標(biāo)函數(shù)f X min 并滿足約束條件 gi X 0 i 1 2 m 3 6 2切削用量的優(yōu)化 設(shè)計(jì)變量 切削過(guò)程可以控制的輸入變量 即切削用量 ap通常已由工藝過(guò)程確定 故一般取v和f為設(shè)計(jì)變量 目標(biāo)函數(shù) 指優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系式 1 以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo) 使工序時(shí)間為最短 53 2 以最小生產(chǎn)成本為優(yōu)化目標(biāo) 使工序成本為最小 3 以最大利潤(rùn)為優(yōu)化目標(biāo) 使單位成本金屬去除率最大 3 6 2切削用量的優(yōu)化 54 約束條件 指設(shè)計(jì)變量的取值范圍 1 機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)限制 2 加工表面粗糙度限制 3 25 式中Ra 表面粗糙度 m r 刀尖圓弧半徑 mm 3 機(jī)床功率的限制 3 26 式中各符號(hào)含義同前 3 6 2切削用量的優(yōu)化 55 3 6 3切削用量?jī)?yōu)化方法 即函數(shù)求極值的方法 不能考慮約束條件 只適于處理簡(jiǎn)單問(wèn)題 3 27 可利用設(shè)置懲罰函數(shù) 將約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題處理 懲罰函數(shù)的表達(dá)式 56 尋優(yōu)過(guò)程示意圖 采用田川法 局部尋優(yōu) 3 6 3切削用量?jī)?yōu)化方法 57 第3章切削原理CuttingTheory 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 58 1931年德國(guó)切削物理學(xué)家C J Salomom在 高速切削原理 一文中給出了著名的 Salomom曲線 對(duì)應(yīng)于一定的工件材料存在一個(gè)臨界切削速度 此點(diǎn)切削溫度最高 超過(guò)該臨界值 切削速度增加 切削溫度反而下降 Salomom的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 引發(fā)了人們極大的興趣 并由此產(chǎn)生了 高速切削 HSC 的概念 尚無(wú)統(tǒng)一定義 一般認(rèn)為高速加工是指采用超硬材料的刀具 通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度 來(lái)提高材料切除率 加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù) 以切削速度和進(jìn)給速度界定 高速加工的切削速度和進(jìn)給速度為普通切削的5 10倍 以主軸轉(zhuǎn)速界定 高速加工的主軸轉(zhuǎn)速 10000r min 3 7 1高速加工概述 高速加工定義 59 3 7 1高速加工概述 60 高速加工的切削速度范圍 高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異 見(jiàn)圖3 32 車削 700 7000m min 銑削 300 6000m min 鉆削 200 1100m min 磨削 50 300m s 高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同 3 7 1高速加工概述 61 加工效率高 進(jìn)給率較常規(guī)切削提高5 10倍 材料去除率可提高3 6倍切削力小 較常規(guī)切削至少降低30 徑向力降低更明顯 有利于減小工件受力變形 適于加工薄壁件和細(xì)長(zhǎng)件切削熱小 加工過(guò)程迅速 95 以上切削熱被切屑帶走 工件積聚熱量極少 溫升低 適合于加工熔點(diǎn)低 易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件加工精度高 刀具激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)固有頻率 不易產(chǎn)生振動(dòng) 又切削力小 熱變形小 殘余應(yīng)力小 易于保證加工精度和表面質(zhì)量工序集約化 可獲得高的加工精度和低的表面粗糙度 并在一定條件下 可對(duì)硬表面進(jìn)行加工 從而可使工序集約化 這對(duì)于模具加工具有特別意義 高速加工的特點(diǎn) 3 7 1高速加工概述 62 航空航天 帶有大量薄壁 細(xì)筋的大型輕合金整體構(gòu)件加工 材料去除率達(dá)100 180cm3 min 鎳合金 鈦合金加工 切削速度達(dá)200 1000m min汽車工業(yè) 高速加工的應(yīng)用 3 7 1高速加工概述 63 3 7 1高速加工概述 64 3 7 1高速加工概述 65 3 7 1高速加工概述 66 高速加工雖具有眾多的優(yōu)點(diǎn) 但由于技術(shù)復(fù)雜 且對(duì)于相關(guān)技術(shù)要求較高 使其應(yīng)用受到限制 與高速加工密切相關(guān)的技術(shù)主要有 高速加工刀具與磨具制造技術(shù) 高速主軸單元制造技術(shù) 高速進(jìn)給單元制造技術(shù) 高速加工在線檢測(cè)與控制技術(shù) 其他 如高速加工毛坯制造技術(shù) 干切技術(shù) 高速加工的排屑技術(shù) 安全防護(hù)技術(shù)等 此外高速切削與磨削機(jī)理的研究 對(duì)于高速切削的發(fā)展也具有重要意義 3 7 1高速加工概述 67 3 7 2高速加工刀具 68 金剛石與CBN晶體結(jié)構(gòu)相似 每一個(gè)原子都以理想四面體方式以109 28 鍵角與鄰近4個(gè)原子結(jié)合 金剛石中的每個(gè)C原子都以共價(jià)鍵方式與鄰近4個(gè)C原子結(jié)合 CBN中每個(gè)N原子與4個(gè)B原子結(jié)合 每個(gè)B原子又與4個(gè)N原子結(jié)合 并存在少數(shù)離子鍵 3 7 2高速加工刀具 69 天然金剛石 天然金剛石是目前已知的最硬物質(zhì) 根據(jù)其質(zhì)量不同 硬度范圍為HV8000 12000 相對(duì)密度為3 48 3 56 天然金剛石是一種各向異性的單晶體 在晶體上取向不同 硬度及耐磨性也不相同 天然金剛石耐磨性極好 刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí) 刃口鋒利 切削刃鈍圓半徑可達(dá)0 01 m 天然金剛石耐熱性為700 800 高于此溫度 碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu) 硬度喪失 天然金剛石價(jià)格昂貴 刃磨困難 主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件 如激光反射鏡 感光鼓 多面鏡 磁盤等 3 7 2高速加工刀具 70 聚晶金剛石 人造金剛石是在高溫高壓條件下 借助于某些合金觸媒的作用 由石墨轉(zhuǎn)化而成 在高溫高壓下 金剛石粉經(jīng)二次壓制形成聚晶金剛石 20世紀(jì)60年代出現(xiàn) 聚晶金剛石不存在各向異性 硬度略低于天然金剛石 為HV6500 8000 聚晶金剛石價(jià)格便宜 焊接方便 可磨性好 應(yīng)用廣泛 可在大部分場(chǎng)合代替天然金剛石 用等離子CVD 化學(xué)氣相沉積 可將聚晶金剛石作成涂層 用途和聚晶金剛石刀具相同 金剛石刀具不適于加工鐵族材料 因?yàn)榻饎偸械奶荚嘏c鐵元素有很強(qiáng)的親和力 碳元素極易向含鐵的工件擴(kuò)散 使金剛石刀具很快磨損 3 7 2高速加工刀具 71 聚晶金剛石應(yīng)用實(shí)例 3 7 2高速加工刀具 72 較高的硬度和耐磨性 CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似 化學(xué)鍵類型相同 晶格常數(shù)相近 CBN粉末硬度HV8000 PCBN硬度3000 5000 切削耐磨材料時(shí) 其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的50倍 涂層硬質(zhì)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 PolycrystallineCubicBoronNitride 1970年問(wèn)世 高的熱穩(wěn)定性 熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于金剛石刀具 圖3 37 3 7 2高速加工刀具 73 良好的化學(xué)穩(wěn)定性1200 1300 與鐵系材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 2000 才與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 對(duì)各種材料粘結(jié) 擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小的多 化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石刀具 特別適合加工鋼鐵材料 良好的導(dǎo)熱性CBN導(dǎo)熱性僅次于金剛石 導(dǎo)熱系數(shù)為1300W m 是硬質(zhì)合金的20倍 陶瓷的37倍 且隨溫度升高而增加 這一特性使PCBN刀具刀尖處溫度降低 減少刀具磨損 提高加工精度 較低的摩擦系數(shù)CBN與不同材料間的摩擦系數(shù)為0 1 0 3 硬質(zhì)合金為0 4 0 6 且隨切削速度的提高而減小 這一特性使切削變形和切削力減小 加工表面質(zhì)量提高 3 7 2高速加工刀具 74 加工HRC45以上的硬質(zhì)材料例如各種淬硬鋼 工具鋼 合金鋼 模具鋼 軸承鋼等 鑄鐵 釩鈦鑄鐵 冷硬鑄鐵 高磷鑄鐵等 高溫合金 硬質(zhì)合金 粉末金屬表面噴涂 焊 材料等 PCBN刀具應(yīng)用 金屬軟化效應(yīng)用PCBN切削淬硬鋼 工件材料硬度 HRC50時(shí) 切削溫度隨材料硬度增加而增加 工件材料硬度 HRC50時(shí) 切削溫度隨材料硬度增加有下降趨勢(shì) 圖3 38 金屬軟化 硬度下降 加工易于進(jìn)行 3 7 2高速加工刀具 75 PCBN刀具應(yīng)用實(shí)例 3 7 2高速加工刀具 76 3 7 3高速加工機(jī)床 陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu) 77 采用C或B級(jí)精度角接觸球軸承 軸承布置與傳統(tǒng)磨床主軸結(jié)構(gòu)相類似 采用 小珠密球 結(jié)構(gòu) 滾珠材料Si3N4 與鋼球相比 陶瓷軸承的優(yōu)點(diǎn)是 陶瓷球密度減小60 從而可大大降低離心力 陶瓷彈性模量比鋼高50 使軸承具有更高剛度 陶瓷摩擦系數(shù)低 可減小軸承發(fā)熱 磨損和功率損失 陶瓷耐磨性好 軸承壽命長(zhǎng) 采用電動(dòng)主軸 電機(jī)與主軸作成一體 軸承轉(zhuǎn)速特征值 軸徑 m