第一講 切削加工概論

第一講切削加工概論第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日三大基礎要素分別構成了3大研究應用領域：刀具——切削機理、材料、結構及工藝性機床——結構、性能、工藝范圍工件——加工工藝、結構、性能工藝性第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日實際上，切削過程是一個很復雜的工藝過程，它不但涉及到彈性力學、塑性力學、斷裂力學，還有熱力學、摩擦學等。切削質量受到刀具形狀、切屑流動、溫度分布、熱流和刀具磨損等影響。切削表面的殘余應力和殘余應變嚴重影響了工件的精度和疲勞壽命。機械加工工藝系統(tǒng)定義：在機械加工中，由機床、刀具與被加工工件一起構成了一個實現某種加工方法的整體系統(tǒng)，這一系統(tǒng)稱為機械加工工藝系統(tǒng)。第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日相關的研究工作英國科學家奧克萊(K.P.Oakley)在《人—工具的制造者》一書中所指出的:“人類是隨著新的刀具材料的發(fā)明而逐漸進步的，人類的歷史由此可以劃分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代和鋼的時代”。切削的核心內容：生產效率和加工精度和質量。第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日切削加工技術發(fā)展史1、古代的切削加工人類對切削原理只有一些樸素的唯物辯證的認識.孔子《論語·衛(wèi)靈公》：工欲善其事，必先利其器。2、近代的切削加工自從切削加工技術發(fā)展到一定水平后，人們開始注意探討切削過程中的現象和規(guī)律，研究切削的理論，并用以指導生產.研究工作主要從19世紀，特別是從19世紀后期開始的.第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日最早研究金屬切削要數英國Rumtord，他于1789年研究過炮身加工時的切削熱和切削功。1851年，法國人考克夸爾哈（Cocquilhat）直接測量鉆削時切除單位體積金屬所需的功。1873年，德國人哈蒂格(HartigE)發(fā)表了切削功的表格。1870年俄國人基麥和1873年法國人特雷沙都曾解釋過切削形成過程。第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日1881年英國人馬洛克(MallockA)指出，切削過程基本上是在刀具推擠下使工件材料發(fā)生剪切而成為切屑的過程，還強調刀具前刀面上摩擦作用的重要性。他曾將切屑試樣經拋光、腐蝕進行觀察，還研究過潤滑劑的影響、刀刃鋒利性對切削過程的影響，以及切削過程中引起顫振的原因。1896年，俄國人布里克斯開始將塑性變形的概念引入金屬切削。至此，切屑形成才有了較完整的解釋。

第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日基麥對切削過程進行研究成果:1)認為韌性金屬的切削是擠壓過程;2)決定了擠裂角和收縮系數;3)提出了切屑的種類及切屑形成的4個階段;4)初步分析了切削力，但未考慮摩擦和塑性變形的影響.第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日1893年，俄國科學家慈伏雷金在切削力的主要問題上作了許多研究工作：1)制作了直接測定切削力的測力儀。2)在實驗基礎上，建立了切削力的雙因素公式為：式中P為切削力，b為切削寬度，a為切削厚度，k為常數.第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日現在，通過切削力實驗建立的車削力實驗公式，其一般形式為：第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日1902——1921年，烏沙喬夫進行了很多研究工作:(1)創(chuàng)造了用熱電偶測量切削溫度的方法;(2)用金相方法研究切削過程，發(fā)現了滑移面;(3)創(chuàng)造了圖解分析試驗結果，尋找切削規(guī)律的方法.第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日1918--1925年，俄國人契留斯金進一步建立了多因素的切削力公式為：式中Pz為主切削力，k為常數，δ為切削角，φ為主偏角，t為切削深度，s為進給量.第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日19世紀末到20世紀初美國工程師泰勒,對金屬切削加工技術主要貢獻:(1)研究了切削條件和刀具材料對刀具壽命的影響規(guī)律，確定經驗公式，從而優(yōu)選切削條件.式中:ν為切削速度，T為刀具壽命，A,m為與刀具材料、工件材料及切削條件有關的常數和指數.泰勒公式是金屬切削科學中最重要的經驗公式，至今還在應用.第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日(2）研究發(fā)現，刀具上的切削溫度控制著刀具磨損的速率.(3）1898年，泰勒和冶金學家懷特(whileW)成功研制了高速鋼，并作廣泛的、系統(tǒng)的切削實驗.高速鋼可用30m/min的速度切削鋼材，比原用的碳素工具鋼、合金工具鋼提高了好幾倍.高速鋼的問世，引起了金屬切削的重大變革，獲得了巨大的經濟效益.時光已經過去了一百多年，高速鋼W18Cr4V的化學成分仍然同泰勒、懷特當年規(guī)定的成分相近.第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日1923年，德國的施勒特爾往碳化鎢粉末中加進10%～20%的鈷做粘結劑，發(fā)明了碳化鎢和鈷的新合金，硬度僅次于金剛石，這是世界上人工制成的第一種硬質合金。用這種合金制成的刀具切削鋼材時，刀刃會很快磨損，甚至刃口崩裂。1929年美國的施瓦茨科夫在原有成分中加進了一定量的碳化鎢和碳化鈦的復式碳化物，改善了刀具切削鋼材的性能。這是硬質合金發(fā)展史上的又一成就。硬質合金具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度。硬質合金廣泛用作刀具材料，如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鏜刀等，用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材，也可以用來切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料。現在新型硬質合金刀具的切削速度等于碳素鋼的數百倍。第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日1969年瑞典研制成功了碳化鈦涂層刀具，刀具的基體是鎢鈦鈷硬質合金或鎢鈷硬質合金，表面碳化鈦涂層的厚度不過幾微米，但是與同牌號的合金刀具相比，使用壽命延長了3倍，切削速度提高25%～50%。20世紀70年代已出現第四代涂層工具，可用來切削很難加工的材料。第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日3、現代的切削加工高速切削(HSC)是近二十年來迅速崛起的一項先進制造技術，是現代切削加工技術的發(fā)展方向之一，具有廣闊的應用前景。高速切削時，切削力小，切削溫度低，加工精度高，表面質量好，可實現高切削效率和低加工成本，并目_可對難加工材料進行加工。但高速切削刀具磨損嚴重，壽命較短，這是阻礙高速切削進一步發(fā)展的主要因素。第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日被加工材料都有一個臨界切削速度V0，在切削速度達到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當切削速度達到普通切削速度的5～6倍時，切削刃口的溫度開始隨切削速度增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減小。1931年薩洛蒙博士發(fā)表了高速切削假設理論：（所羅門原理）

第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日切削塑性材料時，傳統(tǒng)的加工方式為“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但進給速度低，切削力大。實踐證明隨著切削速度的提高，切屑形態(tài)從帶狀、片狀到碎屑狀演化，所需單位切削力在初期呈上升趨勢，而后急劇下降，這說明高速切削比常規(guī)切削輕快，兩者的機理也不同。理想剪切模型第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日（1）高速切削加工理論研究和探索階段（1931～1971年）自20世紀30年代Salomon理論提出后，20多年沒有什么重要進展，直到50年代后期，高速切削加工的理論基礎研究在世界范圍內開始展開。美國、日本、法國、蘇聯、英國和澳大利亞等國才進行了一些高速切削的理論基礎研究。第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日由于當時還沒有高速加工的機床，不能進行很高速度的切削加工實驗，于是采用了彈射實驗方法。這些實驗有的是通過彈射快速滑動帶動的刀具經過工件進行切削加工，有的是彈射工件使它經過靜止的刀具切削刃進行切削。第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日美國洛克希德（Lockheed）飛機公司R.L.Vanghn研究小組于1958～1960年進行了高速切削加工的切削力、切削溫度、刀具磨損、切削振動和切屑形成機理等實驗研究。切削實驗的工件材料有AISI4340（40CrNiMoA）鋼、Ti-6Al-4A鈦合金、鎳基高溫合金和鋁合金等。刀具材料包括高速鋼、硬質合金與史特萊合金（Stellite），切削速度4570～73000m/min，切削深度0.127～1.10mm。第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日這些研究表明：高速切削加工時，切屑形狀與普通切削條件下不同，隨著切削速度提高，逐漸形成不連續(xù)的切屑，切屑是由于脆性斷裂而形成的。在低速切削時，切削力隨切削速度提高而增大，但當切削速度大到一定程度后，切削力會下降。第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日大量研究結果還表明：高速切削加工可以通過使用能承受工件材料熔點以上溫度的刀具材料來實現。提高切削速度可以改善加工表面質量。高速切削加工鋁合金是可行的，刀具磨損?。坏咚偾邢骷庸ISI4340鋼，刀具磨損嚴重。只要解決高速切削過程中嚴重的刀具磨損和機床振動，可以大大提高生產效率，顯著降低生產成本。第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日在此期間蘇聯、日本、法國等國的研究人員也相繼做了大量研究，主要包括切屑形成機理、切削力、加工表面質理、切削溫度和刀具磨損等，工件材料為鋁、黃銅、鋼和鑄鐵，刀具材料為高速鋼、陶瓷與硬質合金，切削速度1000～45000m/min。研究結果表明，高速切削加工所形成的切屑形狀、刀具磨損和加工表面質量有顯著特點，隨切削速度提高，剪切角增加，刀―屑接觸長度減少，切削力降低，改善切削加工性能和表面質理，但刀具磨損加速。在切削速度1000～10000m/min范圍內加工鋁、黃銅和軟鋼時沒有出現Salomon理論中的“死區(qū)”。但鋼件的高速切削加工比較困難，主要是當時沒有適合于高速切削加工鋼件的刀具材料。第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日（２）高速切削加工應用基礎研究探索階段（1972～1978年）美國洛克希德導彈與空間公司R.L.King研究小組對鋁合金和鎳鋁青銅合金進行了高速切削加工研究。主要探索高速切削加工用于實際生產的可行性。銑削實驗研究表明，高速切削加工可以大幅度降低加工時間，而且由于切削力減小，可以提高加工零件的精度。因此，在生產環(huán)境中應用高速切削加工是經濟可行的。第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日實驗條件的改善使得研究可以更加深入：該公司為高速切削加工實驗研究，改裝成功一臺數控銑削加工中心和一臺數控立式六角車床。前者主軸轉速可連續(xù)調整為18000r/min，30000r/min與100000r/min，工作臺進給速度為4.93m/min;后者附加有一個14.7kW（20HP）、轉速為6000r/min的銑頭，最高切削速度可達3660m/min。在這期間，美國還為該公司研制一臺帶磨頭附件的數控高速銑床，功率為18.4kW（25HP），其主軸轉速可在1800～18000r/min之間無級調速，進給速度達7.6m/min。采用新設計的噴霧系統(tǒng)冷卻主軸精密軸承。第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日在這一階段，還有美國、德國、澳大利亞和印度等國家的學者繼續(xù)研究用高速鋼、硬質合金刀具切削加工鋁合金和碳鋼的切屑形成機理、切削力和切削溫度等。1977年美國用切削速度高達1800m/min的銑床進行高速切削加工實驗研究，證實了彈射高速切削加工實驗的結果和理論分析結論。在這一期間的實驗研究還發(fā)現高速切削加工時產生的熱量大部分被切屑所帶走。第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日（3）高速切削加工應用研究階段（1979～1989年）1979年美國國防高級研究工程局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,DARPA）開始一項為期4年的現代加工技術研究計劃。該計劃對高速切削加工基礎理論、高速切削加工刀具技術、高速切削加工工藝、激光輔助加工以及經濟可行性等進行了全面系統(tǒng)的研究。第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日主要研究高速車削和銑削及其應用。工件材料包括鋼、鑄鐵及鋁、銅、鉛與其合金和鎳基合金等。刀具材料有碳素工具鋼、高速鋼、硬質合金、陶瓷刀具和立方氮化硼等。切削速度在改裝機床上達7600m/min和彈射裝置上達73000m/min第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日研究結果：隨切削速度提高，切削力降低，切削溫度升高至工件材料熔點而沒有出現降低情況，改善加工表面粗糙度但要注意加工中的振動；除加工鋁合金外，高速切削加工鋼、鐵及其合金、鎳基合金等，刀具均發(fā)生嚴重重損，壽命降低；Merchant剪切角方程可用于估算高速切削加工中切屑形成的剪切角。高速切削加工是經濟可行的。統(tǒng)一了在此前研究中主要爭論的問題。第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日1979～1983年在德國政府研究技術部（MinistryofResearchandTechnology）資助下，由Darmstadt工業(yè)大學生產工程與機床研究所（PTW）舒爾茨（SchulzH.）教授領導的研究組開展了一項合作研究，主要研究高速銑削加工過程的特點。1981年研制由磁懸浮軸承支持的高速電主軸系統(tǒng)，進行了高速銑削鋁合金實驗研究，并于1984～1988年間全面深入系統(tǒng)研究了高速銑削鐵族和非鐵族材料的基礎理論、高速切削刀具和機床技術、高速切削加工工藝和效率以及高速切削加工技術的實際應用，獲得許多有重要價值的成果。這一階段對高速切削加工理論和技術的卓有成效的研究為該項技術的發(fā)展和應用奠定了重要的基礎。第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日（4）高速切削加工技術發(fā)展和應用階段（1990年至21世紀初）高速切削加工技術經過半個多世紀的理論和應用研究與探索，人們清楚地認識到它在制造業(yè)的市場競爭日益劇烈中的巨大潛力。進入20世紀90年代以后，各工業(yè)發(fā)達國家陸續(xù)投入到高速切削加工技術的研究、開發(fā)與應用中來，尤其是高速切削機床和刀具技術的研究、開發(fā)，與之相關的技術也得到迅速發(fā)展。第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日1993年直線電機的出現拉開了高速進給的序幕。新型電主軸高速切削加工中心不斷投入到國際市場。高速切削刀具的材料、結構和可靠的刀具與主軸連接的刀柄的出現與使用，標志著高速切削加工技術已從理論研究進入工業(yè)應用階段。1999年機床最高主軸轉速8000～12000r/min2001普遍提高到15000～20000r/min?，F在加工中心主軸轉速一般為15000～30000r/min，快速進給速度為30～60m/min，換刀時間為3～5s。齒輪機床的主軸最高轉速也已提高到9000～12000r/min。目前已有主軸最高轉速達150000r/min，換刀時間為（0.7～1.5）s的加工中心。第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日最近十多年來，高速切削加工理論基礎研究進一步深入，取得新的進展，主要是鋸齒狀切屑的形成機理，高速切削加工鈦合金時的切屑形成機理，機床結構動態(tài)特性及切削顫振的避免，多種刀具材料加工不同工件材料時的刀具前刀面、后刀面和加工表面的溫度以及高速切削時切屑、刀具和工件切削熱量的分配，進一步證實大部分切削熱被切屑帶走。切削溫度的實驗研究表明：現有的刀具材料高速切削加工時，不論是連續(xù)或斷續(xù)切削均未出現Salomon理論中的“死區(qū)”。第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日現在在工業(yè)發(fā)達國家，高速切削加工技術已成為切削加工的主流日益廣泛地應用于模具、航空、航天、高速機車和汽車工業(yè)中。約有（30～50）%的模具公司，用高速切削加工技術，加工放電加工（EDM）電極、淬硬模具型腔等，加工效率高，質量好，減少了后續(xù)的手工打磨和拋光工序。第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日在航空與高速機車行業(yè)，飛機的骨架與機翼、高速機車的車廂骨架均為鋁合金整體薄壁構件，都需要切除大量的金屬，從毛坯開始的切除量甚至達到90%，采用高速切削加工技術，加工時間縮短到原來的幾分之一。汽車工業(yè)的發(fā)動機鋁合金和鑄鐵缸體，廣泛采用高速切削加工技術，大大地提高效率，降低成本。第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日目前生產中高速切削加工技術水平大致情況是：粗精加工鋁合金的切削速度為1000～4000m/min，最高達5000～7500m/min，主要受限于機床主軸最高轉速和功率。鑄鐵可高速精和半精加工，速度為500～1500m/min，精銑灰鑄鐵最高可達2000m/min；鋼可用300～800m/min的速度高速精加工；淬硬鋼（HRC45-65）高速精加工，切削速度為100～500m/min；鋼鐵及其合金的最高切削速度主要受刀具壽命限制。鋁合金鉆孔速度為200～300m/min；模數1.5的鋼齒輪的滾齒加工速度可達300～600m/min；可鍛鑄鐵螺紋(M14×1.5)的攻絲速度為60m/min。第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日國內高速切削加工的研究和應用我國高速切削加工技術研究起步較晚.20世紀80年代，山東大學切削加工研究組結合陶瓷刀具材料的研究，比較系統(tǒng)地研究了Al2O3基陶瓷高速硬切削（車和端銑）的切削力、切削溫度、刀具磨損和破損、加工表面質量以及刀具幾何形狀等，工件材料包括45鋼、T10A鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼、滲碳淬硬齒輪鋼等，硬度HRC（50~65），切削速度為100~500m/min，建立了有關切削力、切削溫度模型、刀具磨損與破損理論、加工表面質量變化規(guī)律等。該研究成果1986年在生產中推廣應用至今。第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日20世紀90年代后，先后相繼研究了模具高速切削加工技術與策略、涂層刀具、PCBN（立方氮化硼CubicBoronNitride)刀具和陶瓷刀具高速切削鑄鐵和鋼的切削力、刀具磨損壽命、加工表面粗糙度等。其他研究院所第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日沈陽工業(yè)學院和重慶大學研究了高速切削機理；天津大學和大連理工大學研究了高速硬切削機理；上海交通大學與有關工廠研究了鈦合金高速銑削工藝、薄壁件高速銑削精度控制、鋁合金高速銑削表面的溫度動態(tài)變化規(guī)律；廣東工業(yè)大學研究了高速主軸系統(tǒng)和快速進給系統(tǒng)；東北大學研究了高速磨削技術；成都工具研究所研究了高速切削刀具的發(fā)展和產業(yè)化，沈陽理工大學（原為沈陽工業(yè)學院）研制成功了高速立式銑床和高速鋸床，并在其上做了很多試驗。第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日我國高速切削的水平“九五”期間我國高速、高效、高精度數控機床技術指標有了大幅度的提高，加工中心主軸轉速普遍提高到8000r/min，最高可達12000r/min，數控車床提高到4000~6000min，快速進給速度提高到30m/min，最高達40m/min，加工中心換刀時間減少到1.5~3s。目前主要差距在于機床關鍵功能部件的研究開發(fā)落后于市場需求，如轉速20000r/min以上的大功率剛性主軸、無刷環(huán)形扭矩電機、大行程直線電機、快速響應數控系統(tǒng)等技術尚未掌握。各工業(yè)部門所需的高速加工中心基本上還是依賴進口，并已從國外引進了相當數量的高速加工中心。第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日我國高速切削加工技術最早應用于轎車工業(yè)，20世紀80年代后期，相繼從德國、美國、法國、日本等國引進了多條具有先進水平的轎車數控自動化生產線，如從德國引進的具有90年代中期水平的一汽大眾捷達轎車和上海大眾桑塔納轎車自動生產線，其中大量應用了高速切削加工技術。生產線所用刀具材料以超硬刀具為主，依靠進口。第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日采用聚晶立方氮化硼（PCBN）、Si3N4基陶瓷、金屬陶瓷、TiCN涂層刀具加工高強度鑄鐵件，銑削速度達2200m/min；采用聚晶金剛石（PCD）、超細硬質合金刀具加工硅鋁合金鑄件，銑削速度達2200m/min，鉆、鉸削速度達80~240m/min；采用Si3N4基陶瓷、金屬陶瓷、TiCN涂層刀具加工精鍛結構鋼件，車削速度達200m/min；采用Co粉末冶金高速鋼（表面TiCN涂層）整體拉刀、滾刀、剃齒刀以及硬質合金機夾專用拉刀加工各種精鍛鋼件、鑄鐵件、拉削速度達10~25m/min，滾齒速度達110m/min，剃齒速度達170m/min。大大提高了生產效率和加工精度。第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日近年來，我國航天、航空、汽輪機、模具等制造待業(yè)引進了大量加工中心和數控鏜銑床，都不同程度地開始推廣應用高速切削加工技術，其中模具行業(yè)應用較多。例如上海某模具廠，高速銑削高精度鋁合金模具型腔，半精銑采用主軸轉速18000r/min，切削深度2mm，進給速度5m/min；精銑采用20000r/min，切削深度0.2mm，進給速度8m/min，加工周期為6h，質量完全滿足客戶要求。原制造工藝包括手工鏟刮和手工拋光，制造周期60h，仍無法滿足客戶要求。該廠在輪胎模具的加工中，需要加工一種型芯，工件材料為可加工塑料，外形類似于一個汽車輪胎，上面刻滿了各種輪胎花紋。傳統(tǒng)方法加工時，需經歷十幾道工序，全部用手工完成，一般的輪胎花紋加工，需14天左右，而對復雜的輪胎花紋，需加工20天以上，質量仍無法達到設計要求?，F采用高速銑削加工，主軸轉速為18000r/min，切削深度2mm，進給速度10m/min，加工時間24h，型芯質量滿足加工要求。第四十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日我國高速切削刀具材料也有了很大的發(fā)展，但還沒有形成自己特色的高速切削刀具制造體系。雖然在我國，高速切削加工技術的研究和應用仍處于初步階段，正在發(fā)展和推廣之中，但作為面向21世紀的一種先進制造技術，有著非常強大的生命力和廣闊的應用前景。第四十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日高速切削機理的研究狀況對