第三章 切削與磨削原理

第三章切削與磨削原理1第一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四第3章切削原理CuttingTheory機械制造工程學(xué)

3.1

切削過程CuttingProcess2第二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.1.1切屑的形成過程

直角切削沒有副刃參加切削，且λs

=0°。圖3-1直角、斜角自由切削與不自由切削a）直角切削b）斜角切削c）不自由切削3第三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

切屑的形成與切離過程，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程。FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削正擠壓：金屬材料受擠壓時，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，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→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)到斷裂強度→切屑與母體脫離。圖3-2金屬擠壓與切削比較3.1.1切屑的形成過程

擠壓與切削4第四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四圖3-3切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角3.1.1切屑的形成過程

金屬切削變形過程5第五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.1.1切屑的形成過程

金屬切削變形過程圖3-4切削變形實驗設(shè)備與錄像裝置6第六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

第Ⅰ變形區(qū)：即剪切變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。圖3-5切削部位三個變形區(qū)ⅠⅢⅡ

第Ⅲ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切屑的形成過程

三個變形區(qū)分析

第Ⅱ變形區(qū)：靠近前刀面處，切屑排出時受前刀面擠壓與摩擦。此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。7第七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長度縮小，寬度基本不變?？捎闷浔硎厩邢鲗幼兊淖冃纬潭取chhDhch3.1.2切屑變形程度的表示方法

LD圖3-6切屑與切削層尺寸◆厚度變形系數(shù)（3-1）◆長度變形系數(shù)（3-2）變形系數(shù)8第八頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.1.2切屑變形程度的表示方法當(dāng)γ0=0～30°，Λh

≥1.5時，Λh與ε相近ε主要反映第Ⅰ變形區(qū)的變形，Λh還包含了第Ⅱ變形區(qū)的影響。ΔyΔsOMφγ0圖3-7相對滑移系數(shù)（3-3）相對滑移系數(shù)9第九頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

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)生相對滑移，其間的摩擦屬于內(nèi)摩擦。3.1.3前刀面上切－屑的摩擦與積屑瘤

圖3-8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。

滑動區(qū)：切屑在脫離前刀面之前，與前刀面只在一些突出點接觸，切屑與前刀面之間的摩擦屬于外摩擦。lfolfi特點兩個摩擦區(qū)10第十頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四積屑瘤

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，保護刀刃◆

影響加工精度和表面粗糙度滯留—粘接—長大積屑瘤形成過程積屑瘤影響切屑刀具圖3-9積屑瘤積屑瘤RealReal11第十一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四已加工表面的變形

σn切削刃存在刃口圓弧，導(dǎo)致擠壓和摩擦，產(chǎn)生第Ⅲ變形區(qū)。A點以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A點以下部分受擠壓和摩擦留在加工表面上，并有彈性恢復(fù)。hDΔhDΔhACFE圖3-10已加工表面變形A點前方正應(yīng)力最大，剪應(yīng)力為0。A點兩側(cè)正應(yīng)力逐漸減小，剪應(yīng)力逐漸增大，繼而減小。變形原因變形情況應(yīng)力分布ττ12第十二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.1.4影響切削變形的因素切削速度進給量：進給量f越大，hD增大，摩擦系數(shù)減小，剪切角φ加大，變形系數(shù)Λh越小。

背吃刀量：背吃刀量ap對變形系數(shù)Λh基本無影響。工件材料刀具幾何參數(shù)切削用量（無積屑瘤的情況、有積屑瘤的情況）材料強度和硬度越大，變形系數(shù)h越小，即切屑變形越小。影響最大的是前角。刀具前角γo越大，剪切角φ變大，變形系數(shù)h就越小13第十三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.1.5切屑類型及切屑控制

形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達(dá)到斷裂程度局部剪切應(yīng)力達(dá)到斷裂強度剪切應(yīng)力完全達(dá)到斷裂強度未經(jīng)塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進給量較小，刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進給量較大，刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料，刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小，妨礙切削工作，應(yīng)設(shè)法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動大，有沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑表3-1切屑類型及形成條件14第十四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.1.5切屑類型及切屑控制切屑類型帶狀切屑Real粒狀切屑Real節(jié)狀切屑Real崩碎切屑Real圖3-11切屑形態(tài)照片15第十五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.1.5切屑類型及切屑控制切屑控制為使切削過程正常進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)過卷屑槽使之產(chǎn)生附加變形的結(jié)果（圖3-12）圖3-12切屑的卷曲圖3-13斷屑的產(chǎn)生斷屑是對已變形的切屑再附加一次變形（常需有斷屑裝置，圖3-13）

16第十六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

3.1.6硬脆非金屬材料切屑形成機理G＞GC

（3-4）式中G——裂紋擴展單位長度時釋放的能量（應(yīng)變能釋放率）；

GC

——裂紋擴展單位長度時所需的能量（裂紋擴展阻力）。K1＞K1C

（3-5）式中K1——應(yīng)力強度因子；

K1C

——K1臨界值。脆性斷裂條件對于Ⅰ型（張開型）裂紋，在平面應(yīng)變條件下，脆性斷裂條件為：17第十七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

3.1.5硬脆非金屬材料切屑形成機理脆性材料切削過程◆大規(guī)模擠裂與小規(guī)模擠裂交替進行（圖3-14）a）b）c）d）e）圖3-14硬脆材料切削過程a）大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除）b）空切c）小規(guī)模擠裂（小塊破碎切除）d）小規(guī)模擠裂（次小塊破碎切除）e）重復(fù)大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除）flashflash18第十八頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.2

切削力CuttingForce19第十九頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv圖3-15切削力的分解3.2.1切削力的來源與分解

切削力來源★3個變形區(qū)產(chǎn)生的彈、塑性變形抗力★

切屑、工件與刀具間摩擦力F切削合力Fc切削力Fp背向力Ff進給力切削力分解20第二十頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.2.2切削力經(jīng)驗公式

切削力經(jīng)驗公式（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對切削力影響指數(shù)；

yFc,yFp,yFf

——進給量f對切削力影響指數(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)。21第二十一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.2.2切削力經(jīng)驗公式

（3-7）單位切削力

切除單位切削層面積的主切削力（令修正系數(shù)KFc

=1）式中

Fc

——主切削力（N）；

v

——主運動速度（m/s）。（3-8）切削功率22第二十二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.2.2切削力經(jīng)驗公式

機床電機功率單位切削功率式中η

——機床傳動效率，通常η=0.75～0.85（3-10）（3-9）指單位時間切除單位體積V0材料所消耗的功率23第二十三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.2.3影響切削力因素

工件材料◆切削深度與切削力近似成正比；◆進給量增加，切削力增加，但不成正比；◆切削速度對切削力影響復(fù)雜（圖3-16）

強度高加工硬化傾向大切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fc（N）圖3-16切削速度對切削力的影響切削用量24第二十四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四4.2.3影響切削力因素

◆前角γ0

增大，切削力減?。▓D3-17）◆主偏角κr

對主切削力影響不大，對背向力和進給力影響顯著（κr

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑，圖3-18）圖3-17前角對γ0切削力的影響前角γ0切削力Fγ0-Fcγ0–Fpγ0–Ff圖3-18主偏角κr對切削力的影響主偏角κr/°切削力/N3045607590κr

-Fcκr

–Ffκr

–Fp2006001000140018002200刀具幾何角度影響25第二十五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四4.2.3影響切削力因素

刀具幾何角度影響◆與主偏角相似，刃傾角λs對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（λs

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑）◆

刀尖圓弧半徑rε

對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（rε

↑——Fp↑，F(xiàn)f↓）；其他因素影響◆

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：有潤滑作用，使切削力降低；◆

后刀面磨損：使切削力增大，對吃刀抗力Fp的影響最為顯著；26第二十六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.3

切削熱與切削溫度CuttingHeatandCuttingTemperature27第二十七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.3.1切削熱的來源與傳出

切削熱來源★切削過程變形和摩擦所消耗功，絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠崆邢鳠嵊汕行?、工件、刀具和周圍介質(zhì)（切削液、空氣)等傳散出去工件切屑刀具圖3-19切削熱的來源與傳出切削熱傳出★主要來源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28第二十八頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.3.2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?！?/p>

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖處溫度最高。750℃刀具圖3-20二維切削中的溫度分布工件材料：低碳易切鋼；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，

vc

=0.38m/s；切削條件：干切削，預(yù)熱611C29第二十九頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.3.3影響切削溫度的因素

切削用量的影響式中θ——用自然熱電偶法測出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度(C)；

Cθ——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)；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指數(shù)。

經(jīng)驗公式（3-12）刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速鋼車削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2切削溫度的系數(shù)及指數(shù)30第三十頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.3.3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切削溫度影響很小

工件材料的影響工件材料機械性能↑→切削溫度↑工件材料導(dǎo)熱性↑→切削溫度↓vc（m/min）圖3-21切削速度、工件材料對切削溫度的影響1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45鋼(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數(shù)：o=15，o=6~8，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/rθ（℃）103050709011013040060080010001243

刀具磨損的影響

冷卻液的影響31第三十一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.3.3切削溫度的測量

自然熱電偶法工件和刀具材料不同，組成熱電偶兩極，切削時刀具與工件接觸處的高溫產(chǎn)生溫差電勢，通過電位差計測得切削區(qū)的平均溫度。利用紅外輻射原理，借助熱敏感元件，測量切削區(qū)溫度?？蓽y量切削區(qū)側(cè)面溫度場?！镉貌煌牧?、相互絕緣金屬絲作熱電偶兩極（圖3-22）。mV圖3-22人工熱電偶工件刀具金屬絲小孔★

可測量刀具或工件指定點溫度，可測最高溫度及溫度分布場。人工熱電偶法紅外測溫法32第三十二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.4

刀具磨損、破損與使用壽命CutterWearandIt’sLife33第三十三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.4.1刀具的磨損刀具磨損形態(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?。患庸ご嘈圆牧嫌绊懀呵邢髁Α?切削溫度↑,產(chǎn)生振動，降低加工質(zhì)量VBVBmaxa)

KTKBb)圖3-25刀具磨損形態(tài)前、后刀面磨損34第三十四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.4.1刀具的磨損◆非正常磨損破損（裂紋、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性變形）圖3-26刀具磨損過程初期磨損后刀面磨損量VB正常磨損急劇磨損切削時間刀具磨損過程3個階段（圖3-26）常取后刀面最大允許磨損量VB磨鈍標(biāo)準(zhǔn)35第三十五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四◆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3.4.1刀具磨損

刀具磨損原因36第三十六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.4.2刀具壽命

刀具壽命（耐用度）概念◆刀具從切削開始至磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的切削時間，用T表示?！舻毒呖倝勖话研碌稄耐度肭邢鏖_始至報廢為止的總切削時間，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（σb=0.763GPa）時，有：刀具壽命（耐用度）經(jīng)驗公式37第三十七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.4.2刀具壽命

圖3-27不同刀具材料的耐用度比較硬質(zhì)合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速鋼刀具耐用度T（min）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料壽命（耐用度）比較38第三十八頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.4.3刀具壽命確定

式中to、tm

、ta

、tc分別為工序時間、基本時間、輔助時間和換刀時間；T為刀具壽命。令f，ap為常數(shù)，有：使工序時間最短的刀具壽命。以車削為例，工序時間：將上式代入式（4-14），對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：最大生產(chǎn)率壽命39第三十九頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四（3-18）式中C0——工序成本；

Cm

——機時費；

Ct——刀具費用；

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)濟壽命為（圖3-28）tmCm刀具費用taCmC0刀具耐用度Top成本圖3-28經(jīng)濟壽命經(jīng)濟壽命3.4.3刀具壽命確定

40第四十頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.4.4刀具破損燒刃（相變磨損）

卷刃折斷工具鋼和高速鋼刀具的破損形式崩刃折斷剝落熱裂硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具的破損形式41第四十一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四規(guī)定刀具切削時間，離線檢測常規(guī)方法3.4.5刀具磨損、破損檢測與監(jiān)控

通過切削力（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，則表明刀具發(fā)生了破損通過實驗確定刀具磨損與破損的“閾值”切削力與切削功率檢測方法切削加工時，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，都會產(chǎn)生聲發(fā)射。正常切削時，聲發(fā)射信號小而連續(xù)，刀具嚴(yán)重磨損后聲發(fā)射信號會增大，而當(dāng)?shù)毒咂茡p時聲發(fā)射信號會突然增大許多，達(dá)到正常切削時的幾倍聲發(fā)射檢測方法42第四十二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.4.5刀具磨損、破損檢測與監(jiān)控

鉆頭破損檢測器圖3-29聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖交換機床控制器工件折斷工作臺聲發(fā)射傳感器破損信號flash43第四十三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.5

金屬切削條件的合理選擇DeterminetheCuttingParameters44第四十四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.5.1工件材料的切削加工性

工件材料的切削加工性是指材料在一定條件下被切削加工成合格零件的難易程度。材料切削加工性的概念考慮生產(chǎn)率和耐用度的表示方法1）一定生產(chǎn)率條件下，加工這種材料時刀具耐用度；2）一定刀具耐用度前提下，加工這種材料所允許的切削速度；3）相同的切削條件下，刀具達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時所能切除工件材料的體積。考慮已加工表面質(zhì)量的表示方法考慮切削力或切削功率的表示方法考慮是否易于斷屑的表示方法材料切削加工性的不同表示方法45第四十五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四材料切削加工性的概念材料切削加工性指標(biāo)通常用vT表示，vT是指耐用度為T秒（或分）時，切削某種材料所允許的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。通常取T＝3600秒（60分），vT寫作v3600（v60）；對于一些特別難加工的材料，也可取T＝1800秒（30分），vT寫作v1800（v30）。如果以45鋼的v3600（v60）作為基準(zhǔn)，寫作（v3600）j

；而把其它各種材料的v3600（v60）同它相比，這個比值Kr稱為材料的相對加工性。即：（3-20）3.5.1工件材料的切削加工性

46第四十六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四加工性等級表3-12材料相對加工性等級材料名稱及種類相對加工性Kr代表性材料1很易切削材料一般有色金屬＞3.0銅鋁合金，鋁銅合金，鋁鎂合金2容易切削材料易切削鋼2.5～3退火l5Cr，σb＝0.373～o.441GPa自動機鋼，σb＝0.393～0.491GPa3較易切削鋼1.6～2.5正火30鋼，σb＝0.441～0.549GPa4普通材料一般鋼、鑄鐵1.0～1.645鋼，灰鑄鐵5稍難切削材料0.65～1.02Crl3，調(diào)質(zhì)σb＝0.834GPa85，鋼σb＝0.883GPa6難加工材料較難切削材料0.5～0.6545Cr，調(diào)質(zhì)σb＝1.03GPa65Mn，調(diào)質(zhì)σb＝0.932～0.9817難切削材料0.15～0.550CrV,調(diào)質(zhì)；1Crl8Ni9Ti,鈦合金8很難切削材料＜0.15某些鈦合金，鑄造鎳基高溫合金3.5.1工件材料的切削加工性

47第四十七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.5.1工件材料的切削加工性

工件材料韌性對切削加工性的影響材料力學(xué)性能對切削加工性的影響◆工件材料硬度的影響1）工件材料常溫硬度對切削加工性影響：工件材料硬度越高，切削力越大，切削溫度越高，刀具磨損越快。2）工件材料高溫硬度的影響：工件材料高溫硬度越高，加工性越差。這是因為切削溫度對切削過程的有利影響（軟化）對高溫硬度高的材料不起作用。3）金屬材料中硬質(zhì)點對加工性的影響：金屬中硬質(zhì)點越多，形狀越尖銳、分布越廣，則材料的加工性越差。4）材料的加工硬化對切削加工性的影響：加工硬化性越嚴(yán)重，切削加工性越差。48第四十八頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四材料性能對切削加工性影響工件材料韌性對切削加工性的影響強度越高的材料，產(chǎn)生的切削力越大，切削時消耗的功率越多，切削溫度亦越高，刀具容易磨損。因此，在一般情況下，加工性隨工件材料強度提高而降低。◆

工件材料強度的影響◆工件材料塑性的影響材料塑性大，切削加工性差：①切削力大；②刀具容易產(chǎn)生粘結(jié)和擴散磨損；③低速切削時易出現(xiàn)刀瘤與鱗刺；④斷屑困難。但材料塑性太小時，切屑與前刀面的接觸變得很短，切削力、切削熱集中在切削刃附近，使刀具磨損嚴(yán)重，故切削性也差。49第四十九頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四工件材料韌性對切削加工性的影響◆工件材料韌性的影響韌性大的材料，切削加工性較差：在斷裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且斷屑困難?！艄ぜ牧蠌椥阅Ａ康挠绊懖牧系膹椥阅Ａ縀是衡量材料剛度（抵抗彈性變形的性能）的指標(biāo)，E值越大，材料剛度越大，切削加工性越差。★材料的切削加工性是上述這些機械性能（硬度、強度、塑性、韌性、彈性模量等）綜合影響的結(jié)果。100圖3-30碳鋼硬度與可切削性的關(guān)系0100200300400500255075可切削性布氏硬度（HB）材料性能對切削加工性影響

50第五十頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四工件材料韌性對切削加工性的影響材料物理化學(xué)性能對切削加工性的影響如鎂合金易燃燒，鈦合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削進行。◆工件材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響工件材料導(dǎo)熱系數(shù)低，切削溫度高，刀具易磨損，切削加工性差。金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大小順序：純金屬、有色金屬、碳結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵、低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、耐熱鋼、不銹鋼。◆工件材料物理化學(xué)反應(yīng)的影響材料性能對切削加工性影響51第五十一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四常用金屬材料的切削加工性表3-13工件材料加工性分級表切削加工易切削較易切削較難切圍難切削等級代號01234567899a9b硬度HB≤50＞50～100＞100～150＞150～200＞200～250＞250～300＞300～350＞350～400＞400～480＞480～635＞635

HRC

＞14～24.8＞24.8～32.3＞32.3～38.1＞38.1～43＞43～50＞50～60＞60

抗拉強度Σb（GPa）≤0.196＞0.196～0.441＞0.441～0.588＞0.588～0.784＞0.784～0.98＞0.98～1.176＞1.176～1.372＞1.372～l.568＞1.658～1.764＞1.764～1.96＞1.96～2.45＞2.45延伸率δ(％)≤10＞10～15＞15～20＞20～25＞25～30＞30～35＞35～40＞40～50＞50～60＞60～100＞100

沖擊值αk(kJ/m2)≤196＞196～392＞392～588＞588～784＞784～980＞980～1372＞1372～1764＞1764～1962＞1962～2450＞2450～2940＞2940～3920

導(dǎo)熱系數(shù)k(W/m·K)418.68～293.08＜293.08～167.47＜167.47～83.74＜83.47～62.80＜62.80～41.87＜41.87～33.5＜33.5～25.12＜25.12～16.75＜16.75～8.37＜8.37

52第五十二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四常用金屬材料的切削加工性◆有色金屬有色金屬（如鋁及鋁合金，銅及銅合金等）通常屬于易切削材料。◆鑄鐵鑄鐵的加工性一般較碳鋼好。比較各種鑄鐵加工性的好壞，主要取決于石墨的存在形式、基體組織狀態(tài)、金屬組織成分和熱處理的影響。例如：灰鑄鐵，可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵中，石墨分別呈片狀、團絮狀和球狀，因此它們的強度依次提高，加工性隨之變差。，常用金屬材料的切削加工性53第五十三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四常用金屬材料的切削加工性◆碳素鋼普通碳素鋼的切削加工性主要取決于鋼中碳的含量。低碳鋼硬度低、塑性和韌性高，切削變形大，切削溫度高，斷屑困難，故加工性較差。高碳鋼的硬度高、塑性低、導(dǎo)熱性差，故切削力大，切削溫度高，刀具耐用度低，加工性也差。相對而言，中碳鋼的切削加工性較好。，在碳素鋼中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使鋼的機械性能提高，但加工性也隨著變差?！艉辖鸸ぞ咪摮Ｓ媒饘俨牧系那邢骷庸ば?4第五十四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四難切削材料，表3-14難切削金屬材料的切削加工性比較（惡化順序1→2→3→4）影響切削加工性的因素難切削金屬材料（淬火或析出硬化狀態(tài)）高錳鋼高強度鋼不銹鋼高溫合金低合金高合金馬氏體時效鋼沉淀硬化型奧氏體型馬氏體型索氏體型鐵基鎳基鈷基鈦合金硬度1～23～42～341～31～22～3122～322高溫強度11221l～2112～3332微觀硬質(zhì)點1～212～3111112～3321與刀具親和性111112222334導(dǎo)熱性422233223～43～444加工硬化性4221232133～432粘附件21111～231133～421相對切削加工性0.2～0.40.2～0.50.2～0.450.1～0.250.3～0.40.5～0.60.5～0.70.6～0.80.15～0.30.8～0.20.05～0.150.25～0.3855第五十五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四刀具幾何參數(shù)◆刀具角度參數(shù)，

各參數(shù)之間存在著相互依賴、相互制約的作用，因此應(yīng)綜合考慮各種參數(shù)以便進行合理的選擇。◆刀具刃型尺寸參數(shù)3.5.2刀具幾何參數(shù)的合理選擇56第五十六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四前角的選擇

增大前角，可減少切削變形，從而減少切削力、切削熱和切削功率，提高刀具的使用壽命。

但增大前角，會使切削刃強度降低，容易造成崩刃，另一方面使散熱情況變壞，致使切削溫度增高，刀具使用壽命下降。

因此，在一定切削條件下，存在一個合理前角γopt。

57第五十七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四選擇合理刀具前角可遵循下面幾條原則

前角的選擇

根據(jù)工件材料的種類和性質(zhì)選擇前角

加工塑性材料(如鋼)，應(yīng)選較大的前角；加工脆性材料(如鑄鐵)，應(yīng)選較小前角。工件材料的強度和硬度大時，切削力大，溫度較高，宜選較小前角；反之，強度和硬度小時，選較大前角。

根據(jù)刀具材料的種類和性質(zhì)選擇前角

刀具材料的強度及韌性較高時(如高速鋼)，可選較大前角；反之，強度及韌性較低(如硬質(zhì)合金﹑陶瓷)時，可選較小前角。

選擇前角還要考慮一些具體加工條件

1）粗加工，特別是斷續(xù)切削，有沖擊載荷時，為增強刀具強度，宜選較小前角。

2）精加工或工藝系統(tǒng)剛性差，機床動力不足，應(yīng)選較大前角。

成形刀具，數(shù)控機床和自動線刀具，為增加工作穩(wěn)定性和刀具使用壽命應(yīng)選較小前角

58第五十八頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四對于后角的合理選擇，一般應(yīng)遵循下列幾條原則

后角的選擇

當(dāng)需要提高刀具強度時，應(yīng)適當(dāng)減少后角。如刀具前角采用了較大負(fù)前角時，不宜減少后角，以保證切削刃具有良好的切人條件。當(dāng)需優(yōu)先考慮加工尺寸要求時，宜減少后角，以減小NB值。如需優(yōu)先考慮加工表面質(zhì)量(如表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度等)要求時，則宜加大后角，以減輕刀具與工件之間的摩擦

59第五十九頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四合理選擇主偏角的原則

主偏角的選擇

主要看工藝系統(tǒng)的剛性如何。系統(tǒng)剛性好，不易產(chǎn)生變形和振動，則主偏角可取小值；若系統(tǒng)剛性差（如切削細(xì)長軸），則宜取大值。60第六十頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四副偏角越小，切削刃痕的理論殘留面積的高度也越小，可以有效地減少已加工表面的粗糙度。同時，還加強了刀尖強度，改善了散熱條件。副偏角的選擇

但副偏角過小會增加副切削刃的工作長度，增大副后刀面與已加工表面的摩擦，易引起系統(tǒng)振動，反而增大表面粗糙度。61第六十一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四影響切削刃的鋒利性

刃傾角的選擇影響切屑流出方向但副偏角影響切削力的大小和方向影響刀頭強度和散熱條件負(fù)值時，切屑流向已加工表面，易劃傷已加工表面；正值時，切屑流向待加工表面。62第六十二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四根據(jù)刀具的復(fù)雜程度、制造和磨刀成本的高低來選擇。影響切削刃的鋒利性

3.5.3刀具使用壽命的選擇精加工大型工件時，為避免切削同一表面時中途換刀，刀具使用壽命應(yīng)規(guī)定至少能完成一次走刀。

多刀機床上的車刀、組合機床上的鉆頭、絲錐、銑刀以及數(shù)控機床上的刀具，刀具使用壽命應(yīng)選得高些。

63第六十三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.5.4切削用量的選擇

1.確定切削深度ap盡可能一次切除全部余量，余量過大時可分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.確定進給量

f◆

粗切時根據(jù)工藝系統(tǒng)強度和剛度條件確定（計算或查表）◆

精切時根據(jù)加工表面粗糙度要求確定（計算或查表）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（計算或查表）4.校驗機床功率(僅對粗加工)

（3-20）式中P——機床電機功率（KW）；

η——機床傳動效率；

Fc

——主切削力（N）。由：，可導(dǎo)出：64第六十四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四切削用量的選擇原則

在保證加工質(zhì)量，降低成本和提高生產(chǎn)效率的前提下，使ap、f、vc的乘積最大。當(dāng)ap、f、vc的乘積最大時，工序的切削時間最短。

應(yīng)盡可能選擇較大的ap，其次按工藝裝備與技術(shù)條件的允許選擇最大的f，最后再根據(jù)刀具使用壽命確定vc，這樣可在保證一定刀具使用壽命的前提下，使ap、f、vc的乘積最大。

65第六十五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型求設(shè)計變量：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）切削用量的優(yōu)化

◆設(shè)計變量：切削過程可以控制的輸入變量，即切削用量。ap通常已由工藝過程確定，故一般取v和f為設(shè)計變量?！裟繕?biāo)函數(shù)：指優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計變量之間的函數(shù)關(guān)系式。（3-21）1）以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)——使工序時間為最短切削用量優(yōu)化模型66第六十六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四（3-22）（3-23）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）以最大利潤為優(yōu)化目標(biāo)——使單位成本金屬去除率最大切削用量的優(yōu)化

67第六十七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四◆約束條件：指設(shè)計變量的取值范圍（3-24）1）機床結(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（μm）；

rε——刀尖圓弧半徑（mm）。3）機床功率的限制（3-26）式中各符號含義同前。切削用量的優(yōu)化

68第六十八頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四切削用量優(yōu)化方法

即函數(shù)求極值的方法。不能考慮約束條件，只適于處理簡單問題。（3-27）可利用設(shè)置懲罰函數(shù)，將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題處理。懲罰函數(shù)的表達(dá)式：式中Ra——懲罰函數(shù)；

rε——原目標(biāo)函數(shù)；

Mp——懲罰因子（一個很大的數(shù)）；——懲罰項；間接法（解析法）直接法（數(shù)值法或搜索法）69第六十九頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四◆

尋優(yōu)過程示意圖（采用田川法+局部尋優(yōu)）fv0圖3-30田川法尋優(yōu)過程示意圖fminfmaxvminvmaxP＜Pmax約束邊界Pop可行域等值線Pcop切削用量優(yōu)化方法

70第七十頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四切削液主要用來降低切削溫度和減少切削過程的摩擦。合理選用切削液對減輕刀具磨損、提高加工表面質(zhì)量及加工精度起著重要的作用。3.5.5切削液的合理使用選擇切削液應(yīng)綜合考慮工件材料、刀具材料、加工方法、加工要求各方面。

71第七十一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.6

磨削原理GrindingTheory72第七十二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

3.6.1磨削過程切屑形成機理磨屑形成過程★彈性變形：磨粒在工件表面滑擦而過，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），但無磨屑產(chǎn)生★切削：磨削深度、磨削點溫度和應(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磨粒，不一定三個階段均有圖3-14磨屑形成過程a）平面示意圖b）截面示意圖73第七十三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

3.6.1磨削過程切屑形成機理★磨粒切削刃幾何形狀不確定（通常刃口前角為－60～－85°）★磨粒及切削刃隨機分布★磨削厚度?。ǎ紟爪蘭），磨削速度高，磨削點瞬時溫度高（達(dá)1000℃以上）磨削特點74第七十四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.6.2磨削力及磨削功率磨削力磨削功率★單位切削力值很大——遠(yuǎn)高于切削加工的單位切削力。★

三項分力中徑向力最大★磨削力隨不同的磨削階段而變化★構(gòu)成——摩擦達(dá)70-80％75第七十五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.6.3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)?！?/p>

磨粒磨削點溫度——磨粒切削刃與磨屑接觸點溫度，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。磨削溫度76第七十六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.6.4砂輪磨損與修正砂輪磨損的形式★初期磨損★初期磨損★初期磨損★磨耗磨損——磨粒何工件之間的摩擦引起砂輪的磨損過程★破損磨損——磨粒的破碎或結(jié)合劑的破碎砂輪修正的目的去除外層以鈍化的磨?；蛉ヌ幰员荒バ级氯囊粚幽チ?，使新的磨粒顯露出來，并使砂輪具有足夠數(shù)量的有效切削力，從而保證磨削順利進行。77第七十七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.6.5磨削液磨削液的作用分類冷卻、潤滑、洗滌、防銹★油基磨削液：礦物油、極壓油★水基磨削液：乳化液、化學(xué)合成液、無機鹽磨削液78第七十八頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.6.6幾種高效磨削方法

高速磨削砂輪線速度高于45或50m/s時，稱為高速磨削。強力磨削以大的吃刀量（可達(dá)1~30mm）和緩慢的量實現(xiàn)高效磨削的一種方法。砂帶磨削砂帶是在帶基上（帶基材料多采用聚碳酸脂薄膜）粘接細(xì)微砂粒（稱為“植砂”）而構(gòu)成。79第七十九頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.7

高速加工技術(shù)HighSpeedMachiningTechnology80第八十頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四概述1931年德國切削物理學(xué)家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線”——對應(yīng)于一定的工件材料存在一個臨界切削速度，此點切削溫度最高，超過該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而下降。Salomom的理論與實驗結(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，通過極大地提高切削速度和進給速度，來提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。以切削速度和進給速度界定：高速加工的切削速度和進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81第八十一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.7.1高速加工概述圖3-31Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應(yīng)區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應(yīng)區(qū)06001200180024003000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980℃高速鋼650℃碳素工具鋼450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削溫度/℃切削適應(yīng)區(qū)非鐵金屬82第八十二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四圖3-32高速與超高速切削速度范圍

10100100010000切削速度V（m/min）塑料鋁合金銅鑄鐵鋼鈦合金鎳合金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83第八十三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

加工效率高：進給率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍

切削力?。狠^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)長件

切削熱小：加工過程迅速，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；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，可對硬表面進行加工，從而可使工序集約化。這對于模具加工具有特別意義

高速加工的特點3.7.1高速加工概述84第八十四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

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

◎采用高速數(shù)控機床和高速加工中心組成高速柔性生產(chǎn)線，實現(xiàn)多品種、中小批量的高效生產(chǎn)（圖3-33）

模具制造：

◎高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花成形加工，效率提高3-5倍（圖3-34，圖3-35）。

儀器儀表：

◎精密光學(xué)零件加工。85第八十五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.7.1高速加工概述專用機床5軸×4工序=20軸（3萬件/月）剛性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型固定不變）1234鉆孔表面倒棱內(nèi)側(cè)倒棱鉸孔表面和內(nèi)側(cè)倒棱高速鉆孔高速加工中心1臺1軸1工序（3萬件/月）柔性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型可變）圖3-33汽車輪轂螺栓孔高速加工實例（日產(chǎn)公司）86第八十六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四3.7.1高速加工概述b）高速模具加工的過程圖3-34兩種模具加工過程比較1硬化毛坯→2粗銑→3半精銑→4精銑→5手工磨修a）傳統(tǒng)模具加工的過程1毛坯→2粗銑→3半精銑→4熱處理→5電火花加工→6精銑→7手工磨修電極制造87第八十七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四圖3-35采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車公司）與最終尺寸差值/mm加工時間100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修傳統(tǒng)加工方法高速切削少量手工精修3.7.1高速加工概述★對于復(fù)雜型面模具，模具精加工費用往往占到模具總費用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。88第八十八頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四高速加工雖具有眾多的優(yōu)點，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對于相關(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)；◎高速進給單元制造技術(shù)；◎高速加工在線檢測與控制技術(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)、安全防護技術(shù)等。此外高速切削與磨削機理的研究，對于高速切削的發(fā)展也具有重要意義。3.7.1高速加工概述89第八十九頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四刀具材料種類合金高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷天然

聚晶金剛石

聚晶立方氮工具鋼W18Cr4VYG6Si3N4

金剛石

PCD

化硼

PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗彎強度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa

2.8GPa

1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù)40-50

20-30

70-100

30-40

146.5

100-120

40-100熱穩(wěn)定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃

＞1000℃化學(xué)惰性低惰性大惰性小

惰性小

惰性大耐磨性低低較高高最高

最高

很高一般精度Ra≤0.8高精度

Ra=0.4-0.2加工質(zhì)量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05

IT5-6IT7-8IT5-6

可替代磨削加工對象低速加工一般鋼材、鑄鐵一般鋼材、鑄鐵粗、精加工一般鋼材、鑄鐵粗、精加工高硬度鋼材精加工硬質(zhì)合金、銅、鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料表3-3普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對比3.7.2高速加工刀具90第九十頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四圖3-36金剛石（左）與CBN（右）原子結(jié)構(gòu)碳原子氮原子硼原子

金剛石與CBN晶體結(jié)構(gòu)相似，每一個原子都以理想四面體方式以109°28′鍵角與鄰近4個原子結(jié)合。金剛石中的每個C原子都以共價鍵方式與鄰近4個C原子結(jié)合。CBN中每個N原子與4個B原子結(jié)合，每個B原子又與4個N原子結(jié)合，并存在少數(shù)離子鍵。3.7.2高速加工刀具91第九十一頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

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，刀具壽命可長達(dá)數(shù)百小時；刃口鋒利，切削刃鈍圓半徑可達(dá)0.01μm。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92第九十二頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

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。聚晶金剛石價格便宜，焊接方便，可磨性好，應(yīng)用廣泛，可在大部分場合代替天然金剛石。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，因為金剛石中的碳元素與鐵元素有很強的親和力，碳元素極易向含鐵的工件擴散，使金剛石刀具很快磨損。3.7.2高速加工刀具93第九十三頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四

聚晶金剛石應(yīng)用實例表3-4聚晶金剛石應(yīng)用實例加工對象硬度加工方式工藝參數(shù)加工效果鋁合金端銑v=4000m/mimRa0.8-0.4μm共晶硅HRC71車削v=600m/mim一次刃磨切削行程800km鋁合金f=0.1mm/rRa0.8μm，刀具壽命為硬質(zhì)合金的50倍共晶硅HRC71銑削v=2900m/mim刀具壽命為硬質(zhì)合金的80倍

vf=0.018mm/齒Ra0.8μm玻璃纖維HRA87車削v=500m/mim刀具壽命為硬質(zhì)合金的強化塑料150倍，Ra0.8-0.4μm熱塑性醋銑削v=4500m/s比硬質(zhì)合金壽命提高380倍酸鹽vf=10mm/minRa=0.8μm高Si-Al銑削v=2200m/mimRa=0.8μm鑄造件鋁合金鉆削v=360m/mim以鉆代鏜，Ra=0.8μm3.7.2高速加工刀具94第九十四頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四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，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?！?/p>

PCBN切削性能聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年問世500040003000200010000硬度/HV02004006008001000溫度/℃BN100BN20陶瓷硬質(zhì)合金圖3-37PCBN刀具高溫硬度高的熱穩(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95第九十五頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四良好的化學(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)；對各種材料粘結(jié)、擴散作用比硬質(zhì)合金小的多?；瘜W(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96第九十六頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四加工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?！?/p>

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，切削溫度隨材料硬度增加而增加；工件材料硬度＞HRC50時，切削溫度隨材料硬度增加有下降趨勢（圖3-38），金屬軟化，硬度下降，加工易于進行。8007507006506003040506070硬度HRC（V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm）切削溫度/℃圖3-38切削溫度與硬度關(guān)系3.7.2高速加工刀具97第九十七頁，共一百零六頁，編輯于2023年，星期四◆

PCBN刀具應(yīng)用實例加工對象硬度加工方式工藝參數(shù)加工效果GCr15HRC71車削V=180m/mim以車代磨，工效提高4-5倍鋼軋輥