機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)1第1頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第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ProcessofChipForming2第2頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1金屬切削過(guò)程的變形

直角切削沒(méi)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3頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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。FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削正擠壓：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

擠壓與切削4第4頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(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)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金屬切削過(guò)程的變形

三個(gè)變形區(qū)分析

第Ⅱ變形區(qū)：靠近前刀面處，切屑排出時(shí)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。5第5頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2切屑類型與變形系數(shù)

形成條件影響名稱簡(jiǎn)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(qiáng)度剪切應(yīng)力完全達(dá)到斷裂強(qiáng)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(jìn)給量較小，刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進(jìn)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(guò)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(guò)程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動(dòng)較大，切削過(guò)程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動(dòng)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6第6頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長(zhǎng)度縮小，寬度基本不變?？捎闷浔硎厩邢鲗幼兊淖冃纬潭?。LchhDhch3.1.2切屑類型與變形系數(shù)

LD圖3-9切屑與切削層尺寸◆厚度變形系數(shù)（3-1）◆長(zhǎng)度變形系數(shù)（3-2）變形系數(shù)7第7頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2切屑類型與變形系數(shù)

當(dāng)γ0=0～30°，Λh

≥1.5時(shí)，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3-10相對(duì)滑移系數(shù)（3-3）相對(duì)滑移系數(shù)8第8頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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。lfolfi特點(diǎn)兩個(gè)摩擦區(qū)9第9頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4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(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)。hDΔhDΔhACFE圖3-12已加工表面變形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。變形原因變形情況應(yīng)力分布ττ10第10頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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。脆性斷裂條件對(duì)于Ⅰ型（張開(kāi)型）裂紋，在平面應(yīng)變條件下，脆性斷裂條件為：11第11頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.5硬脆非金屬材料切屑形成機(jī)理脆性材料切削過(guò)程◆大規(guī)模擠裂與小規(guī)模擠裂交替進(jìn)行（圖3-13）a）b）c）d）e）圖3-13硬脆材料切削過(guò)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）flashflash12第12頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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?。ǎ紟爪蘭），磨削速度高，磨削點(diǎn)瞬時(shí)溫度高（達(dá)1000℃以上）磨削特點(diǎn)13第13頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.6磨削機(jī)理磨屑形成過(guò)程★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14第14頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

3.2

切削力CuttingForce15第15頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv圖3-15切削力的分解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F切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff進(jìn)給抗力切削力分解16第16頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)。17第17頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2切削力經(jīng)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)速度（m/s）。（3-8）切削功率18第18頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2切削力經(jīng)驗(yàn)公式

機(jī)床電機(jī)功率單位切削功率式中η

——機(jī)床傳動(dòng)效率，通常η=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19第19頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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）

強(qiáng)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(duì)切削力的影響切削用量20第20頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(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（κr

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑，圖3-18）圖3-17前角對(duì)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(duì)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21第21頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(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（λs

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑）◆刀尖圓弧半徑rε

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（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(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；22第22頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

3.3

切削熱與切削溫度CuttingHeatandCuttingTemperature23第23頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(lái)源與傳出切削熱傳出★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24第24頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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611

C25第25頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)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(yàn)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)26第26頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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↓vc（m/min）圖3-21切削速度、工件材料對(duì)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27第27頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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?？蓽y(cè)量切削區(qū)側(cè)面溫度場(chǎng)?！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(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)。人工熱電偶法紅外測(cè)溫法28第28頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)?！?/p>

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?！锕ぜ骄鶞囟取ハ鳠醾魅牍ぜ鸬臏厣?，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。磨削溫度29第29頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

3.4

積屑瘤、殘余應(yīng)力與加工硬化CutterTumor,RemainsStressandWorkHardening30第30頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。殘余應(yīng)力種類及影響◆

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31第31頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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、噴丸等方法殘余應(yīng)力的控制32第32頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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Δhd（μm）加工硬化產(chǎn)生原因加工硬化度量33第33頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)臒崽幚砑庸び不目刂凭啾砻嫔疃菻VH0hiH0圖3-24加工硬化與表面深度的關(guān)系34第34頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

3.5

刀具磨損與刀具壽命CutterWearandIt’sLife35第35頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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??；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VBVBmaxa)

KTKBb)圖3-25刀具磨損形態(tài)前、后刀面磨損36第36頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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）圖3-26刀具磨損過(guò)程初期磨損后刀面磨損量VB正常磨損急劇磨損切削時(shí)間刀具磨損過(guò)程3個(gè)階段（圖3-26）常取后刀面最大允許磨損量VB磨鈍標(biāo)準(zhǔn)37第37頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆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38第38頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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?！舻毒呖倝勖?/p>

——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（σb=0.763GPa）時(shí)，有：刀具壽命（耐用度）經(jīng)驗(yàn)公式39第39頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2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40第40頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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：最大生產(chǎn)率壽命41第41頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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）tmCm刀具費(fèi)用taCmC0刀具耐用度Top成本圖3-28經(jīng)濟(jì)壽命經(jīng)濟(jì)壽命3.5.3刀具壽命確定

42第42頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月規(guī)定刀具切削時(shí)間，離線檢測(cè)常規(guī)方法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”切削力與切削功率檢測(cè)方法切削加工時(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)的幾倍聲發(fā)射檢測(cè)方法43第43頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.5.4刀具磨損、破損檢測(cè)與監(jiān)控

鉆頭破損檢測(cè)器圖3-29聲發(fā)射鉆頭破損檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖交換機(jī)床控制器工件折斷工作臺(tái)聲發(fā)射傳感器破損信號(hào)flash44第44頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

3.6

切削用量的選擇DeterminetheCuttingParameters45第45頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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）；

η——機(jī)床傳動(dòng)效率；

Fc

——主切削力（N）。由：，可導(dǎo)出：46第46頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月優(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?！裟繕?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。（3-21）1）以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)——使工序時(shí)間為最短切削用量?jī)?yōu)化模型47第47頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(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

48第48頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆約束條件：指設(shè)計(jì)變量的取值范圍（3-24）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（μm）；

rε——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

49第49頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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：式中Ra——懲罰函數(shù)；

rε——原目標(biāo)函數(shù)；

Mp——懲罰因子（一個(gè)很大的數(shù)）；——懲罰項(xiàng)；間接法（解析法）直接法（數(shù)值法或搜索法）50第50頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆

尋優(yōu)過(guò)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(guò)程示意圖fminfmaxvminvmaxP＜Pmax約束邊界Pop可行域等值線Pcop3.6.3切削用量?jī)?yōu)化方法

51第51頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

3.7

高速加工技術(shù)HighSpeedMachiningTechnology52第52頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月概述

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53第53頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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54第54頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖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(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55第55頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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?。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(zhǎng)件

切削熱?。杭庸み^(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56第56頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(jī)床和高速加工中心組成高速柔性生產(chǎn)線，實(shí)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。57第57頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.7.1高速加工概述專用機(jī)床5軸×4工序

=20軸（3萬(wàn)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(tái)1軸1工序（3萬(wàn)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(shí)例（日產(chǎn)公司）58第58頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.7.1高速加工概述b）高速模具加工的過(guò)程圖3-34兩種模具加工過(guò)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(guò)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59第59頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖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(shí)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(duì)于復(fù)雜型面模具，模具精加工費(fèi)用往往占到模具總費(fèi)用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費(fèi)用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。60第60頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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61第61頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(qiáng)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(duì)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(duì)比3.7.2高速加工刀具62第62頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖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(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63第63頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)0.01μm。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(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64第64頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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65第65頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

聚晶金剛石應(yīng)用實(shí)例表3-4聚晶金剛石應(yīng)用實(shí)例加工對(duì)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(qiáng)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66第66頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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?！?/p>

PCBN切削性能聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年問(wèn)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67第67頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月良好的化學(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?；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68第68頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月加工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(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。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69第69頁(yè)，課件共78頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆

PCBN刀具應(yīng)用實(shí)例加工對(duì)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f=5.6mm/rRa0.8-0.4μmYG15HRA87鏜孔V=50m/mim工效較電火花加工提高30冷擠壓模倍，Ra0.8-0.4μmA3熱壓板端銑V=800m/mim以銑代磨，工效提高6-7倍Vf=100m/mimRa1.6-0.8μm，平面度0.02凸輪軸HRC60磨削V=80m/s比單晶剛玉砂輪壽命提高20倍，生產(chǎn)效率提高50%GCr15HRC62磨削V=65m/s比棕剛玉砂輪耐用度提高軸承內(nèi)孔