切削原理-課件

切削原理切削原理金屬切削加工工藝系統(tǒng)機(jī)床刀具工件《金屬切削原理與刀具》《機(jī)械制造工藝》《金屬切削機(jī)床》刀具角度及合理角度的選擇刀具材料刀具磨損、破損與使用壽命金屬切削變形切削力切削熱和切削溫度切削液各種切削刀具工件材料的切削加工性已加工表面質(zhì)量磨削2金屬切削加工工藝系統(tǒng)機(jī)床刀具工件《金屬切削原理與刀具》《機(jī)械切削原理金屬切削的基本定義的認(rèn)識知識點(diǎn)切削運(yùn)動切削形成的加工表面切削用量刀具的幾何角度切削力與熱等認(rèn)識切削運(yùn)動、加工表面、切削用量等相關(guān)概念認(rèn)識刀具的幾何角度3切削原理金屬切削的基本定義的認(rèn)識知識點(diǎn)切削運(yùn)動認(rèn)識切削運(yùn)動

金屬切削加工就是在機(jī)床上利用切削工具從工件上切除多余金屬，使之成為具有一定幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的加工方法。在切削加工過程中，除了要有一定切削性能的切削刀具外，還要有機(jī)床提供工件與切削刀具間所必需的相對運(yùn)動，而且這種相對運(yùn)動還要與工件各種表面的形成規(guī)律和幾何特征相適應(yīng)。本課題主要學(xué)習(xí)切削運(yùn)動和切削用量、刀具的組成及其幾何參數(shù)、車刀的工作角度等內(nèi)容。4金屬切削加工就是在機(jī)床上利用切削工具從工件上切削加工：使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)，在工具和工件的相對運(yùn)動中，把工件上多余的材料層切除，使工件獲得規(guī)定的幾何參數(shù)(尺寸、形狀、位置)和表面質(zhì)量的加工方法。切削加工的重要性：切削加工能獲得較高的精度和表面質(zhì)量，對被加工材料、工件幾何形狀及生產(chǎn)批量具有廣泛的適應(yīng)性，在機(jī)械制造業(yè)中占有十分重要的地位。5切削加工：使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)，在工具和工件(一)切削運(yùn)動1.零件表面的形成6(一)切削運(yùn)動1.零件表面的形成6（1）主運(yùn)動由機(jī)床或人力提供的刀具與工件之間主要的相對運(yùn)動,它使刀具切削刃及其鄰近的刀具表面切入工件材料，使被切削層轉(zhuǎn)變?yōu)榍行?從而形成工件的新表面。在切削運(yùn)動中，主運(yùn)動(primarymotion)速度最高、耗功最大。主運(yùn)動只有一個。7（1）主運(yùn)動由機(jī)床或人力提供的刀具與7

刀具與工件之間附加的相對運(yùn)動,它配合主運(yùn)動依次地或連續(xù)不斷地切除切屑,從而形成具有所需幾何特性的已加工表面。進(jìn)給運(yùn)動(feedmovement)可由刀具完成(如車削)，也可由工件完成(如銑削)，可以是間歇的（如刨削）,也可以是連續(xù)的（如車削）。進(jìn)給運(yùn)動可以是1個或多個

（2）進(jìn)給運(yùn)動主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動合成的運(yùn)動稱為合成切削運(yùn)動。（3）合成切削運(yùn)動8刀具與工件之間附加（2）進(jìn)給運(yùn)動主運(yùn)動各種切削加工的切削運(yùn)動9各種切削加工的切削運(yùn)動9進(jìn)給運(yùn)動主運(yùn)動待加工表面過渡表面已加工表面二:車削加工過程中工件上有三個不斷變化著的表面10進(jìn)給運(yùn)動主運(yùn)動待加工表面過渡表面已加工表面二:車削加工過程三、切削用量三要素切削用量是指：vc

、f、apmin)/(1000)/(601000mndvsmndvwcwcpp=×=或切削速度vc:指在單位時間內(nèi)工件和刀具沿主運(yùn)動方向的位移

單位:m/s或m/min車削等回轉(zhuǎn)運(yùn)動：11三、切削用量三要素min)/(1000)/(601000mn切削用量切削用量三要素切削速度Vc進(jìn)給量Vf背吃刀量ap。(1)切削速度切削速度是單位時間內(nèi)刀具和工件在主運(yùn)動方向上的相對位移。主運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（車削、銑削），

VC為最大線速度，VC

=πdwn/1000主運(yùn)動為往復(fù)直線運(yùn)動（刨削、插削），VC為平均速度，VC=2Lnr/100012切削用量切削用量三要素(1)切削速度切削速度是單位時間內(nèi)(2)進(jìn)給量f:指工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周時,兩者沿進(jìn)給運(yùn)動方向上的相對位移

單位:mm/r13(2)進(jìn)給量f:指工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周時,兩者13(2)進(jìn)給量進(jìn)給量是指單位時間內(nèi)刀具和工件在進(jìn)給運(yùn)動方向上相對位移。

當(dāng)主運(yùn)動是回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，進(jìn)給量指工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周，兩者沿進(jìn)給方向的相對位移量，單位為mm/r；

當(dāng)主運(yùn)動是直線運(yùn)動時，進(jìn)給量指刀具或工件每往復(fù)直線運(yùn)動一次，兩者沿進(jìn)給方向的相對位移量，單位為mm/str或mm/單行程；對于多齒的旋轉(zhuǎn)刀具(如銑刀、切齒刀)，常用每齒進(jìn)給量fz，單位為mm/z或mm/齒。它與進(jìn)給量f的關(guān)系為f=zfz

進(jìn)給速度為vf=fn=zfzn14(2)進(jìn)給量進(jìn)給量是指單位時間內(nèi)刀具和工件在進(jìn)給運(yùn)動方向上相(3)切削深度ap:指待加工表面與已加工表面的垂直距離（單位mm）。15(3)切削深度ap:指待加工表面與已加工表面154.刀具的幾何參數(shù)(1)切削刀具結(jié)構(gòu)由工作部分和非工作部分構(gòu)成。車刀(turningtools)的工作部分比較簡單，只由切削部分構(gòu)成，非工作部分就是車刀的柄部(或刀桿)。不論刀具結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，就其單刀齒切削部分，都可以看成由外圓車刀的切削部分演變而來，本節(jié)以外圓車刀為例來介紹其幾何參數(shù)。164.刀具的幾何參數(shù)(1)切削刀具結(jié)構(gòu)由工作部分和非工作部分車刀切削部分的組成（三面二刃一刀尖）

車刀切削部分由前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖組成。(1)前刀面刀具上切屑流過的表面。(2)主后刀面刀具上與工件上的加工表面相對著并且相互作用的表面，稱為主后刀面。(3)副后刀面刀具上與工件上的已加工表面相對著并且相互作用的表面，稱為副后刀面。(4)主切削刃刀具的前刀面與主后刀面的交線稱為主切削刃。(5)副切削刃刀具的前刀面與副后刀面的交線稱為副切削刃。(6)刀尖主切削刃與副切削刃的交點(diǎn)稱為刀尖。刀尖實(shí)際是一小段曲線或直線，稱修圓刀尖和倒角刀尖?？破找幌隆心ボ嚨稌r絕對不要戴手套或裹毛巾等，如果你不想殘廢的話！17車刀切削部分的組成科普一下——17測量車刀切削角度的輔助平面為了確定和測量車刀的幾何角度，需要選取三個輔助平面作為基準(zhǔn)，這三個輔助平面是切削平面、基面和正交平面，如圖所示。1）切削平面——切于主切削刃某一選定點(diǎn)并垂直于刀桿底平面的平面。2）基面——過主切削刃的某一選定點(diǎn)并平行于刀桿底面的平面。3）正交平面——垂直于切削平面又垂直于基面的平面?？梢娺@三個坐標(biāo)平面相互垂直，構(gòu)成一個空間直角坐標(biāo)系。18測量車刀切削角度的輔助平面為了確定和測量車三個坐標(biāo)平面相互垂直，構(gòu)成一個空間直角坐標(biāo)系。19三個坐標(biāo)平面相互垂直，構(gòu)成一個空間直角坐標(biāo)系。19

車刀的主要幾何角度1）前角(γ0)前角是在正交平面內(nèi)測量的前刀面與基面間的夾角。前角的正負(fù)方向按圖示規(guī)定表示，即刀具前刀面在基面之下時為正前角，刀具前刀面在基面之上時為負(fù)前角。前角一般在-5°～25°之間選取。γ0

基面20車刀的主要幾何角度γ0基面20

車刀的主要幾何角度２）后角(α0)在正交平面內(nèi)測量的主后刀面與切削平面間的夾角。后角不能為零度或負(fù)值，一般在6°～12°之間選取。α0γ0

A—A21車刀的主要幾何角度α0γ0A—A21進(jìn)給方向

車刀的主要幾何角度3）主偏角(Kr)在基面內(nèi)測量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動方向的夾角。主偏角一般在30°～90°之間。Kr

進(jìn)給方向22進(jìn)給方向車刀的主要幾何角度Kr進(jìn)給方向22

車刀的主要幾何角度４）副偏角(Kr’

)在基面內(nèi)測量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動反方向的夾角。副偏角一般為正值。Kr

進(jìn)給方向進(jìn)給方向Kr’

23車刀的主要幾何角度Kr進(jìn)給方向進(jìn)給方向KrλS基面刀尖為主切刃上最高點(diǎn)，所以λS＞0°K向

車刀的主要幾何角度５）刃傾角(λS)在切削平面內(nèi)測量的主切削刃與基面間的夾角。當(dāng)主切削刃呈水平時，λS=0°；刀尖為主切刃上最高點(diǎn)時，λS＞0°；刀尖為主切削刃上最低點(diǎn)時，λS＜0°。刃傾角一般在-10°～5°之間選取。K向24λS基面刀尖為主切刃上最高點(diǎn)，所以λ2525問題延伸——無論切削刀具如何變化，其原理都與車刀相同。26問題延伸——無論切削刀具如何變化，其原理都與車刀相同。26

車刀的主要幾何角度的選擇1）前角(γ0)選擇的原則：前角的大小主要解決刀頭的堅(jiān)固性與鋒利性的矛盾。因此首先要根據(jù)加工材料的硬度來選擇前角。加工材料的硬度高，前角取小值，反之取大值。其次要根據(jù)加工性質(zhì)來考慮前角的大小，粗加工時前角要取小值，精加工時前角應(yīng)取大值。前角一般在-5°～25°之間選取。

γ0

基面27車刀的主要幾何角度的選擇γ0基面27通常，制作車刀時并沒有預(yù)先制出前角（γ0），而是靠在車刀上刃磨出排屑槽來獲得前角的。排屑槽也叫斷屑槽，它的作用大了去了——☆折斷切屑，不產(chǎn)生纏繞；☆控制切屑的流出方向，保持已加工表面的精度；☆降低切削抗力，延長刀具壽命。γ0

排屑槽由操作者刃磨出排屑槽28通常，制作車刀時并沒有預(yù)先制出前角（γ0）

車刀的主要幾何角度的選擇

２）后角(α0)選擇的原則：首先考慮加工性質(zhì)。精加工時，后角取大值，粗加工時，后角取小值。其次考慮加工材料的硬度，加工材料硬度高，主后角取小值，以增強(qiáng)刀頭的堅(jiān)固性；反之，后角應(yīng)取小值。后角不能為零度或負(fù)值，一般在6°～12°之間選取。α0A—A29車刀的主要幾何角度的選擇α0A—A29進(jìn)給方向

車刀的主要幾何角度的選擇

3）主偏角(Kr)的選用原則：首先考慮車床、夾具和刀具組成的車削工藝系統(tǒng)的剛性，如系統(tǒng)剛性好，主偏角應(yīng)取小值，這樣有利于提高車刀使用壽命、改善散熱條件及表面粗造度。其次要考慮加工工件的幾何形狀，當(dāng)加工臺階時，主偏角應(yīng)取90°，加工中間切入的工件，主偏角一般取60°。主偏角一般在30°～90°之間，最常用的是45°、75°、90°。Kr

進(jìn)給方向30進(jìn)給方向車刀的主要幾何角度的選擇Kr進(jìn)給

車刀的主要幾何角度的選擇

4）副偏角(Kr’

)的選擇原則：首先考慮車刀、工件和夾具有足夠的剛性，才能減小副偏角；反之，應(yīng)取大值；其次，考慮加工性質(zhì)，精加工時，副偏角可取10°～15°，粗加工時，副偏角可取5°左右。進(jìn)給方向Kr’

31車刀的主要幾何角度的選擇進(jìn)給方向Kr’35.

切屑的形成325.切屑的形成32切屑類型與變形系數(shù)

切屑類型帶狀切屑Real擠裂切屑Real節(jié)狀切屑Real崩碎切屑Real圖3-6切屑形態(tài)照片33切屑類型與變形系數(shù)切屑類型帶狀切屑Real擠裂切屑Real

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。金屬切削過程的變形

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。34第Ⅰ變形區(qū)：即剪切變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。切屑類型與變形系數(shù)

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(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35切屑類型與變形系數(shù)形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光切屑類型與變形系數(shù)

切屑控制為使切削過程正常進(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)生斷屑是對已變形的切屑再附加一次變形（常需有斷屑裝置，圖3-8）

36切屑類型與變形系數(shù)切屑控制為使切削過程正常進(jìn)行和保證已加優(yōu)點(diǎn):表示切削力平穩(wěn),對刀具與工件變形破壞小缺點(diǎn):太長不利于排屑也不利于安全,又破壞已加工表面質(zhì)量,影響粗糙度等切屑類型帶狀切屑的特點(diǎn)解決方法刀具磨斷屑槽或使用壓塊式斷屑器

37優(yōu)點(diǎn):表示切削力平穩(wěn),對刀具與工件變形破壞小切屑類型帶狀切第3章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

3.2

切削力CuttingForce38第3章切削原理機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)3.2切削力38κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv圖3-15切削力的分解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主切削力Fp吃刀抗力Ff進(jìn)給抗力切削力分解39κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv圖3-1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切削速度對切削力的影響切削用量40影響切削力因素工件材料◆切削深度與切削力近似成正比；強(qiáng)度高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414.2.3影響切削力因素◆前角γ0增大，切削力減影響切削力因素

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(jìn)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(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；42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CuttingHeatandCuttingTemperature43第3章切削原理機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)3.3切削熱與切削溫度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44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(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45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5.積屑瘤、殘余應(yīng)力與加工硬化CutterTumor,RemainsStressandWorkHardening465.積屑瘤、殘余應(yīng)力與加工硬化46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—長大積屑瘤形成過程積屑瘤影響切屑刀具圖3-23積屑瘤積屑瘤RealReal47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：會使工件發(fā)生變形，影響形狀和尺寸精度48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◆里層金屬彈性恢復(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◆控制切削過程：盡可能減小殘余應(yīng)力◆時效處理：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49殘余應(yīng)力◆熱塑變形效應(yīng)：表層張應(yīng)力，里層壓應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)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、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）?！粲不瘜由疃戎赣不瘜由钊牖w的距離Δhd（μm）加工硬化產(chǎn)生原因加工硬化度量50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51加工硬化◆減小切削變形：提高切速，加大前角，減小刃口半徑5

刀具磨損與刀具壽命CutterWearandIt’sLife525刀具磨損與刀具壽命52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，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53刀具磨損刀具磨損形態(tài)◆正常磨損前刀面磨損形式：月牙洼后刀具磨損

◆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)54刀具磨損◆非正常磨損破損（裂紋、崩刃、破碎等），卷刃（刀◆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)生刀具磨損

刀具磨損原因55◆磨粒磨損粘結(jié)磨損加劇◆擴(kuò)散磨損刀具磨損刀具磨損原因5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(bào)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(yàn)公式56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)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57刀具壽命圖3-27不同刀具材料的耐用度比較硬質(zhì)合金陶瓷刀（3-18）式中C0——工序成本；

Cm

——機(jī)時費(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)壽命刀具壽命確定

58（3-18）式中C0——工序成本；使工序成本最第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DeterminetheCuttingParameters59第3章切削原理機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)3.6切削用量的選擇5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(jìn)給量

f◆

粗切時根據(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(僅對粗加工)

（3-20）式中P——機(jī)床電機(jī)功率（KW）；

η——機(jī)床傳動效率；

Fc

——主切削力（N）。由：，可導(dǎo)出：60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3.7

高速加工技術(shù)HighSpeedMachiningTechnology613.7高速加工技術(shù)61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(diǎn)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(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(jìn)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(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62概述1931年德國切削物理學(xué)家C.J.Salomom在“高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633.7.1高速加工概述圖3-31Salomon切削圖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64圖3-32高速與超高速切削速度范圍10

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(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；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(jìn)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(diǎn)3.7.1高速加工概述65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

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。66航空航天：高速加工的應(yīng)用3.7.1高速加工概述3.7.1高速加工概述專用機(jī)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(shí)例（日產(chǎn)公司）673.7.1高速加工概述專用機(jī)床1234鉆孔表面倒棱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683.7.1高速加工概述b）高速模具加工的過程1硬化毛坯→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(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。69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70高速加工雖具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對于相關(guān)技術(shù)要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)40-5020-3070-10030-40146.5

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71刀具材料種類合金高速鋼硬質(zhì)合金圖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72圖3-36金剛石（左）與CBN（右）原子結(jié)構(gòu)碳原子金剛

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73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

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?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74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

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75聚晶金剛石應(yīng)用實(shí)例表3-4聚晶金剛石應(yīng)用實(shí)例加工對象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76較高的硬度和耐磨性：CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，化良好的化學(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(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77良好的化學(xué)穩(wěn)定性3.7.2高速加工刀具77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(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78加工HRC45以上的硬質(zhì)材料◆PCBN刀具應(yīng)用金屬軟化效應(yīng)◆

PCBN刀具應(yīng)用實(shí)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