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第3章 切削原理


第3章 切削原理
本章要点
切屑的形成过程 切削力及其影响因素 切削热与切削温度 积屑瘤、残余应力和 加工硬化 刀具磨损与刀具寿命 切削用量的选择 高速加工技术
1

机械制造技术基础

第3章 切削原理 Cutting Theory
3.1 切屑的形成过程 Process of Chip Form

ing
2

3.1.1 金属切削过程的变形
直角切削
没有副刃参加切削,且λs = 0°。

a)直角切削

b)斜角切削

c)不自由切削

图3-1 直角、斜角自由切削与不自由切削
3

3.1.1 金属切削过程的变形
挤压与切削
? 切屑的形成与切离过程,是切削 层受到刀具前刀面的挤压而产生以 滑移为主的塑性变形过程。 ? 正挤压:金属材料受挤压时,最大 剪应力方向与作用力方向约成45°
45° M A F

O B a)正挤压
45° M A B O F

? 偏挤压:金属材料一部分受挤压时 b)偏挤压 , OB 线以下金属由于母体阻碍,不 能沿AB线滑移,而只能沿OM线滑移 M ? 切削:与偏挤压情况类似。弹性变 O 形→剪切应力增大,达到屈服点→产 F 生塑性变形,沿 OM 线滑移 → 剪切应 c)切削 力与滑移量继续增大,达到断裂强度 →切屑与母体脱离。 图3-2 金属挤压与切削比较

4

3.1.1 金属切削过程的变形
金属切削变形过程
切屑 M 终滑移线

A

Φ剪切角 始滑移线:τ=τs O

刀具

图3-3 切屑根部金相照片

5

3.1.1 金属切削过程的变形
金属切削变形过程

图3-4 切削变形实验设备与录像装置

6

3.1.1 金属切削过程的变形
三个变形区分析
? 第Ⅰ变形区:即剪切变形区 ,金属剪切滑移,成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。





? 第Ⅱ变形区:靠近前刀面处 图3-5 切削部位三个变形区 ,切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的 主要原因。 ? 第Ⅲ变形区:已加工面受到后刀面挤压与摩擦,产生变 形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要 原因。
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3.1.2 切屑类型与变形系数
表3-1 切屑类型及形成条件
名称 带状切屑 节状切屑 粒状切屑 崩碎切屑

简图

形态 变形 形成 条件

带状,底面光滑 ,背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度

节状,底面光滑有裂 纹,背面呈锯齿状

粒状

不规则块状颗粒
未经塑性变形即 被挤裂 加工硬脆材料, 刀具前角较小

局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度

加工塑性材料, 切削速度较高, 进给量较小, 刀具前角较大
切削过程平稳, 表面粗糙度小, 妨碍切削工作, 应设法断屑

加工塑性材料, 切削速度较低, 进给量较大, 刀具前角较小
切削过程欠平稳, 表面粗糙度欠佳

工件材料硬度较 高,韧性较低, 切削速度较低

影响

切削力波动较大, 切削力波动大,有 切削过程不平稳, 冲击,表面粗糙度 表面粗糙度不佳 恶劣,易崩刀
8

3.1.2 切屑类型与变形系数
切屑类型

带状切屑

Real

节状切屑

Real

粒状切屑

Real

崩碎切屑

Real
9

图3-6 切屑形态照片

3.1.2 切屑类型与变形系数
切屑控制
? 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量,应使切 屑卷曲和折断。 ? 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加 变形的结果(图3-7)
?断屑是对已变形的切屑再附加一次变形(常需有断屑装置, 图3-8)

图3-7 切屑的卷曲

图3-8 断屑的产生

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3.1.2 切屑类型与变形系数
变形系数
切削层经塑性变形后,厚度增加,长度缩小,宽度基本 不变。可用其表示切削层变的变形程度。 ◆ 厚度变形系数
(3-1)

◆ 长度变形系数
(3-2)
Lch LD

图3-9 切屑与切削层尺寸
11

3.1.2 切屑类型与变形系数
相对滑移系数
(3-3)
γ0

? 当γ0 = 0~30°,Λh ≥1.5时, Λh与ε相近 ? ε主要反映第Ⅰ变形区 的变形, Λ h 还包含了第 Ⅱ变形区的影响。
M

φ
O

图3-10 相对滑移系数
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3.1.3 切屑与前刀面的摩擦变形
特点
在高温高压作用下,切屑底层与前刀面发生沾接,切屑 与前刀面之间既有外摩擦,也有内摩擦。

两个摩擦区
? 粘结区:高温高压使切屑底 层软化,粘嵌在前刀面高低不 平的凹坑中,形成长度为 l fi 的 粘接区。切屑的粘接层与上层 金属之间产生相对滑移,其间 的摩擦属于内摩擦。 ? 滑动区:切屑在脱离前刀面 之前,与前刀面只在一些突出 点接触,切屑与前刀面之间的 摩擦属于外摩擦。
lfi lfo

图3-11 切屑与前刀面的摩擦
13

3.1.4 已加工表面的变形
变形原因
切削刃存在刃口圆弧, 导致挤压和摩擦,产生 第Ⅲ变形区。
hD

τ
ΔhD

变形情况
A 点以上部分沿前刀面 流出,形成切屑; A 点 以下部分受挤压和摩擦 留在加工表面上,并有 弹性恢复。

A

C E F

σn

τ

图3-12 已加工表面变形

应力分布
A点前方正应力最大,剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小,剪应力逐渐增大,继而减小。

Δh

14

3.1.5 硬脆非金属材料切屑形成机理
脆性断裂条件
G>GC
(3-4)

式中 G —— 裂纹扩展单位长度时释放的能量(应变能 释放率); GC ——裂纹扩展单位长度时所需的能量(裂纹扩 展阻力)。 对于Ⅰ型(张开型)裂纹,在平面应变条件下,脆性断 裂条件为: K1>K1C 式中 K1 —— 应力强度因 子; K1C —— K1临界值。
15

(3-5)

3.1.5 硬脆非金属材料切屑形成机理
脆性材料切削过程
◆ 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行(图3-13)

a)

b)

c)

d)

e)

图3-13 硬脆材料切削过程

a)大规模挤裂(大块破碎切除) b)空切 c)小规模挤裂(小块破碎切除) d)小规模挤裂(次小块破碎切除) e)重复大规模挤裂(大块破碎切除)

flash

flash
16

3.1.6 磨削机理
磨削特点
★ 磨粒切削刃几何形状不确定(通常刃口前角为-60~ -85°) ★ 磨粒及切削刃随机分布 ★ 磨削厚度小(<几μm),磨削速度高,磨削点瞬时温 度高(达1000℃以上)

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3.1.6 磨削机理
磨屑形成过程
★ 弹性变形:磨粒在工件 表面滑擦而过,不能切入 工件 ★ 塑性变形:磨粒切入工 件,材料向两边隆起,工 件表面出现刻痕(犁沟) ,但无磨屑产生 ★ 切削:磨削深度、磨削 点温度和应力达到一定数 值,形成磨屑,沿磨粒前 刀面流出

? 具体到每个磨粒,不一 定三个阶段均有

图3-14 磨屑形成过程
a)平面示意图 b)截面示意图
18

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第3章 切削原理 Cutting Theory
3.2 切削力
Cutting Force
19

3.2.1 切削力的来源与分解
切削力来源
★ 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 ★ 切屑、工件与刀具间摩擦力

切削力分解
Fc Ff · p f 吃刀抗力 Fp

v

κr

Ff Fp Ff · p

F

Ff 进给抗力

Ff · p
Fc 主切削力 F 切削合力

图3-15 切削力的分解

20

3.2.2 切削力经验公式
切削力经验公式

(3-6)

式中

CFc , CFp , CFf —— 与工件、刀具材料有关系数;
xFc , xFp , xFf —— 切削深度ap 对切削力影响指数; yFc , yFp , yFf —— 进给量 f 对切削力影响指数;

KFc , KFp , KFf —— 考虑切削速度、刀具几何参数、 刀具磨损等因素影响的修正系数。
21

3.2.2 切削力经验公式
单位切削力
切除单位切削层面积的主切削力(令修正系数KFc =1)
(3-7)

切削功率
(3-8)

式中

Fc —— 主切削力(N); v —— 主运动速度(m/s)。

22

3.2.2 切削力经验公式
机床电机功率
(3-9)

式中 η —— 机床传动效率,通常η= 0.75~0.85

单位切削功率
指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率
(3-10)

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3.2.3 影响切削力因素
工件材料
强度高 加工硬化倾向大 切削力大

切削用量
◆切削深度与切削 力近似成正比; ◆进给量增加,切 削力增加,但不成 正比; ◆切削速度对切削 力影响复杂(图316)
主切削力Fc(N)

981 784 588 5 19 28 35 55 100 切削速度 v(m/min) 130

图3-16 切削速度对切削力的影响
24

4.2.3 影响切削力因素
刀具几何角度影响
◆ 前角γ0 增大,切削力减小(图3-17) ◆ 主偏角κr 对主切削力影响不大,对吃刀抗力和进给抗 力影响显著( κr ↑—— Fp↓,Ff↑,图3-18)
切削力/ N 切削力F
2200 1800 1400 1000

γ0 - Fc

κr - Fc

κr – Ff
κr – Fp
30 45 60 75 90

γ0 – Fp γ0 – Ff 前角γ0

600 200

主偏角κr / °

图3-17 前角对γ0切削力的影响

图3-18 主偏角κr对切削力的影响
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4.2.3 影响切削力因素
刀具几何角度影响
◆ 与主偏角相似,刃倾角λs对主切削力影响不大,对吃 刀抗力和进给抗力影响显著( λs ↑ —— Fp↓,Ff↑) ◆ 刀尖圆弧半径 rε 对主切削力影响不大,对吃刀抗力和 进给抗力影响显著( rε ↑ —— Fp↑,Ff↓) ;

其他因素影响
◆ 刀具材料:与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦 ,而影响切削力 ; ◆ 切削液:有润滑作用,使切削力降低 ; ◆ 后刀面磨损:使切削力增大,对吃刀抗力Fp的影响最 为显著 ;
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第3章 切削原理 Cutting Theory
3.3 切削热与切削温度
Cutting Heat and Cutting Temperature
27

3.3.1 切削热的来源与传出
切削热来源
★ 切削过程变形和摩擦所消耗功,绝大部分转变为切削热
(3-11)

★ 主要来源
QA=QD+QFF+QFR
(3-12)

式中,QD , QFF , QFR分别为切 削层变形、前刀面摩擦、后刀 面摩擦产生的热量

切屑

刀具

切削热传出
切削热由切屑、工件、刀具和 周围介质(切削液、空气 ) 等 传散出去
工件

图3-19 切削热的来源与传出
28

3.3.2 切削温度及分布
切削温度分布
★ 切削塑性材料 —— 前刀面靠近刀尖处温 度最高。 ★ 切削脆性材料 —— 后刀面靠近刀尖处温 度最高。
图3-20 二维切削中的温 度分布
工件材料:低碳易切钢; 刀具:?o=30?,?o=7?; 切削用量:ap=0.6mm, vc =0.38m/s; 切削条件:干切削, 预热611?C

750℃
刀具

29 TJ University

3.3.3 影响切削温度的因素
? 切削用量的影响 经验公式
(3-12) 式中 θ ——用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(?C); Cθ ——与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数; Zθ、Yθ、Xθ —— vc、f、ap 的指数。 表3-2 切削温度的系数及指数
刀具材料 加工方法 车削

Cθ
140~170

Zθ
0.35~0.45
0.1 0.2 0.3 0.41 0.31 0.26

Yθ

Xθ

高速钢

铣削 钻削

80 150
320 f (mm/r)

0.2~0.3 0.08~0.10

硬质合金

车削

0.15

0.05

30

3.3.3 影响切削温度的因素
? 刀具几何参数的影响 ? 前角?o↑→切削温度↓ ? 主偏角?r↓→切削温度↓ ? 负倒棱及刀尖圆弧半径 对切削温度影响很小
θ(℃) 1000
1 800 4 2 3

? 工件材料的影响 ? 工件材料机械性能 ↑→ 切削温度↑ ? 工件材料导热性↑ →切 削温度↓
? 刀具磨损的影响

600

400 10 30 50 70 90 110 130 vc(m/min)

图3-21 切削速度、工件材料对切削温 度的影响
1—GH131 2—1Cr18Ni9Ti 3—45钢(正火) 4—HT200 刀具材料:YT15;YG8 刀具几何参数:? 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/r 31

? 冷却液的影响

3.3.3 切削温度的测量
自然热电偶法
工件和刀具材料不同,组成热电 偶两极,切削时刀具与工件接触 处的高温产生温差电势,通过电 位差计测得切削区的平均温度。

工件

刀具

人工热电偶法
★ 用不同材料、相互绝缘金属丝 作热电偶两极(图3-22)。 ★ 可测量刀具或工件指定点温度 ,可测最高温度及温度分布场。
金属丝 小孔

mV

红外测温法
利用红外辐射原理,借助热敏感元 件,测量切削区温度。可测量切削 区侧面温度场。

图3-22 人工热电偶

32

3.3.4 磨削热与磨削温度
磨削热
磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的 10~30 倍,砂轮线速度高,且为非良导热体 —— 磨削热多,且 大部分传入工件,工件表面最高温度可达1000℃以上。

磨削温度
★ 磨削区温度 —— 砂轮与工件接触区的平均温度,它与 磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。 ★ 磨粒磨削点温度 —— 磨粒切削刃与磨屑接触点温度, 是磨削区中温度最高的部位,与磨粒磨损有直接关系。 ★ 工件平均温度 —— 磨削热传入工件引起的温升,影响 工件的形状与尺寸精度。
33

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第3章 切削原理 Cutting Theory
3.4 积屑瘤、残余应力与加工硬化

Cutter Tumor, Remains Stress and Work Hardening
34

3.4.1 积屑瘤
积屑瘤成因
◆ 一定温度、压力作用下,切屑底层与前刀面发生粘接 ◆ 粘接金属严重塑性变形,产生加工硬化

积屑瘤形成过程
滞留—粘接—长大
切屑

积屑瘤影响
◆ 增大前角,保护刀刃 ◆ 影响加工精度和表面 粗糙度
Real Real

积屑瘤

刀具

图3-23 积屑瘤
35

3.4.2 残余应力
残余应力概念
未施加任何外力作用情况下,材料内部保持平衡而存在的 应力。

残余应力种类及影响
◆ 残余张应力: 易使加工表面产生裂纹,降低零件疲劳强度 ◆ 残余压应力: 有利于提高零件疲劳强度

◆ 残余应力分布不均: 会使工件发生变形,影响形状和尺寸精度

36

3.4.2 残余应力
残余应力产生原因
◆ 热塑变形效应:表层张应力,里层压应力

◆ 里层金属弹性恢复:若里层金属产生压缩变形,则弹性 恢复后表层得到压应力,里层为张应力 ◆ 表层金属相变:影响复杂,若切削区温度超过相变温度 ,则珠光体受热转变成奥氏体,冷却后又转变成马氏体, 体积膨胀,表层产生压应力 ◆ 实际应力状态是上述各因素影响的综合结果

残余应力的控制
◆ 控制切削过程:尽可能减小残余应力 ◆ 时效处理:最大限度减小残余应力 ◆ 残余压应力的利用:采用滚压、喷丸等方法
37

3.4.3 加工硬化
加工硬化概念
已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象

加工硬化产生原因
加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂 ,使表层组织硬化

加工硬化度量
◆ 硬化程度
(3-13)

式中 H —— 硬化层显微硬度(HV); H0 —— 基体层显微硬度(HV)。 ◆ 硬化层深度

指硬化层深入基体的距离Δhd(μm)

38

3.4.3 加工硬化
HV

H

0

hi

H0
距表面深度

图3-24 加工硬化与表面深度的关系

加工硬化的控制
◆ 减小切削变形:提高切速,加大前角,减小刃口半径等 ◆ 减小摩擦:如加大后角,提高刀具刃磨质量等 ◆ 进行适当的热处理
39

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第3章 切削原理 Cutting Theory
3.5 刀具磨损与刀具寿命

Cutter Wear and It’s Life
40

3.5.1 刀具磨损
刀具磨损形态
◆ 正常磨损 ?前刀面磨损 形式:月牙洼 形成条件:加工塑性材 料,v大,hD大 影响:削弱刀刃强度, 降低加工质量
VBmax

a)

b)

? 后刀面磨损 形式:后角=0的磨损面(参数——VB,VBmax) 形成条件:加工塑性材料, v 较小, hD 较小;加工脆性材料 影响:切削力↑, 切削温度↑, 产生振动,降低加工质量 ?前、后刀面磨损
41

图3-25 刀具磨损形态

3.5.1 刀具磨损
◆ 非正常磨损 破损(裂纹、崩刃、破碎等),卷刃(刀刃塑性变形)

刀具磨损过程 3个阶段(图3-26)
后刀面磨损量VB
初期磨损 正常磨损 急剧磨损

切削时间

图3-26 刀具磨损过程

磨钝标准 常取后刀面最大允许磨损量VB
42

3.5.1 刀具磨损
刀具磨损原因
◆ 磨粒磨损

—— 各种切速下均存在 —— 低速情况下刀具磨损的主要原因
◆ 粘结磨损(冷焊) —— 刀具材料与工件材料亲和力大 —— 刀具材料与工件材料硬度比小 —— 中等偏低切速

粘结磨损加剧

◆ 扩散磨损 —— 高温下发生 ◆ 氧化磨损 —— 高温情况下,在切削刃工作边界发生
43

3.5.2 刀具寿命
刀具寿命(耐用度)概念
◆ 刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间,用T 表示。

◆ 刀具总寿命 —— 一把新刀从投入切削开始至报废为止 的总切削时间,其间包括多次重磨。

刀具寿命(耐用度)经验公式
(3-14)

式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数 。 用硬质合金刀具切削碳钢(σb= 0.763GP a)时,有:
(3-15)

可见v 的影响最显著;f 次之;ap 影响最小 。

44

3.5.2 刀具寿命
不同刀具材料寿命(耐用度)比较
切削速度v(m/min)
800 600 500 400 300 200 100 80 60 50

陶瓷刀具 (VB=0.4mm) 硬质合金 (VB=0.4mm)

高速钢
1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60

刀具耐用度T(min)

图3-27 不同刀具材料的耐用度比较
45

3.5.3 刀具寿命确定
最大生产率寿命
使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例,工序时间:
(3-16)

式中to 、 tm 、 ta 、 tc 分别为工序时间、基本时间、辅助 时间和换刀时间;T 为刀具寿命。令f,ap为常数,有: 又: 将上式代入式(4-14),对T求导,并令其为0,可得到 最大生产率刀具寿命为:
(3-17)
46

3.5.3 刀具寿命确定
经济寿命
使工序成本最小的刀具寿命。仍以车削为例,工序成本为:
(3-18)

C0 —— 工序成本; Cm —— 机时费; Ct —— 刀具费用; tm ,ta ,tc ,T —— 含义同前。 式中 仍令f,ap为常数,采用相同方 法,可得到经济寿命为(图328)
Top

C0 tmCm

刀具费用 ta C m 刀具耐用度

图3-28 经济寿命 (3-19)
47

3.5.4 刀具磨损、破损检测与监控
常规方法
规定刀具切削时间,离线检测

切削力与切削功率检测方法
?通过切削力(切削功率)变化幅值,判断刀具的磨损程 度;当切削力突然增大或突然下降很大幅值时,则表明 刀具发生了破损 ?通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值”

声发射检测方法
切削加工时,切屑剥离,工件塑性变形,刀具与工件之间 摩擦以及刀具破损等,都会产生声发射。正常切削时,声 发射信号小而连续,刀具严重磨损后声发射信号会增大, 而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多,达到正常切 削时的几倍
48

3.5.4 刀具磨损、破损检测与监控

交换 折断 工件 声发射 传感器 工作台 机床 控制器 钻头破损 检测器

破损信号

图3-29 声发射钻头破损检测装置系统图

flash

49

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第3章 切削原理 Cutting Theory
3.6 切削用量的选择

Determine the Cutting Parameters
50

3.6.1 选择切削用量的传统方法
1. 确定切削深度 ap 尽可能一次切除全部余量,余量过大时可分 2 次走刀,第 一次走刀的切削深度取单边余量的 2/3~3/4 。 2. 确定进给量 f ◆ 粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定(计算或查表) ◆ 精切时根据加工表面粗糙度要求确定(计算或查表) 3. 确定切削速度 v 根据规定的刀具耐用度确定切削速度 v (计算或查表)

4. 校验机床功率(仅对粗加工) 由: ,可导出:
式中 P —— 机床电机功率(KW); η—— 机床传动效率; Fc —— 主切削力(N)。

(3-20)

51

3.6.2 切削用量的优化
优化问题的数学模型
求设计变量:X = [ x1, x2, …, xn ]T ,使目标函数 f (X)→min ,

并满足约束条件:g i (X)≤0 (i = 1, 2, …, m)

切削用量优化模型
◆ 设计变量:切削过程可以控制的输入变量,即切削用量 。ap通常已由工艺过程确定,故一般取 v 和 f 为设计变量。 ◆ 目标函数:指优化目标与设计变量之间的函数关系式。 1)以最大生产率为优化目标——使工序时间为最短

(3-21)

52

3.6.2 切削用量的优化
2)以最小生产成本为优化目标——使工序成本为最小

(3-22)

3)以最大利润为优化目标——使单位成本金属去除率最大

(3-23)

53

3.6.2 切削用量的优化
◆ 约束条件:指设计变量的取值范围 1)机床结构参数限制
(3-24)

2)加工表面粗糙度限制
(3-25)

式中

Ra —— 表面粗糙度(μm); rε—— 刀尖圆弧半径(mm)。
(3-26)

3)机床功率的限制

式中各符号含义同前。
54

3.6.3 切削用量优化方法
间接法(解析法)
即函数求极值的方法。不能考虑约束条件,只适于处理简 单问题。

直接法(数值法或搜索法)
可利用设置惩罚函数,将约束优化问题转化为无约束优化 问题处理。惩罚函数的表达式:
(3-27) 式中 Ra —— 惩罚函数; rε—— 原目标函数; Mp —— 惩罚因子(一个很大的数); —— 惩罚项;

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3.6.3 切削用量优化方法
◆ 寻优过程示意图(采用田川法 + 局部寻优)
v
vmax

可行域
Pcop

Pop

等值线 P<Pmax 约束边界 vmin 0 fmin fmax 图3-30 田川法寻优过程示意图 f
56

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第3章 切削原理 Cutting Theory
3.7 高速加工技术

High Speed Machining Technology
57

3.7.1 高速加工概述
概述
? 1931年德国切削物理学家 C.J.Salomom在 “高速切削原 理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于一 定的工件材料存在一个临界切削速度,此点切削温度最高, 超过该临界值,切削速度增加,切削温度反而下降。 ? Salomom的理论与实验结果,引发了人们极大的兴趣, 并由此产生了“高速切削(HSC)”的概念。 ? 高速加工定义 ? 尚无统一定义,一般认为高速加工是指采用超硬材料的 刀具,通过极大地提高切削速度和进给速度,来提高材料 切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。 ? 以切削速度和进给速度界定:高速加工的切削速度和进 给速度为普通切削的5~10倍。 ? 以主轴转速界定:高速加工的主轴转速≥10000 r/min。

58

3.7.1 高速加工概述
1600

切削温度/℃


1200

青铜

铸铁 硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃ 碳素工具钢450℃

800

400

软铝

非铁金属

切削不 切削适应区 适应区

0

600

1200

1800

2400

3000

切削适应区

切削速度v/(m/min)

图3-31 Salomon切削温度与切削速度曲线

59

3.7.1 高速加工概述
? 高速加工的切削速度范围 ? 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异,见图3-32 ? 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同 ◎车削: 塑料 700-7000 m/min ◎铣削: 300-6000 m/min ◎钻削: 200-1100 m/min ◎磨削: 50-300 m/s
铝合金 铜 铸铁 钢 钛合金 镍合金

10

100 1000 切削速度V(m/min)

10000

图3-32 高速与超高速切削速度范围
60

3.7.1 高速加工概述
? 高速加工的特点 ? 加工效率高:进给率较常规切削提高 5-10倍,材料去除 率可提高3-6倍 ? 切削力小:较常规切削至少降低30%,径向力降低更明 显。有利于减小工件受力变形,适于加工薄壁件和细长件 ? 切削热小:加工过程迅速,95%以上切削热被切屑带走, 工件积聚热量极少,温升低,适合于加工熔点低、易氧化 和易于产生热变形的零件 ? 加工精度高:刀具激振频率远离工艺系统固有频率,不 易产生振动;又切削力小、热变形小、残余应力小,易于 保证加工精度和表面质量 ? 工序集约化:可获得高的加工精度和低的表面粗糙度, 并在一定条件下,可对硬表面进行加工,从而可使工序集 约化。这对于模具加工具有特别意义

61

3.7.1 高速加工概述
? 高速加工的应用 ? 航空航天: ◎带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工,材 料去除率达100-180cm3/min。 ◎镍合金、钛合金加工,切削速度达200-1000 m/min

? 汽车工业: ◎采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产 线,实现多品种、中小批量的高效生产(图3-33)
? 模具制造: ◎高速铣削代替传统的电火花成形加工,效率提高3-5倍 (图3-34,图3-35 )。 ? 仪器仪表: ◎精密光学零件加工。
62

3.7.1 高速加工概述
1 2 3 4

钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔

高速钻孔 表面和内侧倒棱

专用机床 5轴×4工序 = 20轴(3万件/月) 刚性(零件、孔数、孔径、孔 型固定不变)

高速加工中心 1台1轴1工序(3万件/月) 柔性(零件、孔数、孔 径、孔型可变)

图3-33 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例(日产公司)
63

3.7.1 高速加工概述
电极制造

1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣 →7手工磨修 a)传统模具加工的过程

1硬化毛坯→ 2粗铣

→ 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修

b)高速模具加工的过程

图3-34 两种模具加工过程比较
64

3.7.1 高速加工概述
10 1 0.1 0.01 0.001 高速切削

粗加工

传统加工方法 精加工

手工精修

少量手工精修
加工时间 100 %

图3-35 采用高速加工缩短模具制作周期(日产汽车公司)

★ 对于复杂型面模具,模具精加工费用往往占到模具总 费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大 减少,从而可降低模具生产成本。
65

3.7.1 高速加工概述
? 高速加工虽具有众多的优点,但由于技术复杂,且对于 相关技术要求较高,使其应用受到限制。 ? 与高速加工密切相关的技术主要有: ◎高速加工刀具与磨具制造技术;

◎高速主轴单元制造技术; ◎高速进给单元制造技术; ◎高速加工在线检测与控制技术; ◎其他:如高速加工毛坯制造技术,干切技术,高速加 工的排屑技术、安全防护技术等。
? 此外高速切削与磨削机理的研究,对于高速切削的发展 也具有重要意义。
66

3.7.2 高速加工刀具
表3-3 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比
刀具材料种类 材料性能 硬度 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 HRC65 HRC66 3.2GPa 20-30 620 ℃ 低 1.45GPa 0.8GPa 70-100 低 低 30-40 惰性大 天然 聚晶金刚石 金刚石 PCD 聚晶立方氮 化硼 PCBN HV4000 1.5GPa 40-100 >1000 ℃ 惰性大 很高 Ra=0.4-0.2 IT5-6 可替代磨削 淬火钢、冷硬 铸铁、高温合 金等难加工材 料
67

HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 0.3GPa 146.5 惰性小 2.8GPa 100-120 600-800 ℃ 惰性小

抗弯强度 2.4GPa 导热系数 40-50 热稳定性 350℃ 化学惰性 耐磨性 加工质量 低速加 加工对象 工一般 钢材、 铸铁

1000 ℃ 1400 ℃ 800 ℃ 较高 高 一般精度 Ra≤0.8 Ra≤0.8 IT7-8 IT7-8 一般钢 材、铸 铁粗、 精加工 高硬度 钢材精 加工

最高 最高 高精度 Ra=0.1-0.05 IT5-6 硬质合金、铜、 铝有色金属及 其合金、陶瓷 等高硬度材料

一般钢 材、铸 铁粗、 精加工

3.7.2 高速加工刀具
碳原子 氮原子 硼原子

图3-36 金刚石(左)与CBN(右)原子结构

? 金刚石与CBN晶体结构相似,每一个原子都以理想四面 体方式以109°28′键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每 个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每 个N原子与4个B原子结合,每个B原子又与4个N原子结合, 并存在少数离子键。

68

3.7.2 高速加工刀具
? 天然金刚石 ? 天然金刚石是目前已知的最硬物质,根据其质量不同, 硬度范围为HV8000-12000,相对密度为3.48-3.56。 ? 天然金刚石是一种各向异性的单晶体,在晶体上取向不 同,硬度及耐磨性也不相同。

? 天然金刚石耐磨性极好,刀具寿命可长达数百小时;刃 口锋利,切削刃钝圆半径可达0.01μm。
? 天然金刚石耐热性为 700-800℃ ,高于此温度,碳原子 转化为石墨结构,硬度丧失。 ? 天然金刚石价格昂贵,刃磨困难,主要用于加工精度和 表面粗糙度要求极高的零件,如激光反射镜、感光鼓、多 面镜、磁盘等。
69

3.7.2 高速加工刀具
? 聚晶金刚石 ? 人造金刚石是在高温高压条件下,借助于某些合金触媒 的作用,由石墨转化而成。 ? 在高温高压下,金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石 (20世纪60年代出现)。 ? 聚晶金刚石不存在各向异性,硬度略低于天然金刚石, 为HV6500-8000 。 ? 聚晶金刚石价格便宜,焊接方便,可磨性好,应用广泛, 可在大部分场合代替天然金刚石。 ? 用等离子CVD(化学气相沉积)可将聚晶金刚石作成涂 层,用途和聚晶金刚石刀具相同。 ? 金刚石刀具不适于加工铁族材料,因为金刚石中的碳元 素与铁元素有很强的亲和力,碳元素极易向含铁的工件扩 散,使金刚石刀具很快磨损。
70

3.7.2 高速加工刀具
? 聚晶金刚石应用实例
表3-4 聚晶金刚石应用实例 加工对象
铝合金 共晶硅 铝合金 共晶硅

硬度
HRC71

加工方式
端铣 车削

工艺参数

加工效果

HRC71

铣削 车削 铣削 铣削 钻削

玻璃纤维 HRA87 强化塑料 热塑性醋 酸盐 高Si-Al 铸造件 铝合金

v=4000m/mim Ra0.8-0.4μm v=600m/mim 一次刃磨切削行程800km f = 0.1mm/r Ra0.8μm,刀具寿命为 硬质合金的50倍 v=2900m/mim 刀具寿命为硬质合金的80倍 vf=0.018mm/齿 Ra0.8μm v=500m/mim 刀具寿命为硬质合金的 150倍,Ra0.8-0.4μm v = 4500m/s 比硬质合金寿命提高380倍 vf=10mm/min Ra=0.8μm v=2200m/mim Ra=0.8μm v=360m/mim 以钻代镗, Ra=0.8μm
71

3.7.2 高速加工刀具
? 聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 1970年问世 ◆ PCBN切削性能 ? 较高的硬度和耐磨性: CBN 晶体结构与金刚石相 似,化学键类型相同,晶 格常数相近。CBN 粉末硬 度 H V8 00 0 , P CB N 硬度 3000-5000。切削耐磨材料 时,其耐磨性为硬质合金 刀具的 50 倍,涂层硬质合 金刀具的 30 倍,陶瓷刀具 的25倍。
硬度/HV 5000 4000 3000 BN20 2000 1000 0 0 硬质合金 200 400 600 800 1000 温度/℃ 陶瓷

BN100

图3-37 PCBN刀具高温硬度

? 高的热稳定性:热稳定性明显优于金刚石刀具(图3-37)
72

3.7.2 高速加工刀具
?良好的化学稳定性

1200-1300℃与铁系材料不发生化学反应;2000 ℃才与碳 发生化学反应;对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的 多。化学稳定性优于金刚石刀具,特别适合加工钢铁材料。
?良好的导热性 CBN导热性仅次于金刚石,导热系数为 1300W/m· ℃,是 硬质合金的20倍,陶瓷的37倍,且随温度升高而增加。这一 特性使PCBN刀具刀尖处温度降低,减少刀具磨损,提高加 工精度。 ?较低的摩擦系数 CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3(硬质合金为0.40.6 ),且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形 和切削力减小,加工表面质量提高。
73

3.7.2 高速加工刀具
◆ PCBN刀具应用 ?加工HRC45以上的硬质材料 例如各种淬硬钢(工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等), 铸铁(钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等),高温合金,硬 质合金,粉末金属表面喷涂(焊)材料等。
?金属软化效应 用 PCBN 切削淬硬钢, 工件材料硬度< HRC50 时, 切削温度随材料硬度增加 而增加;工件材料硬度> HRC50 时,切削温度随材 料硬度增加有下降趋势 (图 3-38 ),金属软化, 硬度下降,加工易于进行。
800 750 700 650 50 60 70 硬度HRC (V=320m/mim,f=0.2mm/r,a=0.1mm) 600 30 40

图3-38 切削温度与硬度关系
74

3.7.2 高速加工刀具
◆ PCBN刀具应用实例
表3-5 PCBN刀具应用实例 加工对象 硬度 加工方式 车削 镗孔 端铣 磨削 磨削 端铣 立铣 工艺参数 V=180m/mim f = 5.6mm/r V=50m/mim 加工效果 GCr15 HRC71 钢轧辊 YG15 HRA87 冷挤压模 A3热压板 凸轮轴 HRC60 以车代磨,工效提高4-5倍 Ra0.8-0.4μm 工效较电火花加工提高30 倍,Ra0.8-0.4μm V = 800m/mim 以铣代磨,工效提高6-7倍 Vf = 100m/mim Ra1.6-0.8μm,平面度0.02 V= 80m/s 比单晶刚玉砂轮寿命提高 20倍,生产效率提高50% V= 65m/s 比棕刚玉砂轮耐用度提高 170倍,生产效率提高一倍 V = 800m/mim Ra0.8μm,平面度0.02 Vf = 0.1mm/齿 V = 850m/mim 以铣代磨,工效提高5-6倍 Ra0.8μm
75

GCr15 HRC62 轴承内孔 Cr、Cu 铸铁 40Cr钢 HRC38

3.7.3 高速加工机床
高速主轴
? 陶瓷轴承高速主轴结构
密封圈 电主轴 陶瓷球轴承 冷却水出口

陶瓷球轴承

旋转变压器

冷却水入口 图3-39 陶瓷轴承高速主轴
76

3.7.3 高速加工机床
? 陶瓷轴承高速主轴结构特征 ? 采用C或B级精度角接触球轴承,轴承布置与传统磨床 主轴结构相类似; ? 采用“小珠密球”结构,滚珠材料Si3N4; ? 与钢球相比,陶瓷轴承的优点是: ◎陶瓷球密度减小60%,从而可大大降低离心力; ◎陶瓷弹性模量比钢高50%,使轴承具有更高刚度; ◎陶瓷摩擦系数低,可减小轴承发热、磨损和功率损失; ◎陶瓷耐磨性好,轴承寿命长。

? 采用电动主轴(电机与主轴作成一体);
? 轴承转速特征值(= 轴径(mm)×转速(r/min))较 普通钢轴承提高1.2 ~2倍,可达0.5~1×106。
77

3.7.3 高速加工机床
? 回转精度高,液体静压轴承回转误差在 0.2μm以下,空 气静压轴承回转误差在0.05μm以下; ? 功率损失小; ? 液体静压轴承转速特征值可达1×106,空气静压轴承转 速特征值可达3×106 。 ? 空气静压轴承承载能力较小。

78

3.7.3 高速加工机床
磁浮轴承高速主轴
◆电磁铁绕组通过电流 I0,对转子产生吸力 F,与转子重量 平衡,转子处于悬浮平衡位置(图3-32)。转子受扰动后, 偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移,将位移信号送 至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号,经功放变 换为控制电流,改变吸力方向,使转子重新回到平衡位置 ◆位移传感器通常为非 接触式,其数量一般为 5-7 个,对其灵敏度和 可靠性要求均较高。 ◆控制器设计较复杂, 使磁悬浮轴承成本较高 (一套磁悬浮轴承售价 约1万美元)。
控 制 器 放 大 器
电磁铁(定子) 传感器 转子

图3-32 磁悬浮轴承工作原理

79

3.7.3 高速加工机床
? 磁浮轴承主轴结构
前径向轴承 电主轴 后径向轴承 双面轴向 推力轴承

前辅助轴承

后辅助轴承

前径向传感器

后径向传感器 轴向传感器 图3-41 磁浮轴承高速主轴
80

3.7.3 高速加工机床
? 磁浮轴承主轴特点
? 主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承,磁浮轴承 定子与转子间空隙约0.1mm。 ? 刚度高,约为滚珠轴承主轴刚度10倍。 ? 转速特征值可达4×106。 ? 回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度,以及控 制电路性能,目前可达0.2μm。 ? 机械结构及电路系统均较复杂;又由于发热多,对冷 却系统性能要求较高。

81

3.7.3 高速加工机床
? 自检测磁悬浮轴承系统 ? 为检测转子位移,需使用位移传感器,使轴承系统轴 向尺寸加大,动态性能下降,制造成本增高。由此提出 利用电磁铁线圈的自感应来检测转子位移。 ? 工作原理:转子发生位移时,电磁铁线圈的自感应系 数也要发生变化,即电磁铁线圈的自感应系数是转子位 移 x 的函数,相应的电磁铁线圈的端电压(或电流)也 是位移 x 的函数。将电磁铁线圈的端电压(或电流)检 测出来并作为系统闭环控制的反馈信号,通过控制器调 节转子位移,使其工作在平衡位置上(图3-32)。 ? 脉宽调制信号(PWM)经驱动电磁铁产生磁场。从控 制电磁铁提取PWM载波电压中包含了转子位移信息。提 取的信号经全波整流后,由低通滤波器变为转子的低频 位移信号。PID将此信号转变为控制信号,经功率放大后 控制电磁铁,形成闭环控制。
82

3.7.3 高速加工机床
ωC PID 功率放大
U
CP

低通滤波 转子

图3-34 自检测磁悬浮轴承系统控制原理

83


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