機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

1、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)第1頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四1第3章 切削原理Cutting Theory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 3.1 切屑的形成過(guò)程Process of Chip Forming第2頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四23.1.1 金屬切削過(guò)程的變形 直角切削沒(méi)有副刃參加切削，且s = 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）不自由切削第3頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四3 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。FABOM45a）正擠壓FABOM

2、45b）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(xiàn)以下金屬由于母體阻礙，不能沿AB線(xiàn)滑移，而只能沿OM線(xiàn)滑移 切削：與偏擠壓情況類(lèi)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(xiàn)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 擠壓與切削第4頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四4 第變形區(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) 第變形區(qū)：已加工面受到

3、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。第5頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四53.1.2 切屑類(lèi)型與變形系數(shù) 形成條件影響名稱(chēng)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

4、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(lèi)型及形成條件第6頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四6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(lèi)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

5、系數(shù) （3-2） 變形系數(shù)第7頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四73.1.2 切屑類(lèi)型與變形系數(shù) 當(dāng)0 = 030，h 1.5時(shí)， h與相近 主要反映第變形區(qū)的變形，h還包含了第變形區(qū)的影響。ysOM0圖3-10 相對(duì)滑移系數(shù) （3-3） 相對(duì)滑移系數(shù)第8頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四8 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，

6、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)第9頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四93.1.4 已加工表面的變形 n切削刃存在刃口圓弧，導(dǎo)致擠壓和摩擦，產(chǎn)生第變形區(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)。hDhDhACFE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)力分布第10頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33

7、分，星期四10 3.1.5 硬脆非金屬材料切屑形成機(jī)理GGC （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）。K1K1C （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)于型（張開(kāi)型）裂紋，在平面應(yīng)變條件下，脆性斷裂條件為：第11頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四11 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

8、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）flashflash第12頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四12 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?。◣譵），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)第13頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四13 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)

9、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）截面示意圖第14頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四14第3章 切削原理Cutting Theory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 3.2 切削力Cutting Force第15頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四15rFcFFpFf 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)給抗力切削力分解第16頁(yè)，

10、共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四163.2.2 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)。第17頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四173.2.2 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

11、運(yùn)動(dòng)速度（m/s）。 （3-8）切削功率第18頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四183.2.2 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 機(jī)床傳動(dòng)效率，通常= 0.750.85 （3-10）（3-9）指單位時(shí)間切除單位體積 V0 材料所消耗的功率第19頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四193.2.3 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5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981784588主切

12、削力Fc（N）圖3-16 切削速度對(duì)切削力的影響切削用量第20頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四204.2.3 影響切削力因素 前角0 增大，切削力減小（圖3-17） 主偏角r 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（ r Fp，F(xiàn)f，圖3-18）圖3-17 前角對(duì)0切削力的影響前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff圖3-18 主偏角r對(duì)切削力的影響主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006001000140018002200刀具幾何角度影響第21頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四214.2.3

13、影響切削力因素 刀具幾何角度影響 與主偏角相似，刃傾角s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（ s Fp，F(xiàn)f） 刀尖圓弧半徑 r 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（ r 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 ；第22頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四22第3章 切削原理Cutting Theory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 3.3 切削熱與切削溫度Cutting Heat and Cutting Tem

14、perature第23頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四233.3.1 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?chē)橘|(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)生的熱量第24頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四243.3.2 切削溫度及分布 TJ University切削溫度分布 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖處溫

15、度最高。 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611C第25頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四253.3.3 影響切削溫度的因素 切削用量的影響 式中 用自然熱電偶法測(cè)出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度(C)； C 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)； Z、Y、X vc、f、ap 的指數(shù)。經(jīng)驗(yàn)公式 （3-12）刀具材料加工方法高速鋼車(chē)削1401700.350.450.20.30.080.10

16、銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車(chē)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)第26頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四263.3.3 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1GH131 21Cr18Ni9Ti 345鋼(正火) 4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數(shù)：o=15，o=68，r=75，1=

17、-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243 刀具磨損的影響 冷卻液的影響 第27頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四273.3.3 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)。 用不同材料、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

18、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)溫法第28頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四283.3.4 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)。 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。 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(shí)去除單位體積材料所需能量為普通切削的1030倍，砂輪線(xiàn)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。磨削溫度第29頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)3

19、3分，星期四29第3章 切削原理Cutting Theory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Cutter Tumor, Remains Stress and Work Hardening第30頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四303.4.2 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(lèi)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第31頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四313.

20、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)力的控制第32頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四323.4.3 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

21、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hd（m）加工硬化產(chǎn)生原因加工硬化度量第33頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四333.4.3 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)系第34頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四34第3章 切削原理Cutting Theory機(jī)械制造技

22、術(shù)基礎(chǔ) 3.5 刀具磨損與刀具壽命Cutter Wear and Its Life第35頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四353.5.1 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、后刀面磨損第36頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四363.5.1

23、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)第37頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四37 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 刀具磨損原因第38頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四38

24、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。 刀具總壽命 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（b= 0.763GP a）時(shí)，有：刀具壽命（耐用度）經(jīng)驗(yàn)公式第39頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四393.5.2 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）1

25、2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料壽命（耐用度）比較第40頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四403.5.3 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(chē)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)率壽命第41頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四

26、41（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(chē)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 第42頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四42規(guī)定刀具切削時(shí)間，離線(xiàn)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)

27、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 第43頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四433.5.4 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)flash第44頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四44第3章 切削原理Cutting

28、 Theory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 3.6 切削用量的選擇Determine the Cutting Parameters第45頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四453.6.1 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 2/33/4 。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

29、電機(jī)功率（KW）； 機(jī)床傳動(dòng)效率； Fc 主切削力（N）。由：，可導(dǎo)出：第46頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四46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(mǎn)足約束條件：g i (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。 目標(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)化模型第47頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月

30、20日，2點(diǎn)33分，星期四47（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 第48頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四48 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（m）； r 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 第49頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四493.6.3 切削用量?jī)?yōu)化方法 即函數(shù)求極值的方法。不能考慮約

31、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)； r 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）第50頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四50 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fminfmaxvminvmaxPPmax約束邊界Pop可行域等值線(xiàn)Pcop3.6.3 切削用量?jī)?yōu)化方法 第51頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四51第3章 切削原理Cutting The

32、ory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 3.7 高速加工技術(shù)High Speed Machining Technology第52頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四52概述 1931年德國(guó)切削物理學(xué)家在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線(xiàn)”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)

33、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510倍。 以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min。3.7.1 高速加工概述 高速加工定義第53頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四533.7.1 高速加工概述圖3-31 Salomon切削溫度與切削速度曲線(xiàn)切削適應(yīng)區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應(yīng)區(qū)0 600 1200 1800 2400 3000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980高速鋼650碳素工具鋼450Stelite合金8501600 1200800400切削溫度/切削適應(yīng)區(qū)非鐵金屬第54頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月2

34、0日，2點(diǎn)33分，星期四54圖3-32 高速與超高速切削速度范圍 10 100 1000 10000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(chē)削：700-7000 m/min銑削：300-6000 m/min鉆削：200-1100 m/min磨削：50-300 m/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 高速加工概述第55頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四55 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 切削力小：較常規(guī)切削至少降低3

35、0%，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 高速加工概述第56頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四56 航空航天： 帶有大量薄壁、細(xì)筋的大型輕合金

36、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)200-1000 m/min 汽車(chē)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(xiàn)，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。第57頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四573.7.1 高速加工概述專(zhuān)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

37、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(chē)輪轂螺栓孔高速加工實(shí)例（日產(chǎn)公司）第58頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四583.7.1 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 電極制造第59頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四59圖3-35 采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車(chē)公司）與最終尺寸差值/mm加工時(shí)間 100 %

38、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。第60頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四60 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(xiàn)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)

39、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 高速加工概述第61頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四61刀具材料種類(lèi) 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 W18Cr4V YG6 Si3N4 金剛石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗彎強(qiáng)度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù) 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 10

40、0-120 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 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工質(zhì)量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 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

41、工刀具第62頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四62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10928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 高速加工刀具第63頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四63 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。 天然金剛石是一種各向異性的單

42、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)0.01m。 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(pán)等。3.7.2 高速加工刀具第64頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四64 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

43、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 高速加工刀具第65頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四65 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/mim Ra0.8-0.4m共晶硅 HRC

44、71 車(chē)削 v=600m/mim 一次刃磨切削行程800km鋁合金 f = 0.1mm/r Ra0.8m，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 Ra0.8m玻璃纖維 HRA87 車(chē)削 v=500m/mim 刀具壽命為硬質(zhì)合金的強(qiáng)化塑料 150倍，Ra0.8-0.4m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/min Ra=0.8m高Si-Al 銑削 v=2200m/mim Ra=0.8m鑄造件 鋁合金 鉆削 v=360m/mim 以鉆代鏜， Ra=0.8m3

45、.7.2 高速加工刀具第66頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四66 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(lèi)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。 PCBN切削性能 聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 1970年問(wèn)世500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600 800 1000 溫度/BN100BN20陶瓷硬質(zhì)合金圖3-37

46、 PCBN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 高速加工刀具第67頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四67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?xún)?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?xún)H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（硬質(zhì)合金為），且

47、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 高速加工刀具第68頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四68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。 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。800750700650600 30 40 5

48、0 60 70 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 高速加工刀具第69頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)33分，星期四69 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GCr15 HRC71 車(chē)削 V=180m/mim 以車(chē)代磨，工效提高4-5倍鋼軋輥 f = 5.6mm/r Ra0.8-0.4mYG15 HRA87 鏜孔 V=50m/mim 工效較電火花加工提高30冷擠壓模 倍，Ra0.8-0.4mA3熱壓板 端銑 V = 800m/mim 以銑代磨，工效提高6-7倍 Vf = 100m/mim Ra1.6-0.8m，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%GCr15 HRC62 磨削 V= 65m/s 比棕剛玉砂輪耐用度提高軸承內(nèi)孔 170倍，生產(chǎn)效率提高一倍Cr、Cu 端銑 V = 800m/mim Ra0.8m，平面度0.02鑄鐵 Vf = 0.1mm/齒40Cr鋼 HRC38 立銑 V = 850m/mim 以銑代磨，工效提高5-6倍 Ra0.8m表3-5 PCBN刀具應(yīng)用實(shí)例3.7.2 高速加工刀具第70頁(yè)，共78頁(yè)，2022