第三章 切削与磨削原理.ppt

1,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,2,第3章切削原理CuttingTheory,机械制造工程学,3.1切削过程CuttingProcess,3,3.1.1切屑的形成过程,没有副刃参加切削，且s=0。,4,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,偏挤压：金属材料一部分受挤压时，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,切削：与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应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,3.1.1切屑的形成过程,5,图3-3切屑根部金相照片,3.1.1切屑的形成过程,6,3.1.1切屑的形成过程,图3-4切削变形实验设备与录像装置,7,第变形区：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。,图3-5切削部位三个变形区,第变形区：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。,3.1.1切屑的形成过程,8,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。,3.1.2切屑变形程度的表示方法,厚度变形系数,（3-1）,长度变形系数,（3-2）,9,3.1.2切屑变形程度的表示方法,当0=030，h1.5时，h与相近主要反映第变形区的变形，h还包含了第变形区的影响。,（3-3）,10,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lfi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。,3.1.3前刀面上切屑的摩擦与积屑瘤,图3-8切屑与前刀面的摩擦,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。,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。,11,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,增大前角，保护刀刃影响加工精度和表面粗糙度,滞留粘接长大,12,已加工表面的变形,切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。,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。,13,3.1.4影响切削变形的因素,切削速度进给量：进给量f越大，hD增大，摩擦系数减小，剪切角加大，变形系数h越小。背吃刀量：背吃刀量ap对变形系数h基本无影响。,刀具几何参数,切削用量（无积屑瘤的情况、有积屑瘤的情况）,材料强度和硬度越大，变形系数h越小，即切屑变形越小。,影响最大的是前角。刀具前角o越大，剪切角变大，变形系数h就越小,14,3.1.5切屑类型及切屑控制,15,3.1.5切屑类型及切屑控制,图3-11切屑形态照片,16,3.1.5切屑类型及切屑控制,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3-12）,图3-12切屑的卷曲,图3-13断屑的产生,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3-13）,17,3.1.6硬脆非金属材料切屑形成机理,GGC（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）。,K1K1C（3-5）,式中K1应力强度因子；K1CK1临界值。,对于型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断裂条件为：,18,3.1.5硬脆非金属材料切屑形成机理,大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-14）,19,3.2切削力CuttingForce,20,3.2.1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,21,3.2.2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。,22,3.2.2切削力经验公式,（3-7）,式中Fc主切削力（N）；v主运动速度（m/s）。,（3-8）,23,3.2.2切削力经验公式,机床电机功率,式中机床传动效率，通常=0.750.85,（3-10）,（3-9）,指单位时间切除单位体积V0材料所消耗的功率,24,3.2.3影响切削力因素,工件材料,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3-16）,25,4.2.3影响切削力因素,前角0增大，切削力减小（图3-17）,主偏角r对主切削力影响不大，对背向力和进给力影响显著（rFp，Ff，图3-18）,刀具几何角度影响,26,4.2.3影响切削力因素,刀具几何角度影响,与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（sFp，Ff）刀尖圆弧半径r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（rFp，Ff）；,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；,27,28,3.3.1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,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,主要来源QA=QD+QFF+QFR（3-12）,（3-11）,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,29,3.3.2切削温度及分布,TJUniversity,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。,30,3.3.3影响切削温度的因素,切削用量的影响,式中用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；C与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；Z、Y、Xvc、f、ap的指数。,经验公式,（3-12）,31,3.3.3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,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,冷却液的影响,32,3.3.3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。,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。,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。,33,34,3.4.1刀具的磨损,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,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,35,3.4.1刀具的磨损,非正常磨损,破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）,36,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,3.4.1刀具磨损,刀具磨损原因,37,3.4.2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。,（3-14）,式中CT、m、n、p为与工件、刀具材料等有关的常数。,（3-15）,可见v的影响最显著；f次之；ap影响最小。,用硬质合金刀具切削碳钢（b=0.763GPa）时，有：,38,3.4.2刀具寿命,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,39,3.4.3刀具寿命确定,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：,使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：,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：,（3-16）,（3-17）,又：,40,（3-18）,式中C0工序成本；Cm机时费；Ct刀具费用；tm，ta，tc，T含义同前。,使工序成本最小的刀具寿命。仍以车削为例，工序成本为：,（3-19）,仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为（图3-28）,3.4.3刀具寿命确定,41,3.4.4刀具破损,烧刃（相变磨损）卷刃折断,崩刃折断剥落热裂,42,规定刀具切削时间，离线检测,3.4.5刀具磨损、破损检测与监控,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”,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,43,3.4.5刀具磨损、破损检测与监控,44,45,3.5.1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条件下被切削加工成合格零件的难易程度。,考虑生产率和耐用度的表示方法1）一定生产率条件下，加工这种材料时刀具耐用度；2）一定刀具耐用度前提下，加工这种材料所允许的切削速度；3）相同的切削条件下，刀具达到磨钝标准时所能切除工件材料的体积。考虑已加工表面质量的表示方法考虑切削力或切削功率的表示方法考虑是否易于断屑的表示方法,46,材料切削加工性指标通常用vT表示，vT是指耐用度为T秒（或分）时，切削某种材料所允许的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。,通常取T3600秒（60分），vT写作v3600（v60）；对于一些特别难加工的材料，也可取T1800秒（30分），vT写作v1800（v30）。,如果以45钢的v3600（v60）作为基准，写作（v3600）j；而把其它各种材料的v3600（v60）同它相比，这个比值Kr称为材料的相对加工性。即：,（3-20）,3.5.1工件材料的切削加工性,47,3.5.1工件材料的切削加工性,48,3.5.1工件材料的切削加工性,工件材料韧性对切削加工性的影响,工件材料硬度的影响,1）工件材料常温硬度对切削加工性影响：工件材料硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快。2）工件材料高温硬度的影响：工件材料高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程的有利影响（软化）对高温硬度高的材料不起作用。3）金属材料中硬质点对加工性的影响：金属中硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，则材料的加工性越差。4）材料的加工硬化对切削加工性的影响：加工硬化性越严重，切削加工性越差。,49,材料性能对切削加工性影响,工件材料韧性对切削加工性的影响,强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削温度亦越高，刀具容易磨损。因此，在一般情况下，加工性随工件材料强度提高而降低。,工件材料强度的影响,工件材料塑性的影响,材料塑性大，切削加工性差：切削力大；刀具容易产生粘结和扩散磨损；低速切削时易出现刀瘤与鳞刺；断屑困难。但材料塑性太小时，切屑与前刀面的接触变得很短，切削力、切削热集中在切削刃附近，使刀具磨损严重，故切削性也差。,50,工件材料韧性对切削加工性的影响,工件材料韧性的影响,韧性大的材料，切削加工性较差：在断裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且断屑困难。,工件材料弹性模量的影响,材料的弹性模量E是衡量材料刚度（抵抗弹性变形的性能）的指标，E值越大，材料刚度越大，切削加工性越差。,材料的切削加工性是上述这些机械性能（硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量等）综合影响的结果。,材料性能对切削加工性影响,51,工件材料韧性对切削加工性的影响,如镁合金易燃烧，钛合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削进行。,工件材料导热系数的影响,工件材料导热系数低，切削温度高，刀具易磨损，切削加工性差。金属材料导热系数大小顺序：纯金属、有色金属、碳结构钢、铸铁、低合金结构钢、合金结构钢、工具钢、耐热钢、不锈钢。,工件材料物理化学反应的影响,材料性能对切削加工性影响,52,常用金属材料的切削加工性,53,有色金属,有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。,铸铁,铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。,，,常用金属材料的切削加工性,54,碳素钢,普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。相对而言，中碳钢的切削加工性较好。,，,在碳素钢中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。,合金工具钢,常用金属材料的切削加工性,55,难切削材料,56,刀具几何参数,刀具角度参数,，,各参数之间存在着相互依赖、相互制约的作用，因此应综合考虑各种参数以便进行合理的选择。,刀具刃型尺寸参数,3.5.2刀具几何参数的合理选择,57,前角的选择,增大前角，可减少切削变形，从而减少切削力、切削热和切削功率，提高刀具的使用寿命。但增大前角，会使切削刃强度降低，容易造成崩刃，另一方面使散热情况变坏，致使切削温度增高，刀具使用寿命下降。因此，在一定切削条件下，存在一个合理前角opt。,58,选择合理刀具前角可遵循下面几条原则,前角的选择,根据工件材料的种类和性质选择前角加工塑性材料(如钢)，应选较大的前角；加工脆性材料(如铸铁)，应选较小前角。工件材料的强度和硬度大时，切削力大，温度较高，宜选较小前角；反之，强度和硬度小时，选较大前角。根据刀具材料的种类和性质选择前角刀具材料的强度及韧性较高时(如高速钢)，可选较大前角；反之，强度及韧性较低(如硬质合金陶瓷)时，可选较小前角。选择前角还要考虑一些具体加工条件1）粗加工，特别是断续切削，有冲击载荷时，为增强刀具强度，宜选较小前角。2）精加工或工艺系统刚性差，机床动力不足，应选较大前角。成形刀具，数控机床和自动线刀具，为增加工作稳定性和刀具使用寿命应选较小前角,59,对于后角的合理选择，一般应遵循下列几条原则,后角的选择,当需要提高刀具强度时，应适当减少后角。如刀具前角采用了较大负前角时，不宜减少后角，以保证切削刃具有良好的切人条件。当需优先考虑加工尺寸要求时，宜减少后角，以减小NB值。如需优先考虑加工表面质量(如表面残余应力、表面粗糙度等)要求时，则宜加大后角，以减轻刀具与工件之间的摩擦,60,合理选择主偏角的原则,主偏角的选择,主要看工艺系统的刚性如何。系统刚性好，不易产生变形和振动，则主偏角可取小值；若系统刚性差（如切削细长轴），则宜取大值。,61,副偏角越小，切削刃痕的理论残留面积的高度也越小，可以有效地减少已加工表面的粗糙度。同时，还加强了刀尖强度，改善了散热条件。,副偏角的选择,但副偏角过小会增加副切削刃的工作长度，增大副后刀面与已加工表面的摩擦，易引起系统振动，反而增大表面粗糙度。,62,影响切削刃的锋利性,刃倾角的选择,影响切屑流出方向但副偏角,影响切削力的大小和方向,影响刀头强度和散热条件,负值时，切屑流向已加工表面，易划伤已加工表面；正值时，切屑流向待加工表面。,63,根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本的高低来选择。影响切削刃的锋利性,3.5.3刀具使用寿命的选择,精加工大型工件时，为避免切削同一表面时中途换刀，刀具使用寿命应规定至少能完成一次走刀。,多刀机床上的车刀、组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及数控机床上的刀具，刀具使用寿命应选得高些。,64,3.5.4切削用量的选择,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2/33/4。,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),（3-20）,式中P机床电机功率（KW）；机床传动效率；Fc主切削力（N）。,由：,，可导出：,65,切削用量的选择原则,在保证加工质量，降低成本和提高生产效率的前提下，使ap、f、vc的乘积最大。当ap、f、vc的乘积最大时，工序的切削时间最短。,应尽可能选择较大的ap，其次按工艺装备与技术条件的允许选择最大的f，最后再根据刀具使用寿命确定vc，这样可在保证一定刀具使用寿命的前提下，使ap、f、vc的乘积最大。,66,优化问题的数学模型,求设计变量：X=x1,x2,xnT，使目标函数f(X)min，并满足约束条件：gi(X)0（i=1,2,m）,切削用量的优化,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,67,2）以最小生产成本为优化目标使工序成本为最小,3）以最大利润为优化目标使单位成本金属去除率最大,切削用量的优化,68,约束条件：指设计变量的取值范围,1）机床结构参数限制,2）加工表面粗糙度限制,（3-25）,式中Ra表面粗糙度（m）；r刀尖圆弧半径（mm）。,3）机床功率的限制,（3-26）,式中各符号含义同前。,切削用量的优化,69,切削用量优化方法,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。,（3-27）,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：,70,寻优过程示意图（采用田川法+局部寻优）,切削用量优化方法,71,切削液主要用来降低切削温度和减少切削过程的摩擦。合理选用切削液对减轻刀具磨损、提高加工表面质量及加工精度起着重要的作用。,3.5.5切削液的合理使用,选择切削液应综合考虑工件材料、刀具材料、加工方法、加工要求各方面。,72,73,3.6.1磨削过程切屑形成机理,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,74,3.6.1磨削过程切屑形成机理,磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为6085）磨粒及切削刃随机分布磨削厚度小（几m），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000以上）,75,3.6.2磨削力及磨削功率,磨削力,磨削功率,单位切削力值很大远高于切削加工的单位切削力。三项分力中径向力最大磨削力随不同的磨削阶段而变化构成摩擦达70-80,76,3.6.3磨削热与磨削温度,磨削热,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。,磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的1030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。,77,3.6.4砂轮磨损与修正,砂轮磨损的形式,初期磨损初期磨损初期磨损,磨耗磨损磨粒何工件之间的摩擦引起,砂轮的磨损过程,破损磨损磨粒的破碎或结合剂的破碎,砂轮修正的目的,去除外层以钝化的磨粒或去处以被磨屑堵塞的一层磨粒，使新的磨粒显露出来，并使砂轮具有足够数量的有效切削力，从而保证磨削顺利进行。,78,3.6.5磨削液,磨削液的作用,分类,冷却、润滑、洗涤、防锈,油基磨削液：矿物油、极压油,水基磨削液：乳化液、化学合成液、无机盐磨削液,79,3.6.6几种高效磨削方法,高速磨削,砂轮线速度高于45或50m/s时，称为高速磨削。,以大的吃刀量（可达130mm）和缓慢的量实现高效磨削的一种方法。,砂带磨削,砂带是在带基上（带基材料多采用聚碳酸脂薄膜）粘接细微砂粒（称为“植砂”）而构成。,80,81,1931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。,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510倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000r/min。,3.7.1高速加工概述,高速加工定义,82,3.7.1高速加工概述,83,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,车削：700-7000m/min铣削：300-6000m/min钻削：200-1100m/min磨削：50-300m/s,高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同,3.7.1高速加工概述,84,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,高速加工的特点,3.7.1高速加工概述,85,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200-1000m/min汽车工业：,高速加工的应用,3.7.1高速加工概述,86,3.7.1高速加工概述,87,3.7.1高速加工概述,88,3.7.1高速加工概述,89,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。,3.7.1高速加工概述,90,3.7.2高速加工刀具,91,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10928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。,3.7.2高速加工刀具,92,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0.01m。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。,3.7.2高速加工刀具,93,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。,3.7.2高速加工刀具,94,聚晶金刚石应用实例,3.7.2高速加工刀具,95,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HV8000，PCBN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。,PCBN切削性能,聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年问世,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-37）,3.7.2高速加工刀具,96,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0.4-0.6），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。,3.7.2高速加工刀具,97,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。,PCBN刀具应用,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