先进加工技术及装备第二章

1、1.切削加工的发展趋势高速、高效、精密、微细、智能、绿2概念：切削加工是指采用具有规则形状的道具从工件表面切除多余材料，从而保证在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度以及表面层质量等方面均符合设计要求的机械加工方法3. 切削用量：切削速度、切削深度和进给量4. 按照刀具与工件的运动方式以及道具的形状可将切削加工分为车削、铳削、刨削、钻削、插齿、滚齿、攻丝等加工种类刀具运动工件运动车削直线旋转铳削旋转直线刨削往复不动钻削旋转+直线不动镗削旋转+直线不动拉削直线不动铰削旋转+直线不动攻丝旋转+直线不动插齿往复旋转滚齿旋转旋转5.外圆车刀参与切削的部分可以看做是各种刀具切削部分的最基本的形态一、外圆车刀切

2、学部分的组成：三面、两刃、一尖。三面主要指的是前刀面、主后刀面和副后刀面。前刀面是切屑流经的表面。主后刀面是与工件上过度表面相对的表面；副后刀面是与工件上已加工表面相对的表 面。为了实现对切屑的控制，前刀面上一般还有断屑 槽，这时前刀面不再是一个平面；两刃是主切削刃和副切削刃。主切削刃是前刀面和主后刀面的交线，用 以完成切除工作；副切削刃值得是前刀面的副后刀面 的交线，辅助形成加工表面；一尖指的是刀尖，主切削刃与副切削刃之间相交处。二、外圆车刀在切削时，工件做旋转运动，刀具沿着工 件的额轴线方向做直线运动，前者成为主运动，后者 称为进给运动。切削运量三要素“切削速度：切削刃上某一点的切削 速度

3、，是该点相对于工件主运动的瞬时速度；进给量：当工件或者刀具每转一转时。两者沿进给方向打相对 位移；切削深度：工件上已加工的表面和待加工的表 面之间的距离。三、刀具的静止坐标系：基面 Pr、切削平面Ps、主剖面Po。基面是通过主切削刃选定点，垂直于假定的主运 动方向的平面。Ps是通过主切削刃上选定点，与切削 刃相切并垂直于基面的平面。Po是通过主切削刃选定 点，与基面和切削平面都垂直的平面。四、在Po内的角度有前角、后角、楔角。五、切削层参数：切削层的定义：工件每旋转一周，车 刀就会沿着工件轴线移动一定的距离。切削刃从一个 表面移动到另一个表面上，两个表面之间的一层金属 受到前刀面的挤压，通过塑

4、性变形而转化为切屑，这一层金属称为切削层。参数是切削层厚度、切削宽度、 切削面积。六、切屑形成机理：在对塑性材料进行切削加工时，由 于工件材料剪切滑移而形成切屑，所此形成的切屑呈 现带状、挤裂、单元型；对脆性材料进行加工时，由 于工件中裂纹扩展而形成切屑，呈现出 崩碎状切屑。1. 塑性材料切削形成的机理： 二维切削指的是主切削刃与切 削运动方向垂直，副切削刃不参与切削的切削状态。第一变形区是被切削材料向切屑转变时的塑性变形区，从切削根部可看到严重变形区和为变形区存在着明显的界 线，被切削材料在很短的时间里完成了主要的变形。第二变形区是由于切屑从前刀面流出，在较高温度下受到刀具的挤压作用进一步发

5、生严重的变形。第三变形区为以加工的表面与后到面的摩擦以及第一变形区的残余部分组成。塑性材料切屑形成的过程为：当刀具和工件开始接触的瞬间，切削刃和前刀面在接触点挤压工件，使工件内部产生应力和弹性变形。 随着切削运动的继续， 切削刃和前刀 面对工件的挤压作用加强， 使工件材料内部应力和变形逐 渐增大，当应力达到材料屈服极限时， 被切削层材料沿着 剪应力的方向滑移，产生塑性变形。随着滑移的产生，剪应力逐渐增大。当剪应力达到材料的屈服极限时，切削层 材料产生流动。当流动方向与前刀面平行时， 不再产生滑 移，切削层材料沿着前刀面与基体分离。以上过程发生在第一变形区当切屑沿着前刀面流出时受到前刀面的挤压与

6、摩擦，在前刀面摩擦阻力的作用下， 靠近前刀面的切屑底层再次 产生剪切变形，使薄薄的一层材料流动缓慢， 晶粒再度伸 长，沿着前刀面方向纤维化， 这流动滞缓的一层金属称为 滞留层，其变形程度比切屑上层剧烈好几倍。发生在第二变形区。总之，塑性材料的切屑形成的过程，其本质上被切削 的材料在刀具切削刃和前刀面的作用下，收到挤压产生剪切滑移变形的过程。切削变形的程度可以用变形系数切削长度变形系数和 切削厚度变形系数来衡量。 前者是切削层长度和切屑长度 之比，后者是切削厚度和切削层厚度之比。剪切角越大，变形系数越大，因为切屑会变长变厚。脆性材料的切屑形成过程：延伸率是衡量材料塑形性能 的指标，大于5%的为塑

7、性材料，小于的为脆性材料 。塑 性材料和脆性材料的断裂机理很不相同：塑性材料是在很大的塑形变形后发生的， 脆性材料是在很低的应力下， 几 乎没发生什么塑性变形就断裂了。脆性材料切削时通常产生的是不连续的单元型切屑和崩碎型切屑。七、切屑的类型：带状、挤裂、单元、崩碎。带状切屑是在加工塑性材料、切削厚度较小、切削速 度较高的情况下产生的，挤裂切屑是在加工塑性材料、 切削厚度较大、切削速度较低、刀具前角较小的情况 下发生的，单元切屑一般是在加工塑性材料、切削厚 度较大，切削速度较低、刀具前角较小的情况下发生 的。崩碎切屑是在切削厚度大、刀具前角小的情况下 产生的。八、积屑瘤：在前刀面紧靠刃口处的一小

8、块很硬的金属 楔块。积屑瘤的作用：积屑瘤刚形成时，代替前刀面 和切削刃进行切削，有保护切削刃、减轻前刀面及后 刀面摩擦的作用。但是，当积屑瘤破裂脱落时，切屑 底部和工件表面带走的积屑瘤碎片，分别对前刀面和 后刀面有机械擦伤作用；当积屑瘤从根部完全脱落时， 将对刀具产生粘结磨损。积屑瘤生成后刀具的实际前 角增大，减少了切削变形，降低了切削力。积屑瘤有 一定的伸出量，因而改变了切削深度的进给量，影响 尺寸精度，对精加工影响尤为显著。九、鳞刺：形成原因：在较低的切削速度下形成挤裂切屑或者 单元切屑时，切屑与前刀面间的摩擦力发生周期性的 变化，促进切屑在前刀面上周期性停留，并代替刀具 推挤切削层，造成

9、切削层材料的积聚，并使切削厚度 向切削下一层增大，已加工的表面出现拉应力从而导 致断裂，生成鳞刺。过程：擦拭阶段、导裂阶段、层积阶段、切顶阶段。 导裂阶段的特征是在切削刃下方，切屑与已加工表面 之间出现一裂口，时间短。防止鳞次产生的措施：减小切削厚度；采用硬质合 金或者高硬度刀具进行高速切削；采用热切削或振动 切削；采用润滑性能良好的极压切削油或者挤压乳化 液，同时适当降低切削速度，以保持切削液的润滑效 果。十、 零件的加工表面完整性：1. 与表面纹理组织有关的部分，零件最外层的几何形状， 通常包括表面围观几何形状与表面缺陷等表面特征，从几何学方面去面熟零件的表面状态，通常用表面粗糙度作为评价

10、指标。表面粗糙度反映了以加工表面的微观不平度。沿着切削速度的方向的为纵向粗糙度，垂直于切削速度的为横向粗糙度。一般横向粗糙度为纵向的 23倍。纵向粗糙 度一般取决于切削过程的积屑瘤、鳞刺、切削状态和加工过程中的振动等。横向的除了上述原因外， 更重要的是受 至U切削残留面积高度及副切削刃对已加工表面的挤压而 产生的材料隆起等支配。表面粗糙度影响零件的耐磨性、 抗腐蚀性、零件配合性和疲劳强度。2. 切削加工后表面层的硬化层，取决于工件材料在切削过程中的强化、弱化和相变的综合结果； 切削过程中强烈的塑 性变形起主导作用时， 已加工的表面产生加工硬化；当切肖U温度起主导作用时，弓I起工件表层的硬度降低

11、和相变， 较高的温度、较低的共建材料熔点等将减轻加工硬化现象。3. 残余应力分为拉应力和压应力。 拉应力容易引起裂纹， 使零件产生疲劳断裂和应力腐蚀，压应力能提咼零件的抗疲 劳强度。产生的原因主要有：热塑性变形、里层材料弹性回复、表层材料的挤压和相变等。十一、切削力1. 来源：弹性变形力和摩擦力。2. 主切削力：垂直于基面与主运动方向一致。 切深抗力： 在基面内作用于工件直径方向上；进给抗力：在基面内，与刀具的进给方向平行。3. 影响因素1）工件材料：其物理机械性能决定着切屑形成过程中 的变形及摩擦。一般情况下，工件材料的强度、硬 度越高，切削力越大；在强度硬度相近的情况下， 材料塑性越大，韧

12、性越大，切削力越大。2）切削量：速度高，低；3）刀具几何参数：前角小，主切削力大；4）刀具材料。在各类刀具中，摩擦系数是按照金刚石、 陶瓷、硬质合金、高速钢的顺序加大的。因而切屑 力增大。5）后刀面磨损越大，切削力越大。4. 测量、测力仪十二、切削热1. 来源：主要产生塑性变形的第一变形区：切屑与前刀 面摩擦区，第二变形区：后刀面与工件加工表面摩擦 区，及第三变形区。2. 测试方法：热电偶法：自然热电偶法：以不同化学成分的刀具 和工件作为热电偶的两极，组成热电回路测量切削温 度的方法。人工热电偶法：将两种预先标定好的金属 丝组成热电偶热端焊接在刀具或工件待测温度点上， 尾端通过导线串接在电位差

13、计上，切削时根据表上的 指示值，参考曲线得到。人工热电偶法只能测得距离 刀面一定距离处某点的温度，不能直接测得前刀面的 温度。辐射法：辐射热计法、红外线干板法热颜料法、热敏电阻法、量热计法。3. 影响因素：切削用量（大大）、刀具几何参数（前角大， 降低，主偏角大，升高）刀具磨损的影响（大大）工 件材料的影响、切削液十三、刀具材料1. 刀具材料的性能：高硬度和高耐磨性；足够的强度和冲击韧性；高耐热性；良好的公益性和经济性；2. 常用刀具材料：高速钢、硬质合金（YT类的摩擦系数比YG的小）陶瓷、超硬材料（天然金刚石、人造金刚 石、PCD CVD、CBN）3. 涂层刀具技术：刀具涂层制备技术可分为化

14、学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD） CVD技术可实现但 成分单层及多成分多层复合涂层的沉积，涂层与基体 结合强度高，耐磨性好。但是 CVD工艺温度高，易造 成刀具材料抗弯强度下降。目前CVD主要用于硬质合金可转位刀片的表面涂层。PVD工艺温度高刀具涂层有以下几种：氮化钛涂层、氧铝钛或氧钛铝涂层、氧化铬涂层、金刚是涂层十四、刀具磨损和耐用度:1. 刀具磨损的分类：在切削过程中前刀面和后刀面在高温、高压的作用下，刀具和工件接触并相对滑动和摩擦，产生磨损。前刀面往往磨成月牙洼，后刀面形成磨损带。前刀面磨损：加工塑性材料时，当刀具材料耐热、耐磨 性较差，切削速度较高， 切削厚度较大时，常常在

15、前刀面 上发生磨损。由于切屑底面与刀具的前刀面在切削过程中 个是化学活性很高的新表面， 在接触区高温高压的作用下， 切屑将在刀具前刀面上逐渐磨出一个月牙形凹坑。后刀面磨损：切削脆性材料或者以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性材料时，容易产生后刀面磨损。分 为靠近刀尖的 C区、靠近待加工表面的 N区和中间部分 的B区。边界磨损：主切削刃与工件待加工表面或副切削刃与工 件以加工表面接触后的后到面上，磨出较深的沟纹，这种磨损沟纹成为边界磨损。2. 刀具磨损机理：机械磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨 损；还有疲劳、冲击引起的磨损或微小磨损。机械磨损：由于工件材料中的杂志和基体组织中所含的 硬质点以

16、及积屑瘤的碎片等在刀具表面上划出沟纹而形 成的磨损。硬质点在前刀面上形成一条条与切屑运动方向 一致的沟纹，在后到面上划出一条条与工件运动方向一致的沟纹。是低速切削磨损的主要原因粘结磨损：粘结是刀具与工件材料在足够大的压力和足 够高的温度的作用下，相互间在接触区域所产声的冷汗粘 结现象，是摩擦面塑性变形形成的新表面原子间相互吸附 的结果。粘结磨损主要取决于刀具材料和工件材料之间的 亲和力、刀具表面形状与组织、切削温度等，亲和力越大， 硬度比越小，越严重。扩散磨损：切削时切削区处于高温， 切刀具表面始终处 于与被切出的新表面相接触， 因此刀具与工件及切屑的接 触区域化学火星很高。当两摩擦表面化学元

17、素的浓度差较 大时，有可能在固态下互相扩散到对方中去，改变刀具和工件的化学成分，若由于成分改变导致刀具材料变得脆弱， 则会引起刀具磨损为扩散磨损。氧化磨损：刀具切削时和工件接触紧密，氧气很难进入接触区域内部，因此，氧化磨损一般以边界磨损的形式出 现。3.刀具的耐用度：1) 刀具的磨损标准：是刀具磨损的某一临界值，可分为生产现场用磨钝标准和刀具耐用度试验用磨钝标准。2) 一把新刀从开始切削到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，成为刀具耐用度。十五、高速切削1.优势:1）切削速度高，进给速度相应提高510倍，单位时间内材料切除率大大增加。同时机床的快速空程速度大幅 度提高，大大减少了非且需的空行程

18、时间，极大的提 高了劳动生产率。2）切削速度达到一定的数值后，切削力降低30%以上。3）高速切削时，9598%以上的切削热来不及传给工件， 被切屑带走，工件基本保持冷态，特别适合于加工容 易热变形的零件。4）高速切削时，机床的激振频率很高，远远的离开了机床-刀具-工件”工艺系统的固有的频率范围，工作平稳， 振动小，加工精度高。5）高速切削能加工难加工的材料6）降低加工成本。2. 技术1）高速切削刀具：常见的有超硬刀具材料、陶瓷材料、涂层刀具。高速切削刀具系统必须满足：1很高的几何 精度和装夹重复精度；2很高的装夹刚度；3高速运转 时安全可靠。2）高速切削机床：高速单元技术和机床整机技术。前者主

19、要包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统；后者包括机床床身、冷却系统、安全设施和加工 环境。3）测试技术：传感技术、信号分析和处理等技术3. 高速切削机理：一般硬度的工件材料在很大的速度范围内容易形成带状切屑，而硬度较高和低热物理性能的工件在 很宽的切削速度范围内均形成锯齿状切屑，随着速度的提高，锯齿化程度增加，直至形成分离的单元切屑。切削速 度直接影响切削力的大小， 在高速范围内随着切削速度的 增加，切削温度降低，摩擦系数减小，剪切角增大，切削力降低。高速切削时随着切削速度的提高，切屑带走的热 量增加，但是当切削速度大大一定的数值之后，切屑带走的热量苏浙切屑深度的提高而增加，切削温度

20、上升缓慢， 直至很少有变化。高速切削时，刀具的损坏主要有磨损和 破损，磨损的机理主要是粘结磨损和化学磨损（氧化、扩 散、溶解）4. 高速切削工艺1）切削参数的选择2）切削路径的选额和优化：走到方向优化、刀位轨迹生成、柔性加减速3）刀具材料的选择：a）切削刀具材料与加工对象力学性能匹配：刀具材料的硬度：PCDPCBNAL3基陶瓷S3N4基陶瓷TiC（N）基硬质合金WC基超细晶粒硬纸合金 高速钢（HSS刀具抗弯强度：高速钢（HSS WC基超细晶粒硬纸合金TiC （ N）基硬质合金S3N4基陶瓷AL2O3基陶瓷 PCD PCBN断裂韧性：高速钢（HSS WC基超细晶粒硬纸合金Ti（ N）基硬质合金P

21、CBNPCD SN4基陶瓷 人鸟03基陶瓷b）切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配c）化学性能匹配4）干式切削技术：降低切削成本、降低环境污染、提高切屑的回收利用5）加工误差综合动态补偿技术：伺服系统滞后、加减速 的滞后、插补周期引起的形状误差等，温度补偿、象 限补偿、丝杠误差补偿等。5.应用：1）高素硬车削：主要作为对脆硬钢的最终加工或精加工; 与磨削相比，特点是：加工效率高、洁净加工、减少 设备、零件整体加工精度高；2）高速钻、铰和攻螺纹：优势是大幅度提高了材料的切 除率，提高生产率；提高加工表面质量；提高了加工 精度；难点是：排屑散热、刀具的选择、加工工艺的选择和改进、提供高主轴转速的机

22、床。其中刀具主要 是高速钢涂层刀具、整体硬质合金刀具、硬质合金涂 层刀具、整体硬质合金涂层刀具、 超细晶粒硬质刀具、 CBN刀具和陶瓷刀具。改进的方法是改善润滑和冷却 条件，在钻削中米用道具中心通切削液，一方面更好 的冷却，另一方面有利于排屑。3）高速铳削：获得较好的表面质量、切削温度低、经济 效益好、提高了刀具的使用寿命十六、精密与超精密切削加工1. 在精密切削过程中，切削功能主要由道具切削刃大刃口圆 弧承担。（加工精度在0.1卩m 一下，加工表面的粗糙度在 0.10.02卩m的范围内）2. 精密切削中切削力的影响因素1）切削速度：如不考虑积屑瘤的存在，采用硬质合金车刀和采用天然 金刚石车刀

23、进行精密切削，切削速度对切削力的影响规律 是不一样的。用硬质合金车刀精密切削时，切削速度对切削力的影响不明显；用天然金刚石车刀精密切削时，切削力随切削速度的增加而下降；若考虑积屑瘤的影响， 低速 时切削力随切削速度增加，切削力急剧下降。到200300m/min后，切削力基本保持不变，规律和积屑瘤高度 随切削速度的变化规律一致，即积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力也小，这和普通切削时的规律正好相反。原因是：积屑瘤的存在， 使刀具的刃口半径增大，积屑瘤呈鼻形并自刀刃前伸出，这导致实际切削厚度超过名义值 很多；积屑瘤代替道具进行切削，积屑瘤和切削及已加工的便面之间的摩擦比刀具和它们之间的摩擦要严重

24、的多， 从而使切削力增加。2）进给量的影响3）切削深度的影响4）刀具材料的影响3. 超精密切削加工（加工精度在0.01卩m以下，加工表面粗 糙度在0.01卩m以下）1）特点：使用了天然单晶金刚石刀具，切削刃磨得极其 锋利，金刚石硬度极高，耐磨性好，热传导系数高和 工件摩擦系数低，因此切削温度低，切削速度对金刚 石刀具的磨损影响甚微；切削速度主要取决于切削系 统的动态性能；积屑瘤将使金刚石刀具的刃口圆弧半 径显著增加，实际切削厚度增大，工件、切屑与刀具 的摩擦加剧，从而导致切削力明显增大，加工表面质 量恶化。2）实例:镜面铳技术、金刚石车削十七、深孔钻削技术1. 深孔加工系统分为外排泄系统（枪钻

25、系统）和内排泄系统（BTA系统、喷吸系统和 DF系统）2. 深孔钻削刀具：焊接式或机夹式硬质合金或高速钢。3. 保证钻削质量的措施： 采用分段分级依次钻削加工； 采用 海绵条吸满冷水覆盖在热量集中的区域进行冷却的办法降低温度；经常退出钻头，进行冷却并清除切屑。4. 特点：切削热不容易排出、排泄困难、支撑导向很重要（深 径比大，刚性低，易振动、易走偏）等5. 监控技术：直接测量刀具磨损检测法、（光导纤维法、电视摄像法、放射性同位素法、接触电阻法、光学测量法、 接触探头法）、切削力检测法、电机电流与功率检测法、 声发射检测法、振动检测法十八、振动切削加工技术1. 分类：按照振动性质分为自激振动切削

26、和强迫振动切削。前者是利用切削过程中产生的振动进行切削的，后者是利用专门设置的振动装置，使刀具或工件产生某种有规律的 可控振动进行切削的方法； 按照切削刀具的振动方向分为 吃刀抗力方向、进给抗力方向和主切削力方向三种；按照频率分为高频和低频振动切削。前者指的是振动频率在 200Hz以下的，后者指的是振动频率在16kHz以上的。1）低频振动切削原理：振动主要靠机械装置实现，结构 简单，造价低，使用维护方便，振动参数受负载影响 小;2）超声波振动切削原理：其装置由超声波发生器、换能器、变幅杆和振动刀具组成。来自超声波发生器的正 弦波形的电振荡通过换能器变成只有几个微米的机械 振动，然后经过变幅杆将

27、振幅放大到15卩m以上，而连接在变幅杆前面的刀具就能以相同的频率进行振动。2. 特点：切削力大大减小、 切削温度明显降低、切削液的作用得充分发挥、提高了刀具的使用寿命、 提高了加工精度 和表面质量、可提高已加工表面的耐磨性和耐蚀性。3. 振动在切削加工中的作用：1）摩擦因素减小：振动可使相互接触材料间的静动摩擦 因素减小；振动切削能使切削液产生空化作用，使切 削液充分发挥作用；此外，在无切削液作用的瞬间， 前刀面生成氧化膜，同样使摩擦因数减小。2）剪切角增大3）工件刚性化4）应力和能量集中5）相对静切削是奸短4低频振动切削加工：1）分类：按照振动方向分为切 削速度方向 振动切削、进 给方向振动

28、切削、吃刀抗力方向 振动切削以及 复合式 振动切削四种2）理论：切削形态自主控制、切削过程有条件稳定性、加工质量变化规律、切削力及刀具磨损3）应用：低频振动钻削（在传统的钻削的基础上给刀具 或工件加上某种有规律的可控运动，使切削用量集中 的切削速度、进给量和切削深度按照某种既定的规律 变化，改变刀具与被加工材料之间的空间-时间的存在条件，从而达到切削的目的，一般采用轴向和扭转两 种振动方式）；低频振动攻丝（优点：促进切屑顺利排 出、切削力和切削扭矩小、延长丝锥寿命、提高加工 精度）5. 超声波振动切削：可改善零件加工表面质量与加工精度， 延长刀具寿命，提高切削效率、扩大切削加工应用范围。 其本

29、质是利用刀具或工件的高频振动使一段连续的切削 过程转化为分段的间断的高速切削过程。1）对切削过程的影响：周期性的改变了切削速度的大小 和方向；周期性的改变了刀具的运动角度；周期性的 改变了被切金属层的厚度；改善了加工表面的质量， 提高了加工精度；改善了切削液到达切削区的条件、2）应用：超声波振动钻削、（切削效果明显提高、排屑顺 禾I、孔的表面质量大大提高）、超声波镗削十九、加热与低温切削技术1.加热切削1）是指在加工过程中，通过各种方式，对被加工的材料 进行加热，使切削区、表层或整体达到一个合适的温 度后再进行切削加工的一种新的加工技术。目的是通 过加热来软化工减材料，使工件材料的硬度、强度等 性能有所下降，易于产生塑性变形、减小切削力、提 高刀具使用寿命和生产效率，抑制积屑瘤的产生、减 小表面粗糙度。2）加热切削原理： 在高温作用下，刀具材料的硬度比工 件材料的下降的要缓慢，并且高于一定温度后，二者 的硬度差变大，切削变得容易。当刀具和工件的强度比和硬度比大于1.5时就能够进行切削，且这个比值越 大，刀刃形状的保持能力越强， 加工表面的精度越高。3）刀具磨损通常是机械、 化学和热三种作用的综合结果， 可以产生 磨料磨损、冷焊磨损、扩散磨损和氧化磨损 及电热磨损等。4）切削时，工件材料的导热系数小，刀具的导热系数大 好。5）关键技术：加热。主要有电加热、