切削原理与刀具6

第3章切削原理CuttingTheory切削原理与刀具3.5

刀具磨损与刀具寿命CutterWearandIt’sLife13.5.1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VBVBmaxa)

KTKBb)图3-25刀具磨损形态前、后刀面磨损2正常磨损主要包括下述三种形式。

①后刀面磨损

在与切削刃连接

的后刀面上，磨出长

度为b、后角等于或小

于零的棱面。根据棱

面上各部位磨损特点，

可分为三个区域。

正常磨损形式3.5.1刀具磨损

3

C区：在近刀尖处磨损较大的区域，这是由于温度高、散热条件差而造成的。其磨损量用高度vc表示。

N区：近待加工表面，约占全长1/4的区域。在它的边界处磨出较长沟痕，这是由于表面氧化皮或上道工序留下的硬化层等原因造成的。它亦称边界磨损，磨损量用VN表示。

B区：在C、N区间较均匀的磨损区。磨损量用VB表示。其中局部出现的划痕深沟的高度用VBmax表示。

②前刀面磨损

切屑在前刀面上流出时，由于摩擦高温和高压作用，使前刀面上近切削刃处磨出月牙洼。前刀面的磨损量用月牙洼深度KT表示。月牙洼的宽度为KB。3.5.1刀具磨损

4③前后刀面同时磨损

经切削后刀具上同时出现前刀面和后刀面磨损。

这是在切削塑性金属时，采用中等切削速度和中等进给量较常出现的磨损形式。

在生产中，较常见到的是后刀面磨损，尤其是在切削脆性金属和切削厚度hD

较小情况下。月牙洼磨损通常是在高速、大进给（f＞0.5mm）切削塑性金属时产生的。

3.5.1刀具磨损

53.5.1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）图3-26刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间刀具磨损过程3个阶段（图3-26）常取后刀面最大允许磨损量VB磨钝标准6

2.1.4.2磨损过程和磨钝标准

正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大。若以后刀面磨损为例，它的典型磨损过程如图所示，图中大致分为三个阶段。

初期磨损阶段（Ⅰ段）：

在开始切削的短时

间内，磨损较快。这是

由于刀具表面粗糙不平

或表层组织不耐磨引起

的。

磨损过程3.5.1刀具磨损

7

正常磨损阶段（Ⅱ段）：

随着切削时间增加，磨损量以较均匀的速度加大。这是由于刀具表面磨平后，接触面增大，压强减少所致。AB线段基本上呈直线，单位时间内磨损量称为磨损强度，该磨损强度近似为常数。

急剧磨损阶段（Ⅲ段）：

磨损量达到一定数值后，磨损急剧加速继而刀具损坏。这是由于切削时间过长，磨损严重，切削温度剧增，刀具强度、硬度降低所致。

显然，刀具一次磨刀后的切削时间应控制在达到急剧磨损阶段以前完成。如果超过急剧磨损阶段继续切削，就可能产生冒火花、振动、啸叫等现象，甚至产生崩刃或造成刀具严重破损。

3.5.1刀具磨损

8

所以，应该规定刀具用到产生急剧磨损前必须重磨或更换新刀刃。这时刀具的磨损量称为磨损限度或磨钝标准。由于后刀面磨损是常见的，且易于控制和测量，因此，规定后刀面上均匀磨损区的高度VB值作为刀具的磨钝标准。

在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为：

在后刀面B区内均匀磨损VB=0.3mm；

在后刀面B区内非均匀磨损VBmax=

0.6mm；

月牙洼深度标准KT=0.06+0.3f（f—进给量mm/r）

精加工根据达到表面粗糙度等级要求确定。

3.5.1刀具磨损

9生产中磨钝标准应根据加工要求制订：

粗加工磨钝标准是能使刀具切削时间与可磨或可用次数的乘积最长为原则确定的，从而能充分发挥刀具的切削性能，该标准亦称为经济磨钝标准。

精加工磨钝标准是在保证零件加工精度和粗糙度条件下制订的，因此VB值较小。该标准亦称工艺磨钝标准。

车刀磨钝标准VB值(mm)

3.5.1刀具磨损

10◆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3.5.1刀具磨损

刀具磨损原因11◆

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3.5.1刀具磨损

刀具磨损原因在切削过程中,刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。这主要由于“磨粒”的切削作用造成的。构成这些“磨粒”硬质点的来源,是切屑底层和切削表面材料中含有氧化物（SiO、Al2O3等）、碳化物（Fe3C、TiC等）和氮化物（Si2N4、AlN等）硬颗粒。此外，还有粘附着积屑瘤的碎片、锻造表皮和铸件上残留的夹砂。

123.5.1刀具磨损

磨粒磨损对高速钢作用较明显。因为高速钢在高温时的硬度较有些硬质点（SiO、Al2O3、TiC、Si2N4）低，耐磨性差。此外，硬质合金中粘结相的钴也易被硬质点磨损。为此，在生产中常采用细晶粒碳化物的硬质合金或减小钴的含量来提高抗磨损能力。◆

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切屑与前刀面、加工表面与后刀面之间在压力和温度作用下，接触面吸附膜被挤破，形成了新鲜表面接触，当接触面间达到原子间距离时就产生粘结。133.5.1刀具磨损

粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成的，通常剪切破坏在较软金属一方，但刀面受到摩擦压力和温度连续作用下使强度降低，也会破坏。此外，当前刀面上粘结的积屑瘤脱落时，带走了刀具材料，也形成粘结磨损。

粘结磨损的程度与压力、温度和材料间亲合程度有关。例如在低速切削时，由于切削温度低，故粘结是在压力作用下接触点处产生塑性变形所致，亦称为冷焊；在中速时由于切削温度较高，促使材料软化和分子间运动，更易造成粘结。用YT硬质合金加工钛合金或含钛不锈钢;在高温作用下钛元素之间的亲合作用，也会产生粘结磨损。

低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。14◆

扩散磨损

——高温下发生切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。

扩散磨损是一种化学性质的磨损。3.5.1刀具磨损

15

图（a）（b）所示，为钨钴硬质合金与钢之间的扩散过程：

图（a）为切屑与前刀面上元素分布情况。由于温度的作用，图（b）所示，使硬质合金中W、Co、和C原子向钢中扩散，然后被切屑和加工表面带走。硬质合金中失去了W后，在结晶组织中出现了空穴。此外，失去了Co后削弱了粘结强度。与此同时，材料中Fe原子向刀具中扩散，使刀面表层形成了新的材质。经相互扩散的结果，降低了刀具表面的强度和硬度。

图（c）为钨钴钛硬质合金与钢的扩散情况，由于W原子的扩散速度较Ti和Ta快，所以失去W后留下了硬度高的TiC、TaC晶粒，提高了硬质合金的耐磨性。

3.5.1刀具磨损

163.5.1刀具磨损

173.5.1刀具磨损

通常钨钴钛类硬质合金的扩散温度为850～900℃，因此，后者在高温时耐磨性较高。

在生产中若采用细颗粒硬质合金或添加稀有金属硬质合金，采用TiC、TiN涂层刀片，对于提高刀具耐磨性和化学稳定性，减少扩散磨损均可起重要作用。

18氧化磨损是一种化学性质的磨损。在主、副切削刃与切削层金属表面接触处，硬质合金中WC、Co与空气介质中O2化合成脆性、低强度的氧化膜WO2，该膜受到了工件表面中氧化皮、硬化层等摩擦和冲击作用，形成了边界磨损。

综上所述，刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。在不同加工条件下形成的刀具磨损必有一个原因起主要作用，同时也存在着各种原因的综合作用。

◆

氧化磨损

——高温情况下，在切削刃工作边界发生3.5.1刀具磨损

19

如图示，在低、中速

范围内磨粒磨损和粘结磨

损是刀具磨损的主要原因。

通常拉削、铰孔和攻丝加

工时的刀具磨损主要属于

这类磨损。

在中等以上切削速度

加工时，热效应使高速钢

刀具产生相变磨损、使硬

质合金刀具产生粘结、扩

散和氧化磨损。温度对磨损的影响1-粘接磨损2-磨粒磨损3-扩散磨损4-相变磨损5-氧化磨损3.5.1刀具磨损

20相变磨损

当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均属此类磨损，它们的相变温度为：

合金工具钢300～350℃

高速钢550～600℃

相变磨损造成了刀面塌陷和刀刃卷曲。3.5.1刀具磨损

213.5.2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。（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（σb=0.763GPa）时，有：刀具寿命（耐用度）经验公式223.5.2刀具寿命

图3-27不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度T（min）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料寿命（耐用度）比较23刀具耐用度试验(a)刀具磨损曲线(b)刀具耐用度曲线通过实验先确定5种以上不同切削速度的刀具磨损过程曲线，如图（a）所示。曲线中磨损量VB可利用读数显微镜测得。3.5.3刀具寿命确定

24要达到规定磨钝标准的耐用度数值可长也可短，因耐用度随加工条件特别是切削速度不同而变化着。究竟耐用度长好，还是短好？这应根据耐用度对切削加工的作用而定。刀具寿命（耐用度）合理数值的确定3.5.2刀具寿命

例如：规定耐用度值大，则切削用量应选得小，尤其是切削速度vc要低，但这会使生产效率降低，成本高；反之，规定T值小，虽然可允许高的切削速度vc，提高生产效率，但加速刀具磨损，增加了装卸刀具的辅助时间。

25刀具合理几何参数的选择1.产品销路不畅或产品初创阶段，宜采用经济使用寿命Tc；2.产品销路通畅甚至供不应求情况下，宜采用最大利润率使用寿命Tpr

；3.产品急需的情况下（如战时或救灾），宜采用最大生产率使用寿命Tp

。选择刀具使用寿命应从以下几方面考虑：26刀具合理几何参数的选择1.制造和刃磨较简单、成本不高的刀具，使用寿命选得低些，反之高些。硬合金车刀T为60～90min，钻头T为80～120min，硬质合金端铣刀T为90～180min，齿轮刀具为200～300min。2.装卡调整复杂的刀具，使用寿命选得高些，仿形车床、组合钻床上刀具为通用机床上的200～400%。3.切削大型工件为避免中途换刀，使用寿命选得高些，一般为中小件加工时的200～300%。27刀具耐用度合理数值有两种：

①最高生产率耐用度TP

：所确定的TP能达到最高生产率。或者说，加工一个零件所花的时间最少。

加工一个零件的生产时间tpr由下列几部分组成：

3.5.2刀具寿命

式中tm——切削时间（min/件）；

(a)所以，刀具耐用度合理数值应根据生产率和加工成本确定。28

tl——辅助时间，包括装卸零件、刀具空行程时间

等（min/件）；

tc——一次换刀所需时间（min/次）；

tm/T——换刀次数。

例如纵车外圆时零件的切削长度为L、外径dw，加工余量为△，则所需切削时间tm为：3.5.2刀具寿命

上两式代入（a）得：又29

设

对上式微分后，并令，即可求出最大生产率耐用度TP为：

若刀具耐用度超过最高生产率耐用度，则由于切削用量降低，使生产率下降；小于该耐用度，会增加刀具磨刀和装卸时间，亦会使生产率下降。3.5.2刀具寿命

303.5.3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：最大生产率寿命31所确定的耐用度能保证加工成本最低，亦即使加工每一个零件的成本最低。

每个零件平均加工成本Cpr为：

式中M——全厂每分钟开支分摊到本零件的加工费用，包括

工作人员开支和机床损耗等；

Ct——换刀一次所需费用，包括刀具砂轮消耗和工人

工资等。

上式改写为：3.5.3刀具寿命确定

最低生产成本耐用度Tc

(经济寿命)32

对上式微分，并令，求出最低成本耐用度Tc

为：

如果刀具耐用度高于最低成本耐用度Tc值，则机床消耗费增多、成本提高；反之，刀具耐用度低于Tc值，刀具损耗费和磨刀费增多，成本也高。因此，耐用度Tc值是最经济的。

比较最高生产率耐用度TP与最低生产成本耐用度Tc可知：

Tc＞TP。显然低成本允许的切削速度低于高生产率允许的切削速度。生产中常根据最低成本来确定耐用度，但有时要完成紧急任务或提高生产率且对成本影响不大的情况下，也选用最高生产率耐用度。

刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用。3.5.3刀具寿命确定

33（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）tmCm刀具费用taCmC0刀具耐用度Top成本图3-28经济寿命经济寿命3.5.3刀具寿命确定

(最低生产成本耐用度Tc)34规定刀具切削时间，离线检测常规方法3.5.4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”切削力与切削功率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声发射检测方法353.5.4刀具磨损、破损检测与监控

钻头破损检测器图3-29

声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号flash36分析刀具耐用度影响因素的目的是，调节各因素的相互关系，以保持刀具耐用度的合理数值。各因素变化对刀具耐用度的影响，主要是通过它们对切削温度的影响而起作用的。

（1）切削用量的影响

切削用量vc、f和ap对刀具耐用度的影响规律如同对切削温度的影响规律。即vc、f和ap增大，使切削温度提高、刀具耐用度下降，其中vc影响最大，其次f，ap最小。

通过单因素实验，固定其余条件，分别改变vc、f和ap求出对应T的值，并在vc-T、f-T、ap-t的双对数坐标中画出它们的直线图形，经过数据整理后可得到下列的影响刀具耐用度的因素3.5.4刀具磨损、影响刀具耐用度的因素37刀具耐用度实验公式:

上式主要用作是保证刀具耐用度T合理数值且已知ap和f时计算切削速度vc的依据。

根据刀具耐用度合理数值T计算的切削速度称为刀具耐用度允许的切削速度，用vT

表示，计算式为：

式中：Cv—与耐用度实验条件有关的系数；

m、xv

、yv—分别表示对T、ap和f影响程度的指数；

Kv—切削条件与实验条件不同的修正系数。

上述系数Cv

和指数m、xv

、和yv

可参考有关手册资料。

3.5.4刀具磨损、影响刀具耐用度的因素38

根据vc、f和ap对T的影响程度可知，当确定刀具耐用度合理数值后，应首先考虑增大ap、其次增大f，然后根据T、ap和f的值计算出vT，这样既能保持刀具耐用度又能发挥刀具切削性能，提高切削效率。

（2）刀具几何参数的影响

选择合理的刀具几何参数，是确保刀具耐用度的重要途径；改进刀具几何参数可使刀具耐用度有较大幅度提高。因此，刀具耐用度是衡量刀具几何参数合理和先进与否的重要标志之一。3.5.4刀具磨损、影响刀具耐用度的因素39

前角γo

增大,切削温度降低,耐用度提高；前角γo

太大,刀刃强度低、散热差且易磨损,故耐用度T反而下降。因此,前角γo

对刀具耐用度T影响呈“驼峰形”。它的峰顶前角γo

值,能使耐用度T最高，或刀具耐用度允许的切削速度vT

较高。

主偏角kr减小，可增加刀具强度和改善散热条件，故耐用度T或刀具耐用度允许的切削速度vT

增高。

此外，适当减少副偏角kr’和增大刀尖圆弧半径rε

都能提高刀具强度，改善散热条件使刀具耐用度T或刀具耐用度允许的切削vT

提高。3.5.4刀具磨损、影响刀具耐用度的因素40（3）加工材料的影响

加工材料的强度、硬度越高，产生的切削温度越高，故刀具磨损越快，刀具耐用度T越低。此外，加工材料的延伸率越大或导热系数越小，均能使切削温度升高因而使刀具耐用度T降低。3.5.4刀具磨损、影响刀具耐用度的因素》》》本章结束414243第3章切削原理CuttingTheory机械制造技术3.6

切削用量的选择DeterminetheCuttingParameters443.6.1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)

（3-20）式中P——机床电机功率（KW）；

η——机床传动效率；

Fc

——主切削力（N）。由：，可导出：45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：gi(X)≤0（i=1,2,…,m）3.6.2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。（3-21）1）以最大生产率为优化目标——使工序时间为最短切削用量优化模型46（3-22）（3-23）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3.6.2切削用量的优化

47◆约束条件：指设计变量的取值范围（3-24）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（μm）；

rε——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。3.6.2切削用量的优化

483.6.3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：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；间接法（解析法）直接法（数值法或搜索法）49◆

寻优过程示意图（采用田川法+局部寻优）fv0图3-30田川法寻优过程示意图fminfmaxvminvmaxP＜Pmax约束边界Pop可行域等值线Pcop3.6.3切削用量优化方法

50第3章切削原理CuttingTheory机械制造技术3.7

高速加工技术HighSpeedMachiningTechnology51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。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≥10000r/min。3.7.1高速加工概述高速加工定义523.7.1高速加工概述图3-31Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980℃高速钢650℃碳素工具钢450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削温度/℃切削适应区非铁金属53图3-32高速与超高速切削速度范围

10100100010000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金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54

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55

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

◎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。563.7.1高速加工概述专用机床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）1234钻孔表面倒棱内侧倒棱铰孔表面和内侧倒棱高速钻孔高速加工中心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）573.7.1高速加工概述b）高速模具加工的过程图3-34两种模具加工过程比较1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修a）传统模具加工的过程1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修电极制造58图3-35采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值/mm加工时间100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修3.7.1高速加工概述★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。59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60刀具材料种类合金高速钢硬质合金陶瓷天然

聚晶金刚石

聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4

金刚石

PCD

化硼

PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa

2.8GPa

1.5GPa导热系数

40-50

20-30

70-100

30-40

146.5

100-120

40-100热稳定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃

＞1000℃化学惰性低惰性大惰性小

惰性小

惰性大耐磨性低低较高高最高

最高

很高一般精度Ra≤0.8高精度

Ra=0.4-0.2加工质量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05

IT5-6IT7-8IT5-6

可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表3-3

普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比3.7.2高速加工刀具61图3-36

金刚石（左）与CBN（右）原子结构碳原子氮原子硼原子

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。3.7.2高速加工刀具62

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。3.7.2高速加工刀具63

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64

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硬度加工方式工艺参数加工效果铝合金端铣v=4000m/mimRa0.8-0.4μm共晶硅HRC71车削v=600m/mim一次刃磨切削行程800km铝合金f=0.1mm/rRa0.8μm，刀具寿命为硬质合金的50倍共晶硅HRC71铣削v=2900m/mim刀具寿命为硬质合金的80倍

vf=0.018mm/齿Ra0.8μm玻璃纤维HRA87车削v=500m/mim刀具寿命为硬质合金的强化塑料150倍，Ra0.8-0.4μm热塑性醋铣削v=4500m/s比硬质合金寿命提高380倍酸盐vf=10mm/minRa=0.8μm高Si-Al铣削v=2200m/mimRa=0.8μm铸造件铝合金钻削v=360m/mim以钻代镗，Ra=0.8μm3.7.2高速加工刀具65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500040003000200010000硬度/HV02004006008001000

温度/℃BN100BN20陶瓷硬质合金图3-37PCBN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）3.7.2高速加工刀具66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67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＞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。8007507006506003040506070硬度HRC（V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm）切削温度/℃图3-38切削温度与硬度关系3.7.2高速加工刀具68◆

PCBN刀具应用实例加工对象硬度加工方式工艺参数加工效果GCr15HRC71车削V=180m/mim以车代磨，工效提高4-5倍钢轧辊f=5.6mm/rRa0.8-0.4μmYG15HRA87镗孔V=50m/mim工效较电火花加工提高30冷挤压模倍，Ra0.8-0.4μmA3热压板端铣V=800m/mim以铣代磨，工效提高6-7倍

Vf

=100m/mimRa1.6-0.8μm，平面度0.02凸轮轴HRC60磨削V=80m/s比单晶刚玉砂轮寿命提高

20倍，生产效率提高50%GCr15HRC62磨削V=65m/s比棕刚