第一讲 切削加工概论

第一讲切削加工概论第一页，共五十二页，2022年，8月28日三大基础要素分别构成了3大研究应用领域：刀具——切削机理、材料、结构及工艺性机床——结构、性能、工艺范围工件——加工工艺、结构、性能工艺性第二页，共五十二页，2022年，8月28日实际上，切削过程是一个很复杂的工艺过程，它不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等。切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损等影响。切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命。机械加工工艺系统定义：在机械加工中，由机床、刀具与被加工工件一起构成了一个实现某种加工方法的整体系统，这一系统称为机械加工工艺系统。第三页，共五十二页，2022年，8月28日相关的研究工作英国科学家奥克莱(K.P.Oakley)在《人—工具的制造者》一书中所指出的:“人类是随着新的刀具材料的发明而逐渐进步的，人类的历史由此可以划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代和钢的时代”。切削的核心内容：生产效率和加工精度和质量。第四页，共五十二页，2022年，8月28日切削加工技术发展史1、古代的切削加工人类对切削原理只有一些朴素的唯物辩证的认识.孔子《论语·卫灵公》：工欲善其事，必先利其器。2、近代的切削加工自从切削加工技术发展到一定水平后，人们开始注意探讨切削过程中的现象和规律，研究切削的理论，并用以指导生产.研究工作主要从19世纪，特别是从19世纪后期开始的.第五页，共五十二页，2022年，8月28日最早研究金属切削要数英国Rumtord，他于1789年研究过炮身加工时的切削热和切削功。1851年，法国人考克夸尔哈（Cocquilhat）直接测量钻削时切除单位体积金属所需的功。1873年，德国人哈蒂格(HartigE)发表了切削功的表格。1870年俄国人基麦和1873年法国人特雷沙都曾解释过切削形成过程。第六页，共五十二页，2022年，8月28日1881年英国人马洛克(MallockA)指出，切削过程基本上是在刀具推挤下使工件材料发生剪切而成为切屑的过程，还强调刀具前刀面上摩擦作用的重要性。他曾将切屑试样经抛光、腐蚀进行观察，还研究过润滑剂的影响、刀刃锋利性对切削过程的影响，以及切削过程中引起颤振的原因。1896年，俄国人布里克斯开始将塑性变形的概念引入金属切削。至此，切屑形成才有了较完整的解释。

第七页，共五十二页，2022年，8月28日基麦对切削过程进行研究成果:1)认为韧性金属的切削是挤压过程;2)决定了挤裂角和收缩系数;3)提出了切屑的种类及切屑形成的4个阶段;4)初步分析了切削力，但未考虑摩擦和塑性变形的影响.第八页，共五十二页，2022年，8月28日1893年，俄国科学家慈伏雷金在切削力的主要问题上作了许多研究工作：1)制作了直接测定切削力的测力仪。2)在实验基础上，建立了切削力的双因素公式为：式中P为切削力，b为切削宽度，a为切削厚度，k为常数.第九页，共五十二页，2022年，8月28日现在，通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为：第十页，共五十二页，2022年，8月28日1902——1921年，乌沙乔夫进行了很多研究工作:(1)创造了用热电偶测量切削温度的方法;(2)用金相方法研究切削过程，发现了滑移面;(3)创造了图解分析试验结果，寻找切削规律的方法.第十一页，共五十二页，2022年，8月28日1918--1925年，俄国人契留斯金进一步建立了多因素的切削力公式为：式中Pz为主切削力，k为常数，δ为切削角，φ为主偏角，t为切削深度，s为进给量.第十二页，共五十二页，2022年，8月28日19世纪末到20世纪初美国工程师泰勒,对金属切削加工技术主要贡献:(1)研究了切削条件和刀具材料对刀具寿命的影响规律，确定经验公式，从而优选切削条件.式中:ν为切削速度，T为刀具寿命，A,m为与刀具材料、工件材料及切削条件有关的常数和指数.泰勒公式是金属切削科学中最重要的经验公式，至今还在应用.第十三页，共五十二页，2022年，8月28日(2）研究发现，刀具上的切削温度控制着刀具磨损的速率.(3）1898年，泰勒和冶金学家怀特(whileW)成功研制了高速钢，并作广泛的、系统的切削实验.高速钢可用30m/min的速度切削钢材，比原用的碳素工具钢、合金工具钢提高了好几倍.高速钢的问世，引起了金属切削的重大变革，获得了巨大的经济效益.时光已经过去了一百多年，高速钢W18Cr4V的化学成分仍然同泰勒、怀特当年规定的成分相近.第十四页，共五十二页，2022年，8月28日1923年，德国的施勒特尔往碳化钨粉末中加进10%～20%的钴做粘结剂，发明了碳化钨和钴的新合金，硬度仅次于金刚石，这是世界上人工制成的第一种硬质合金。用这种合金制成的刀具切削钢材时，刀刃会很快磨损，甚至刃口崩裂。1929年美国的施瓦茨科夫在原有成分中加进了一定量的碳化钨和碳化钛的复式碳化物，改善了刀具切削钢材的性能。这是硬质合金发展史上的又一成就。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍。第十五页，共五十二页，2022年，8月28日1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层刀具，刀具的基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度不过几微米，但是与同牌号的合金刀具相比，使用寿命延长了3倍，切削速度提高25%～50%。20世纪70年代已出现第四代涂层工具，可用来切削很难加工的材料。第十六页，共五十二页，2022年，8月28日第十七页，共五十二页，2022年，8月28日3、现代的切削加工高速切削(HSC)是近二十年来迅速崛起的一项先进制造技术，是现代切削加工技术的发展方向之一，具有广阔的应用前景。高速切削时，切削力小，切削温度低，加工精度高，表面质量好，可实现高切削效率和低加工成本，并目_可对难加工材料进行加工。但高速切削刀具磨损严重，寿命较短，这是阻碍高速切削进一步发展的主要因素。第十八页，共五十二页，2022年，8月28日被加工材料都有一个临界切削速度V0，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。1931年萨洛蒙博士发表了高速切削假设理论：（所罗门原理）

第十九页，共五十二页，2022年，8月28日切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。理想剪切模型第二十页，共五十二页，2022年，8月28日（1）高速切削加工理论研究和探索阶段（1931～1971年）自20世纪30年代Salomon理论提出后，20多年没有什么重要进展，直到50年代后期，高速切削加工的理论基础研究在世界范围内开始展开。美国、日本、法国、苏联、英国和澳大利亚等国才进行了一些高速切削的理论基础研究。第二十一页，共五十二页，2022年，8月28日由于当时还没有高速加工的机床，不能进行很高速度的切削加工实验，于是采用了弹射实验方法。这些实验有的是通过弹射快速滑动带动的刀具经过工件进行切削加工，有的是弹射工件使它经过静止的刀具切削刃进行切削。第二十二页，共五十二页，2022年，8月28日美国洛克希德（Lockheed）飞机公司R.L.Vanghn研究小组于1958～1960年进行了高速切削加工的切削力、切削温度、刀具磨损、切削振动和切屑形成机理等实验研究。切削实验的工件材料有AISI4340（40CrNiMoA）钢、Ti-6Al-4A钛合金、镍基高温合金和铝合金等。刀具材料包括高速钢、硬质合金与史特莱合金（Stellite），切削速度4570～73000m/min，切削深度0.127～1.10mm。第二十三页，共五十二页，2022年，8月28日这些研究表明：高速切削加工时，切屑形状与普通切削条件下不同，随着切削速度提高，逐渐形成不连续的切屑，切屑是由于脆性断裂而形成的。在低速切削时，切削力随切削速度提高而增大，但当切削速度大到一定程度后，切削力会下降。第二十四页，共五十二页，2022年，8月28日大量研究结果还表明：高速切削加工可以通过使用能承受工件材料熔点以上温度的刀具材料来实现。提高切削速度可以改善加工表面质量。高速切削加工铝合金是可行的，刀具磨损小；但高速切削加工AISI4340钢，刀具磨损严重。只要解决高速切削过程中严重的刀具磨损和机床振动，可以大大提高生产效率，显著降低生产成本。第二十五页，共五十二页，2022年，8月28日在此期间苏联、日本、法国等国的研究人员也相继做了大量研究，主要包括切屑形成机理、切削力、加工表面质理、切削温度和刀具磨损等，工件材料为铝、黄铜、钢和铸铁，刀具材料为高速钢、陶瓷与硬质合金，切削速度1000～45000m/min。研究结果表明，高速切削加工所形成的切屑形状、刀具磨损和加工表面质量有显著特点，随切削速度提高，剪切角增加，刀―屑接触长度减少，切削力降低，改善切削加工性能和表面质理，但刀具磨损加速。在切削速度1000～10000m/min范围内加工铝、黄铜和软钢时没有出现Salomon理论中的“死区”。但钢件的高速切削加工比较困难，主要是当时没有适合于高速切削加工钢件的刀具材料。第二十六页，共五十二页，2022年，8月28日（２）高速切削加工应用基础研究探索阶段（1972～1978年）美国洛克希德导弹与空间公司R.L.King研究小组对铝合金和镍铝青铜合金进行了高速切削加工研究。主要探索高速切削加工用于实际生产的可行性。铣削实验研究表明，高速切削加工可以大幅度降低加工时间，而且由于切削力减小，可以提高加工零件的精度。因此，在生产环境中应用高速切削加工是经济可行的。第二十七页，共五十二页，2022年，8月28日实验条件的改善使得研究可以更加深入：该公司为高速切削加工实验研究，改装成功一台数控铣削加工中心和一台数控立式六角车床。前者主轴转速可连续调整为18000r/min，30000r/min与100000r/min，工作台进给速度为4.93m/min;后者附加有一个14.7kW（20HP）、转速为6000r/min的铣头，最高切削速度可达3660m/min。在这期间，美国还为该公司研制一台带磨头附件的数控高速铣床，功率为18.4kW（25HP），其主轴转速可在1800～18000r/min之间无级调速，进给速度达7.6m/min。采用新设计的喷雾系统冷却主轴精密轴承。第二十八页，共五十二页，2022年，8月28日在这一阶段，还有美国、德国、澳大利亚和印度等国家的学者继续研究用高速钢、硬质合金刀具切削加工铝合金和碳钢的切屑形成机理、切削力和切削温度等。1977年美国用切削速度高达1800m/min的铣床进行高速切削加工实验研究，证实了弹射高速切削加工实验的结果和理论分析结论。在这一期间的实验研究还发现高速切削加工时产生的热量大部分被切屑所带走。第二十九页，共五十二页，2022年，8月28日（3）高速切削加工应用研究阶段（1979～1989年）1979年美国国防高级研究工程局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,DARPA）开始一项为期4年的现代加工技术研究计划。该计划对高速切削加工基础理论、高速切削加工刀具技术、高速切削加工工艺、激光辅助加工以及经济可行性等进行了全面系统的研究。第三十页，共五十二页，2022年，8月28日主要研究高速车削和铣削及其应用。工件材料包括钢、铸铁及铝、铜、铅与其合金和镍基合金等。刀具材料有碳素工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷刀具和立方氮化硼等。切削速度在改装机床上达7600m/min和弹射装置上达73000m/min第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日研究结果：随切削速度提高，切削力降低，切削温度升高至工件材料熔点而没有出现降低情况，改善加工表面粗糙度但要注意加工中的振动；除加工铝合金外，高速切削加工钢、铁及其合金、镍基合金等，刀具均发生严重重损，寿命降低；Merchant剪切角方程可用于估算高速切削加工中切屑形成的剪切角。高速切削加工是经济可行的。统一了在此前研究中主要争论的问题。第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日1979～1983年在德国政府研究技术部（MinistryofResearchandTechnology）资助下，由Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）舒尔茨（SchulzH.）教授领导的研究组开展了一项合作研究，主要研究高速铣削加工过程的特点。1981年研制由磁悬浮轴承支持的高速电主轴系统，进行了高速铣削铝合金实验研究，并于1984～1988年间全面深入系统研究了高速铣削铁族和非铁族材料的基础理论、高速切削刀具和机床技术、高速切削加工工艺和效率以及高速切削加工技术的实际应用，获得许多有重要价值的成果。这一阶段对高速切削加工理论和技术的卓有成效的研究为该项技术的发展和应用奠定了重要的基础。第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日（4）高速切削加工技术发展和应用阶段（1990年至21世纪初）高速切削加工技术经过半个多世纪的理论和应用研究与探索，人们清楚地认识到它在制造业的市场竞争日益剧烈中的巨大潜力。进入20世纪90年代以后，各工业发达国家陆续投入到高速切削加工技术的研究、开发与应用中来，尤其是高速切削机床和刀具技术的研究、开发，与之相关的技术也得到迅速发展。第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日1993年直线电机的出现拉开了高速进给的序幕。新型电主轴高速切削加工中心不断投入到国际市场。高速切削刀具的材料、结构和可靠的刀具与主轴连接的刀柄的出现与使用，标志着高速切削加工技术已从理论研究进入工业应用阶段。1999年机床最高主轴转速8000～12000r/min2001普遍提高到15000～20000r/min。现在加工中心主轴转速一般为15000～30000r/min，快速进给速度为30～60m/min，换刀时间为3～5s。齿轮机床的主轴最高转速也已提高到9000～12000r/min。目前已有主轴最高转速达150000r/min，换刀时间为（0.7～1.5）s的加工中心。第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日最近十多年来，高速切削加工理论基础研究进一步深入，取得新的进展，主要是锯齿状切屑的形成机理，高速切削加工钛合金时的切屑形成机理，机床结构动态特性及切削颤振的避免，多种刀具材料加工不同工件材料时的刀具前刀面、后刀面和加工表面的温度以及高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的分配，进一步证实大部分切削热被切屑带走。切削温度的实验研究表明：现有的刀具材料高速切削加工时，不论是连续或断续切削均未出现Salomon理论中的“死区”。第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日现在在工业发达国家，高速切削加工技术已成为切削加工的主流日益广泛地应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业中。约有（30～50）%的模具公司，用高速切削加工技术，加工放电加工（EDM）电极、淬硬模具型腔等，加工效率高，质量好，减少了后续的手工打磨和抛光工序。第三十七页，共五十二页，2022年，8月28日在航空与高速机车行业，飞机的骨架与机翼、高速机车的车厢骨架均为铝合金整体薄壁构件，都需要切除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至达到90%，采用高速切削加工技术，加工时间缩短到原来的几分之一。汽车工业的发动机铝合金和铸铁缸体，广泛采用高速切削加工技术，大大地提高效率，降低成本。第三十八页，共五十二页，2022年，8月28日目前生产中高速切削加工技术水平大致情况是：粗精加工铝合金的切削速度为1000～4000m/min，最高达5000～7500m/min，主要受限于机床主轴最高转速和功率。铸铁可高速精和半精加工，速度为500～1500m/min，精铣灰铸铁最高可达2000m/min；钢可用300～800m/min的速度高速精加工；淬硬钢（HRC45-65）高速精加工，切削速度为100～500m/min；钢铁及其合金的最高切削速度主要受刀具寿命限制。铝合金钻孔速度为200～300m/min；模数1.5的钢齿轮的滚齿加工速度可达300～600m/min；可锻铸铁螺纹(M14×1.5)的攻丝速度为60m/min。第三十九页，共五十二页，2022年，8月28日国内高速切削加工的研究和应用我国高速切削加工技术研究起步较晚.20世纪80年代，山东大学切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统地研究了Al2O3基陶瓷高速硬切削（车和端铣）的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，工件材料包括45钢、T10A钢、高速钢、轴承钢、模具钢、渗碳淬硬齿轮钢等，硬度HRC（50~65），切削速度为100~500m/min，建立了有关切削力、切削温度模型、刀具磨损与破损理论、加工表面质量变化规律等。该研究成果1986年在生产中推广应用至今。第四十页，共五十二页，2022年，8月28日20世纪90年代后，先后相继研究了模具高速切削加工技术与策略、涂层刀具、PCBN（立方氮化硼CubicBoronNitride)刀具和陶瓷刀具高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度等。其他研究院所第四十一页，共五十二页，2022年，8月28日沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理；天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削机理；上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面的温度动态变化规律；广东工业大学研究了高速主轴系统和快速进给系统；东北大学研究了高速磨削技术；成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化，沈阳理工大学（原为沈阳工业学院）研制成功了高速立式铣床和高速锯床，并在其上做了很多试验。第四十二页，共五十二页，2022年，8月28日我国高速切削的水平“九五”期间我国高速、高效、高精度数控机床技术指标有了大幅度的提高，加工中心主轴转速普遍提高到8000r/min，最高可达12000r/min，数控车床提高到4000~6000min，快速进给速度提高到30m/min，最高达40m/min，加工中心换刀时间减少到1.5~3s。目前主要差距在于机床关键功能部件的研究开发落后于市场需求，如转速20000r/min以上的大功率刚性主轴、无刷环形扭矩电机、大行程直线电机、快速响应数控系统等技术尚未掌握。各工业部门所需的高速加工中心基本上还是依赖进口，并已从国外引进了相当数量的高速加工中心。第四十三页，共五十二页，2022年，8月28日我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，20世纪80年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有90年代中期水平的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中大量应用了高速切削加工技术。生产线所用刀具材料以超硬刀具为主，依靠进口。第四十四页，共五十二页，2022年，8月28日采用聚晶立方氮化硼（PCBN）、Si3N4基陶瓷、金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工高强度铸铁件，铣削速度达2200m/min；采用聚晶金刚石（PCD）、超细硬质合金刀具加工硅铝合金铸件，铣削速度达2200m/min，钻、铰削速度达80~240m/min；采用Si3N4基陶瓷、金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工精锻结构钢件，车削速度达200m/min；采用Co粉末冶金高速钢（表面TiCN涂层）整体拉刀、滚刀、剃齿刀以及硬质合金机夹专用拉刀加工各种精锻钢件、铸铁件、拉削速度达10~25m/min，滚齿速度达110m/min，剃齿速度达170m/min。大大提高了生产效率和加工精度。第四十五页，共五十二页，2022年，8月28日近年来，我国航天、航空、汽轮机、模具等制造待业引进了大量加工中心和数控镗铣床，都不同程度地开始推广应用高速切削加工技术，其中模具行业应用较多。例如上海某模具厂，高速铣削高精度铝合金模具型腔，半精铣采用主轴转速18000r/min，切削深度2mm，进给速度5m/min；精铣采用20000r/min，切削深度0.2mm，进给速度8m/min，加工周期为6h，质量完全满足客户要求。原制造工艺包括手工铲刮和手工抛光，制造周期60h，仍无法满足客户要求。该厂在轮胎模具的加工中，需要加工一种型芯，工件材料为可加工塑料，外形类似于一个汽车轮胎，上面刻满了各种轮胎花纹。传统方法加工时，需经历十几道工序，全部用手工完成，一般的轮胎花纹加工，需14天左右，而对复杂的轮胎花纹，需加工20天以上，质量仍无法达到设计要求。现采用高速铣削加工，主轴转速为18000r/min，切削深度2mm，进给速度10m/min，加工时间24h，型芯质量满足加工要求。第四十六页，共五十二页，2022年，8月28日我国高速切削刀具材料也有了很大的发展，但还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。虽然在我国，高速切削加工技术的研究和应用仍处于初步阶段，正在发展和推广之中，但作为面向21世纪的一种先进制造技术，有着非常强大的生命力和广阔的应用前景。第四十七页，共五十二页，2022年，8月28日高速切削机理的研究状况对