切削原理-课件

切削原理切削原理金属切削加工工艺系统机床刀具工件《金属切削原理与刀具》《机械制造工艺》《金属切削机床》刀具角度及合理角度的选择刀具材料刀具磨损、破损与使用寿命金属切削变形切削力切削热和切削温度切削液各种切削刀具工件材料的切削加工性已加工表面质量磨削2金属切削加工工艺系统机床刀具工件《金属切削原理与刀具》《机械切削原理金属切削的基本定义的认识知识点切削运动切削形成的加工表面切削用量刀具的几何角度切削力与热等认识切削运动、加工表面、切削用量等相关概念认识刀具的几何角度3切削原理金属切削的基本定义的认识知识点切削运动认识切削运动

金属切削加工就是在机床上利用切削工具从工件上切除多余金属，使之成为具有一定几何形状、尺寸精度和表面质量的加工方法。在切削加工过程中，除了要有一定切削性能的切削刀具外，还要有机床提供工件与切削刀具间所必需的相对运动，而且这种相对运动还要与工件各种表面的形成规律和几何特征相适应。本课题主要学习切削运动和切削用量、刀具的组成及其几何参数、车刀的工作角度等内容。4金属切削加工就是在机床上利用切削工具从工件上切削加工：使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)，在工具和工件的相对运动中，把工件上多余的材料层切除，使工件获得规定的几何参数(尺寸、形状、位置)和表面质量的加工方法。切削加工的重要性：切削加工能获得较高的精度和表面质量，对被加工材料、工件几何形状及生产批量具有广泛的适应性，在机械制造业中占有十分重要的地位。5切削加工：使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)，在工具和工件(一)切削运动1.零件表面的形成6(一)切削运动1.零件表面的形成6（1）主运动由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动,它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑,从而形成工件的新表面。在切削运动中，主运动(primarymotion)速度最高、耗功最大。主运动只有一个。7（1）主运动由机床或人力提供的刀具与7

刀具与工件之间附加的相对运动,它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑,从而形成具有所需几何特性的已加工表面。进给运动(feedmovement)可由刀具完成(如车削)，也可由工件完成(如铣削)，可以是间歇的（如刨削）,也可以是连续的（如车削）。进给运动可以是1个或多个

（2）进给运动主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。（3）合成切削运动8刀具与工件之间附加（2）进给运动主运动各种切削加工的切削运动9各种切削加工的切削运动9进给运动主运动待加工表面过渡表面已加工表面二:车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面10进给运动主运动待加工表面过渡表面已加工表面二:车削加工过程三、切削用量三要素切削用量是指：vc

、f、apmin)/(1000)/(601000mndvsmndvwcwcpp=×=或切削速度vc:指在单位时间内工件和刀具沿主运动方向的位移

单位:m/s或m/min车削等回转运动：11三、切削用量三要素min)/(1000)/(601000mn切削用量切削用量三要素切削速度Vc进给量Vf背吃刀量ap。(1)切削速度切削速度是单位时间内刀具和工件在主运动方向上的相对位移。主运动为旋转运动（车削、铣削），

VC为最大线速度，VC

=πdwn/1000主运动为往复直线运动（刨削、插削），VC为平均速度，VC=2Lnr/100012切削用量切削用量三要素(1)切削速度切削速度是单位时间内(2)进给量f:指工件或刀具每回转一周时,两者沿进给运动方向上的相对位移

单位:mm/r13(2)进给量f:指工件或刀具每回转一周时,两者13(2)进给量进给量是指单位时间内刀具和工件在进给运动方向上相对位移。

当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r；

当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程；对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，单位为mm/z或mm/齿。它与进给量f的关系为f=zfz

进给速度为vf=fn=zfzn14(2)进给量进给量是指单位时间内刀具和工件在进给运动方向上相(3)切削深度ap:指待加工表面与已加工表面的垂直距离（单位mm）。15(3)切削深度ap:指待加工表面与已加工表面154.刀具的几何参数(1)切削刀具结构由工作部分和非工作部分构成。车刀(turningtools)的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆)。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。164.刀具的几何参数(1)切削刀具结构由工作部分和非工作部分车刀切削部分的组成（三面二刃一刀尖）

车刀切削部分由前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖组成。(1)前刀面刀具上切屑流过的表面。(2)主后刀面刀具上与工件上的加工表面相对着并且相互作用的表面，称为主后刀面。(3)副后刀面刀具上与工件上的已加工表面相对着并且相互作用的表面，称为副后刀面。(4)主切削刃刀具的前刀面与主后刀面的交线称为主切削刃。(5)副切削刃刀具的前刀面与副后刀面的交线称为副切削刃。(6)刀尖主切削刃与副切削刃的交点称为刀尖。刀尖实际是一小段曲线或直线，称修圆刀尖和倒角刀尖。科普一下——刃磨车刀时绝对不要戴手套或裹毛巾等，如果你不想残废的话！17车刀切削部分的组成科普一下——17测量车刀切削角度的辅助平面为了确定和测量车刀的几何角度，需要选取三个辅助平面作为基准，这三个辅助平面是切削平面、基面和正交平面，如图所示。1）切削平面——切于主切削刃某一选定点并垂直于刀杆底平面的平面。2）基面——过主切削刃的某一选定点并平行于刀杆底面的平面。3）正交平面——垂直于切削平面又垂直于基面的平面。可见这三个坐标平面相互垂直，构成一个空间直角坐标系。18测量车刀切削角度的辅助平面为了确定和测量车三个坐标平面相互垂直，构成一个空间直角坐标系。19三个坐标平面相互垂直，构成一个空间直角坐标系。19

车刀的主要几何角度1）前角(γ0)前角是在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角。前角的正负方向按图示规定表示，即刀具前刀面在基面之下时为正前角，刀具前刀面在基面之上时为负前角。前角一般在-5°～25°之间选取。γ0

基面20车刀的主要几何角度γ0基面20

车刀的主要几何角度２）后角(α0)在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角。后角不能为零度或负值，一般在6°～12°之间选取。α0γ0

A—A21车刀的主要几何角度α0γ0A—A21进给方向

车刀的主要几何角度3）主偏角(Kr)在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般在30°～90°之间。Kr

进给方向22进给方向车刀的主要几何角度Kr进给方向22

车刀的主要几何角度４）副偏角(Kr’

)在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。Kr

进给方向进给方向Kr’

23车刀的主要几何角度Kr进给方向进给方向KrλS基面刀尖为主切刃上最高点，所以λS＞0°K向

车刀的主要几何角度５）刃倾角(λS)在切削平面内测量的主切削刃与基面间的夹角。当主切削刃呈水平时，λS=0°；刀尖为主切刃上最高点时，λS＞0°；刀尖为主切削刃上最低点时，λS＜0°。刃倾角一般在-10°～5°之间选取。K向24λS基面刀尖为主切刃上最高点，所以λ2525问题延伸——无论切削刀具如何变化，其原理都与车刀相同。26问题延伸——无论切削刀具如何变化，其原理都与车刀相同。26

车刀的主要几何角度的选择1）前角(γ0)选择的原则：前角的大小主要解决刀头的坚固性与锋利性的矛盾。因此首先要根据加工材料的硬度来选择前角。加工材料的硬度高，前角取小值，反之取大值。其次要根据加工性质来考虑前角的大小，粗加工时前角要取小值，精加工时前角应取大值。前角一般在-5°～25°之间选取。

γ0

基面27车刀的主要几何角度的选择γ0基面27通常，制作车刀时并没有预先制出前角（γ0），而是靠在车刀上刃磨出排屑槽来获得前角的。排屑槽也叫断屑槽，它的作用大了去了——☆折断切屑，不产生缠绕；☆控制切屑的流出方向，保持已加工表面的精度；☆降低切削抗力，延长刀具寿命。γ0

排屑槽由操作者刃磨出排屑槽28通常，制作车刀时并没有预先制出前角（γ0）

车刀的主要几何角度的选择

２）后角(α0)选择的原则：首先考虑加工性质。精加工时，后角取大值，粗加工时，后角取小值。其次考虑加工材料的硬度，加工材料硬度高，主后角取小值，以增强刀头的坚固性；反之，后角应取小值。后角不能为零度或负值，一般在6°～12°之间选取。α0A—A29车刀的主要几何角度的选择α0A—A29进给方向

车刀的主要几何角度的选择

3）主偏角(Kr)的选用原则：首先考虑车床、夹具和刀具组成的车削工艺系统的刚性，如系统刚性好，主偏角应取小值，这样有利于提高车刀使用寿命、改善散热条件及表面粗造度。其次要考虑加工工件的几何形状，当加工台阶时，主偏角应取90°，加工中间切入的工件，主偏角一般取60°。主偏角一般在30°～90°之间，最常用的是45°、75°、90°。Kr

进给方向30进给方向车刀的主要几何角度的选择Kr进给

车刀的主要几何角度的选择

4）副偏角(Kr’

)的选择原则：首先考虑车刀、工件和夹具有足够的刚性，才能减小副偏角；反之，应取大值；其次，考虑加工性质，精加工时，副偏角可取10°～15°，粗加工时，副偏角可取5°左右。进给方向Kr’

31车刀的主要几何角度的选择进给方向Kr’35.

切屑的形成325.切屑的形成32切屑类型与变形系数

切屑类型带状切屑Real挤裂切屑Real节状切屑Real崩碎切屑Real图3-6切屑形态照片33切屑类型与变形系数切屑类型带状切屑Real挤裂切屑Real

第Ⅰ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ⅠⅢⅡ

第Ⅲ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。金属切削过程的变形

三个变形区分析

第Ⅱ变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。34第Ⅰ变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。切屑类型与变形系数

形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑表3-1切屑类型及形成条件35切屑类型与变形系数形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光切屑类型与变形系数

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3-7）图3-7切屑的卷曲图3-8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3-8）

36切屑类型与变形系数切屑控制为使切削过程正常进行和保证已加优点:表示切削力平稳,对刀具与工件变形破坏小缺点:太长不利于排屑也不利于安全,又破坏已加工表面质量,影响粗糙度等切屑类型带状切屑的特点解决方法刀具磨断屑槽或使用压块式断屑器

37优点:表示切削力平稳,对刀具与工件变形破坏小切屑类型带状切第3章切削原理CuttingTheory机械制造技术基础

3.2

切削力CuttingForce38第3章切削原理机械制造技术基础3.2切削力38κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv图3-15切削力的分解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F切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力切削力分解39κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv图3-1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）

强度高加工硬化倾向大切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fc（N）图3-16切削速度对切削力的影响切削用量40影响切削力因素工件材料◆切削深度与切削力近似成正比；强度高4.2.3影响切削力因素

◆

前角γ0

增大，切削力减小（图3-17）◆

主偏角κr

对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（κr

↑——Fp↓，Ff↑，图3-18）图3-17前角对γ0切削力的影响前角γ0切削力Fγ0-Fcγ0–Fpγ0–Ff图3-18主偏角κr对切削力的影响主偏角κr/°切削力/N3045607590κr

-Fcκr

–Ffκr

–Fp2006001000140018002200刀具几何角度影响414.2.3影响切削力因素◆前角γ0增大，切削力减影响切削力因素

刀具几何角度影响◆与主偏角相似，刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（λs

↑——Fp↓，Ff↑）◆

刀尖圆弧半径rε

对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（rε

↑——Fp↑，Ff↓）；其他因素影响◆

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；42影响切削力因素刀具几何角度影响◆与主偏角相似，刃倾角λs第3章切削原理CuttingTheory机械制造技术基础

3.3

切削热与切削温度CuttingHeatandCuttingTemperature43第3章切削原理机械制造技术基础3.3切削热与切削温度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)等传散出去工件切屑刀具图3-19切削热的来源与传出切削热传出★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44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↓vc（m/min）图3-21切削速度、工件材料对切削温度的影响1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45钢(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：

o=15

，

o=6~8

，

r=75

，

1=-10

，

s=0

，b

=0.1mm，r

=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/rθ（℃）103050709011013040060080010001243

刀具磨损的影响

冷却液的影响45影响切削温度的因素刀具几何参数的影响前角o↑→切削温5.积屑瘤、残余应力与加工硬化CutterTumor,RemainsStressandWorkHardening465.积屑瘤、残余应力与加工硬化46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—长大积屑瘤形成过程积屑瘤影响切屑刀具图3-23积屑瘤积屑瘤RealReal47积屑瘤积屑瘤成因◆一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面残余应力

残余应力概念未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。残余应力种类及影响◆

残余张应力：易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度◆残余压应力：有利于提高零件疲劳强度◆残余应力分布不均：会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度48残余应力残余应力概念未施加任何外力作用情况下，材料内部保持残余应力

◆热塑变形效应：表层张应力，里层压应力◆里层金属弹性恢复：若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力◆表层金属相变：影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力◆实际应力状态是上述各因素影响的综合结果残余应力产生原因◆控制切削过程：尽可能减小残余应力◆时效处理：最大限度减小残余应力◆残余压应力的利用：采用滚压、喷丸等方法残余应力的控制49残余应力◆热塑变形效应：表层张应力，里层压应力残余应力产加工硬化

加工硬化概念已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化◆硬化程度（3-13）式中H——硬化层显微硬度（HV）；

H0——基体层显微硬度（HV）。◆硬化层深度指硬化层深入基体的距离Δhd（μm）加工硬化产生原因加工硬化度量50加工硬化加工硬化概念已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度加工硬化

◆减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等◆减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等◆进行适当的热处理加工硬化的控制距表面深度HVH0hiH0图3-24加工硬化与表面深度的关系51加工硬化◆减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径5

刀具磨损与刀具寿命CutterWearandIt’sLife525刀具磨损与刀具寿命52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53刀具磨损刀具磨损形态◆正常磨损前刀面磨损形式：月牙洼后刀具磨损

◆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54刀具磨损◆非正常磨损破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀◆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刀具磨损

刀具磨损原因55◆磨粒磨损粘结磨损加剧◆扩散磨损刀具磨损刀具磨损原因5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56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57刀具寿命图3-27不同刀具材料的耐用度比较硬质合金陶瓷刀（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经济寿命经济寿命刀具寿命确定

58（3-18）式中C0——工序成本；使工序成本最第3章切削原理CuttingTheory机械制造技术基础

3.6

切削用量的选择DeterminetheCuttingParameters59第3章切削原理机械制造技术基础3.6切削用量的选择5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：60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3.7

高速加工技术HighSpeedMachiningTechnology613.7高速加工技术61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62概述1931年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高3.7.1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633.7.1高速加工概述图3-31Salomon切削图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64图3-32高速与超高速切削速度范围10

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65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

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。66航空航天：高速加工的应用3.7.1高速加工概述3.7.1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）673.7.1高速加工概述专用机床1234钻孔表面倒棱3.7.1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683.7.1高速加工概述b）高速模具加工的过程1硬化毛坯→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。69图3-35采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与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70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40-5020-3070-10030-40146.5

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71刀具材料种类合金高速钢硬质合金图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72图3-36金刚石（左）与CBN（右）原子结构碳原子金刚

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73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

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74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

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75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76较高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，化良好的化学稳定性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77良好的化学稳定性3.7.2高速加工刀具77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78加工HRC45以上的硬质材料◆PCBN刀具应用金属软化效应◆

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比棕刚玉砂轮耐