1、封面12.2.高速切削刀具？高速切削刀具？2ppt课件课件高硬度，高强度，高耐磨性。高硬度，高强度，高耐磨性。高韧度，高抗冲击性。高韧度，高抗冲击性。高热硬性，高化学稳定性。高热硬性，高化学稳定性。高抗热冲击性。高抗热冲击性。 对高速切削刀具的要求：对高速切削刀具的要求：3ppt课件课件高速切削常用刀具种类：高速切削常用刀具种类：4ppt课件课件图图11 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（切削速度（m/min）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代年代碳素工具钢碳素工具钢合金工具钢合金
2、工具钢WC系硬质合金系硬质合金高速钢高速钢WC-TiC系硬质合金系硬质合金涂层硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层涂层硬质合金硬质合金DLC涂层涂层硬质合金硬质合金TiC-TiN金属陶瓷金属陶瓷聚晶立方聚晶立方 氮化硼氮化硼 （PCBN）陶瓷陶瓷聚晶金刚石聚晶金刚石（PCD）(1)高速加工刀具材料5刀具材料种类刀具材料种类 合金合金 高速钢高速钢 硬质合金硬质合金 陶瓷陶瓷 天然天然 聚晶金刚石聚晶金刚石 聚晶立方氮聚晶立方氮工具钢工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石金刚石 PCD 化硼化硼 PCBN材料性能材料性能 硬度硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV1
3、0000 HV7500 HV4000抗弯强度抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性化学惰性 低低 惰性大惰性大 惰性小惰性小 惰性小惰性小 惰性大惰性大 耐磨性耐磨性 低低 低低 较高较高 高高 最高最高 最高最高 很高很高 一般精度一般精度 Ra0.8 高精度高精度 Ra=0.4-0.2加工质量加工质量 Ra0.8 IT7
4、-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削可替代磨削加工对象加工对象低速加低速加工一般工一般钢材、钢材、铸铁铸铁一般钢一般钢材、铸材、铸铁粗、铁粗、精加工精加工一般钢一般钢材、铸材、铸铁粗、铁粗、精加工精加工高硬度高硬度钢材精钢材精加工加工硬质合金、铜、硬质合金、铜、铝有色金属及其铝有色金属及其合金、陶瓷等高合金、陶瓷等高硬度材料硬度材料淬火钢、冷硬淬火钢、冷硬铸铁、高温合铸铁、高温合金等难加工材金等难加工材料料表表5 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比刀具材料性能与用途对比刀具材料性能与用途对比6天然金刚石天然金
5、刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氧化物陶瓷氮化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层硬质合金涂层WC硬质硬质合金涂层合金涂层超细粒状硬超细粒状硬金属涂层金属涂层高速钢高速钢TiN涂层涂层高速钢高速钢断裂韧性断裂韧性耐磨性耐磨性图图12 刀具材料的耐磨性与断裂韧性刀具材料的耐磨性与断裂韧性刀具材料的耐磨性与断裂韧性刀具材料的耐磨性与断裂韧性7 陶瓷陶瓷立方氮化硼立方氮化硼金刚石金刚石三种刀具8ppt课件课件图图13 金刚石（左）与金刚石（左）与CBN（右）原子结构（右）原子结构碳原子碳原子氮原子氮原子硼原子硼原子v 金刚石与金刚石与CBN晶体结构相似，每一个原子都以理想四面晶体结构相似，每一个原子都以理想四面
6、体方式以体方式以10928键角与邻近键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个原子结合。金刚石中的每个个C原子都以共价键方式与邻近原子都以共价键方式与邻近4个个C原子结合。原子结合。CBN中每个中每个N原子与原子与4个个B原子结合，每个原子结合，每个B原子又与原子又与4个个N原子结合，并原子结合，并存在少数离子键。存在少数离子键。原子结构9 优点：刃锋利，能切下极薄切屑，冷硬现优点：刃锋利，能切下极薄切屑，冷硬现象少，摩擦系数低，无积屑瘤。象少，摩擦系数低，无积屑瘤。 缺点：热稳定性差，强度低，脆性大，对缺点：热稳定性差，强度低，脆性大，对振动敏感，只适用于微量切削。振动敏感，只适用于微量切削。1
7、)1)金刚石刀具金刚石刀具10ppt课件课件 天然金刚石价格昂贵，使用较少。天然金刚石价格昂贵，使用较少。 人造金刚石是通过合金触媒作用，在高温高人造金刚石是通过合金触媒作用，在高温高压下由石墨转化而成。压下由石墨转化而成。 金刚石复合刀片是在硬质合金基体上烧结一金刚石复合刀片是在硬质合金基体上烧结一层约层约0.5mm0.5mm厚的金刚石。厚的金刚石。天然单晶金刚石刀具天然单晶金刚石刀具整体人造聚晶金刚石刀具整体人造聚晶金刚石刀具金刚石复合刀片金刚石复合刀片金刚石刀具有三种：金刚石刀具有三种：11ppt课件课件 天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，天然金刚石是目前已知的最硬物质，根
8、据其质量不同，硬度范围为硬度范围为HV8000-12000，相对密度为，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。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口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m。 天然金刚石耐热性为天然金刚石耐热性为700-800，高于此温度，碳原子，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。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
9、工精度和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。面镜、磁盘等。天然金刚石12 人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触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。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世纪世纪60年代出现）。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聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为，为HV6500-80
10、00 。 聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广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。泛，可在大部分场合代替天然金刚石。 用等离子用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成（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。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。件扩散，使金刚石刀具很快磨损。聚晶金刚石聚晶金刚石13
11、表表6 聚晶金刚石应用实例聚晶金刚石应用实例加工对象加工对象 硬度硬度 加工方式加工方式 工艺参数工艺参数 加工效果加工效果 铝合金铝合金 端铣端铣 V=4000m/mim Ra 0.8-0.4m 共晶硅共晶硅 HRC71 车削车削 V=600m/mim 一次刃磨切削行程一次刃磨切削行程800km 铝合金铝合金 f = 0.1mm/r Ra 0.8m，刀具寿命为，刀具寿命为 硬质合金的硬质合金的50倍倍 共晶硅共晶硅 HRC71 铣削铣削 V=2900m/mim 刀具寿命为硬质合金的刀具寿命为硬质合金的80 Vf=0.018mm/齿齿 倍，倍，Ra 0.8m玻璃纤维玻璃纤维 HRA87 车削车
12、削 V=500m/mim 刀具寿命为硬质合金的刀具寿命为硬质合金的强化塑料强化塑料 150倍，倍，Ra 0.8-0.4m 热塑性热塑性 铣削铣削 V = 4500m/s 比比硬质合金寿命提高硬质合金寿命提高380 醋酸盐醋酸盐 Vf=10mm/min 倍，倍，Ra 0.8m 高高Si-Al 铣削铣削 V=2200m/mim Ra 0.8m 铸造件铸造件 铝合金铝合金 钻削钻削 V=360m/mim 以钻代镗，以钻代镗， Ra=0.8m聚晶金刚石应用实例14 金刚石与铁有极强的化学亲和力，故不适用金刚石与铁有极强的化学亲和力，故不适用于黑色金属加工。于黑色金属加工。 金刚石刀具仅适用于微量切削条
13、件。金刚石刀具仅适用于微量切削条件。 金刚石热稳定性低，切削温度超过金刚石热稳定性低，切削温度超过700700至至800800摄氏度时，会完全失去其硬度。摄氏度时，会完全失去其硬度。使用金刚石刀具时应注意：使用金刚石刀具时应注意：15ppt课件课件特点：热稳定性好，化学惰性大，摩擦系数低。特点：热稳定性好，化学惰性大，摩擦系数低。应用：淬硬钢、高温合金、冷硬铸铁。应用：淬硬钢、高温合金、冷硬铸铁。成分：锡、铅、锑以及他们的氮化物。成分：锡、铅、锑以及他们的氮化物。2)氮化硼刀具氮化硼刀具(CBN)16ppt课件课件 立方氮化硼复合刀片是在硬质合金基体上烧立方氮化硼复合刀片是在硬质合金基体上烧结
14、一层约结一层约0.5mm0.5mm厚的立方氮化硼。厚的立方氮化硼。整体聚晶立方氮化硼刀具整体聚晶立方氮化硼刀具立方氮化硼复合刀片立方氮化硼复合刀片立方氮化硼刀具有两种：立方氮化硼刀具有两种：17ppt课件课件（PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride） 较高硬度和耐磨性：较高硬度和耐磨性： CBN晶体结构与金刚石晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，相似，化学键类型相同，晶格常数相近。晶格常数相近。CBN粉末粉末硬度硬度HV8000，PCBN硬度硬度3000-5000。切削耐磨材料。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金时，其耐磨性为硬质合金刀具的刀具的50
15、倍，涂层硬质合倍，涂层硬质合金刀具的金刀具的30倍，陶瓷刀具倍，陶瓷刀具的的25倍。倍。PCBN切削性能切削性能500040003000200010000硬度硬度/HV0 200 400 600 800 1000 温度温度/BN100BN20陶瓷陶瓷硬质合金硬质合金图图14 PCBN刀具高温硬度刀具高温硬度 高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图（图13）聚晶立方氮化硼18 良好的化学稳定性：良好的化学稳定性： 1200-1300与铁系材料不发生化学反应；与铁系材料不发生化学反应；2000 才与碳才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合
16、金小的发生化学反应；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：良好的导热性： CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m，是，是硬质合金的硬质合金的20倍，陶瓷的倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一倍，且随温度升高而增加。这一特性使特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。工精度。 较低的摩擦系数：较低的摩擦系数： CBN与不同材料间的摩擦系数为与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.
17、3（硬质合金为（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），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。和切削力减小，加工表面质量提高。PCBN切削性能19F 加工加工HRC45以上的硬质材料：以上的硬质材料： 如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），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，粉末金属质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料表面喷涂（焊）材料等。等。F 金属软化效应金属软化效应 切削淬硬钢，当
18、工件材切削淬硬钢，当工件材料硬度料硬度HRC50时，切削时，切削温度随材料硬度增加而增温度随材料硬度增加而增加；当工件材料硬度加；当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（料硬度增加有下降趋势（图图15），金属软化，硬度），金属软化，硬度下降，加工易于进行。下降，加工易于进行。800750700650600 30 40 50 60 70 硬度硬度HRC（V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm）切削温度切削温度/图图15 切削温度与硬度关系切削温度与硬度关系20加工对象加工对象 硬度硬度 加工方式加工方式 工艺参数工艺参数 加工效果加工效果
19、GCr15 HRC71 车削车削 V=180m/mim 以车代磨，工效提高以车代磨，工效提高4-5倍倍 钢轧辊钢轧辊 f = 5.6mm/r Ra 0.8-0.4m YG15 HRA87 镗孔镗孔 V=50m/mim 工效较电火花加工提高工效较电火花加工提高30冷挤压模冷挤压模 倍，倍，Ra 0.8-0.4mA3热压板热压板 端铣端铣 V = 800m/mim 以铣代磨，工效提高以铣代磨，工效提高6-7倍倍 Vf = 100m/mim Ra1.6-0.8m，平面度，平面度0.02 凸轮轴凸轮轴 HRC60 磨削磨削 V= 80m/s 比单晶刚玉砂轮寿命提高比单晶刚玉砂轮寿命提高 20倍，生产效
20、率提高倍，生产效率提高50% GCr15 HRC62 磨削磨削 V= 65m/s 比棕刚玉砂轮耐用度提高比棕刚玉砂轮耐用度提高轴承内孔轴承内孔 170倍，生产效率提高一倍倍，生产效率提高一倍 Cr、Cu 端铣端铣 V = 800m/mim Ra 0.8m，平面度，平面度0.02 铸铁铸铁 Vf = 0.1mm/齿齿 40Cr钢钢 HRC38 立铣立铣 V = 850m/mim 以铣代磨，工效提高以铣代磨，工效提高5-6倍倍 Ra 0.8m表表7 PCBN刀具应用实例刀具应用实例PCBN刀具应用实例21优点：化学性好，耐氧化，不易粘结，加工表面粗糙度小。优点：化学性好，耐氧化，不易粘结，加工表面
21、粗糙度小。缺点：强度低、韧性差。缺点：强度低、韧性差。3)3)陶瓷刀具陶瓷刀具22ppt课件课件 前者最大的缺点是抗弯强度低，冲击韧度差。前者最大的缺点是抗弯强度低，冲击韧度差。8080年代年代进入刀具市场的氮化硅陶瓷相比具有高的强度和韧性，在进入刀具市场的氮化硅陶瓷相比具有高的强度和韧性，在加工铸铁及镍基合金时取得良好效果，其代表牌号是加工铸铁及镍基合金时取得良好效果，其代表牌号是SialonSialon。AlAl O O 基陶瓷基陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷陶瓷刀具有两种：陶瓷刀具有两种：23ppt课件课件涂层刀具涂层刀具24ppt课件课件 CVD CVD指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态
22、反应指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程生化学反应生成薄膜的过程 。 PVDPVD指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。物沉积在工件上。 化学气象沉积法（化学气象沉积法（CVDCVD）- -硬质合金硬
23、质合金物理气象沉积法（物理气象沉积法（PVDPVD）- -高速钢高速钢涂层刀具有两种：涂层刀具有两种：25ppt课件课件TiC TiC 硬度高，抗磨损性好。硬度高，抗磨损性好。TiN TiN 与金属亲和力小，湿润性好。与金属亲和力小，湿润性好。AlAl O O 高温下热稳定性良好高温下热稳定性良好。常用涂层材料：常用涂层材料：26ppt课件课件各种刀具适应的工件材料27ppt课件课件 典型高速回转刀具可分为典型高速回转刀具可分为整体式和机夹式整体式和机夹式两类，小直径两类，小直径铣刀一般采用整体制造，大直径刀具常用机夹式。铣刀一般采用整体制造，大直径刀具常用机夹式。 高转速的切削对刀具直径公差
24、和刀具动平衡要求很高，高转速的切削对刀具直径公差和刀具动平衡要求很高，整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，使用时直接装整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，使用时直接装夹即可；而机夹式更换刀片或者刀片换位后需要进行动平夹即可；而机夹式更换刀片或者刀片换位后需要进行动平衡才能继续使用，所以高速切削更常用整体式刀具。衡才能继续使用，所以高速切削更常用整体式刀具。 高速回转刀具结构设计应力求简单，确保安全，刀齿尽高速回转刀具结构设计应力求简单，确保安全，刀齿尽量采用短切削刃、经过优化设计的几何角度，并有良好的量采用短切削刃、经过优化设计的几何角度，并有良好的断屑能力。断屑能力。 (2)高速回转刀具
25、结构28整体式铣刀整体式铣刀机夹式铣刀机夹式铣刀铣刀图片29(3)高速加工刀具刀柄高速加工刀具刀柄(3)高速加工刀具刀柄 传统的锥形夹头具有灵活性好等优点，适用于不同的刀传统的锥形夹头具有灵活性好等优点，适用于不同的刀具直径。但它可传递的转矩有限，而且装夹精度很低。具直径。但它可传递的转矩有限，而且装夹精度很低。30 传统镗铣加工通常使用传统镗铣加工通常使用7:24锥柄接口。这种接口主轴端锥柄接口。这种接口主轴端面与刀具存在间隙，在主轴高速旋转和切削力的作用下面与刀具存在间隙，在主轴高速旋转和切削力的作用下，主轴的大端孔径膨胀，造成刀具定位精度和连接刚度，主轴的大端孔径膨胀，造成刀具定位精度和
26、连接刚度下降。同时锥柄的轴向尺寸和重量都较大，不利于快速下降。同时锥柄的轴向尺寸和重量都较大，不利于快速换刀和机床的小型化。换刀和机床的小型化。 目前高速加工多采用目前高速加工多采用HSK（德国阿亨大学机床研究所（德国阿亨大学机床研究所开发）接口标准。开发）接口标准。HSK是专门为高转速机床开发的新型是专门为高转速机床开发的新型刀机接口，并形成了用于自动换刀和手动换刀、中心刀机接口，并形成了用于自动换刀和手动换刀、中心冷却和端面冷却、普通型和紧凑型等冷却和端面冷却、普通型和紧凑型等 6 种形式。种形式。 HSK是一种小锥度（是一种小锥度（1:10）的空心短锥柄，使用时端）的空心短锥柄，使用时端
27、面和锥面同时接触（过定位），从而形成高的接触刚性面和锥面同时接触（过定位），从而形成高的接触刚性。 (3)高速加工刀具刀柄高速加工刀具刀柄(3)高速加工刀具刀柄31刀柄刀柄主轴主轴拉杆拉杆涨套涨套HSK刀柄与传统刀柄结构刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄刀柄传统刀柄传统刀柄1:107:24间隙间隙主轴主轴拉杆拉杆刀柄刀柄定位端面定位端面配合锥面配合锥面刀柄结构图32a）弹簧夹套）弹簧夹套HSK刀柄刀柄b）Power Chuck夹头夹头HSK刀柄刀柄c）热膨胀）热膨胀HSK刀柄刀柄d）精密液压夹紧）精密液压夹紧HSK刀柄刀柄图图16 几种常用几种常用HSK刀柄刀柄几种常用HSK刀柄图33锥形夹头锥形夹
28、头 收缩夹头收缩夹头液压膨胀夹头液压膨胀夹头力膨胀夹头力膨胀夹头刀具与刀柄的连接：刀具与刀柄的连接：34ppt课件课件 利用材料热膨胀收缩的原理，把刀具装入刀柄时利用材料热膨胀收缩的原理，把刀具装入刀柄时先用辅助系统将刀柄孔加热膨胀，插入刀具后使之冷却。先用辅助系统将刀柄孔加热膨胀，插入刀具后使之冷却。 优点：精度高、刚性大。优点：精度高、刚性大。 缺点：操作不便，易引起刀柄热疲劳变形。缺点：操作不便，易引起刀柄热疲劳变形。收缩夹头收缩夹头35ppt课件课件使用流程使用流程 再加热再加热 冷却冷却 固定固定 常温常温 加热加热 装卡装卡插入刀具插入刀具卡座的先端卡座的先端部分加热。部分加热。刀
29、 具 柄 比刀 具 柄 比卡 座 内 径卡 座 内 径大大因热膨胀系数因热膨胀系数不同，将刀具不同，将刀具取出。取出。冷却，卡座的冷却，卡座的内径收缩。内径收缩。36ppt课件课件适用于不同柄粗的立适用于不同柄粗的立铣铣刀刀（333232） ）规规格化格化（BTBT、 、SKSK、 、HSKHSK、 、UTSUTS） ）重型重型细长型细长型37ppt课件课件 在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后用螺栓推动油腔顶部的的活塞使刀柄孔内结膨入刀柄后用螺栓推动油腔顶部的的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具。胀，从而夹紧刀具。 优点：精度高，刚性大，操作方便。优点
30、：精度高，刚性大，操作方便。 缺点：对刀具尺寸要求严，过松时可能达不到应缺点：对刀具尺寸要求严，过松时可能达不到应有的夹持力。有的夹持力。液压膨胀夹头液压膨胀夹头 38ppt课件课件 力膨胀夹头，刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时力膨胀夹头，刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时，先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的，先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的力，使刀柄孔变成圆，然后把刀具插入刀柄，再除去变力，使刀柄孔变成圆，然后把刀具插入刀柄，再除去变形外力，刀柄孔弹性恢复，刀具就被加持在孔内。形外力，刀柄孔弹性恢复，刀具就被加持在孔内。优点：精度高，操作简单，结构紧凑，造价低。优点：精度
31、高，操作简单，结构紧凑，造价低。缺点：需要一个辅助的加力装置。缺点：需要一个辅助的加力装置。力膨胀夹头力膨胀夹头39ppt课件课件刀柄类型刀柄类型HSKBT结合部位结合部位销面端面销面端面锥度锥度夹紧力传递方式夹紧力传递方式简夹简夹简夹简夹刀具刀具HSK-63BBT40基径基径38 mm44.5 mm柄部形式柄部形式空心柄空心柄实心柄实心柄牵引力牵引力3.5 KN12.1 KN夹紧力夹紧力10.5 KN12.1 KN过盈量过盈量3-10 m 锥度锥度1:107:24HSK和和BT刀柄的结构特点刀柄的结构特点40ppt课件课件图图17 HSK刀柄与刀柄与BT刀柄加工效果的比较刀柄加工效果的比较加
32、工效果的比较图41高速加工路径要求高速加工路径要求 高速加工路径规划高速加工路径规划 转角处理转角处理 刀具轨迹间的圆滑连接刀具轨迹间的圆滑连接 顺直切削路径顺直切削路径 轨迹排布优化轨迹排布优化 尖角处提前减速尖角处提前减速 平缓切入切出，路径间的平滑连接平缓切入切出，路径间的平滑连接 确保切削负载、金属去除率恒定，精加工余量均匀确保切削负载、金属去除率恒定，精加工余量均匀 减少刀具换向、跳转减少刀具换向、跳转 安全性（无过载、无干涉）安全性（无过载、无干涉）三）三）高速加工路径规划高速加工路径规划42Z平面切削（等高线）平面切削（等高线）螺旋进给提高表面光洁度螺旋进给提高表面光洁度螺旋进给
33、加工孔螺旋进给加工孔小直径铣刀螺旋进给加工槽小直径铣刀螺旋进给加工槽螺旋进给加工平面螺旋进给加工平面内圆角均匀过渡内圆角均匀过渡高速进给路径高速进给路径43 由于机床数控系统响应特性、机床硬件动态特性及传动由于机床数控系统响应特性、机床硬件动态特性及传动系统间隙等诸多因素影响，刀具高速运动到转角处可能发系统间隙等诸多因素影响，刀具高速运动到转角处可能发生前冲和振颤，越过工件实际轮廓，导致轨迹畸变。生前冲和振颤，越过工件实际轮廓，导致轨迹畸变。 a）理论轮廓形状）理论轮廓形状b）实际轮廓形状（风车形）实际轮廓形状（风车形）图图22 高速切削加工矩形时产生的轨迹畸变高速切削加工矩形时产生的轨迹畸变
34、 转角处理44 对策：对策： 工件外轮廓转角处刀具运动路径采用圆滑过渡（图工件外轮廓转角处刀具运动路径采用圆滑过渡（图23） 修改产品模型，直线转角轮廓改为圆角过渡修改产品模型，直线转角轮廓改为圆角过渡 采用小直径铣刀（图采用小直径铣刀（图24）45图图25 轨迹顺直微调（赛车线加工）与回转（摆线）加工轨迹顺直微调（赛车线加工）与回转（摆线）加工 轨迹顺直微调与回转加工（避免尖角处载荷突变）轨迹顺直微调与回转加工（避免尖角处载荷突变）轨迹顺直微调46q 刀具轨迹圆滑连接刀具轨迹圆滑连接 直线移刀改为圆弧曲线移刀直线移刀改为圆弧曲线移刀 采用回转环切采用回转环切路径路径 图图26 直线移刀改为圆
35、弧曲线移刀直线移刀改为圆弧曲线移刀 图图27 刀具路径变为回转环切的光滑刀具路径变为回转环切的光滑连续路径连续路径 刀具轨迹圆滑连接47 在不同的在不同的 Z 向高度上连接移刀向高度上连接移刀 图图28 在不同的在不同的 Z 向高度上连接移刀向高度上连接移刀 在不同的 Z 向高度上连接移刀 48q 刀具轨迹合理排布刀具轨迹合理排布平行行切平行行切螺旋轨迹螺旋轨迹Z向等高向等高组合优化组合优化 图图29 几种不同刀具轨迹排布几种不同刀具轨迹排布 刀具轨迹合理排布49 平行行切平行行切Z向等高向等高组合优化组合优化图图30 铝合金凸形旋钮路径规划铝合金凸形旋钮路径规划铝合金凸形旋钮路径50 点钻式
36、切入（类似于钻孔的固定循环点钻式切入（类似于钻孔的固定循环 ） 斜线及之字形切入斜线及之字形切入 水平轮廓切向切入切出水平轮廓切向切入切出 曲面切向切入切出（图曲面切向切入切出（图31） 图图31 曲面切向的切入与切出曲面切向的切入与切出 图图32 刀具螺旋切入工件刀具螺旋切入工件 螺旋式螺旋式切入与切出51 图图33 CATIA加工转角减速参数设定界面加工转角减速参数设定界面 转角处提前减速52一、高速切削技术的概念与特征一、高速切削技术的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削的关键技术三、高速切削的关键技术四、高速切削机理四、高速切削机理五、高速切削
37、技术的现状以及发展趋势五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要目录53ppt课件课件高速切削机理u高速切削机理高速切削机理切削力；切削力；切削热。切削热。54ppt课件课件1.切削力切削力u在高速切削时随切削速度增加，切削温度升高，在高速切削时随切削速度增加，切削温度升高，摩擦系数减小，剪切角增大，切削力反而降低；摩擦系数减小，剪切角增大，切削力反而降低； u高速切削力下降的解释：高速切削力下降的解释：1 1）剪切断裂：）剪切断裂： 发生在加工过程中发生在加工过程中不稳定不稳定的初始阶段，导致初始剪切区的初始阶段，导致初始剪切区金属的热软化和应变硬化。金属的热软化和应变硬化。延展材料随着塑性变形
38、而发生应变硬化55ppt课件课件不稳定性的解释2 2）不稳定性的解释：）不稳定性的解释： 当变形缓慢时，上述过程是等温的。开始时，塑当变形缓慢时，上述过程是等温的。开始时，塑性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区。在这个区里性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区。在这个区里，应变硬化强化了材料，而且应变区在材料上扩散，应变硬化强化了材料，而且应变区在材料上扩散，使切削力增加。使切削力增加。这是传统速度切削时切削力的情况这是传统速度切削时切削力的情况。 然而如果切削速度足够快，使应变来不及发生，然而如果切削速度足够快，使应变来不及发生，变形就只发生在小范围内，会使切削力小于传统速度变形就只发生在小范围内
39、，会使切削力小于传统速度的切削力。的切削力。 此即高速切削时切削力下降的原因。此即高速切削时切削力下降的原因。56ppt课件课件突变滑移和绝热剪切3 3）突变滑移和绝热剪切：）突变滑移和绝热剪切： 在快速塑变过程中，局部发热产生温度梯度，在快速塑变过程中，局部发热产生温度梯度，最大的温度出现在发热最大的点。如果被切削材料最大的温度出现在发热最大的点。如果被切削材料应变强化速率下降，会导致切削点局部温度升高，应变强化速率下降，会导致切削点局部温度升高，当下降速率等于或大于应变硬化材料的速率时，金当下降速率等于或大于应变硬化材料的速率时，金属将继续保持局部变形而不扩散。这个属将继续保持局部变形而不
40、扩散。这个不稳定过程不稳定过程导致突变条件产生导致突变条件产生，称为突变滑移称为突变滑移。随着切削温度。随着切削温度的提高，达到绝热条件后，使热能量限制在特定的的提高，达到绝热条件后，使热能量限制在特定的滑移区。因为滑移区。因为特定滑移区的软化特定滑移区的软化，发生，发生附加滑移附加滑移，最终得到最终得到完全剪切完全剪切。57ppt课件课件高速切削力下降原因4 4）高速切削力下降原因：）高速切削力下降原因：5 5）其他原因：）其他原因： 切削速度高，切屑流出的速度加快，改善了切切削速度高，切屑流出的速度加快，改善了切屑与刀具前面之间的摩擦，切屑流出阻力减小，剪屑与刀具前面之间的摩擦，切屑流出阻
41、力减小，剪切区变形减小，从而使切区变形减小，从而使切削力减小切削力减小。 高速切削比普通切削快得多，发生突变滑移和高速切削比普通切削快得多，发生突变滑移和绝热剪切，使切削区的应变硬化来不及发生，因而绝热剪切，使切削区的应变硬化来不及发生，因而高速切削力下降高速切削力下降。58ppt课件课件2.切削热切削热u高速切削功的消耗：高速切削功的消耗：1）形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所）形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需能量需能量2）剪切区的剪切变形功）剪切区的剪切变形功3）前、后刀面与切屑、工件的摩擦功）前、后刀面与切屑、工件的摩擦功4）切削层材料经过剪切面时，由于动量改变而）切削层材料
42、经过剪切面时，由于动量改变而消耗的功消耗的功59ppt课件课件切屑成形模型切屑成形模型 切削热的产生切削热的产生 切削角的变化和减少切削热切削角的变化和减少切削热 切削模型切削模型60ppt课件课件?产生的热： 形成新生表面消耗的功：成为工件和切屑所增加的内能 剪切变形功和动量改变消耗的功：大部分变为基本变形区的热量，小部分形成新生表面的内能 前后刀面的摩擦功产生的热：变为第二、三变形区的热量1 1）高速切削时，切屑变形所消耗的能量绝大部分转变成热）高速切削时，切屑变形所消耗的能量绝大部分转变成热61切削热 2 2）基本剪切区的高温有助于加速塑性变形和切屑的形成。）基本剪切区的高温有助于加速塑
43、性变形和切屑的形成。有一种假设认为，基本剪切区的高温 刀具前刀面和切屑接触面上产生一层极薄的液体 加快了塑性流动的速度 高速下切除材料所需的切削力反而小一些。切削热分布估算切削热耗散渠道 3 3）切削热分布和耗散渠道：）切削热分布和耗散渠道：62切削热高速切削范围内尽可能提高切削速度是有利的。已有研究表明，切削速度越高，被切屑带走 的热量越多，传入刀具和工件的热量越少。 4 4）切削速度越高，传入刀具和工件的能量越少）切削速度越高，传入刀具和工件的能量越少这也正是为什么高速切削工件热变形小的原因。63高速切削的刀具刀具磨损 损坏形式损坏形式：磨损磨损和和破损破损 损坏原因损坏原因：磨料磨损、粘
44、结磨损、化学磨损（氧化、扩散：磨料磨损、粘结磨损、化学磨损（氧化、扩散和溶解等）、脆性破损和塑性变形等和溶解等）、脆性破损和塑性变形等 低切削速度低切削速度：以磨料磨损为主，随切削速度提高，切削温：以磨料磨损为主，随切削速度提高，切削温度增加，粘结磨损和化学磨损越来越突出度增加，粘结磨损和化学磨损越来越突出 高切削速度高切削速度：后刀面磨损、前刀面磨损、边界磨损和微崩：后刀面磨损、前刀面磨损、边界磨损和微崩刃等磨损形态以及崩刃、碎断和塑性变形等破损形态刃等磨损形态以及崩刃、碎断和塑性变形等破损形态64一、高速切削技术的概念与特征一、高速切削技术的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用二、高速切
45、削技术的特点及应用三、高速切削的关键技术三、高速切削的关键技术四、高速切削机理四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要目录65ppt课件课件 20世纪世纪90年代后，我国先后相继研究了年代后，我国先后相继研究了模具模具高速切削加工技术与策略、涂层刀具与高速切削加工技术与策略、涂层刀具与PCBN刀具和陶瓷刀具刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢等高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速切削数据库技术等。以及高速切削数据库技术等。高速切削加工在国内的研究与应用高速切削加工在国内的研究与应用66p
46、pt课件课件北京理工大学北京理工大学研究了高速切削的刀具寿命与切削力研究了高速切削的刀具寿命与切削力沈阳工业学院和重庆大学沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理研究了高速切削机理天津大学和大连理工大学天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削机理研究了高速硬切削机理上海交通大学与有关工厂上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工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、硅铝合金高速钻削和铣削面的温度动态变化规律、硅铝合金高速钻削和铣削数据库等。数据库等。 67ppt课件课件广东工业大学广东工业大学研究了高
47、速主轴系统和快速进给系统研究了高速主轴系统和快速进给系统东北大学东北大学研究了高速磨削技术研究了高速磨削技术成都工具研究所成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业研究了高速切削刀具的发展和产业化等化等 尽管我国高速切削加工技术的研究还有待于全尽管我国高速切削加工技术的研究还有待于全面深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速面深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加工技术的发人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加工技术的发展起到了重大作用。展起到了重大作用。 68ppt课
48、件课件 我国高速切削刀具材料已有很大的发展，特别是我国高速切削刀具材料已有很大的发展，特别是陶瓷刀具，而且初步具备了开发高速切削刀具的能陶瓷刀具，而且初步具备了开发高速切削刀具的能力力 但金刚石、立方氮化硼、但金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合金基硬质合金(金金属陶瓷属陶瓷)、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具的性能、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具的性能、品种与国外差距很大。、品种与国外差距很大。 高速切削刀具制造技术也相对落后，还没有形成高速切削刀具制造技术也相对落后，还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。自己特色的高速切削刀具制造体系。69ppt课件课件 几乎所有国际知名的工具厂商都
49、在国内设立了或几乎所有国际知名的工具厂商都在国内设立了或独资或合资企业，除陶瓷刀具外，各种高速、高精度独资或合资企业，除陶瓷刀具外，各种高速、高精度和高可靠性的金刚石、立方氮化硼、和高可靠性的金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合基硬质合金金(金属陶瓷金属陶瓷)和和涂层刀具以及刀柄系统涂层刀具以及刀柄系统80以上由它以上由它们提供。们提供。 目前主要差距是高速切削加工用的高性能刀具材目前主要差距是高速切削加工用的高性能刀具材料料(包括涂层材料、涂层技术包括涂层材料、涂层技术)、刀具制造工艺技术、刀具制造工艺技术、刀具安全技术等还处于初步阶段，要努力建立我国自刀具安全技术等还处于初步阶段，要努
50、力建立我国自己的己的“高效率、高精度、高可靠性与专用化高效率、高精度、高可靠性与专用化”刀具研刀具研究开发和产业体系。究开发和产业体系。70ppt课件课件 我国高速切削加工技术最早应用于我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业轿车工业，二十世纪八，二十世纪八十年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条十年代后期，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九十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九十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
