1、金属切削加工及装备金属切削加工及装备第五章第五章第一节第一节 切屑控制切屑控制一、切屑形状的分类l根据根据ISO规定、并由我国生产工程学规定、并由我国生产工程学会切削专业委员会推荐的国标会切削专业委员会推荐的国标GB/T164611996的规定，切屑的形的规定，切屑的形状与名称分为八类，如表状与名称分为八类，如表5-1所列。所列。l切屑形状有：切屑形状有：带状、带状、管状管状、盘旋状盘旋状、环环形螺旋形螺旋、锥形螺旋锥形螺旋、弧形、弧形、单元单元、针形针形。二、切屑的流向、卷曲和折断l切屑的流向切屑的流向为了不损伤已加工表面和方便处理切屑，为了不损伤已加工表面和方便处理切屑，必须有效地控制切屑
2、的流。必须有效地控制切屑的流。由于切屑流向是垂直于各切削刃的方向，由于切屑流向是垂直于各切削刃的方向，因此最终切屑的流向是垂直于主副切削刃因此最终切屑的流向是垂直于主副切削刃的终点连线方向，通常该流出方向与正交的终点连线方向，通常该流出方向与正交平面夹角为平面夹角为c，c称为流屑角。称为流屑角。刀具上影响流屑方向的主要参数是刀具上影响流屑方向的主要参数是s。流屑角流屑角刃倾角对切屑刃倾角对切屑流向的影响流向的影响l切屑的卷曲机理切屑的卷曲机理切屑的卷曲是由于切屑内部变形或碰到切屑的卷曲是由于切屑内部变形或碰到断屑槽等障碍物造成的。断屑槽等障碍物造成的。通常通常未遇障碍时未遇障碍时切屑也会由于切
3、屑也会由于内部应力和温度作用自行卷曲内部应力和温度作用自行卷曲遇到障碍时遇到障碍时卷曲卷曲a)变形差引起变形差引起 b)力矩引起力矩引起 c)断屑器作用引起断屑器作用引起切屑卷曲机理切屑卷曲机理 l切屑的折断机理切屑的折断机理切屑经第切屑经第I、第、第II变形区的严重变形变形区的严重变形后，硬度增加，塑后，硬度增加，塑性降低，性能变脆。性降低，性能变脆。当切屑经变形自然当切屑经变形自然卷曲或经断屑槽等卷曲或经断屑槽等障碍物强制卷曲产障碍物强制卷曲产生的拉应变超过切生的拉应变超过切屑材料的极限应变屑材料的极限应变值时，切屑即会折值时，切屑即会折断。断。切屑折断时的受力及弯曲切屑折断时的受力及弯曲
4、三、断屑措施l磨制断屑槽磨制断屑槽断屑槽的形式断屑槽的形式断屑断屑槽的槽的位置位置l改变切削用量改变切削用量在切削用量参数中，对断屑影响最大在切削用量参数中，对断屑影响最大的是进给量的是进给量f，其次是背吃刀量，其次是背吃刀量ap，最小为，最小为切削速度切削速度vc。进给量增大，使切屑厚度。进给量增大，使切屑厚度hch增大，当受到碰撞后切屑容易折断。背吃增大，当受到碰撞后切屑容易折断。背吃刀量增大时对断屑影响不明显，只有当同刀量增大时对断屑影响不明显，只有当同时增加进给量时，才能有效地断屑。时增加进给量时，才能有效地断屑。l改变刀具角度改变刀具角度主偏角主偏角kr是影响断屑的主要因素。是影响断
5、屑的主要因素。主偏角主偏角kr增大，切屑厚度增大，切屑厚度hch增大，容易断屑。断增大，容易断屑。断屑良好的车刀均选取较大的主偏角屑良好的车刀均选取较大的主偏角60 刃倾角刃倾角s使切屑流向改变后，使切屑碰到使切屑流向改变后，使切屑碰到加工表面上或刀具后面上造成断屑。加工表面上或刀具后面上造成断屑。l其它断屑方法其它断屑方法附加断屑装置：附加断屑装置：为了使切屑流出时可靠为了使切屑流出时可靠断屑，可在前刀面上固定附加断屑挡块，断屑，可在前刀面上固定附加断屑挡块，使流出切屑碰撞挡块而折断。使流出切屑碰撞挡块而折断。间断进给断屑间断进给断屑 采用振动切削采用振动切削 装置，使切削装置，使切削 厚度
6、变化，获厚度变化，获 得不等截面切得不等截面切 屑，在狭小截屑，在狭小截 面处断屑。面处断屑。l切削加工性是指工件材料被切削加工的切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度难易程度l切削加工性的标志方法有如下几个：考虑生产和刀具耐用度的标志方法考虑生产和刀具耐用度的标志方法考虑已加工表面质量的标志方法考虑已加工表面质量的标志方法考虑安全生产和工作稳定性的标志方法考虑安全生产和工作稳定性的标志方法某材料被切削时，刀具的耐用度大，允许的切削速某材料被切削时，刀具的耐用度大，允许的切削速度高，表面质量易保证，切削力小，易断屑，则这度高，表面质量易保证，切削力小，易断屑，则这种材料的切削加工性好；反之
7、，切削加工性差。种材料的切削加工性好；反之，切削加工性差。通常用来衡量材料切削加工性通常用来衡量材料切削加工性的指标为一定耐用度下的切削的指标为一定耐用度下的切削速度速度vTl含义是：含义是：当刀具耐用度为当刀具耐用度为T时，时，切削某种材料所允许的切削速切削某种材料所允许的切削速度度vT。T越高，加工性越好。越高，加工性越好。l通常以强度通常以强度b=0.637GPa的的45钢钢的的v60作为基准，写作作为基准，写作(v60)j；而把；而把其它各种材料的其它各种材料的v60同它相比，这同它相比，这个比值个比值Kv称为相对加工性，即称为相对加工性，即Kvv60/(v60)jl当当Kv1 1时，
8、表示该材料比时，表示该材料比4545钢易钢易切削切削 l当当Kv1时，表示该材料比时，表示该材料比45钢难钢难切削切削l金属材料的物理力学性能硬度和强度和强度：常温以及高温的硬度和常温以及高温的硬度和强度高、硬质点多，切削加工性差强度高、硬质点多，切削加工性差塑性、冲击韧性：材料的材料的塑性和韧性高，刀塑性和韧性高，刀具容易磨损，切削加工性差；若是过低，刀具切具容易磨损，切削加工性差；若是过低，刀具切削刃破损加剧和工件已加工表面质量下降。削刃破损加剧和工件已加工表面质量下降。过大过大或过小，均使其切削加工性变差或过小，均使其切削加工性变差导热性好，切削加工性好，但加工尺，切削加工性好，但加工尺
9、寸精度会发生变化寸精度会发生变化导热性差，加工性差。导热性差，加工性差。l材料的化学成分Cr、Ni、V、Mo、W、Mn等提高钢等提高钢的强度和硬度，使其的强度和硬度，使其切削加工性差切削加工性差Si、Al与与氧化氧化合后使刀具磨损加快合后使刀具磨损加快合金元素合金元素（如镍（如镍Ni）降低导热系数降低导热系数Pb铅铅、P磷磷、S硫硫等降低塑性等降低塑性（发（发生热脆、冷脆现象）生热脆、冷脆现象），改善切削性，改善切削性碳的石墨化碳的石墨化使使切削加工性变好切削加工性变好（硬度（硬度下降、润滑性变好）下降、润滑性变好）Fe4C3使硬度增加，磨损加快使硬度增加，磨损加快l金相组织钢的金相组织：钢的
10、金相组织：铁素体、奥氏体易铁素体、奥氏体易粘结；粘结；珠光体加工性好；珠光体加工性好；索氏体、索氏体、马氏体硬度、强度高，加工性差马氏体硬度、强度高，加工性差铸铁的金相组织：铸铁的金相组织：灰口铁、白口铁、灰口铁、白口铁、麻口铁、球墨铸铁性能各异麻口铁、球墨铸铁性能各异三、改善难加工材料切削加工性的途径调整材料化学成分调整材料化学成分调整材料化学成分也调整材料化学成分也是改善其切削加工性的重要途径。如钢中加是改善其切削加工性的重要途径。如钢中加S、P、Pb、Ca等元素；铸铁中加等元素；铸铁中加Si、Al等元素。等元素。合理选择材料的供应状态合理选择材料的供应状态通过适当热处理通过适当热处理用热
11、处理方法改变材料用热处理方法改变材料金相组织，低碳钢正火，高碳钢、工具钢退火金相组织，低碳钢正火，高碳钢、工具钢退火 选用易切削钢选用易切削钢合理选择刀具材料、刀具几何参数、合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量切削用量采用新的切削加工技术采用新的切削加工技术 冷却作用：切削液是以切削液是以热传导、对流和汽热传导、对流和汽化化等方式，等方式，把把切屑、工件和刀具上的切屑、工件和刀具上的热量带热量带走走，降低了切削温度，起到冷却作用，减小，降低了切削温度，起到冷却作用，减小了工艺系统的热变形，减少了刀具磨损。切了工艺系统的热变形，减少了刀具磨损。切削液冷却性能的好坏取决于导热系数、比热削液冷却
12、性能的好坏取决于导热系数、比热容、汽化热、汽化速度、流量和流速等。容、汽化热、汽化速度、流量和流速等。润滑作用：切削液中带油脂的极性分子吸切削液中带油脂的极性分子吸附在刀具新鲜的前、后刀面上，附在刀具新鲜的前、后刀面上，形成形成物理或物理或化学吸附膜化学吸附膜。减小减小刀刀-屑、刀屑、刀-工工摩擦摩擦或粘结或粘结及刀具磨损，提高加工表面质量。及刀具磨损，提高加工表面质量。清洗作用：清除细碎切屑和磨粒等。清除细碎切屑和磨粒等。清清洗性能的好坏与切削液的渗透性、流动性和洗性能的好坏与切削液的渗透性、流动性和使用压力有关。使用压力有关。防锈作用：添加防锈剂在金属表面吸附或添加防锈剂在金属表面吸附或化
13、合形成保护膜，起到防锈作用。化合形成保护膜，起到防锈作用。由此：改善切削条件、减少刀具磨损、提高切削速改善切削条件、减少刀具磨损、提高切削速度、提高已加工表面质量、改善切削加工性度、提高已加工表面质量、改善切削加工性l切削液的种类（水溶液、乳化液和切削油水溶液、乳化液和切削油）l水溶液水溶液水溶液是以水为主要成分的切削水溶液是以水为主要成分的切削液。在水中加入一定含量的油性、防锈等添液。在水中加入一定含量的油性、防锈等添加剂制成水溶液，改善水的润滑、防锈性能。加剂制成水溶液，改善水的润滑、防锈性能。水溶液是一种透明液体。水溶液是一种透明液体。l乳化剂乳化剂是将乳化油用水稀释而成是将乳化油用水稀
14、释而成。l切削油切削油切削油的主要成分是矿物油，少切削油的主要成分是矿物油，少数采用矿物油和动、植物油的复合油。适用数采用矿物油和动、植物油的复合油。适用于精加工和加工复杂形状工件（如成形面、于精加工和加工复杂形状工件（如成形面、齿轮、螺纹等）时，润滑和防锈效果较好。齿轮、螺纹等）时，润滑和防锈效果较好。l油性添加剂：油性添加剂：动植物脂、脂肪酸、胺类、脂类、动植物脂、脂肪酸、胺类、脂类、醇类。醇类。生成物理吸附膜生成物理吸附膜常用于低速精加工常用于低速精加工 l极压添加剂：极压添加剂：含硫、磷、氯、硼等的化合物。含硫、磷、氯、硼等的化合物。生成化学反应膜生成化学反应膜在切削中起极压润滑作用在
15、切削中起极压润滑作用 l乳化剂：乳化剂：是使矿物油和水乳化形成稳定乳化液是使矿物油和水乳化形成稳定乳化液的物质。的物质。具有亲水、亲油的性质，乳化剂分子具有亲水、亲油的性质，乳化剂分子由极性基团（亲水集团）和非极性基团（亲油由极性基团（亲水集团）和非极性基团（亲油集团）两部分组成。形成集团）两部分组成。形成“水包油水包油”型乳化液。型乳化液。极压添加剂能使水基切削液起极压润滑作用。极压添加剂能使水基切削液起极压润滑作用。l切削液的合理选择根据工件材料、工艺要求、工种特点根据工件材料、工艺要求、工种特点等通过查工艺手册合理选用等通过查工艺手册合理选用 特别应注意：硬质合金、陶瓷刀具，切削铸铁、青
16、硬质合金、陶瓷刀具，切削铸铁、青铜一般不用切削液；铜一般不用切削液；切削镁、铝、铝合金不用水溶液；切削镁、铝、铝合金不用水溶液；切削铅，切削液不能含氯；精密机床切削铅，切削液不能含氯；精密机床不能使用含硫的切削液等。不能使用含硫的切削液等。普遍使用浇注普遍使用浇注高压冷却高压冷却喷雾冷却喷雾冷却喷喷雾雾冷冷却却法法第四节第四节刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择金属切削加工及装备金属切削加工及装备第五章第五章 刀具几何参数包括刀具的几何刀具几何参数包括刀具的几何角度、前刀面形式和切削刃形状等角度、前刀面形式和切削刃形状等参数。参数。刀具的刀具的“合理合理”几何参数，几何参数，是指在保证
17、加工质量的前提下，能是指在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具耐用度，从而能够够获得最高刀具耐用度，从而能够达到提高切削效率、降低生产成本达到提高切削效率、降低生产成本的目的的刀具几何参数的目的的刀具几何参数l前角的功用影响变形程度和切削功率影响变形程度和切削功率前角增大，变形前角增大，变形将减小，减小切削力、切削功率、切削热。将减小，减小切削力、切削功率、切削热。影响加工表面质量影响加工表面质量增大前角，能减少切削增大前角，能减少切削层的塑性变形和加工硬化程度，抑制积屑瘤层的塑性变形和加工硬化程度，抑制积屑瘤和鳞刺，减小振动，提高加工表面质量。和鳞刺，减小振动，提高加工表面质量。影响刀具耐
18、用度影响刀具耐用度增大前角，楔角减小，切增大前角，楔角减小，切削刃强度降低、散热减少，刀具耐用度低。削刃强度降低、散热减少，刀具耐用度低。影响断屑效果影响断屑效果减小前角，切屑变形增大，减小前角，切屑变形增大，切屑容易卷曲和折断。切屑容易卷曲和折断。l合理选择前角的原则工件材料：工件材料：加工塑性材料前角宜大，加加工塑性材料前角宜大，加工脆性材料前角宜小；材料强度和硬度工脆性材料前角宜小；材料强度和硬度越高，前角越小，甚至取负值。越高，前角越小，甚至取负值。刀具材料：刀具材料：高速钢可选较大的前角；硬高速钢可选较大的前角；硬质合金应选用较小的前角；陶瓷刀具前质合金应选用较小的前角；陶瓷刀具前角
19、更小。角更小。加工要求：加工要求：粗加工和断续切削应选用较粗加工和断续切削应选用较小的前角；精加工选较大的前角。小的前角；精加工选较大的前角。特定要求选择前角：特定要求选择前角：l成形刀具、展成刀具成形刀具、展成刀具o o宜小宜小l工艺系统刚性差、机床功率不足工艺系统刚性差、机床功率不足时时o o宜大宜大l自动化机床、数控机床自动化机床、数控机床o宜小宜小l前刀面及其选用 常用的前刀面型式有四种常用的前刀面型式有四种l正前角平面型正前角平面型用于精加工、成形、多刃刀具等用于精加工、成形、多刃刀具等l正前角平面带倒棱型正前角平面带倒棱型用于粗加工、断续切削用于粗加工、断续切削l负前角单面型负前角
20、单面型用于高强度、高硬度材料切削用于高强度、高硬度材料切削l正前角曲面带倒棱型正前角曲面带倒棱型用于粗加工和半精加工用于粗加工和半精加工 a)b)c)d)l后角o的功用主要功用是减小后刀面与加工表面间的摩擦主要功用是减小后刀面与加工表面间的摩擦（1）增大后角，）增大后角，减小加工表面与后刀面的接减小加工表面与后刀面的接触长度，减小摩擦，提高刀具耐用度。触长度，减小摩擦，提高刀具耐用度。（2）增大后角，）增大后角，楔角则减小，使切削刃刃口楔角则减小，使切削刃刃口钝圆半径减小，刃口越锋利。钝圆半径减小，刃口越锋利。（3）后角过大，）后角过大，使刀具楔角减小，刃口强度使刀具楔角减小，刃口强度降低，散
21、热体积减小，刀具耐用度下降。降低，散热体积减小，刀具耐用度下降。l合理选择后角粗加工、断续切削、加工铸锻件，粗加工、断续切削、加工铸锻件，o o宜小；宜小；精加工、连续切削精加工、连续切削o o宜大宜大材料强度、硬度较高时，材料强度、硬度较高时，o o宜小；塑性材宜小；塑性材料料o o宜大；脆性材料宜大；脆性材料o o宜小宜小工艺系统刚性差或高尺寸精度刀具工艺系统刚性差或高尺寸精度刀具o o宜小宜小定尺寸或成形刀具定尺寸或成形刀具o宜小宜小功用：减小副后刀面与已加工表面间的摩擦功用：减小副后刀面与已加工表面间的摩擦通常通常o o =o o需加强刀头强度时则需加强刀头强度时则o=13l主偏角及副
22、偏角的功用影响表面粗糙度影响表面粗糙度已加工表面的残留面积高度已加工表面的残留面积高度 maxrrCtgkCtgkfR影响刀尖强度和刀具耐用度：影响刀尖强度和刀具耐用度：kr、kr小，小，则切削刃增长，散热好，则切削刃增长，散热好，T影响切削分力比例：影响切削分力比例：kr Ff ,Fp影响切削层尺寸以及排屑、断屑效果影响切削层尺寸以及排屑、断屑效果l合理选择主、副偏角材料强度、硬度高时，材料强度、硬度高时，kr宜小宜小工艺系统刚性好，工艺系统刚性好，kr、kr宜小；工艺宜小；工艺系统差时，系统差时，kr 90粗加工、半精加工，粗加工、半精加工，kr宜大宜大精加工精加工kr宜小，且需宜小，且需
23、kr=0 的修光的修光刃刃副偏角主要影响表面粗糙度和刀尖强度。在不副偏角主要影响表面粗糙度和刀尖强度。在不影响摩擦和振动时，尽可能选较小的副偏角影响摩擦和振动时，尽可能选较小的副偏角l刃倾角的功用影响切屑流向影响切屑流向增大刀具的实际前角，使切削刃变得锋利增大刀具的实际前角，使切削刃变得锋利nssoesincossinsin22影响刀尖强度和切削刃上受冲击位置影响刀尖强度和切削刃上受冲击位置影响切削刃的实际工作长度影响切削刃的实际工作长度取负刃倾角时，能取负刃倾角时，能保护刀尖，使切削平衡保护刀尖，使切削平衡影响切削分力的比例，从而影响表面质量影响切削分力的比例，从而影响表面质量l合理选择刃倾
24、角粗加工、有冲击载荷、断续切削时，取粗加工、有冲击载荷、断续切削时，取s 0（防切屑划伤已加工表面）（防切屑划伤已加工表面）材料强度、硬度高时，取材料强度、硬度高时，取s 0微量精车时，取微量精车时，取s=4575大刃倾角大刃倾角PCD、PCBN车刀，取车刀，取s80m/min；使用高速；使用高速钢刀具时，宜用低速切削，钢刀具时，宜用低速切削，v=38m/min）l通常根据工件材料、刀具材料、技通常根据工件材料、刀具材料、技术要求、工艺过程、工艺系统状态术要求、工艺过程、工艺系统状态等，通过查工艺手册，或根据实际等，通过查工艺手册，或根据实际情况和实践经验予以确定情况和实践经验予以确定l选择切
25、削用量必须遵循以下原则选择切削用量必须遵循以下原则根据零件加工余量和粗、精加工要求，根据零件加工余量和粗、精加工要求，选定背吃刀量选定背吃刀量ap根据加工工艺系统允许的切削力，其中根据加工工艺系统允许的切削力，其中包括机床进给系统、工件刚度以及精加包括机床进给系统、工件刚度以及精加工时表面粗糙度要求，确定进给量工时表面粗糙度要求，确定进给量根据刀具寿命，确定切削速度根据刀具寿命，确定切削速度vc所选定的用量应该是机床功率允许的所选定的用量应该是机床功率允许的一组切削用量必须考虑到加工余量、刀一组切削用量必须考虑到加工余量、刀具寿命、机床功率、表面粗糙度和工艺具寿命、机床功率、表面粗糙度和工艺系
26、统的刚度等因素系统的刚度等因素 二、切削用量的合理选择l背吃刀量背吃刀量ap的合理选择的合理选择背吃刀量背吃刀量ap一般是根据加工余量来确定一般是根据加工余量来确定粗加工粗加工（表面粗糙度（表面粗糙度Ra5012.5m）时，时，尽可能一次走刀即切除全部余量，可取尽可能一次走刀即切除全部余量，可取ap810mm半精加工（半精加工（Ra6.33.2m）时，取）时，取ap0.52mm精加工（精加工（Ra1.60.8m）时，取）时，取ap0.10.4mm l进给量进给量 的合理选择的合理选择粗加工时，对表面质量没有太高的要求，粗加工时，对表面质量没有太高的要求，而切削力往往较大，合理的而切削力往往较大
27、，合理的 应是工艺系应是工艺系统刚度所能承受的最大进给量统刚度所能承受的最大进给量精加工时，进给量主要受加工表面粗糙度精加工时，进给量主要受加工表面粗糙度限制，一般取较小值限制，一般取较小值 l切削速度切削速度的合理选择的合理选择（一般原则是一般原则是）粗车时，粗车时，ap、均较大，故均较大，故v宜取较小值；精宜取较小值；精车时车时ap、均较小，所以均较小，所以v宜取较大值宜取较大值工件材料强度、硬度较高时，应选较小的工件材料强度、硬度较高时，应选较小的v值；值；反之，宜选较大的反之，宜选较大的v值。材料加工性较差时，值。材料加工性较差时，选较小的选较小的v值；反之，选较大的值；反之，选较大的
28、v值。在同等值。在同等条件下，易切钢的条件下，易切钢的v高于普通碳钢的高于普通碳钢的v；加工；加工灰铸铁的灰铸铁的v低于碳钢的低于碳钢的v；加工铝铜合金的；加工铝铜合金的v高高于加工钢的于加工钢的v 刀具材料的性能越好，刀具材料的性能越好，v也选得越高也选得越高l在选择在选择v时，还应注意以下几点：时，还应注意以下几点：精加工时，应尽量避开容易产生积屑瘤和精加工时，应尽量避开容易产生积屑瘤和鳞刺的速度值域鳞刺的速度值域断续切削时，为减小冲击和热应力，应适断续切削时，为减小冲击和热应力，应适当降低当降低v 在易发生振动的工艺状况下，在易发生振动的工艺状况下，v应避开自应避开自激振动的临界速度激振
29、动的临界速度加工大件、细长件、薄壁件及带硬皮的工加工大件、细长件、薄壁件及带硬皮的工件时，应选用较低的件时，应选用较低的v v被确定之后，还应校验切削功率和机床被确定之后，还应校验切削功率和机床功率功率 三、切削用量的优化及切削数据库三、切削用量的优化及切削数据库指在一定的预定目标及约束条件下，指在一定的预定目标及约束条件下，选择最佳的切削用量三要素选择最佳的切削用量三要素ap、f、v切削用量的优化主要是指切削用量的优化主要是指v与与 的优化组合。的优化组合。但在生产中但在生产中v和和 的数值是要受到机床、工的数值是要受到机床、工件、刀具及切削条件等方面的限制件、刀具及切削条件等方面的限制 常
30、用的优化目标函数有：最低的加工常用的优化目标函数有：最低的加工成本、最高的生产率、最大利润成本、最高的生产率、最大利润金属切削加工及装备金属切削加工及装备第五章第五章一、超高速切削超高速加工技术是指采用比常规切超高速加工技术是指采用比常规切削速度高很多的高生产率先进切削削速度高很多的高生产率先进切削方法。方法。超高速加工的切削速度范围取决于超高速加工的切削速度范围取决于工件材料、加工方法。工件材料、加工方法。l就加工材料而言是：就加工材料而言是：切削铜、铝及其合金为切削铜、铝及其合金为3000m/min切削钢和铸铁为切削钢和铸铁为1000m/min切削高合金钢、镍基耐热合金为切削高合金钢、镍基
31、耐热合金为300m/min切削钛合金为切削钛合金为200m/min切削纤维增强塑料为切削纤维增强塑料为20009000m/min l就加工方法而言：就加工方法而言：车削车削7007000m/min铣削铣削3006000m/min钻削钻削2001100m/min磨削磨削80160m/sl超高速切削的特点超高速切削的特点切削力小切削力小温度使材料受到软化，切削力减小温度使材料受到软化，切削力减小切削变形小切削变形小随速度提高增大，变形急剧减小随速度提高增大，变形急剧减小切削温度低切削温度低热量大量被切屑带走，工件温度低热量大量被切屑带走，工件温度低加工精度高加工精度高不易产生振动，切削力小、热变形
32、不易产生振动，切削力小、热变形小、加工精度和表面质量高小、加工精度和表面质量高刀具耐用度相对有所提高刀具耐用度相对有所提高寿命下降速率减小寿命下降速率减小 加工效率高加工效率高高速化使机动和辅助时间减少、自高速化使机动和辅助时间减少、自动化程度提高，加工效率提高动化程度提高，加工效率提高 加工能耗低加工能耗低 单位功率金属切除率显著增大，降单位功率金属切除率显著增大，降低能耗，能源和设备利用率提高低能耗，能源和设备利用率提高l超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削刀具：要求强度高、耐热性能好。超高速切削刀具：要求强度高、耐热性能好。常用的刀具材料有：添加常用的刀具材料有：添加TaC
33、(碳化钽碳化钽)、NbC(碳化铌碳化铌)的含的含TiC(碳化钛碳化钛)高的硬质合金、高的硬质合金、涂层硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼涂层硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼（CBN）或聚晶金刚石（）或聚晶金刚石（PCD）刀具。）刀具。超高速主轴采用电磁主轴；轴承可采用高速超高速主轴采用电磁主轴；轴承可采用高速陶瓷滚动轴承或磁浮轴承；进给机构则采用陶瓷滚动轴承或磁浮轴承；进给机构则采用快速反应的数控伺服系统。快速反应的数控伺服系统。机床还必须配备超高速加工在线自动检测装机床还必须配备超高速加工在线自动检测装置、高效的切屑处理装置、高压冷却喷射系置、高效的切屑处理装置、高压冷却喷射系统和安全防护装置。统
34、和安全防护装置。二、超精密切削1超精密切削的基本概念一般加工一般加工l指加工精度在指加工精度在10m左右（左右（IT5IT7）、）、表面粗糙度为表面粗糙度为Ra0.2m0.8m的加工方的加工方法，法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。如车、铣、刨、磨、电解加工等。适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等造和机床制造等 精密加工精密加工l指加工精度在指加工精度在10m 0.1m(IT5或或IT5以上以上)、Ra0.1m的加工方法，的加工方法，如金刚石车削、高精密磨削、研磨、如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等珩磨、冷压加工等超精密加工超精密加工l
35、指加工精度在指加工精度在0.1m 0.01m、Ra为为0.01m的加工方法，的加工方法，如金刚石如金刚石精密切削、超精密磨料加工、电子精密切削、超精密磨料加工、电子束加工、离子束加工等束加工、离子束加工等 超精密切削 l超精密切削是指在超精密机床上使超精密切削是指在超精密机床上使用金刚石刀具或超硬材料如立方氮用金刚石刀具或超硬材料如立方氮化硼一类刀具进行切削，以获得超化硼一类刀具进行切削，以获得超高精度加工表面的加工方法。其加高精度加工表面的加工方法。其加工精度为工精度为0.10.01m，表面粗糙度值，表面粗糙度值为为Ra0.001m。l超精密加工按加工方式不同可以分超精密加工按加工方式不同可
36、以分为切削加工、磨料加工、特种加工为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工四类。和复合加工四类。2超精密切削的难点超精密切削的难点精度难以控制精度难以控制工艺系统的刚度和热变形对加工精度工艺系统的刚度和热变形对加工精度有很大影响有很大影响去除层越薄，被加工表面所受的切应去除层越薄，被加工表面所受的切应力越大，材料就越不易被去除力越大，材料就越不易被去除 3实现超精密切削的条件实现超精密切削的条件 超精密切削是一门多学科交叉的综合性高新超精密切削是一门多学科交叉的综合性高新技术，已从单纯的技术方法发展成精密加工技术，已从单纯的技术方法发展成精密加工系统工程。该系统主要包括以下几个方面：系统工程。
37、该系统主要包括以下几个方面：超精密切削的机理与工艺方法；超精密切削的机理与工艺方法；超精密切削工艺装备；超精密切削工艺装备；超精密切削工具；超精密切削工具；超精密切削中的工件材料；超精密切削中的工件材料；精密测量及误差补偿技术；精密测量及误差补偿技术；超精密切削加工的工作环境、条件等。超精密切削加工的工作环境、条件等。超精密切削机床必须具有很高的精度、超精密切削机床必须具有很高的精度、很高的刚度、很高的稳定性、很高的自很高的刚度、很高的稳定性、很高的自动化程度。必须采用低速进给和超微量动化程度。必须采用低速进给和超微量进给机构，采用滚动导轨的微动工作台、进给机构，采用滚动导轨的微动工作台、利用
38、弹性变形的进给刀架、利用电致伸利用弹性变形的进给刀架、利用电致伸缩或磁致伸缩的微位移机构等。缩或磁致伸缩的微位移机构等。超精密切削必须排除一切干扰，通常采超精密切削必须排除一切干扰，通常采用液体静压轴承、液体静压导轨、空气用液体静压轴承、液体静压导轨、空气静压导轨等。静压导轨等。还要有相应的高净化的工作环境。还要有相应的高净化的工作环境。（1）加工环境）加工环境l恒温：恒温：温度增加温度增加l时，时，100mm长的钢长的钢件就可能会产生件就可能会产生1m的伸长，精密加的伸长，精密加工和超精密加工的加工精度一般都是工和超精密加工的加工精度一般都是微米级、亚微米级或更高。因此，为微米级、亚微米级或
39、更高。因此，为了保证加工区极高的热稳定性，精密了保证加工区极高的热稳定性，精密加工和超精密加工必须在严密的多层加工和超精密加工必须在严密的多层恒温条件下进行恒温条件下进行 l防振：防振：机床振动对精密加工和超精密机床振动对精密加工和超精密加工有很大的危害，为了提高加工系加工有很大的危害，为了提高加工系统的动态稳定性，除了在机床设计和统的动态稳定性，除了在机床设计和制造上采取各种措施，还必须用隔振制造上采取各种措施，还必须用隔振系统来保证机床不受或少受外界振动系统来保证机床不受或少受外界振动的影响。应能有效地隔离频率为的影响。应能有效地隔离频率为6Hz9Hz、振幅为、振幅为0.1m0.2m的外的
40、外来振动来振动 l超净：超净：在未经净化的一般环境下，尘在未经净化的一般环境下，尘埃数量极大，绝大部分尘埃的直径小埃数量极大，绝大部分尘埃的直径小于于1m，也有不少直径在，也有不少直径在1m以上甚以上甚至超过至超过10m的尘埃。这些尘埃如果落的尘埃。这些尘埃如果落在加工表面上，可能将表面拉伤；如在加工表面上，可能将表面拉伤；如果落在量具测量表面上，就会造成操果落在量具测量表面上，就会造成操作者或质检员的错误判断。因此，精作者或质检员的错误判断。因此，精密加工和超精密加工必须有与加工相密加工和超精密加工必须有与加工相对应的超净工作环境对应的超净工作环境（2）工具切（磨）削性能）工具切（磨）削性能
41、l精密加工和超精密加工必须能均匀地去精密加工和超精密加工必须能均匀地去除不大于工件加工精度要求的极薄金属除不大于工件加工精度要求的极薄金属层。当精密切削层。当精密切削（或磨削）（或磨削）的的ap1m时，时，ap可能小于工件材料晶粒的尺寸，切削可能小于工件材料晶粒的尺寸，切削在晶粒内进行，切削力要超过晶粒内部在晶粒内进行，切削力要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除切屑，故非常大的原子结合力才能切除切屑，故作用在刀具上的剪切应力非常大。刀具作用在刀具上的剪切应力非常大。刀具或磨具必需具有很高的硬度和耐磨性或磨具必需具有很高的硬度和耐磨性（3）机床设备）机床设备高精密加工机床必须具备以下条件：高
42、精密加工机床必须具备以下条件：l主轴有极高的回转精度及很高的刚性和主轴有极高的回转精度及很高的刚性和热稳定性热稳定性l进给系统有超精确的匀速直线性，保证进给系统有超精确的匀速直线性，保证在超低速条件下进给均匀，不发生爬行在超低速条件下进给均匀，不发生爬行l为了在超精密加工时实现微量进给，必为了在超精密加工时实现微量进给，必须配备位移精度极高的微量进给机构须配备位移精度极高的微量进给机构l采用微机控制系统，自适应控制系统采用微机控制系统，自适应控制系统 （4）工件材料）工件材料l应考虑强度、刚度，还必须均匀一致，应考虑强度、刚度，还必须均匀一致，不允许存在微观缺陷，有些零件甚至对不允许存在微观缺
43、陷，有些零件甚至对材料组织的纤维化也有一定要求材料组织的纤维化也有一定要求（5）测控技术）测控技术l常用在线检测、在位检测、在线补偿、常用在线检测、在位检测、在线补偿、预测预报及适应控制等手段，测量仪器预测预报及适应控制等手段，测量仪器的精度一般总是要比机床的加工精度高的精度一般总是要比机床的加工精度高一个数量级，需有灵敏的误差补偿系统一个数量级，需有灵敏的误差补偿系统 4精密加工和超精密加工的特点l加工都以精密元件、零件为加工对象加工都以精密元件、零件为加工对象 l多学科综合技术多学科综合技术l加工检测一体化加工检测一体化l采用计算机控制、误差补偿、适应控采用计算机控制、误差补偿、适应控制和
44、工艺过程优化等生产自动化技术制和工艺过程优化等生产自动化技术 5金刚石超精密切削的机理l金刚石超精密切削主要是应用天然单金刚石超精密切削主要是应用天然单晶金刚石车刀对铜、铝等软金属及其晶金刚石车刀对铜、铝等软金属及其合金进行切削加工，以获得极高的精合金进行切削加工，以获得极高的精度和极低表面粗糙度参数值的一种超度和极低表面粗糙度参数值的一种超精密加工方法精密加工方法l金刚石与有色金属的亲合力极低，摩金刚石与有色金属的亲合力极低，摩擦系数小，切削时不产生积屑瘤擦系数小，切削时不产生积屑瘤 l属于原子、分子级单位去除的加工属于原子、分子级单位去除的加工l切削时，其切削时，其apl m，刀具可能处于
45、工，刀具可能处于工件晶粒内部切削状态。切削力要超过件晶粒内部切削状态。切削力要超过分子或原子间巨大的结合力，从而使分子或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承受很大的剪切应力，并产生很刀刃承受很大的剪切应力，并产生很大热量，造成刀刃的高应力、高温的大热量，造成刀刃的高应力、高温的工作状态工作状态 l金刚石精密切削的关键问题是如何均金刚石精密切削的关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层匀、稳定地切除如此微薄的金属层l超精密车削加工余量只有几微米，能否超精密车削加工余量只有几微米，能否切除如此微薄的金属层，主要取决于刀切除如此微薄的金属层，主要取决于刀具的锋利程度。锋利程度一般是以切削具的锋利程
46、度。锋利程度一般是以切削刃的刃口圆角半径刃的刃口圆角半径的大小来表示的大小来表示l金刚石刀具不仅具有很好的高温强度和金刚石刀具不仅具有很好的高温强度和高温硬度，而且其材料本身质地细密，高温硬度，而且其材料本身质地细密，经过仔细修研，刀刃的几何形状很好，经过仔细修研，刀刃的几何形状很好，切削刃切削刃极小极小 刀具刀具对对ap的的影响影响金刚石刀具的刃磨及切削参数金刚石刀具的刃磨及切削参数l金刚石刀具是将金刚石刀头用机械夹金刚石刀具是将金刚石刀头用机械夹持或粘接方式固定在刀体上构成的持或粘接方式固定在刀体上构成的金刚石刀具金刚石刀具的刃磨的刃磨l金刚石刀具的刃磨是一个关键技术金刚石刀具的刃磨是一个
47、关键技术l单晶体金刚石车刀的刃口圆角半径单晶体金刚石车刀的刃口圆角半径则可达则可达0.02ml金刚石精密切削铜和铝时金刚石精密切削铜和铝时 v200500m/min p0.0020.003mm f0.010.04mm/r。l超精密磨削则是采用人造金刚石、立方超精密磨削则是采用人造金刚石、立方氮化硼氮化硼（CBN）等超硬磨料砂轮对工件等超硬磨料砂轮对工件进行磨削加工进行磨削加工l磨粒将承受很高的应力，使切削刃受到磨粒将承受很高的应力，使切削刃受到高温、高压的作用高温、高压的作用 l超精密磨削与普通磨削最大的区别是：超精密磨削与普通磨削最大的区别是：径向进给量极小，是超微量切除，可能径向进给量极小
48、，是超微量切除，可能还伴有塑性流动和弹性破坏等作用还伴有塑性流动和弹性破坏等作用 金刚石砂轮的修整金刚石砂轮的修整l细粒度金刚石砂轮磨削高硬度、高脆性细粒度金刚石砂轮磨削高硬度、高脆性材料时，常常采用与特种加工工艺方法材料时，常常采用与特种加工工艺方法相结合的在线修整方法相结合的在线修整方法（in-process dressing），如高压磨料水射流喷射修，如高压磨料水射流喷射修整法、电解修锐法、电火花修整法和超整法、电解修锐法、电火花修整法和超声振动修整法等声振动修整法等 电解超硬砂轮电解超硬砂轮修锐方法修锐方法6金刚石超精密切削的影响因素金刚石超精密切削的影响因素刀具的刃磨质量刀具的刃磨质
49、量刀具的几何角度刀具的几何角度工件材料的匀质性和微观缺陷工件材料的匀质性和微观缺陷工作环境工作环境金刚石超精密切削反映的是综合的制造金刚石超精密切削反映的是综合的制造工艺技术，只有制造工艺系统具有整体工艺技术，只有制造工艺系统具有整体的高水平，才能真正实现超精密加工。的高水平，才能真正实现超精密加工。7金刚石超精密切削的应用金刚石超精密切削的应用各类金属反射镜的精密加工各类金属反射镜的精密加工双非球面镜面的精密加工双非球面镜面的精密加工油泵油嘴、化学喷丝头、各种模具的油泵油嘴、化学喷丝头、各种模具的精密加工精密加工金刚石车削不仅用于超精密的镜面加金刚石车削不仅用于超精密的镜面加工，而且用于表面
50、粗糙度工，而且用于表面粗糙度Ra值较小的值较小的高效切削中高效切削中 l超精密切削加工技术的水平是一个国超精密切削加工技术的水平是一个国家制造工业水平的重要标志之一，也家制造工业水平的重要标志之一，也是是国际竞争中取得成功的关键技术国际竞争中取得成功的关键技术之之一。发展尖端科学、发展国防工业、一。发展尖端科学、发展国防工业、发展微电子工业、发展航天航空工业发展微电子工业、发展航天航空工业等，都需要超精密切削技术来制造相等，都需要超精密切削技术来制造相关的仪器、设备和产品。我国对超精关的仪器、设备和产品。我国对超精密切削技术既有广大的社会需求，又密切削技术既有广大的社会需求，又有巨大的发展潜力
