1、MMT1切屑的形成过程切削力及其影响因素切削热与切削温度积屑瘤、残余应力和加工硬化刀具磨损与刀具寿命切削用量的选择高速加工技术MMT2MMT3没有副刃参加切削，且s=0图3-1 直角、斜角自由切削与不自由切削a）直角切削）直角切削b）斜角切削）斜角切削c）不自由切削）不自由切削MMT4 FABOM45a）正挤压）正挤压FABOM45b）偏挤压）偏挤压OMFc）切削）切削图3-2 金属挤压与切削比较MMT5图3-3 切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角MMT6图3-4 切削变形实验设备与录像装置MMT7 第变形区：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
2、主要集中于此区域。图3-5 切削部位三个变形区第变形区：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。第变形区：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。MMT8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
3、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MMT9带状切屑Real挤裂切屑Real单元切屑Real崩碎切屑Real图3-6 切屑形态照片MMT10v 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。v 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v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置
4、，图3-8）MMT11切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。LchhDhchLD图3-9 切屑与切削层尺寸厚度变形系数（3-1）Dchhhh长度变形系数chDLLL（3-2）MMT12ysOM0图3-10 相对滑移系数)cos(sincos00yS（3-3）MMT13粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。图3-11 切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。滑动区：切屑在脱离前
5、刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfiMMT14n切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDhDhACFE图3-12 已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为 0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。MMT15 GGC （3-4）式中 G 裂纹扩展单位长度时释放的能量（应变能 释放率）；GC 裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩 展阻力）。K1K1C （3-5）式中 K1 应力强度因 子；K1C K1临界值。对于型（张开型）裂纹，在
6、平面应变条件下，脆性断裂条件为：MMT16 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-13）a）b）c）d）e）图3-13 硬脆材料切削过程a）大规模挤裂（大块破碎切除）b）空切c）小规模挤裂（小块破碎切除）d）小规模挤裂（次小块破碎切除）e）重复大规模挤裂（大块破碎切除）flashflashMMT17 磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为60 85）磨粒及切削刃随机分布 磨削厚度小（几m），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000以上）MMT18 弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕(犁沟)，但无磨屑产生切削：磨削深度、磨削点
7、温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出 具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有 图3-14 磨屑形成过程a）平面示意图 b）截面示意图MMT19MMT20rFcFFpFf pFfFf pFf pfv图3-15 切削力的分解 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MMT21FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK（3-6）式中 CFc,CFp,CFf 与工件、刀具材料有关系数；xFc,xFp,xFf 切削深度ap 对切削力影响指数；yFc,yFp,yFf 进给
8、量 f 对切削力影响指数；KFc,KFp,KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。MMT221FFFccccccFcxyxFpFFpcyDppCafKCaFpAafaf（3-7）切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc=1）式中 Fc 主切削力（N）；v 主运动速度（m/s）。（3-8）310()ccPFvKWMMT23式中 机床传动效率，通常=0.750.85 （3-10）63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW（3-9）指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率MMT24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
9、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5 19 28 35 55 100 130 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MMT25 前角0 增大，切削力减小（图3-17）主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（r Fp，Ff，图3-18）图3-17 前角对0切削力的影响前角0切削力F0-Fc0 Fp0 Ff图3-18 主偏角r对切削力的影响主偏角r /切削力/N3045607590r-Fcr Ffr Fp2006001000140018002200MMT26 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响
10、不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（s Fp，Ff）刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（r Fp，Ff）；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MMT27MMT28 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 主要来源 QA=QD+QFF+QFR （3-12）cccvFPq（3-11）式中，QD,QFF,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面
11、摩擦产生的热量MMT29TJ University 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。750刀具图3-20 二维切削中的温度分布 工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；切削条件：干切削，预热611CMMT30q 切削用量的影响 式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；Z、Y、X vc、f、ap 的指数。经验公式ZyxcpC vfa （3-12）刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.1
12、0铣削80钻削150硬质合金车削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2 切削温度的系数及指数MMT31q 刀具几何参数的影响 q 工件材料的影响 vc（m/min）图3-21 切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH131 21Cr18Ni9Ti 345钢(正火)4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243q 刀具磨损的影响 q 冷却液的影响 MMT
13、32工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极（图3-22）。可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。mV图3-22 人工热电偶工件刀具金属丝小孔MMT33 磨削区温度 砂轮与工件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。磨粒磨削点温度 磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。工件平均温度 磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。磨削时去除单位体
14、积材料所需能量为普通切削的1030倍，砂轮线速度高，且为非良导热体 磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。MMT34MMT35 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切屑刀具图3-23 积屑瘤积屑瘤RealRealMMT36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MMT37热塑变形效应：表层张应力，里层压应力里层金属弹性
15、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：影响较复杂，若切削区温度超过相变温度，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MMT38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00100%HHNH（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hd（m）MM
16、T39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距表面深度HVH0hiH0图3-24 加工硬化与表面深度的关系MMT40MMT41正常磨损形式：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MMT42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
17、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MMT43 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MMT44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。111TpmnpCTvfa（3-14）式中CT、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数。52.250.75TpCTvfa（3-15）可见
18、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（b=0.763GP a）时，有：MMT45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）1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度v（m/min）MMT46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：10001000mwwwwmppLdLdtTvfaAfa 使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：mv TA将
19、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：momactttttT（3-16）（3-17）1opcmTtm又：MMT470mmmamcmttCtCtCtCCT（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）1topcmCmTtmC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MMT48规定刀具切削时间，离线检测切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及
20、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 MMT49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flashMMT50MMT511.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 2/33/4。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
21、表）4.校验机床功率(仅对粗加工)310cF vP 310cPvF（3-20）式中 P 机床电机功率（KW）；机床传动效率；Fc 主切削力（N）。由：，可导出：MMT52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：g i(X)0 （i=1,2,m）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）1111000momacwwmPTpmnptttttTDLtvfaCTvfa 1）以最大生产率为优化目标使工序时间为最短MMT53（3-22）11
22、11000mommamcmtwwmPTpmnptCtCtCtCCTDLtvfaCTvfa（3-23）1111000mctmPTpmnpMRRHCtCCTMRRvfaCTvfa2）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MMT54约束条件：指设计变量的取值范围minmaxminmaxfffvvv（3-24）1）机床结构参数限制2）加工表面粗糙度限制0.0321afRr（3-25）式中 Ra 表面粗糙度（m）；r 刀尖圆弧半径（mm）。3）机床功率的限制FFccccxyFpFCafKvP（3-26）式中各符号含义同前。MMT55即函数求极值的方法。不
23、能考虑约束条件，只适于处理简单问题。21(,)()max(),0nPPiiP XMfXMgX（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；r 原目标函数；Mp 惩罚因子（一个很大的数）；21max(),0npiiMgX 惩罚项；0()0max(),0()()0iiiigXgXgXgXMMT56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fminfmaxvminvmaxPPmax约束边界Pop可行域等值线PcopMMT57MMT58q 高速加工定义MMT59图3-31 Salomon切削温度与切削速
24、度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区0 600 1200 1800 2400 3000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金8501600 1200800400切削温度/切削适应区非铁金属MMT60图3-32 高速与超高速切削速度范围 10 100 1000 10000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金q 高速加工的切削速度范围车削：700-7000 m/min铣削：300-6000 m/min钻削：200-1100 m/min磨削：50-300 m/sMMT61加工效率高：加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材
25、料去除率可提高3-6倍切削力小：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：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：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：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q 高速加工的特点RealRealMMT62航空航天：航空航
26、天：汽车工业：汽车工业：q 高速加工的应用模具制造：模具制造：仪器仪表：仪器仪表：MMT63MMT64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 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 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 1
27、400 800 600-800 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 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 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MMT65图3-36 金刚石（左）与CBN（右）原子结构碳原子氮原子硼原子MMT
28、66q 天然金刚石MMT67q 聚晶金刚石MMT68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/mim Ra0.8-0.4m共晶硅 HRC71 车削 v=600m/mim 一次刃磨切削行程800km铝合金 f=0.1mm/r Ra0.8m，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 Ra0.8m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，Ra0.8-0.4m热塑性醋 铣削 v=4500m
29、/s 比硬质合金寿命提高380倍酸盐 vf=10mm/min Ra=0.8m高Si-Al 铣削 v=2200m/mim Ra=0.8m铸造件 铝合金 钻削 v=360m/mim 以钻代镗，Ra=0.8mMMT69PCBN切削性能切削性能q 聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride)1970年问世500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600 800 1000 温度/BN100BN20陶瓷硬质合金图3-37 PCBN刀具高温硬度MMT70MMT71PCBN刀具应用刀具应用800750700650600 30
30、40 50 60 70 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MMT72PCBN刀具应用实例刀具应用实例加工对象 硬度 加工方式 工艺参数 加工效果GCr15 HRC71 车削 V=180m/mim 以车代磨，工效提高4-5倍钢轧辊 f=5.6mm/r Ra0.8-0.4mYG15 HRA87 镗孔 V=50m/mim 工效较电火花加工提高30冷挤压模 倍，Ra0.8-0.4mA3热压板 端铣 V=800m/mim 以铣代磨，工效提高6-7倍 Vf=100m/mim Ra1.6-0.8m，平面度0.02凸轮轴 HRC60
31、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%GCr15 HRC62 磨削 V=65m/s 比棕刚玉砂轮耐用度提高轴承内孔 170倍，生产效率提高一倍Cr、Cu 端铣 V=800m/mim Ra0.8m，平面度0.02铸铁 Vf=0.1mm/齿40Cr钢 HRC38 立铣 V=850m/mim 以铣代磨，工效提高5-6倍 Ra0.8m表3-5 PCBN刀具应用实例MMT73图3-39 陶瓷轴承高速主轴陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口q 陶瓷轴承高速主轴结构MMT74q 陶瓷轴承高速主轴结构特征MMT75MMT76电磁铁绕组通过电流 I0，
32、对转子产生吸力 F，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图3-32）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功放变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。放大器电磁铁（定子）传感器转子图3-32 磁悬浮轴承工作原理控制器MMT77前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图3-41 磁浮轴承高速主轴q 磁浮轴承主轴结构MMT78q 磁浮轴承主轴特点MMT79q 自检测磁悬浮轴承系统MMT80CCPU功率放大PID低通滤波图3-34 自检测磁悬浮轴承系统控制原理
