1、1切削变形及其影响因素切削力及其影响因素切削热与切削温度刀具磨损与刀具耐用度刀具角度和切削用量的选择23 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4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5图3-4 切削变形实验设备与录像装置6 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主要集中于此区域。图 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
2、形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。7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）1ChDDChLLhh8ysOM0图3-10 相对滑移系数)cos(sincos00yS（3-3）9由于刀屑接触面的粘结摩擦及滞流作用，在切削塑性金属时，在前面上的温度、压力适宜的时候，切屑底层金属粘结在刃口附近的前面上，形成一个硬度很高的楔块，这楔块称为积屑瘤，或称刀瘤，如图36所示。积屑瘤在形成过程中是一层层增高的，到一定高度会脱落，是一个生成
3、、长大、脱落的周期性过程。10积屑瘤对加工的影响 积屑瘤的存在可代替切削刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用，还可增大刀具实际前角。对粗加工的切削过程有利。但是积屑瘤的顶端从刀尖伸向工件内层，使实际背吃刀量和切削厚度发生变化，将影响工件的尺寸精度，由于积屑瘤的高度变化使已加工表面粗糙度的值变大，并易引起振动，所以在精加工应避免产生积屑瘤。11影响积屑瘤产生的主要因素 塑性大的工件材料，刀屑之间的摩擦系数和接触长度大，生成积屑瘤的可能性就大，脆性材料一般不产生积屑瘤。切削速度对积屑瘤有很大影响，切削速度很低(c18mmin或很高(c80mmin)都很少产生积屑瘤，在中等速度范围内(加工普通钢c2
4、0mmin)最容易产生积屑瘤，此时，其高度也最大，如图36所示。刀具前角增大可以抑制积屑瘤的生成或减小积屑瘤的高度，当前角o35时，一般就不会产生积屑瘤。使用润滑性能好的切削液可减小摩擦，有效地抑制或减小积屑瘤。12已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象加工硬化产生的原因经切削产生的变形使得已加工表面层的金属晶格产生扭曲、挤紧和碎裂造成已加工表面的硬度增高。加工硬化产生的后果加工硬化的控制硬化程度严重的材料使得切削变得困难。冷硬还使得已加工表面出现显微裂纹和残余应力等，从而降低了加工表面的质量和材料的疲劳强度。提高切速，加大前角，减小刃口半径；如加大后角，提高刀具刃磨质量；进行适当的热处
5、理13已加工表面上一种鳞片状毛刺的现象。它对表面粗糙度有严重的影响。通常在较低的切削速度时对塑性金属进行车、刨、钻、拉螺纹加工和齿轮加工，都可能出现鳞刺。采用减小切削厚度和使用润滑性能好的极压切削油或极压乳化液、高速切削、加热切削等措施，都可抑制鳞刺。控制鳞刺的方法鳞刺产生的场合14工件材料工件材料工件材料的强度、硬度越高，刀屑之间的摩擦系数就越小，所以切屑变形就越小 刀具的角度刀具的角度前角的影响 刀具的前角越大，切削刃越锋利，刀具前面对切削层的挤压作用越小，则切屑变形就越小。刀尖圆弧半径的影响 切削用量切削用量切削速度的影响 进给量的影响进给量增加变形减小 15切削时，在刀具作用下切削层与
6、加工表面层发生了弹性变形和塑性变形，因此有变形抗力作用在刀具上，这个变形抗力称为切削力。作用在前面上的变形抗力Fnr和摩擦力Ffr的合力为Fr；作用在后面上的变形抗力Fna和摩擦力Ffa的合力为Fa。Fr和Fa的合力F就是总切削力。16rFcFFpFDFfFDFDfv图3-15 切削力的分解F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力22222fPcDcFFFFFFrDfFFsinrDPFFcos17FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK（3-6）式中 CFc,CFp,CFf 与工件、刀具材料有关系数；xFc,xFp,xFf
7、切削深度ap 对切削力影响指数；yFc,yFp,yFf 进给量 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。181FFFccccccFcxyxFpFFpcyDppCafKCaFpAafaf（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()ccPFvKW19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20切削深度与切削力近似成正比；
8、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21 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 Fp200600100014001800220022 与主偏
9、角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，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 ；23 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、
10、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量24TJ 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611C25q 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1401700.350.450.20.30.08
11、0.10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26q 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 27工
12、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）。mV图3-22 人工热电偶工件刀具金属丝小孔 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。28 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。磨削时去除单位体积材料所需
13、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。29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30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
14、许磨损量VB磨钝标准31 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32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
15、 a）时，有：33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）34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：10001000mwwwwmppLdLdtTvfaA fa 使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：mv TA将上式代入式（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
16、（3-16）（3-17）1opcmTtm又：350mmmamcmttCtCtCtCCT（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36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
17、发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍 37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flash3839v 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，图3-8）40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41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
18、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v表3-1 切屑类型及形成条件42从加工过程的平稳、保证加工精度和加工表面质量考虑，带状切屑是较好的类型。容易缠绕在
19、工件或刀具上，影响切削过程的进行，甚至伤人 在数控机床上C状切屑是较好的形状，但高频折断会影响切削的平稳性 43自动线上宝塔状切屑不会缠绕，清理也方便 精车时螺卷状切屑较好，过程平稳，清理方便 自动线上宝塔状切屑不会缠绕，清理方便 重型机床上常使切屑卷曲成发条状 44切屑的流向对工件质量和加工安全有直接的影响。由于切削条件的不同，切屑流向的控制目的和方法也不仅相同。刃倾角对切屑的流向影响最大，如图326所示。45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。如图327所示 46断屑的原因 切屑经第、第变形区的严重变形后，硬度增加，塑性大大降低，性能变脆，从而为断屑创造了先决条件。由切
20、屑经变形自然卷曲或经断屑槽等障碍物强制卷曲产生的拉应变超过切屑材料的极限应变值时，切屑即会折断。47断屑的措施 磨制断屑槽 改变刀具角度：主偏角和刃倾角对断屑的影响最大。主偏角越大，切屑厚越大，切屑卷曲时的弯曲应力越大，易于折断，一般来说Kr在7590范围较好。还可改变刃倾角的正、负值，控制切屑流向达到断屑的目的。改变切削用量：切削速度提高，易形成带状切屑，不易断屑；增大进给量使切屑厚度增大，一般来说hD/bD(切削厚度/切削宽度)值较小时，断屑较困难，hD/bD较大时，易于断屑。48工件材料的切削加工性是指材料进行切削加工的难易程度。研究材料加工性的目的是为了改善材料切削加工性的途径。在相同
21、的切削条件，一定刀具耐用度T下，切削某种工件材料所允许的切削速度 CT与加工性能较好的正火状态45钢(CT)J相比较，则相对切削加工性Kr为：JcTcTrk)(一般取T60min，对于难加工材料可用T20min。凡Kr1的材料，其加工性能较好，小于1者，其加工性能较差。常用的分为八级，如表32所示。49加工性 等级表3-2 材料相对加工性等级材料名称及种类相对加工性Kr代 表 性 材 料1很易切削材料一般有色金属3.0铜铝合金，铝铜合金，铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.53退火l5Cr，b0.373o.441GPa自动机钢，b0.3930.491GPa3较易切削钢1.62.5正火30钢，b0
22、.4410.549GPa4普通材料一般钢、铸铁1.01.645钢，灰铸铁5稍难切削材料0.651.02Crl3，调质b0.834GPa85，钢b0.883GPa6难加工材料较难切削材料0.50.6545Cr，调质b1.03GPa65Mn，调质b0.9320.9817难切削材料0.150.550CrV,调质；1Crl8Ni9Ti,钛合金8很难切削材料0.15某些钛合金，铸造镍基高温合金50在相同的切削条件下，凡是切削力大，切削温度高的材料难加工，即加工性能差；反之，加工性能好。精加工时，常以此作为切削加工性指标。凡容易获得好的加工表面质量的材料，其切削加工性较好，反之较差。例如，低碳钢的加工性不
23、如中碳钢，纯铝的加工性不于硬铝合金。凡切屑容易控制或容易断屑的材料，其加工性能较好，反之较差。在自动线和数控机床上常以此作为切屑加工性指标。51工件材料硬度的影响1）工件材料常温硬度对切削加工性影响：工件材料硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快。2）工件材料高温硬度的影响：工件材料高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程的有利影响（软化）对高温硬度高的材料不起作用。3）金属材料中硬质点对加工性的影响：金属中硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，则材料的加工性越差。4）材料的加工硬化对切削加工性的影响：加工硬化性越严重，切削加工性越差。52强度越高的材料，产生的切削力越大，切
24、削时消耗的功率越多，切削温度亦越高，刀具容易磨损。因此，在一般情况下，加工性随工件材料强度提高而降低。工件材料强度的影响工件材料塑性的影响53工件材料韧性的影响韧性大的材料，切削加工性较差：在断裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且断屑困难。工件材料弹性模量的影响材料的弹性模量E是衡量材料刚度（抵抗弹性变形的性能）的指标，E值越大，材料刚度越大，切削加工性越差。材料的切削加工性是上述这些机械性能（硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量等）综合影响的结果。100图3-47 碳钢硬度与可切削性的关系0100200300400500255075可切削性布氏硬度（HB）54如镁合金易燃烧，钛合金切屑易形成硬脆
25、化合物等，不利于切削进行。工件材料导热系数的影响 工件材料物理化学反应的影响55表 工件材料加工性分级表切削加工易切削较易切削较难切围难 切 削等级代号01234567899a9b硬度HB5050100100 150150200200 250250300300350350 400400480480635635 HRC 1424.824.832.332.338.138.1434350506060 抗拉强度b（GPa）0.1960.1960.4410.4410.5880.5880.7840.7840.980.981.1761.1761.3721.372l.5681.6581.7641.7641.9
26、61.962.452.45延伸率()101015152020252530303535404050506060100100 冲击值k(kJ/m2)19619639239258858878478498098013721372176417641962196224502450294029403920 导热系数k(W/mK)418.68293.08293.08167.47167.4783.7483.4762.8062.8041.8741.8733.533.525.1225.1216.7516.758.378.37 56有色金属有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。铸铁铸铁的加工性一般
27、较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。，57碳素钢，合金工具钢58，表2-14 难切削金属材料的切削加工性比较（恶化顺序1234）影响切削加工性的因素难切削金属材料（淬火或析出硬化状态）高锰钢高 强 度 钢不 锈 钢高温 合金低合金高合金马氏体时效钢沉淀硬化型奥氏体型马氏体型索氏体型铁基镍基钴基钛合金硬度1234234131223122322高温强度11221l21123332微观硬质点 121231111123321与刀具
28、亲和性111112222334导热性42223322343444加工硬化性4221232133432粘附件21111231133421相对切削加工性0.20.40.20.50.20.450.10.250.30.40.50.60.50.70.60.80.150.30.80.20.050.150.250.3859，采取适当的热处理 通过热处理可以改变材料的金相组织，改变材料的物理力学性能。例如，低碳钢采用正火处理或冷拔状态以降低其塑性、提高表面加工质量，高碳钢采用退火处理以降低硬度以减少刀具的磨损，马氏体不锈钢通过调质处理以降低塑性，热轧状态的中碳钢，通过正火处理使其组织和硬度均匀，中碳钢有时也要
29、退火，铸铁件一般在切削前都要进行退火以降低表层硬度，消除应力。60，调整工件材料的化学成分 在大批量生产中，应通过调整工件材料的化学成分来改善切削加工性。例如易切钢就是在钢中适当添加一些化学元素(S、Pb等)以金属或非金属夹杂物状态分布、不与钢基体固溶，从而使得切削力小、容易断屑，且刀具耐用度高，加工表面质量好。此外，还应针对工件材料难加工的因素，采取其他相应的对策。例如：选择或研制最合适的刀具材料；选择最佳的刀具几何参数；选择合理的切削用量；选择合适的切削液等等。采用工艺手段 61 前角是刀具上重要的几何参数之一，前角的大小决定着刀刃的锋利程度。前角大小的选择总的原则是，在保证刀具耐用度满足
30、要求的条件下，尽量取较大值。具体选择应根据以下几个方面考虑：（1）根据刀具切削部分材料选 高速钢强度、韧性好，可选较大前角；硬质合金的强，度、韧性较高速钢低，故前角较小；陶瓷刀具前角应更小。（2）根据工件材料选 加工塑性金属前角较大，而加工脆性材料前角较小；材料的塑性越大，前角越大；材料的强度和硬度越高，前角越小，甚至取负值。（3）根据加工要求选 粗加工和断续切削选较小前角；精加工时前角应大些。62 后角的主要作用是减小刀具后面与工件表面之间的摩擦，所以后角不能太小。后角也不能太大，后角过大虽然能使刃口锋利，另一方面会使刃口强度降低，从而降低刀具耐用度。后角大小选择总的原则是，在不产生较大摩擦
31、条件下，尽量取较小后角。具体选择大小时，根据以下几个因素考虑。（1）根据加工要求选 粗加工时，切削用量较大，刃口需要有较好的强度，后角应选小些。精加工时，切削用量较小，工件表面质量要求高，为了减小摩擦，使刃口锋利，后角应选得大些。（2）根据加工工件材料选 加工塑性金属材料，后角适当选大值；加工脆性金属材料，后角应适当减小；加工高强度、高硬度钢时，应取较小后角。63主偏角较小时，刀刃参加切削的长度长，刀尖角增大，提高了刀尖强度，改善了刀刃散热条件，对提高刀具耐用度有利。但是，主偏角较小时，吃刀抗力FP大，容易使工件或刀杆(孔加工刀)产生挠度变形而引起“让刀”现象，以及引起工艺系统振动，影响加工质
32、量。因此，工艺系统刚性好时，常采用较小的主偏角；工艺系统刚性差时要取较大主偏角。主偏角影响切削厚度及切削宽度的比例，主偏角越大，切削厚度越大，切削宽度越小，越容易断屑。因此，当出现带形切屑时，可考虑增大主偏角。副偏角的大小主要影响已加工表面粗糙度，为了降低工件表面粗糙度，通常取较小的副偏角。64粗加工一般钢材铸铁时，s=0-5；精车时取s=0+5，有冲击载荷时取s=-5-15。刃倾角的主要作用是它可以控制切屑流出方向，增加刀刃的锋利程度；增加刀刃参加工作的长度，使切削过程平稳以及保护刀尖。粗加工时宜选负刃倾角，以增加刀具的强度；在断续切削时，负刃倾角有保护刀尖的作用。当工件刚性较差，不宜采用负
33、刃倾角，因为负刃倾角将使吃刀抗力增加。精加工时宜选用正刃倾角，可避免切屑流向已加工表面，保证已加工表面不被切屑碰伤。大刃倾角刀具可使排屑平面的实际前角增大，刃口圆弧半径减小，使刀刃锋利。因此在微量切削时，常常采用很大的刃倾角，如在精镗孔、精刨平面时，常采用s=3075。65 正确地选择切削用量对提高生产率、保证加工质量有着很重要的作用。下面以下图为例来论述选择切削用量的一般原则。工件材料:45钢(正火)=0.893Gpa；加工要求：表面粗糙度为Ra=6.3m;刀具材料:YT15;刀杆尺寸:16mm25mm;刀具:o=15,o=o=6,r=75,r=15,s=0,r=0.5mm;机床：C6120
34、-1。66 粗加工选择切削用量的原则是，在保证刀具一定耐用度前提下，要尽可能提高在单位时间内的金属切除量。车削时，单位时间内金属切除量(单位为mm3s)：Zw=1000cfap由上式可见，提高切削用量三要素中任何一个，都能提高金属切除率，从而达到提高生产率降低成本的目的。但是三个因素中，影响刀具耐用度最大的是切削速度c，其次是进给量f，影响最小的则是背吃刀量ap，因此，在选择粗加工切削用量时，应优先采用大的背吃刀量ap，其次采用较大进给量f，最后根据刀具耐用度的限定选一个合理的切削速度c，这样的选择可在T一定时使(c、f、ap)三者的乘积最大，ap大还可减少走刀次数，达到减少切削时间，提高生产
35、率。67 精加工或半精加工选择切削用量的原则是，在保证加工质量的前提下，兼顾必要的生产率。背吃刀量ap是根据尺寸精度要求和切削用量确定的。进给量f是根据工件表面粗糙度的要求来确定。根据加工条件从表34选取f=0.3mm/r切削速度c的确定应避开积屑瘤产生区。一般硬质合金车刀应采用高速切削，其速度一般要80100m/min以上；高速钢车刀一般采用低速切削，其速度一般在38m/min之间。根据切削条件选取c150r/min。68 冷却作用 在切削过程中，切削液能带走大量的切削热，有效地降低切削温度，提高刀具耐用度。在刀具材料的耐热性较差及工件材料导热系数较差的情况下，切削液的冷却作用显得更为重要。
36、切削液冷却性能的好坏，主要取决于它的导热系数、比热、汽化热、流量的大小。一般说来，水溶液冷却效果最好，乳化液其次，油类最差。润滑作用 是通过切削液渗透到刀具与切屑、工件表面之间形成润滑油膜，由干摩擦(摩擦系数大)变为边界润滑摩擦(摩擦系数较小)而实现的。作为一种性能优良的切削液，除了具有良好的冷却、润滑性能外，还应具有防锈作用、不污染环境、稳定性好，价格低廉等。69 水溶液 主要成分是水，并在水中加入一定的防锈剂。它的冷却性能好，润滑性能差，呈透明状，便于操作者观察，它常在磨削中使用。乳化液 是将乳化油用水稀释而成。呈乳白色，一般水占9598，故冷却性能好。乳化液中常加入极压添加剂以提高油膜强
37、度，起到良好的润滑作用。一般材料的粗加工常使用乳化液，难加工材料的切削常使用极压乳化液。(3)切削油 主要是矿物油(机油、煤油、柴油)，有时采用少量的动、植物油及它们的复合油。切削油的润滑性能好，但冷却性能差。为了提高切削油在高温高压下的润滑性能，在切削油中加人极压添加剂以形成极压切削油。一般材料的精加工，常使用切削油。难加工材料的精加工，常使用极压切削油。70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：
38、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71（3-22）1111000mommamcmtwwmPTpmnptCtCtCtCCTDLtvfaCTvfa（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72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
39、（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。73即函数求极值的方法。不能考虑约束条件，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()()0iiiigXgXgXgX74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
40、程示意图fminfmaxvminvmaxPPmax约束边界Pop可行域等值线Pcop75q 高速加工定义76图3-31 Salomon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77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：300-60
41、00 m/min钻削：200-1100 m/min磨削：50-300 m/s78加工效率高：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：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
42、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79航空航天：航空航天：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：80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）81b）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
43、 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82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。8384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 HV
44、10000 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 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 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
45、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85图3-36 金刚石（左）与CBN（右）原子结构碳原子氮原子硼原子86q 天然金刚石87q 聚晶金刚石88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5
46、0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/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=0.8m89PCBN切削性能切削性能q 聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride)1970
47、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9091PCBN刀具应用刀具应用800750700650600 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92PCBN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 HRA8
48、7 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 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
49、3-5 PCBN刀具应用实例93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94q 陶瓷轴承高速主轴结构特征9596电磁铁绕组通过电流 I0，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97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98q 磁浮轴承主轴特点99q 自检测磁悬浮轴承系统100CCPU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
