機械制造技術基礎

機械制造技術基礎1第1頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機械制造技術基礎

3.1

切屑的形成過程ProcessofChipForming2第2頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1金屬切削過程的變形

直角切削沒有副刃參加切削，且λs

=0°。圖3-1直角、斜角自由切削與不自由切削a）直角切削b）斜角切削c）不自由切削3第3頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

切屑的形成與切離過程，是切削層受到刀具前刀面的擠壓而產(chǎn)生以滑移為主的塑性變形過程。FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削正擠壓：金屬材料受擠壓時，最大剪應力方向與作用力方向約成45°偏擠壓：金屬材料一部分受擠壓時，OB線以下金屬由于母體阻礙，不能沿AB線滑移，而只能沿OM線滑移切削：與偏擠壓情況類似。彈性變形→剪切應力增大，達到屈服點→產(chǎn)生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應力與滑移量繼續(xù)增大，達到斷裂強度→切屑與母體脫離。圖3-2金屬擠壓與切削比較3.1.1金屬切削過程的變形

擠壓與切削4第4頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

第Ⅰ變形區(qū)：即剪切變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。圖3-5切削部位三個變形區(qū)ⅠⅢⅡ

第Ⅲ變形區(qū)：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產(chǎn)生變形。此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應力的主要原因。3.1.1金屬切削過程的變形

三個變形區(qū)分析

第Ⅱ變形區(qū)：靠近前刀面處，切屑排出時受前刀面擠壓與摩擦。此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。5第5頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2切屑類型與變形系數(shù)

形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達到斷裂程度局部剪切應力達到斷裂強度剪切應力完全達到斷裂強度未經(jīng)塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進給量較小，刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進給量較大，刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料，刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小，妨礙切削工作，應設法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動大，有沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑表3-1切屑類型及形成條件6第6頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長度縮小，寬度基本不變?？捎闷浔硎厩邢鲗幼兊淖冃纬潭取chhDhch3.1.2切屑類型與變形系數(shù)

LD圖3-9切屑與切削層尺寸◆厚度變形系數(shù)（3-1）◆長度變形系數(shù)（3-2）變形系數(shù)7第7頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2切屑類型與變形系數(shù)

當γ0=0～30°，Λh

≥1.5時，Λh與ε相近

ε主要反映第Ⅰ變形區(qū)的變形，Λh還包含了第Ⅱ變形區(qū)的影響。ΔyΔsOMφγ0圖3-10相對滑移系數(shù)（3-3）相對滑移系數(shù)8第8頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

粘結區(qū)：高溫高壓使切屑底層軟化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成長度為lfi的粘接區(qū)。切屑的粘接層與上層金屬之間產(chǎn)生相對滑移，其間的摩擦屬于內摩擦。3.1.3切屑與前刀面的摩擦變形

圖3-11切屑與前刀面的摩擦

在高溫高壓作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生沾接，切屑與前刀面之間既有外摩擦，也有內摩擦。

滑動區(qū)：切屑在脫離前刀面之前，與前刀面只在一些突出點接觸，切屑與前刀面之間的摩擦屬于外摩擦。lfolfi特點兩個摩擦區(qū)9第9頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4已加工表面的變形

σn切削刃存在刃口圓弧，導致擠壓和摩擦，產(chǎn)生第Ⅲ變形區(qū)。A點以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A點以下部分受擠壓和摩擦留在加工表面上，并有彈性恢復。hDΔhDΔhACFE圖3-12已加工表面變形A點前方正應力最大，剪應力為0。A點兩側正應力逐漸減小，剪應力逐漸增大，繼而減小。變形原因變形情況應力分布ττ10第10頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.5硬脆非金屬材料切屑形成機理G＞GC

（3-4）式中G——裂紋擴展單位長度時釋放的能量（應變能釋放率）；

GC

——裂紋擴展單位長度時所需的能量（裂紋擴展阻力）。K1＞K1C

（3-5）式中K1——應力強度因子；

K1C

——K1臨界值。脆性斷裂條件對于Ⅰ型（張開型）裂紋，在平面應變條件下，脆性斷裂條件為：11第11頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.5硬脆非金屬材料切屑形成機理脆性材料切削過程◆大規(guī)模擠裂與小規(guī)模擠裂交替進行（圖3-13）a）b）c）d）e）圖3-13硬脆材料切削過程a）大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除）b）空切c）小規(guī)模擠裂（小塊破碎切除）d）小規(guī)模擠裂（次小塊破碎切除）e）重復大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除）flashflash12第12頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.6磨削機理★磨粒切削刃幾何形狀不確定（通常刃口前角為－60～－85°）★磨粒及切削刃隨機分布★磨削厚度小（＜幾μm），磨削速度高，磨削點瞬時溫度高（達1000℃以上）磨削特點13第13頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.6磨削機理磨屑形成過程★彈性變形：磨粒在工件表面滑擦而過，不能切入工件★塑性變形：磨粒切入工件，材料向兩邊隆起，工件表面出現(xiàn)刻痕（犁溝），但無磨屑產(chǎn)生★切削：磨削深度、磨削點溫度和應力達到一定數(shù)值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出具體到每個磨粒，不一定三個階段均有圖3-14磨屑形成過程a）平面示意圖b）截面示意圖14第14頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機械制造技術基礎

3.2

切削力CuttingForce15第15頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv圖3-15切削力的分解3.2.1切削力的來源與分解

切削力來源★

3個變形區(qū)產(chǎn)生的彈、塑性變形抗力★

切屑、工件與刀具間摩擦力F切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff進給抗力切削力分解16第16頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2切削力經(jīng)驗公式

切削力經(jīng)驗公式（3-6）式中CFc,CFp,CFf

——與工件、刀具材料有關系數(shù)；

xFc,xFp,xFf

——切削深度ap對切削力影響指數(shù)；

yFc,yFp,yFf

——進給量f

對切削力影響指數(shù)；

KFc,KFp,KFf

——考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。17第17頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2切削力經(jīng)驗公式

（3-7）單位切削力

切除單位切削層面積的主切削力（令修正系數(shù)KFc

=1）式中

Fc

——主切削力（N）；

v

——主運動速度（m/s）。（3-8）切削功率18第18頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2切削力經(jīng)驗公式

機床電機功率單位切削功率式中η

——機床傳動效率，通常η=0.75～0.85（3-10）（3-9）指單位時間切除單位體積V0材料所消耗的功率19第19頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3影響切削力因素

工件材料◆切削深度與切削力近似成正比；◆進給量增加，切削力增加，但不成正比；◆切削速度對切削力影響復雜（圖3-16）

強度高加工硬化傾向大切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fc（N）圖3-16切削速度對切削力的影響切削用量20第20頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3影響切削力因素

◆

前角γ0

增大，切削力減小（圖3-17）◆

主偏角κr

對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（κr

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑，圖3-18）圖3-17前角對γ0切削力的影響前角γ0切削力Fγ0-Fcγ0–Fpγ0–Ff圖3-18主偏角κr對切削力的影響主偏角κr/°切削力/N3045607590κr

-Fcκr

–Ffκr

–Fp2006001000140018002200刀具幾何角度影響21第21頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3影響切削力因素

刀具幾何角度影響◆與主偏角相似，刃傾角λs對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（λs

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑）◆刀尖圓弧半徑rε

對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（rε

↑——Fp↑，F(xiàn)f↓）；其他因素影響◆

刀具材料：與工件材料之間的親和性影響其間的摩擦，而影響切削力；◆

切削液：有潤滑作用，使切削力降低；◆

后刀面磨損：使切削力增大，對吃刀抗力Fp的影響最為顯著；22第22頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機械制造技術基礎

3.3

切削熱與切削溫度CuttingHeatandCuttingTemperature23第23頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1切削熱的來源與傳出

切削熱來源★切削過程變形和摩擦所消耗功，絕大部分轉變?yōu)榍邢鳠崆邢鳠嵊汕行?、工件、刀具和周圍介質（切削液、空氣)等傳散出去工件切屑刀具圖3-19切削熱的來源與傳出切削熱傳出★主要來源

QA=QD+QFF+QFR（3-12）（3-11）式中，QD

,QFF,QFR分別為切削層變形、前刀面摩擦、后刀面摩擦產(chǎn)生的熱量24第24頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2切削溫度及分布

TJUniversity切削溫度分布★切削塑性材料——前刀面靠近刀尖處溫度最高?！?/p>

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖處溫度最高。750℃刀具圖3-20二維切削中的溫度分布工件材料：低碳易切鋼；刀具：

o=30

，

o=7

；切削用量：ap=0.6mm，

vc

=0.38m/s；切削條件：干切削，預熱611

C25第25頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3影響切削溫度的因素

切削用量的影響式中θ——用自然熱電偶法測出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度(

C)；

Cθ——與工件、刀具材料和其它切削參數(shù)有關的切削溫度系數(shù)；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指數(shù)。

經(jīng)驗公式（3-12）刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速鋼車削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10銑削80鉆削150硬質合金車削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2切削溫度的系數(shù)及指數(shù)26第26頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3影響切削溫度的因素

刀具幾何參數(shù)的影響前角

o↑→切削溫度↓主偏角

r↓→切削溫度↓負倒棱及刀尖圓弧半徑對切削溫度影響很小

工件材料的影響工件材料機械性能↑→切削溫度↑工件材料導熱性↑→切削溫度↓vc（m/min）圖3-21切削速度、工件材料對切削溫度的影響1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45鋼(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數(shù)：

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

刀具磨損的影響

冷卻液的影響27第27頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3切削溫度的測量

自然熱電偶法工件和刀具材料不同，組成熱電偶兩極，切削時刀具與工件接觸處的高溫產(chǎn)生溫差電勢，通過電位差計測得切削區(qū)的平均溫度。利用紅外輻射原理，借助熱敏感元件，測量切削區(qū)溫度?？蓽y量切削區(qū)側面溫度場。★用不同材料、相互絕緣金屬絲作熱電偶兩極（圖3-22）。mV圖3-22人工熱電偶工件刀具金屬絲小孔★

可測量刀具或工件指定點溫度，可測最高溫度及溫度分布場。人工熱電偶法紅外測溫法28第28頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4磨削熱與磨削溫度磨削熱★磨削區(qū)溫度——砂輪與工件接觸區(qū)的平均溫度，它與磨削燒傷、磨削裂紋密切相關?！?/p>

磨粒磨削點溫度——磨粒切削刃與磨屑接觸點溫度，是磨削區(qū)中溫度最高的部位，與磨粒磨損有直接關系?！锕ぜ骄鶞囟取ハ鳠醾魅牍ぜ鸬臏厣?，影響工件的形狀與尺寸精度。磨削時去除單位體積材料所需能量為普通切削的10～30倍，砂輪線速度高，且為非良導熱體——磨削熱多，且大部分傳入工件，工件表面最高溫度可達1000℃以上。磨削溫度29第29頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機械制造技術基礎

3.4

積屑瘤、殘余應力與加工硬化CutterTumor,RemainsStressandWorkHardening30第30頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2殘余應力

殘余應力概念未施加任何外力作用情況下，材料內部保持平衡而存在的應力。殘余應力種類及影響◆

殘余張應力：易使加工表面產(chǎn)生裂紋，降低零件疲勞強度◆殘余壓應力：有利于提高零件疲勞強度◆殘余應力分布不均：會使工件發(fā)生變形，影響形狀和尺寸精度31第31頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2殘余應力

◆熱塑變形效應：表層張應力，里層壓應力◆里層金屬彈性恢復：若里層金屬產(chǎn)生壓縮變形，則彈性恢復后表層得到壓應力，里層為張應力◆表層金屬相變：影響復雜，若切削區(qū)溫度超過相變溫度，則珠光體受熱轉變成奧氏體，冷卻后又轉變成馬氏體，體積膨脹，表層產(chǎn)生壓應力◆實際應力狀態(tài)是上述各因素影響的綜合結果殘余應力產(chǎn)生原因◆控制切削過程：盡可能減小殘余應力◆時效處理：最大限度減小殘余應力◆殘余壓應力的利用：采用滾壓、噴丸等方法殘余應力的控制32第32頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3加工硬化

加工硬化概念已加工表面表層金屬硬度高于里層金屬硬度的現(xiàn)象加工表面嚴重變形層內金屬晶格拉長、擠緊、扭曲、碎裂，使表層組織硬化◆硬化程度（3-13）式中H——硬化層顯微硬度（HV）；

H0——基體層顯微硬度（HV）。◆硬化層深度指硬化層深入基體的距離Δhd（μm）加工硬化產(chǎn)生原因加工硬化度量33第33頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3加工硬化

◆減小切削變形：提高切速，加大前角，減小刃口半徑等◆減小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨質量等◆進行適當?shù)臒崽幚砑庸び不目刂凭啾砻嫔疃菻VH0hiH0圖3-24加工硬化與表面深度的關系34第34頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機械制造技術基礎

3.5

刀具磨損與刀具壽命CutterWearandIt’sLife35第35頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1刀具磨損

刀具磨損形態(tài)◆正常磨損前刀面磨損形式：月牙洼形成條件：加工塑性材料，v大，hD大影響：削弱刀刃強度，降低加工質量后刀面磨損形式：后角=0的磨損面（參數(shù)——VB，VBmax）形成條件：加工塑性材料,v

較小,hD

較??；加工脆性材料影響：切削力↑,切削溫度↑,產(chǎn)生振動，降低加工質量VBVBmaxa)

KTKBb)圖3-25刀具磨損形態(tài)前、后刀面磨損36第36頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1刀具磨損

◆非正常磨損破損（裂紋、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性變形）圖3-26刀具磨損過程初期磨損后刀面磨損量VB正常磨損急劇磨損切削時間刀具磨損過程3個階段（圖3-26）常取后刀面最大允許磨損量VB磨鈍標準37第37頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月◆磨粒磨損

——各種切速下均存在

——低速情況下刀具磨損的主要原因◆

粘結磨損（冷焊）

——刀具材料與工件材料親和力大

——刀具材料與工件材料硬度比小

——中等偏低切速粘結磨損加劇◆

擴散磨損

——高溫下發(fā)生◆

氧化磨損

——高溫情況下，在切削刃工作邊界發(fā)生3.5.1刀具磨損

刀具磨損原因38第38頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2刀具壽命

刀具壽命（耐用度）概念◆刀具從切削開始至磨鈍標準的切削時間，用T

表示?！舻毒呖倝勖?/p>

——一把新刀從投入切削開始至報廢為止的總切削時間，其間包括多次重磨。（3-14）式中CT、m、n、p

為與工件、刀具材料等有關的常數(shù)。（3-15）可見v

的影響最顯著；f次之；ap

影響最小。用硬質合金刀具切削碳鋼（σb=0.763GPa）時，有：刀具壽命（耐用度）經(jīng)驗公式39第39頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2刀具壽命

圖3-27不同刀具材料的耐用度比較硬質合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速鋼刀具耐用度T（min）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料壽命（耐用度）比較40第40頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.3刀具壽命確定

式中to

、tm

、ta

、tc

分別為工序時間、基本時間、輔助時間和換刀時間；T

為刀具壽命。令f，ap為常數(shù)，有：使工序時間最短的刀具壽命。以車削為例，工序時間：將上式代入式（4-14），對T求導，并令其為0，可得到最大生產(chǎn)率刀具壽命為：（3-16）（3-17）又：最大生產(chǎn)率壽命41第41頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月（3-18）式中C0——工序成本；

Cm

——機時費；

Ct——刀具費用；

tm

，ta

，tc

，T——含義同前。使工序成本最小的刀具壽命。仍以車削為例，工序成本為：（3-19）仍令f，ap為常數(shù)，采用相同方法，可得到經(jīng)濟壽命為（圖3-28）tmCm刀具費用taCmC0刀具耐用度Top成本圖3-28經(jīng)濟壽命經(jīng)濟壽命3.5.3刀具壽命確定

42第42頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月規(guī)定刀具切削時間，離線檢測常規(guī)方法3.5.4刀具磨損、破損檢測與監(jiān)控

通過切削力（切削功率）變化幅值，判斷刀具的磨損程度；當切削力突然增大或突然下降很大幅值時，則表明刀具發(fā)生了破損通過實驗確定刀具磨損與破損的“閾值”切削力與切削功率檢測方法切削加工時，切屑剝離，工件塑性變形，刀具與工件之間摩擦以及刀具破損等，都會產(chǎn)生聲發(fā)射。正常切削時，聲發(fā)射信號小而連續(xù)，刀具嚴重磨損后聲發(fā)射信號會增大，而當?shù)毒咂茡p時聲發(fā)射信號會突然增大許多，達到正常切削時的幾倍聲發(fā)射檢測方法43第43頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.4刀具磨損、破損檢測與監(jiān)控

鉆頭破損檢測器圖3-29聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖交換機床控制器工件折斷工作臺聲發(fā)射傳感器破損信號flash44第44頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機械制造技術基礎

3.6

切削用量的選擇DeterminetheCuttingParameters45第45頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6.1選擇切削用量的傳統(tǒng)方法

1.確定切削深度ap盡可能一次切除全部余量，余量過大時可分2次走刀，第一次走刀的切削深度取單邊余量的2/3～3/4。2.確定進給量

f◆

粗切時根據(jù)工藝系統(tǒng)強度和剛度條件確定（計算或查表）◆

精切時根據(jù)加工表面粗糙度要求確定（計算或查表）3.確定切削速度

v根據(jù)規(guī)定的刀具耐用度確定切削速度v

（計算或查表）4.校驗機床功率(僅對粗加工)

（3-20）式中P——機床電機功率（KW）；

η——機床傳動效率；

Fc

——主切削力（N）。由：，可導出：46第46頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)化問題的數(shù)學模型求設計變量：X=[x1,x2,…,xn

]T，使目標函數(shù)f(X)→min，并滿足約束條件：gi(X)≤0（i=1,2,…,m）3.6.2切削用量的優(yōu)化

◆設計變量：切削過程可以控制的輸入變量，即切削用量。ap通常已由工藝過程確定，故一般取v

和

f為設計變量。◆目標函數(shù)：指優(yōu)化目標與設計變量之間的函數(shù)關系式。（3-21）1）以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標——使工序時間為最短切削用量優(yōu)化模型47第47頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月（3-22）（3-23）2）以最小生產(chǎn)成本為優(yōu)化目標——使工序成本為最小3）以最大利潤為優(yōu)化目標——使單位成本金屬去除率最大3.6.2切削用量的優(yōu)化

48第48頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月◆約束條件：指設計變量的取值范圍（3-24）1）機床結構參數(shù)限制2）加工表面粗糙度限制（3-25）式中Ra

——表面粗糙度（μm）；

rε——刀尖圓弧半徑（mm）。3）機床功率的限制（3-26）式中各符號含義同前。3.6.2切削用量的優(yōu)化

49第49頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6.3切削用量優(yōu)化方法

即函數(shù)求極值的方法。不能考慮約束條件，只適于處理簡單問題。（3-27）可利用設置懲罰函數(shù)，將約束優(yōu)化問題轉化為無約束優(yōu)化問題處理。懲罰函數(shù)的表達式：式中Ra——懲罰函數(shù)；

rε——原目標函數(shù)；

Mp——懲罰因子（一個很大的數(shù)）；——懲罰項；間接法（解析法）直接法（數(shù)值法或搜索法）50第50頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月◆

尋優(yōu)過程示意圖（采用田川法+局部尋優(yōu)）fv0圖3-30田川法尋優(yōu)過程示意圖fminfmaxvminvmaxP＜Pmax約束邊界Pop可行域等值線Pcop3.6.3切削用量優(yōu)化方法

51第51頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory機械制造技術基礎

3.7

高速加工技術HighSpeedMachiningTechnology52第52頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月概述

1931年德國切削物理學家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線”——對應于一定的工件材料存在一個臨界切削速度，此點切削溫度最高，超過該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而下降。

Salomom的理論與實驗結果，引發(fā)了人們極大的興趣，并由此產(chǎn)生了“高速切削（HSC）”的概念。尚無統(tǒng)一定義，一般認為高速加工是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度，來提高材料切除率、加工精度和加工表面質量的現(xiàn)代加工技術。以切削速度和進給速度界定：高速加工的切削速度和進給速度為普通切削的5～10倍。以主軸轉速界定：高速加工的主軸轉速≥10000r/min。3.7.1高速加工概述高速加工定義53第53頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.7.1高速加工概述圖3-31Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應區(qū)06001200180024003000青銅鑄鐵鋼硬質合金980℃高速鋼650℃碳素工具鋼450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削溫度/℃切削適應區(qū)非鐵金屬54第54頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-32高速與超高速切削速度范圍

10100100010000切削速度V（m/min）塑料鋁合金銅鑄鐵鋼鈦合金鎳合金高速加工的切削速度范圍高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異，見圖3-32◎車削：700-7000m/min◎銑削：300-6000m/min◎鉆削：200-1100m/min◎磨削：50-300m/s高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同3.7.1高速加工概述55第55頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

加工效率高：進給率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍

切削力?。狠^常規(guī)切削至少降低30%，徑向力降低更明顯。有利于減小工件受力變形，適于加工薄壁件和細長件

切削熱小：加工過程迅速，95%以上切削熱被切屑帶走，工件積聚熱量極少，溫升低，適合于加工熔點低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件

加工精度高：刀具激振頻率遠離工藝系統(tǒng)固有頻率，不易產(chǎn)生振動；又切削力小、熱變形小、殘余應力小，易于保證加工精度和表面質量

工序集約化：可獲得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定條件下，可對硬表面進行加工，從而可使工序集約化。這對于模具加工具有特別意義

高速加工的特點3.7.1高速加工概述56第56頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

航空航天：

◎帶有大量薄壁、細筋的大型輕合金整體構件加工，材料去除率達100-180cm3/min。

◎鎳合金、鈦合金加工，切削速度達200-1000m/min

汽車工業(yè)：

高速加工的應用3.7.1高速加工概述

◎采用高速數(shù)控機床和高速加工中心組成高速柔性生產(chǎn)線，實現(xiàn)多品種、中小批量的高效生產(chǎn)（圖3-33）

模具制造：

◎高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花成形加工，效率提高3-5倍（圖3-34，圖3-35）。

儀器儀表：

◎精密光學零件加工。57第57頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.7.1高速加工概述專用機床5軸×4工序

=20軸（3萬件/月）剛性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型固定不變）1234鉆孔表面倒棱內側倒棱鉸孔表面和內側倒棱高速鉆孔高速加工中心1臺1軸1工序（3萬件/月）柔性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型可變）圖3-33汽車輪轂螺栓孔高速加工實例（日產(chǎn)公司）58第58頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月3.7.1高速加工概述b）高速模具加工的過程圖3-34兩種模具加工過程比較1硬化毛坯→2粗銑→3半精銑→4精銑→5手工磨修a）傳統(tǒng)模具加工的過程1毛坯→2粗銑→3半精銑→4熱處理→5電火花加工→6精銑→7手工磨修電極制造59第59頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-35采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車公司）與最終尺寸差值/mm加工時間100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修傳統(tǒng)加工方法高速切削少量手工精修3.7.1高速加工概述★對于復雜型面模具，模具精加工費用往往占到模具總費用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。60第60頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月高速加工雖具有眾多的優(yōu)點，但由于技術復雜，且對于相關技術要求較高，使其應用受到限制。

與高速加工密切相關的技術主要有：◎高速加工刀具與磨具制造技術；◎高速主軸單元制造技術；◎高速進給單元制造技術；◎高速加工在線檢測與控制技術；◎其他：如高速加工毛坯制造技術，干切技術，高速加工的排屑技術、安全防護技術等。此外高速切削與磨削機理的研究，對于高速切削的發(fā)展也具有重要意義。3.7.1高速加工概述61第61頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月刀具材料種類合金高速鋼硬質合金陶瓷天然

聚晶金剛石

聚晶立方氮工具鋼W18Cr4VYG6Si3N4

金剛石

PCD

化硼

PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗彎強度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa

2.8GPa

1.5GPa導熱系數(shù)40-50

20-30

70-100

30-40

146.5

100-120

40-100熱穩(wěn)定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃

＞1000℃化學惰性低惰性大惰性小

惰性小

惰性大耐磨性低低較高高最高

最高

很高一般精度Ra≤0.8高精度

Ra=0.4-0.2加工質量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05

IT5-6IT7-8IT5-6

可替代磨削加工對象低速加工一般鋼材、鑄鐵一般鋼材、鑄鐵粗、精加工一般鋼材、鑄鐵粗、精加工高硬度鋼材精加工硬質合金、銅、鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料表3-3普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對比3.7.2高速加工刀具62第62頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-36金剛石（左）與CBN（右）原子結構碳原子氮原子硼原子

金剛石與CBN晶體結構相似，每一個原子都以理想四面體方式以109°28′鍵角與鄰近4個原子結合。金剛石中的每個C原子都以共價鍵方式與鄰近4個C原子結合。CBN中每個N原子與4個B原子結合，每個B原子又與4個N原子結合，并存在少數(shù)離子鍵。3.7.2高速加工刀具63第63頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

天然金剛石天然金剛石是目前已知的最硬物質，根據(jù)其質量不同，硬度范圍為HV8000-12000，相對密度為3.48-3.56。天然金剛石是一種各向異性的單晶體，在晶體上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。天然金剛石耐磨性極好，刀具壽命可長達數(shù)百小時；刃口鋒利，切削刃鈍圓半徑可達0.01μm。天然金剛石耐熱性為700-800℃，高于此溫度，碳原子轉化為石墨結構，硬度喪失。天然金剛石價格昂貴，刃磨困難，主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件，如激光反射鏡、感光鼓、多面鏡、磁盤等。3.7.2高速加工刀具64第64頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

聚晶金剛石人造金剛石是在高溫高壓條件下，借助于某些合金觸媒的作用，由石墨轉化而成。在高溫高壓下，金剛石粉經(jīng)二次壓制形成聚晶金剛石（20世紀60年代出現(xiàn)）。聚晶金剛石不存在各向異性，硬度略低于天然金剛石，為HV6500-8000。聚晶金剛石價格便宜，焊接方便，可磨性好，應用廣泛，可在大部分場合代替天然金剛石。用等離子CVD（化學氣相沉積）可將聚晶金剛石作成涂層，用途和聚晶金剛石刀具相同。金剛石刀具不適于加工鐵族材料，因為金剛石中的碳元素與鐵元素有很強的親和力，碳元素極易向含鐵的工件擴散，使金剛石刀具很快磨損。3.7.2高速加工刀具65第65頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月

聚晶金剛石應用實例表3-4聚晶金剛石應用實例加工對象硬度加工方式工藝參數(shù)加工效果鋁合金端銑v=4000m/mimRa0.8-0.4μm共晶硅HRC71車削v=600m/mim一次刃磨切削行程800km鋁合金f=0.1mm/rRa0.8μm，刀具壽命為硬質合金的50倍共晶硅HRC71銑削v=2900m/mim刀具壽命為硬質合金的80倍

vf=0.018mm/齒Ra0.8μm玻璃纖維HRA87車削v=500m/mim刀具壽命為硬質合金的強化塑料150倍，Ra0.8-0.4μm熱塑性醋銑削v=4500m/s比硬質合金壽命提高380倍酸鹽vf=10mm/minRa=0.8μm高Si-Al銑削v=2200m/mimRa=0.8μm鑄造件鋁合金鉆削v=360m/mim以鉆代鏜，Ra=0.8μm3.7.2高速加工刀具66第66頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月較高的硬度和耐磨性：CBN晶體結構與金剛石相似，化學鍵類型相同，晶格常數(shù)相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料時，其耐磨性為硬質合金刀具的50倍，涂層硬質合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍?！?/p>

PCBN切削性能聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年問世500040003000200010000硬度/HV02004006008001000

溫度/℃BN100BN20陶瓷硬質合金圖3-37PCBN刀具高溫硬度高的熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于金剛石刀具（圖3-37）3.7.2高速加工刀具67第67頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月良好的化學穩(wěn)定性

1200-1300℃與鐵系材料不發(fā)生化學反應；2000℃才與碳發(fā)生化學反應；對各種材料粘結、擴散作用比硬質合金小的多?；瘜W穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料。良好的導熱性

CBN導熱性僅次于金剛石，導熱系數(shù)為1300W/m·℃，是硬質合金的20倍，陶瓷的37倍，且隨溫度升高而增加。這一特性使PCBN刀具刀尖處溫度降低，減少刀具磨損，提高加工精度。較低的摩擦系數(shù)

CBN與不同材料間的摩擦系數(shù)為0.1-0.3（硬質合金為0.4-0.6），且隨切削速度的提高而減小。這一特性使切削變形和切削力減小，加工表面質量提高。3.7.2高速加工刀具68第68頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月加工HRC45以上的硬質材料例如各種淬硬鋼（工具鋼、合金鋼、模具鋼、軸承鋼等），鑄鐵（釩鈦鑄鐵、冷硬鑄鐵、高磷鑄鐵等），高溫合金，硬質合金，粉末金屬表面噴涂（焊）材料等?！?/p>

PCBN刀具應用金屬軟化效應用PCBN切削淬硬鋼，工件材料硬度＜HRC50時，切削溫度隨材料硬度增加而增加；工件材料硬度＞HRC50時，切削溫度隨材料硬度增加有下降趨勢（圖3-38），金屬軟化，硬度下降，加工易于進行。8007507006506003040506070硬度HRC（V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm）切削溫度/℃圖3-38切削溫度與硬度關系3.7.2高速加工刀具69第69頁，課件共78頁，創(chuàng)作于2023年2月◆

PCBN刀具應用實例加工對象硬度加工方式工藝參數(shù)加工效果GCr15HRC71車削V=180m/mim以車代磨，工效提高4-5倍鋼軋輥f=5.6mm/rRa0.8-0.4μmYG15HRA87鏜孔V=50m/mim工效較電火花加工提高30冷擠壓模倍，Ra0.8-0.4μmA3熱壓板端銑V=800m/mim以銑代磨，工效提高6-7倍Vf=100m/mimRa1.6-0.8μm，平面度0.02凸輪軸HRC60磨削V=80m/s比單晶剛玉砂輪壽命提高20倍，生產(chǎn)效率提高50%GCr15HRC62磨削V=65m/s比棕剛玉砂輪耐用度提高軸承內孔