機械制造技術(shù)基礎(chǔ)電子教案張世昌

1、1,,第3章 切削原理,本章要點,切屑的形成過程,切削力及其影響因素,切削熱與切削溫度,積屑瘤、殘余應(yīng)力和加工硬化,刀具磨損與刀具壽命,切削用量的選擇,,,,,,,高速加工技術(shù),,,2,第3章 切削原理Cutting Theory,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),,3.1 切屑的形成過程Process of Chip Forming,3,3.1.1 金屬切削過程的變形,沒有副刃參加切削，且λs = 0°,4,,,,切屑的形成與切離

2、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。,正擠壓：金屬材料受擠壓時，最大剪應(yīng)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，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(yīng)力增大，達到屈服點→產(chǎn)生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應(yīng)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

3、削過程的變形,5,,,圖3-3 切屑根部金相照片,3.1.1 金屬切削過程的變形,6,,,3.1.1 金屬切削過程的變形,圖3-4 切削變形實驗設(shè)備與錄像裝置,7,,,,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),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(yīng)力的主要原因。,3.1.1 金屬切削過程的變形

4、,8,3.1.2 切屑類型與變形系數(shù),,,9,3.1.2 切屑類型與變形系數(shù),,,圖3-6 切屑形態(tài)照片,10,3.1.2 切屑類型與變形系數(shù),,,為使切削過程正常進行和保證已加工表面質(zhì)量，應(yīng)使切屑卷曲和折斷。 切屑的卷曲是切屑基本變形或經(jīng)過卷屑槽使之產(chǎn)生附加變形的結(jié)果（圖3-7）,圖3-7 切屑的卷曲,圖3-8 斷屑的產(chǎn)生,斷屑是對已變形的切屑再附加一次變形（常需有斷屑裝置，圖3-8）,11,切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加

5、，長度縮小，寬度基本不變?？捎闷浔硎厩邢鲗幼兊淖冃纬潭?。,3.1.2 切屑類型與變形系數(shù),,,◆ 厚度變形系數(shù),（3-1）,◆ 長度變形系數(shù),（3-2）,12,3.1.2 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。,（3-3）,13,粘結(jié)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

6、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(nèi)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(nèi)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。,14,,,3.1.4 已加工表面的變形,切削刃存在刃口圓弧，導(dǎo)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

7、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(fù)。,A點前方正應(yīng)力最大，剪應(yīng)力為 0。 A點兩側(cè)正應(yīng)力逐漸減小，剪應(yīng)力逐漸增大，繼而減小。,15,,,,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(yīng)變能 釋放率）；

8、 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(yīng)力強度因 子； K1C —— K1臨界值。,對于Ⅰ型（張開型）裂紋，在平面應(yīng)變條件下，脆性斷裂條件為：,16,,,,3.1.5 硬脆非金屬材料切屑形成機理,◆ 大

9、規(guī)模擠裂與小規(guī)模擠裂交替進行（圖3-13）,17,,,,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?。ǎ紟爪蘭），磨削速度高，磨削點瞬時溫度高（達1000℃以上）,18,,,,3.1.6 磨削機理,★ 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

10、：磨削深度、磨削點溫度和應(yīng)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,19,第3章 切削原理Cutting Theory,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),,3.2 切削力Cutting Force,20,3.2.1 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,,,21,3.2.2

11、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(guān)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

12、的修正系數(shù)。,,22,3.2.2 切削力經(jīng)驗公式,,,（3-7）,式中 Fc —— 主切削力（N）； v —— 主運動速度（m/s）。,（3-8）,23,3.2.2 切削力經(jīng)驗公式,,,機床電機功率,,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,24,3.2.3 影響切削力因素,,,工件材料,◆切削

13、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(fù)雜（圖3-16）,,25,3.2.3 影響切削力因素,◆ 前角γ0 增大，切削力減?。▓D3-17）,,◆ 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）,刀具幾何角度影響,26,3.2.3 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

14、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↓） ；,,,◆ 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,27,第3章 切削原理Cutting Theory,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),28,3.3.1 切削熱的

15、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(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠?切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)（切削液、空氣)等傳散出去,,★ 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,29,3.3.2 切削溫度及分布,TJ University,,,切削溫度分布,★ 切削塑性材料 ——

16、前刀面靠近刀尖處溫度最高?！?切削脆性材料 —— 后刀面靠近刀尖處溫度最高。,,30,3.3.3 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(guān)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）,31,3.3.3 影響切削溫度的因素,,,刀具幾何

17、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(dǎo)熱性↑ →切削溫度↓,刀具磨損的影響,冷卻液的影響,32,3.3.4 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

18、削區(qū)側(cè)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）。,★ 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。,,33,3.3.5 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(guān)?！?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(guān)系?！?工件平均溫度 —— 磨削熱傳入工件引起的溫升，影響工件的形

19、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(dǎo)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。,,34,第3章 切削原理Cutting Theory,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),35,3.4.1 積屑瘤,,,積屑瘤成因,◆ 一定溫度、壓力作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生粘接◆ 粘接金屬嚴重塑性變形，產(chǎn)生加工硬化,◆ 增大前角，保護刀刃◆ 影響加工精度和表面粗糙度,

20、滯留—粘接—長大,,36,3.4.2 殘余應(yīng)力,,,殘余應(yīng)力概念,未施加任何外力作用情況下，材料內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。,,◆ 殘余張應(yīng)力： 易使加工表面產(chǎn)生裂紋，降低零件疲勞強度◆ 殘余壓應(yīng)力： 有利于提高零件疲勞強度◆ 殘余應(yīng)力分布不均： 會使工件發(fā)生變形，影響形狀和尺寸精度,37,3.4.2 殘余應(yīng)力,,,◆ 熱塑變形效應(yīng)：表層張應(yīng)力，里層壓應(yīng)力◆ 里層金屬彈性恢復(fù)：若里層金屬產(chǎn)生壓縮變形，則彈

21、性恢復(fù)后表層得到壓應(yīng)力，里層為張應(yīng)力◆ 表層金屬相變：影響較復(fù)雜，若切削區(qū)溫度超過相變溫度，珠光體受熱轉(zhuǎn)變成奧氏體，冷卻后又轉(zhuǎn)變成馬氏體，體積膨脹，表層產(chǎn)生壓應(yīng)力◆ 實際應(yīng)力狀態(tài)是上述各因素影響的綜合結(jié)果,殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因,◆ 控制切削過程：盡可能減小殘余應(yīng)力◆ 時效處理：最大限度減小殘余應(yīng)力◆ 殘余壓應(yīng)力的利用：采用滾壓、噴丸等方法,,38,3.4.3 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

22、,加工表面嚴重變形層內(nèi)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）,,39,3.4.3 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(zhì)量等◆ 進行適當?shù)臒崽幚?40,第3章 切削

23、原理Cutting Theory,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),41,3.5.1 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(zhì)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(zhì)量,,前、后刀面磨損,42,3.5.1 刀具

24、磨損,,,◆ 非正常磨損,破損（裂紋、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性變形）,43,,,◆ 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(jié)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(jié)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

25、,3.5.1 刀具磨損,刀具磨損原因,,44,3.5.2 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。◆ 刀具總壽命 —— 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(guān)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(zhì)合金刀具切削碳鋼（σb= 0.763GP a）時，有

26、：,,45,3.5.2 刀具壽命,,,不同刀具材料壽命（耐用度）比較,,46,3.5.3 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(dǎo)，并令其為0，可得到最大生產(chǎn)率刀具壽命為：,（3-16）,（3-17）,又：,47,,,（3-18）,式中 C

27、0 —— 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）,3.5.3 刀具壽命確定,48,,,規(guī)定刀具切削時間，離線檢測,3.5.4 刀具磨損、破損檢測與監(jiān)控,通過切削

28、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,49,,,3.5.4 刀具磨損、破損檢測與監(jiān)控,50,第3章 切削原理Cutt

29、ing Theory,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),51,3.6.1 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

30、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(dǎo)出：,52,,,優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型,求設(shè)計變量：X = [ x1, x2, …, xn ]T ，使目標函數(shù) f (X)→min ，并滿足約束條件：g i (X)≤0 （i = 1, 2, …, m）,3.6.2 切削用量的優(yōu)化,◆設(shè)計變量：切

31、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(shè)計變量。◆目標函數(shù)：指優(yōu)化目標與設(shè)計變量之間的函數(shù)關(guān)系式。,1）以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標——使工序時間為最短,,53,,,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,54,,,◆ 約束條件：指設(shè)計變量的取值范圍,1）機床結(jié)構(gòu)參數(shù)限制,2）加工表面粗糙度限制,（3

32、-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,55,,,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(shè)置懲罰函數(shù)，將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題處理。懲罰函數(shù)的表達式：,56,◆ 尋優(yōu)過程示意圖（采用田川法 +

33、 局部尋優(yōu)）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.6.3 切削用量優(yōu)化方法,57,第3章 切削原理Cutting Theory,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),58,,1931年德國切削物理學(xué)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(yīng)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(jié)果，引發(fā)了人們極大

34、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(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。 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(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速≥10000 r/min。,3.7.1 高速加工概述,高速加工定義,59,3.7.1 高速加工概述,60,,高速加工的切

35、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：700-7000 m/min◎銑削：300-6000 m/min◎鉆削：200-1100 m/min◎磨削：50-300 m/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,61,,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

36、工件受力變形，適于加工薄壁件和細長件 切削熱?。杭庸み^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(yīng)力小，易于保證加工精度和表面質(zhì)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,

37、3.7.1 高速加工概述,62,,航空航天： ◎帶有大量薄壁、細筋的大型輕合金整體構(gòu)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200-1000 m/min 汽車工業(yè)：,高速加工的應(yīng)用,3.7.1 高速加工概述,63,,高速加工雖具有眾多的優(yōu)點，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對于相關(guān)技術(shù)要求較高，使其應(yīng)用受到限制。,3.7.1 高速加工概述,與高速加工密切相關(guān)的技術(shù)主要有：,◎高速加工

38、刀具與磨具制造技術(shù)； ◎高速主軸單元制造技術(shù)；◎高速進給單元制造技術(shù)；◎高速加工在線檢測與控制技術(shù)；◎其他：如高速加工毛坯制造技術(shù)，干切技術(shù)，高速加工的排屑技術(shù)、安全防護技術(shù)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。,64,3.7.2 高速加工刀具,65,金剛石與CBN晶體結(jié)構(gòu)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(jié)合。金剛石中的每個C原子都以共價鍵方式與鄰近

39、4個C原子結(jié)合。CBN中每個N原子與4個B原子結(jié)合，每個B原子又與4個N原子結(jié)合，并存在少數(shù)離子鍵。,3.7.2 高速加工刀具,66,天然金剛石,天然金剛石是目前已知的最硬物質(zhì)，根據(jù)其質(zhì)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

40、金剛石耐熱性為700-800℃，高于此溫度，碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，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,67,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(zhuǎn)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，

41、為HV6500-8000 。 聚晶金剛石價格便宜，焊接方便，可磨性好，應(yīng)用廣泛，可在大部分場合代替天然金剛石。 用等離子CVD（化學(xué)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,68,聚晶金剛石應(yīng)用實例,3.7.2 高速加工刀具,69,較高的硬度和耐磨性：

42、 CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，化學(xué)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(zhì)合金刀具的50倍，涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。,◆ PCBN切削性能,聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 1970年問世,高的熱穩(wěn)定性：熱

43、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,70,良好的化學(xué)穩(wěn)定性 1200-1300℃與鐵系材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；2000 ℃才與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；對各種材料粘結(jié)、擴散作用比硬質(zhì)合金小的多。化學(xué)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(dǎo)熱性 CBN導(dǎo)熱性僅次于金剛石，導(dǎo)熱系數(shù)為1300W/m·℃，是硬質(zhì)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

44、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(zhì)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(zhì)量提高。,3.7.2 高速加工刀具,71,加工HRC45以上的硬質(zhì)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(zhì)合金，粉末金屬表面噴涂（焊）材料等。,◆ PC

45、BN刀具應(yīng)用,金屬軟化效應(yīng) 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。,3.7.2 高速加工刀具,72,◆ PCBN刀具應(yīng)用實例,3.7.2 高速加工刀具,73,3.7.3 高速加工機床,陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu),74,,采用C或B級精度角接觸球軸承，軸承布置與傳統(tǒng)磨床主軸結(jié)構(gòu)相類

46、似； 采用“小珠密球”結(jié)構(gòu)，滾珠材料Si3N4； 與鋼球相比，陶瓷軸承的優(yōu)點是：,陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)特征,3.7.3 高速加工機床,◎陶瓷球密度減小60%，從而可大大降低離心力； ◎陶瓷彈性模量比鋼高50%，使軸承具有更高剛度； ◎陶瓷摩擦系數(shù)低，可減小軸承發(fā)熱、磨損和功率損失； ◎陶瓷耐磨性好，軸承壽命長。,采用電動主軸（電機與主軸作成一體）； 軸承轉(zhuǎn)速特征值（= 軸徑（mm）×轉(zhuǎn)速（r/min））較

47、普通鋼軸承提高1.2 ～2倍，可達0.5～1×106。,75,,回轉(zhuǎn)精度高，液體靜壓軸承回轉(zhuǎn)誤差在0.2μm以下，空氣靜壓軸承回轉(zhuǎn)誤差在0.05μm以下； 功率損失小； 液體靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達1×106，空氣靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達3×106 。 空氣靜壓軸承承載能力較小。,3.7.3 高速加工機床,76,3.7.3 高速加工機床,◆電磁鐵繞組通過電流 I0，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸力 F，與轉(zhuǎn)子重量平衡

48、，轉(zhuǎn)子處于懸浮平衡位置（圖3-32）。轉(zhuǎn)子受擾動后，偏離其平衡位置。傳感器檢測出轉(zhuǎn)子位移，將位移信號送至控制器?？刂破鲗⑽灰菩盘栟D(zhuǎn)換成控制信號，經(jīng)功放變換為控制電流，改變吸力方向，使轉(zhuǎn)子重新回到平衡位置,◆位移傳感器通常為非接觸式，其數(shù)量一般為5-7個，對其靈敏度和可靠性要求均較高?！艨刂破髟O(shè)計較復(fù)雜，使磁懸浮軸承成本較高（一套磁懸浮軸承售價約1萬美元）。,77,磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu),3.7.3 高速加工機床,78,,主軸由兩個徑向和兩

49、個軸向磁浮軸承支承，磁浮軸承定子與轉(zhuǎn)子間空隙約0.1mm。 剛度高，約為滾珠軸承主軸剛度10倍。 轉(zhuǎn)速特征值可達4×106。 回轉(zhuǎn)精度主要取決于傳感器的精度和靈敏度，以及控制電路性能，目前可達0.2μm。 機械結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)均較復(fù)雜；又由于發(fā)熱多，對冷卻系統(tǒng)性能要求較高。,磁浮軸承主軸特點,3.7.3 高速加工機床,79,,自檢測磁懸浮軸承系統(tǒng),為檢測轉(zhuǎn)子位移，需使用位移傳感器，使軸承系統(tǒng)軸向尺寸加大，動態(tài)性能下降，

50、制造成本增高。由此提出利用電磁鐵線圈的自感應(yīng)來檢測轉(zhuǎn)子位移。 工作原理：轉(zhuǎn)子發(fā)生位移時，電磁鐵線圈的自感應(yīng)系數(shù)也要發(fā)生變化，即電磁鐵線圈的自感應(yīng)系數(shù)是轉(zhuǎn)子位移 x 的函數(shù)，相應(yīng)的電磁鐵線圈的端電壓（或電流）也是位移 x 的函數(shù)。將電磁鐵線圈的端電壓（或電流）檢測出來并作為系統(tǒng)閉環(huán)控制的反饋信號，通過控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子位移，使其工作在平衡位置上（圖3-32）。 脈寬調(diào)制信號（PWM）經(jīng)驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生磁場。從控制電磁鐵提取PWM載波電壓中包