高速切削与磨削PPT

机械制造技术高速切削与磨削概述Ø1931年德国切削物理学家C .J .S a l o m o m 在“高速切削原理”一文中给出了著名的“S a l o m o m 曲线”——对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。

ØS a l o m o m 的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（H S C ）”的概念。

Ø尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。

Ø以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。

Ø以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000r /m i n 。

3.8.1高速加工概述q 高速加工定义33.8.1高速加工概述图3-31Salomon 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6001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980℃高速钢650℃碳素工具钢450℃Stelite 合金850℃16001200800400切削温度/℃切削适应区非铁金属图3-32高速与超高速切削速度范围10100100010000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Ø高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图3-32◎车削：700-7000m/min ◎铣削：300-6000m/min ◎钻削：200-1100m/min ◎磨削：50-300m/sØ高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同q高速加工的特点Real Real Ø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Ø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Ø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Ø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Ø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高速加工的应用Ø航空航天：◎带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180c m3/m i n。

◎镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000m/m i nØ汽车工业：◎采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产（图3-33）Ø模具制造：◎高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍（图3-34，图3-35）。

Ø仪器仪表：◎精密光学零件加工。

Ø高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。

Ø与高速加工密切相关的技术主要有：◎高速加工刀具与磨具制造技术；◎高速主轴单元制造技术；◎高速进给单元制造技术；◎高速加工在线检测与控制技术；◎其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等。

Ø此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具有重要意义。

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 YG6Si3N4金刚石PCD化硼PCBN 材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93H V10000HV7500HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa0.8GPa0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数40-5020-3070-10030-40146.5100-12040-100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Ra≤0.8高精度Ra=0.4-0.2加工质量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05IT5-6IT7-8IT5-6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3.8.2高速加工刀具88图3-36金刚石（左）与CBN（右）原子结构碳原子氮原子硼原子Ø金刚石与C B N 晶体结构相似，每一个原子都以理想四面体方式以109°28′键角与邻近4个原子结合。

金刚石中的每个C 原子都以共价键方式与邻近4个C 原子结合。

C B N 中每个N 原子与4个B 原子结合，每个B 原子又与4个N 原子结合，并存在少数离子键。

q天然金刚石Ø天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为H V8000-12000，相对密度为3.48-3.56。

Ø天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。

Ø天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01μm。

Ø天然金刚石耐热性为700-800℃，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。

Ø天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。

q聚晶金刚石Ø人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。

Ø在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。

Ø聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为H V6500-8000。

Ø聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。

Ø用等离子C V D（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。

Ø金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。

Ø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 Ra0.8-0.4μm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 Ra0.8μm，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v f=0.018mm/齿Ra0.8μm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，Ra0.8-0.4μm热塑性醋铣削v=4500m/s比硬质合金寿命提高380倍酸盐v f=10mm/min Ra=0.8μm高Si-Al铣削v=2200m/mim Ra=0.8μm铸造件铝合金钻削v=360m/mim以钻代镗，Ra=0.8μm13Ø较高的硬度和耐磨性：C B N 晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。

C B N 粉末硬度H V 8000，P C B N 硬度3000-5000。

切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。

◆PCBN 切削性能q 聚晶立方氮化硼(PCBN /Polycrystalline Cubic Boron Nitride)1970年问世500040003000200010000硬度/H V2004006008001000温度/℃BN100BN20陶瓷硬质合金图3-37PCBN 刀具高温硬度Ø高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-37）3.8.2高速加工刀具3.8.2高速加工刀具Ø良好的化学稳定性1200-1300℃与铁系材料不发生化学反应；2000℃才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。

化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。

Ø良好的导热性C B N导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m·℃，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。

这一特性使P C B N刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。

Ø较低的摩擦系数C B N与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。

这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。

Ø加工H R C45以上的硬质材料例如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。

◆PCBN刀具应用Ø金属软化效应用P C B N切削淬硬钢，工件材料硬度＜H R C50时，切削温度随材料硬度增加而增加；工件材料硬度＞H R C50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图3-38），金属软化，硬度下降，加工易于进行。

8007507006506003040506070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3.8.2高速加工刀具15◆PCBN刀具应用实例表3-5PCBN刀具应用实例加工对象硬度加工方式工艺参数加工效果GCr15HRC71车削V=180m/mim以车代磨，工效提高4-5倍钢轧辊f=5.6mm/r Ra0.8-0.4μmYG15HRA87镗孔V=50m/mim工效较电火花加工提高30冷挤压模倍，Ra0.8-0.4μmA3热压板端铣V=800m/mim以铣代磨，工效提高6-7倍V f=100m/mim Ra1.6-0.8μm，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% GCr15HRC62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 Ra0.8μm，平面度0.02铸铁V f=0.1mm/齿40Cr钢HRC38立铣V=850m/mim以铣代磨，工效提高5-6倍Ra0.8μm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高速主轴q 陶瓷轴承高速主轴结构q陶瓷轴承高速主轴结构特征Ø采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似；Ø采用“小珠密球”结构，滚珠材料S i3N4；Ø与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：◎陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力；◎陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度；◎陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失；◎陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。