高速切削加工技术现状和发展

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1、-高速切削加工技术的现状和发展(1)中国工程院院士、山东大学艾兴教授一、概述    机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，在发达国家，它正成为切削加工的主流。50年来，切削技术的极大进步说明了这一点：今天切削速度高达8000m/min，材料切除率达150～1500cm3/min，超硬刀具材料硬度达3000～8000HV，强度达1000Mpa，加工精度从10um到0.1um。干（准）切削日益广泛应用。随切削速度提高，切削力降低大致为25～30％以上；切削温度增加逐步缓慢；加工表

2、面粗糙度降低1～2级；生产效率提高，生产成本降低。    高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。在国外，20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来，经半个世纪的探索和研究，随数控机床和刀具技术的进步，80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。不同材料的高速切削加工速度范围    高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代中期

3、开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，其后引起对高速切削加工的普遍关注，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主，硬质合金刀具切削速度≤100～200m/min，高速钢刀具在40m/min以内。但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益。二、高速切削加工理论基础(1)切屑形成特征不同材料在不同状态下的切屑形态:(a)供货状态，切削速度127.2m/min连续带状切屑（D.LEE）（b

4、）硬度325HB，切削速度125.5m/min.---锯齿状切屑(c)硬度325HB，切削速度250m/min锯齿状切屑(d)硬度325HB，切削速度2600m/min即将分离的锯齿状切屑高速切削不同状态AISI4340钢（40CrNiMoA）时的切屑形态（纵截面微观照片）（（b）、（c）、（d）从komarduri）切削渗碳淬硬20CrMnTi钢（HRC60～62）在100～110m/min时的切屑形貌    工件材料及其性能和切削条件对切屑形态起主要作用，其中工件材料及其性能有决定性的影响。一般低硬度和高热物理性能Kρ

5、C（导热性K、密度ρ和比热容C的乘积）的工件材料如铝合金、低碳钢和未淬硬的钢与合金钢等，在很大切削速度范围内容易形成连续带状切屑。    硬度较高和低热物理特性KρC的工件材料，如热处理的钢与合金钢、钛合金和超级合金，在很宽的切削速度范围均形成锯齿状切屑，随切削速度的提高，锯齿化程度增高，直至形成分离的单元切屑。(2)切削力学    图中Fs为剪切力，Fm为高速切削时切屑动量改变所需的作用力；Ff为作用在后刀面上的摩擦力。.---直角切削时剪切角和前刀面受力简图 剪切角φ和摩擦系数μ（＝tgβ）的关系可用Merchant公

6、式估算实验证明在高速切削时计算的φ角与测量的结果有良好的一致性高速切削4340钢（40CrNiMoA）时剪切角φ的计算值与测量值的比较（Recht）     在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角φ增大，切削力降低。.---Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45＃钢时的切削力（3）切削热和切削温度切削时的热量主要来自剪切变形功、刀－屑和刀－工件摩擦功。干切时，切削热主要由切屑、工件和刀具传出去，周围介质传出小于1％。切削时热的产生与传出立铣铝合金时，流入各部分的切削热量.---Al2O3基陶瓷刀具端铣淬硬钢T10

7、A（HRC58～65）时的切削温度切削速度对切削温度的影响试验结果。随切削速度的提高，开始切削温度升高很快，但达到一定速度后，切削温度的升高逐渐缓慢，甚至很少升高。 (4)表面粗糙度随V增加，加工表面粗糙度有所减少。实验用的ACE－V500加工中心最高转数为10000r/min，其一段和二阶固有频率分别为50Hz（3000r/min）和113Hz（6780r/min）。 涂层立铣刀铣削沟槽时转速对加工粗糙度的影响高速切削加工技术的现状和发展(2)中国工程院院士、山东大学艾兴教授三、高速切削刀具材料.---(1)高速切削刀具

8、材料·金刚石·天然金刚石·聚晶金刚石(PCD)·人工合成单晶金刚石·金刚石涂层·立方氮化硼(PCBN)·陶瓷刀具：有氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基两大类·TiC(N)基硬质合金（金属陶瓷）·涂层刀具——优异的高速钢、WC基、TiC(N)基硬质合金和陶瓷为基体。复合涂层。a)硬涂层：CVD