精密与特种加工技术第二章精密切削加工上课用

安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工1第2章精密切削加工安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工22.1概述着科学技术的发展，电子计算机、原子能、激光、宇航和国防等技术部门对零件的加工精度和表面质量要求越来越高。精密加工技术的研究及应用水平已成为衡量一个国家的机械制造业乃至整个制造业水平的重要依据。各国特别是工业发达国家对精密加工技术极其重视，投入了大量的资金对其进行研究，以保证其尖端技术产品处于国际领先地位，提高其产品在国际上的竞争力。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工3所谓精密加工，是指加工精度和表面质量达到极高程度的加工工艺。精密加工：加工精度为0.1~1um，表面粗糙度为0.02~0.1um的加工方法。提高加工精度的好处：1、提高产品的性能与质量、稳定性和可靠性；2、促进产品的小型化；3、增强互换性、促进自动化装配应用。2.1.1概念安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工4精密加工技术是一项涉及内容广泛的综合性技术，实现精密加工，不仅需要精密的机械设备和工具，也需要稳定的环境条件，还需运用计算技术进行实时检测和反馈补偿。只有将各个领域的技术成果集成起来，才有可能实现和发展精密加工。精密加工的关键技术：1、精密加工机床关键是主轴部件。能高速旋转、高精度、高刚度、高稳定性主轴轴承：液体静压轴承、空气静压轴承安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工52、金刚石刀具金刚石刀具的特点：1.硬度自然界最高，耐磨性能极好2.能磨出极其锋利的刀刃3.导热性能好4.金刚石晶体具有强烈的各向异性，不同晶面和不同方向的摩擦系数和耐磨性能不同。5.金刚石刀具一般带修光刃，有直线修光刃和圆弧修光刃。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工63、精密切削机理微量切削精密切削机理：采用微量切削方法，对普通切削影响不显著的因素将成为影响精密切削的主要因素。过渡切削：回转刀具的切削过程,是一种包含材料的弹性变形、塑性变形和切离三个阶段的过渡切削过程。零件的最终工序的最小切入深度应小于或等于零件的加工精度。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工75、误差补偿4、稳定的加工环境包括温度、防振和空气净化。6、精密测量技术对加工过程中出现的误差进行修正、抵消、均化、钝化等措施使误差减小或消除。测量精度比加工精度要高一个数量级检测位移双频激光干涉测量仪、X射线干涉仪检测加工表面激光测量、扫描隧道显微镜、原子力显微镜安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工82.1.2精密切削加工分类根据加工表面及加工刀具的特点，精密切削加工可分为四类，精密与超精密切削方法如下：切削方法切削工具精度/μm表面粗糙度Ra/μm被加工材料精密、超精密车削精密、超精密铣削精密、超精密镗削天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具、CBN刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具1～0.10.05～0.008金刚石刀具，有色金属及其合金等软金属材料，其他材料刀具微孔加工硬质合金钻头、高速钢钻头10～200.2安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工9精密切削研究最早从金刚石车削开始——金刚石铣削——金刚石镗削，来加工型面和内孔。刀具材料从金刚石刀具材料——立方氮化硼、复合陶瓷等。精密加工的经济性：过去尤其其昂贵的价格、高要求的加工环境在一定程度上限制精密加工的应用范围。现在由于科学技术发展和生活水平的提高，精密加工深入到各个领域。机械制造业：加工工具、卡具、量具，发达国家已经开始零件的精密加工。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工102.2精密切削加工机理金属切削过程，就其本质而言，是材料在刀具的作用下，产生剪切断裂、摩擦挤压和滑移变形的过程，精密切削过程也不例外。但在精密切削中，由于采用的是微量切削方法，一些对普通切削影响不显著的因素将成为影响精密切削过程的主要因素。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工111.切削变形1)过渡切削回转刀具的切削过程,是一种包含材料的弹性变形、塑性变形和切离三个阶段的过渡切削过程。注意：在塑性滑动区域内也存在弹性变形区，而在切削区域内既存在切屑去除区，也存在塑性变形区和弹性变形区。2)最小切入深度p10零件的最终工序的最小切入深度应小于或等于零件的加工精度。车削过程能够成立，需满足以下三个条件：切削过程应是连续的、稳定的。应保持有较高的加工精度和表面质量。刀具应有较长的使用寿命。3)毛刺沿切削刃两侧塑性流动，形成两侧方向毛刺。2.2.1切削变形和切削力安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工122.切削力1)切削力的来源切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；刀具与切削同工件表面间的摩擦阻力。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工132)影响切削力的因素1、切削速度v：硬质合金车刀——不明显天然金刚石车刀——随v增大F降低考虑积削瘤时，低速时切削力随切削速度增加而急剧下降；到200~300m/min时切削力基本不变。2、进给量f：f对主切削力FZ的影响大于径向切削力FY和轴向切削力FX。3、切削深度ap：硬质合金车刀——影响明显天然金刚石车刀——FzFy精密切削中进给量对切削力的影响大于切削深度。与普通切削相反。4、刀具材料：主要因为摩擦系数不同。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工141.切削热1)切削热的来源及切削温度1、弹塑性变形消耗功——热；2、摩擦消耗功——热。切削热通过改变切削温度影响切削过程。切削温度是指切屑、工件和刀具接触表面上的平均温度p16。刀具刀尖的温度最高，对切削过程的影响很大。切削热由切屑、工件、刀具和周围介质传导，传导热的比例随刀具材料、切削用量及刀具几何角度、加工情况等的变化有所不同。其中切削传出的热量最多。采用微量切削方法进行精密切削时，需要采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。2.2.2切削热和切削液安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工152）切削热的影响及控制精密加工中，热变形引起的加工误差占总误差的40%~70%。因此必须严格控制工件的温升和环境温度的变化。通常采用切削液浇注工件的方法来减小切削热对精密加工的影响。2、切削液作用：1、抑制积屑瘤的生成；2、降低加工区域温度，稳定加工精度；3、减少切削力；4、减小刀具磨损，提高刀具耐用度。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工16分类a.水基冷却润滑液（成份以水为主，主要起冷却作用）水溶液水+防锈剂（碳酸钠，亚硫酸钠，使表面形成一层气化膜）乳化液乳化油（矿物油，乳化剂，添加剂）+水（95%~98%）安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工17b.油基冷却润滑液(主要起润滑作用)矿物油（机械油，轻柴油，煤油）油性植物油（豆油）+添加剂动物油（猪油）极压(2)切削液的选用1)粘性和塑性较大的材料（低碳钢），选用硫化矿物油。2)脆性材料（铸铁，青铜），不用冷却润滑液。精加工时，用煤油（降低表面粗糙度和冲走切屑）安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工183)有色金属，不采用切削液。精加工铝合金可以采用煤油。高速切削镁合金，采用煤油，矿物油，氟化钠溶液。不能采用水，因为水能助燃。4)难加工材料（耐热钢，不锈钢），采用喷雾法，喷射含石墨的乳化液或者用液态二氧化碳冷却。5)硬质合金刀片，陶瓷刀片，一般不采用切削液。如果要采用，就一开始大量注入，特别要防止切削中途突然加切削液，会使刀片炸裂。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工192.2.3刀具磨损、破损及耐用度1.金刚石刀具的磨损及破损1)刀具的磨损形式机械磨损、黏结磨损、扩散磨损、破损和碳化磨损等。2)金刚石刀具的磨损形式机械磨损、破损和碳化磨损。(前两种比较常见)安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工20刀具磨损与一般机械零件不同:(1)刀具与切屑、工件间的接接触表面经常是化学活性很高的新鲜表面，不存在氧化膜等污染；(2)前后刀面的接触压力非常大，有时超过被切材料的屈服强度；(3)刀具－工件接触表面的温度很高，硬质合金刀具加工钢料时达800～1000度，高速钢刀具加工钢料时达300～600度。正常磨损的原因主要是机械、热和化学三种作用的综合结果。刀具磨损的原因安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工211、硬质点磨损硬质点磨损是指工件上具有一定擦伤能力的硬质点，如碳化物、积屑瘤碎片、已加工表面的硬化层等，在刀具表面上划出一条条沟纹而造成的磨损。硬质点硬度超过刀具材料基体的硬度。硬质点磨损是拉刀等高速钢制造的低速切削刀具磨损的主要原因，硬质合金刀具发生硬质点磨损的情况较少。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工222、粘结磨损粘结是指刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生的结合现象。两摩擦表面的粘结点因相对运动，晶粒或晶粒群受剪或受拉被对方带走，是造成粘结磨损的原因。由于刀具材料有组织不均匀、存在内应力、微裂纹及空隙、局部软点等缺陷，所以刀具表面常发生破裂而被切屑或工件带走，形成粘结磨损，在前刀面上形成不规则的凹坑。高速钢、硬质合金、陶瓷刀具、立方氮化硼和金刚石刀具都会因粘结而发生磨损。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工23粘结磨损程度主要取决于刀具材料和工件材料在不同温度下的相互亲和能力。（粘结强度系数K0）硬质合金晶粒越小，磨损越慢；刀具与工件的硬度比，刀具表面形状和组织，切削条件和工艺系统刚度等都影响粘结磨损的速度。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工24•减小粘结磨损的途径：1、硬质合金的晶粒加以细化，硬质合金表面涂覆TiC、TiN、Al2O3等。2、高速钢刀具表面要进行表面处理使表面形成一层抗粘结的减磨层或高硬度的抗磨层，如氧氮化处理；3、适当提高切削速度使运动平稳减小振动，避开积屑瘤的不稳定区域；4、使用润滑性能良好的切削液等。安徽工程大学AnhuiPolytechnicUniversity精密与特种加工技术第二章精密切削加工253、扩散磨损刀具与工件、切屑的接触面，在高温下双方金属中的化学元素从高浓度处向低浓度处迁移，这种固态下元素相互迁移而造成的刀具磨损称为扩散磨损。高温下，刀具材料中的W、Co、Ti、C等易扩散到工件和切屑中去；而切屑中的Fe、Si、Mn、Cr等也会扩散到刀具中来，从而改变刀具材料中的化学成分，使其硬度下降，加速刀具磨损。与铁相互扩散强度的由大到小的顺序为：金刚石－碳化硅－立方氮化