高速切削加工技术的现状和发展(1)

首页

大会概况

会议日程

主题报告

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）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KρC（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T10A（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
1 2 3 下一页

相关链接:高速切削加工技术的现状和发展(幻灯片图片)