高速切削切屑形态及切削力研究-开题报告.doc

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1、开 题 报 告 书项 目 名 称： 高速切削切屑形成机理及与切削力的关系的研究开 题 者： 黄 捷所 在 单 位： 华 南 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院研 究 内 容 和 意 义摘 要在高速切削加工过程中，切削速度、切削深度和进给量的不同都会造成切屑的形态有所不同。高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说，高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。根据机加工实践所知，在不同的情况下，包括工件材料不同、刀具类型不同、刀具特性不同、机床特性不同、转速不同、进给量不同、切削深度不同等等，都会造成切屑形态的不同。

2、为了考察切屑形态与主轴转速之间的关系，本实验设定工件材料，刀具型号，刀具特性，机床特性等都设为定量，变量只有切削速度v，进给量f和切削深度ap三个，主要真对切削速度进行实验。在不同的进给量和切削深度下分析对比切屑速度对切屑形态的影响。 本课题对相同切削深度和相同进给量，相同切削深度和不同进给量，相同进给量和不同切削深度,三种情况下，对切削力、切削温度和切屑形态随切削速度变化的规律作了不同的研究探讨，为以后的理论研究和生产实践提供参考。对以后高速切削中对切削速度、切屑深度和进给量以及车床和刀具的选择具有很好的指导意义。主题词高速切削 切屑形态 切削速度19二、立论依据1、 研究意义高速切削加工的

3、理念从20世纪30年代提出以来，经历50多年的理论与实验研究和探索以及刀具和机床技术的研究和发展，直至近20年来，随着材料、信息、微电子、计算机等现代化科学技术的迅速发展，大功率高速主轴单元、高性能伺服控制系统和超硬耐磨和耐热刀具材料等关键技术的解决和进步，进入20世纪90年代以来，成批的高速切削加工机床和各种新型高速切削刀具等投入市场，从而使得高速切削加工技术在德、美、日等工业发达国家从理论与实验研究进入工业应用阶段并且迅速发展，取得了重大的经济和社会效益。高速切削加工技术最突出的有点是高的生产效率和加工精确度与表面质量，并降低生产成本。高速切削加工技术包括未淬硬材料的高速软切削、高速硬切削

4、、高速干切削和高进给速度切削加工等。它是先进制造技术的一项全新的共性基础技术，是切削加工技术的发展方向，具有广阔的前景。本课题为以后的理论研究和生产实践提供参考。对以后高速切削中对切削速度、切屑深度和进给量以及车床和刀具的选择具有很好的指导意义。11高速切削的定义高速切削（High Speed Cutting-HSC）概念起源于德国切削物理学家Carl Salomn的著名切削实验及其物理引伸。他认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高。 在常规切削范围内（见图1A区）切削温度Tv随着切削速度Vc的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降（见图1

5、C区），所以越过B区，在高速区C区进行切削，则可用现有的刀具进行高速切削，从而大大地减少切削工时，成倍提高机床的生产率，同时提高加工质量管理，并可用于切削各种硬、韧性、难加工材料的工件。有关高速切削的含义，目前尚无统一的认识，迄今有三种观点：切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的510倍；机床主轴转速很高，一般将主轴转速在1000020000r/min以上定为高速切削；进给速度很高，通常达1550m/min。图2所示为德国Schulz教授于1992年在CIRP上提出的高速切削(HSM)及其涵盖的范围。图中所示的过渡区(Transition)即为通常所谓的高速切削范围，这也是汽车制造相关技术

6、人员所期待的或者可望实现的切削速度。HSM也可视为超高速切削范围。图2 不同材料的高速切削加工速度范围12高速切削加工的目标 高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说，高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。 高速切削加工的优点在于：提高生产效率；提高加工精度；降低切削阻力。但随之也出现了值得注意的事项：机床的耐用度降低；工具寿命缩短；排屑性能下降。解决上述问题是进一步发挥高速高效率加工的重要攻关课题。13高速切削的适用领域(1)高效柔性生产线 图3所示为日产汽车公司高效率柔性生产线的设计方案，它具有如下特点：

7、小型化； 柔性突出； 易于转变加工内容； 多列化。这是一种全新设计的FTL(Flexible Transfor Line)生产线。图4为利用该生产线加工发动机汽缸盖等箱体工件的实例。图3 日产汽车公司高性能柔性生产线的设计方案图4 FTL生产线加工实例(2)模具加工 为了尽快适应市场的需要，产品的轧制模具和树脂防冲挡的成形模具等均必须缩短制作周期和降低生产成本。模具的制作应比零部件的生产先走一步，因此，必须下大力推进模具生产高速化的进程。某些公司为此采用CBN立铣刀进行高速高精度加工。高速高精度加工的目标大致包括两个方面：与过去的精加工相比，进一步实现高精度化，此项加工必须满足表面粗糙度、弯曲

8、度的精度要求，为此应施以适当的手工精修加工。由于切削速度的极大提高，与过去的精加工工序相比，加工周期应大幅度缩短。图5所示为采用高速高精度加工技术后，模具制作周期缩短的情况。14高速切削加工技术现状1 ）加工设备(1) 主轴结构：新近开发的加工中心主轴DN值(主轴直径与每分钟转速之积)大都已超过100万。轴承主要为重量轻于钢制品的陶瓷球轴承，轴承润滑方式大都采用油气混合润滑方式。在高速加工领域，目前已开发出空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴承合并构成的磁气/空气混合主轴。图5 采用高速高精度加工缩短模具制作周期(2)进给机构：高速切削加工所用的进给驱动机构通常都为大导程滚珠丝杠或直线电机，其

9、 最高加速度在1G以上，最高进给速度可超过90m/min。(3) 圆度加工：圆度加工是采用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或加工模具时必不可少的加工 方法，机床的运动性能将直接影响到其加工精度。后面将要介绍，在模具的高速切削加工中，主要采用小切深大进给的加工方法。因此，要求机床在大进给速度条件下，应具有高精度定位功能和高精度插补功能。在测量机床运动性能时，可采用海登哈因公司的DBB等系统作为保持机床精度的诊断工具，该系统可发挥极为良好的保证作用。2）切削工具(1)工具材料的发展图6所示为车削钢材和铸铁时，切削速度与工具材料的发展情况。为 了实现高速切削加 工，首先应提及的自然是机床的率先改进；然而也

10、可以这样表述：高速切削技术的发展史，也就是刀具材料不断进步的历史。高速切削的代表性工具材料是CBN，端面铣削使用CBN刀具时，其切削速度可高达5000m/min。目前，用金刚石刀具端面铣削铝合金时，5000m/min的切削速度已达到实用化水平。V=5000m/min以上的高速切削所用的工具材料，除CBN与金刚石外，迄今尚未发现有其他品种。(2)涂层刀具CBN和金刚石刀具只能用于一定的加工领域，尚不能取得非常理想的降低加工成本的效果。能够使切削工具既作到价格低廉，又具有优异性能，可有效降低加工成本的技术，目前当首推涂层技术。现在高速加工用的立铣刀，大都采用TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理。

11、如目前在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时，DLC(Diamond Like Carbon)涂层刀具就受到人们极大的关注，预计其市场前景十分可观。(3)刀具夹持系统刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术，目前使用最为广泛的是两面夹紧式工具系统。各公司已作为商品正式投放市场的两面夹紧式工具系统主要有：HSK、KM、Bigplus、NC5、AHO等系统。日产汽车公司的高效率生产线(FTL)上即采用了HSK工具系统。在高速切削的情况下，刀具与夹具回转平衡性能的优劣，不仅影响到加工精度和刀具寿命，而且也会影响到机床的使用寿命。因此，在选择工具系统时，应尽量选用平衡性能良好的产品。日产汽车公司在使用镗

12、削刀具等切削工具时，对刀具与夹具组合在一起时的失衡量设定了一个合理的控制值，这样，可保证此类刀具进行精度稳定的切削加工。图6 刀具材料的发展与车削加工高速化的关系(陶瓷和CBN主要用于灰口铸铁的切削加工，其他刀具材料主要用于碳钢和合金钢等的切削加工。)15 切屑的类型及其分类 由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样，如图示。图中从左至右前三者为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。 a带状切屑 b挤裂切屑 c单元切屑 d崩碎切屑 图7 切屑的类型1）带状切屑 它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀 具前

13、角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。 2）挤裂切屑 这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。这种切屑大多在 切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。 3）单元切屑 如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。 以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切

14、屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。4）崩碎切屑 这是属于脆性材料的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件

15、材料的塑性。 以上是四种典型的切屑，但加工现场获得的切屑，其形状是多种多样的。在现代切削加工中，切削速度与金属切除率达到了很高的水平，切削条件很恶劣，常常产生大量“不可接受”的切屑。所谓切屑控制(又称切屑处理，工厂中一般简称为“断屑”)，是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。16切屑屑形及其控制 金属材料的性能不同，其滑移性质也不相同，即使在相同条件下进行切削，所得切屑的类型、尺寸(变形程度)也不相同。 对于多晶体的塑性金属，切应力与作用于滑移线上的正应力的大小和方向无关，引起滑移面切变的原子移动是依次发生的，因此在切削塑性金属时容易得到连续状

16、切屑。低塑性金属(或因形变硬 化使塑性变差的金属)的切应力与正应力的大小和方向有关，容易产生刚性滑移(或称机械滑移)，它与塑性金属发生的位错式滑移明显不同，由原子层组成的原子群在滑移面上相对于另一些材料层同时滑动，随着滑移的产生，滑移带的不完整性破坏增大，结果将导致宏观完整性破坏。因此，切削脆性金属时，容易因机械滑移而得到崩碎切屑。 切削塑性金属时，断屑是需要解决的主要矛盾。为有利于断屑，应尽可能增大切屑的基本变形和附加变形。如以较高切削速度切削碳钢或合金钢时，为得到螺旋卷屑、长紧卷屑或C形切屑，车刀应采用外斜式卷屑槽，刀具合理几何参数范围：t=5-15，h=0.5-1.5mm，s=65-80

17、；k值由背吃刀量则和进给量f决定，当 ap=0.4=20mm、f=0.15-1mm/r时，k=1.5-7mm。切削灰铸铁等脆性金属时，如何得到连续屑形也是一大难题。脆性金属的切削过程如图8所示。当刀具刚切入工件时，被切削金属层首先发生弹性变形(见图8a)；随即切屑在切削刃部开始产生裂口(见图8b) ；刃前裂口以每秒上千米的速度发生失稳扩展，使被切削金属层产生不同方向的裂纹(见图8c)；裂纹贯穿整个切削厚度，形成不规则的崩碎切屑(见图8d)。图8 脆性金用切削过程示意图17切削热171切削热的来源及其研究金属切削过程中，在刀具切削作用下，切削层金属发生弹性和塑性变形，是切削热的一个来源；切屑与前

18、刀而、工件与后刀而冲擦消耗的功转化为热能，是切削热的又一个来源。切削过程中所消耗的功，绝人部分在剪切滑移区和刀具切削刃附近转化为热。研究切削热的产生和流动以及切削区域内的温度分布，是切削机理研究的重要内容之一。掌握切削温度的变化规律，对研究刀具磨损机理，提高刀具耐用度，保证加工质量是必不可少的。切削温度还是自动化生产线上优化控制的一个重要指标。金属切削中的温度场是热传导方程在不同热源作用下、不同边界条件和初始条件的解。由于切削热的产生和传导极为复杂，切削区内的几个热源互相干涉、互相影响，尤其是在刀屑接触的第II变形区内，切屑流变层能量分布和厚度很难确知，只能采用近似模型计算。切削理论发展到今大

19、，还没有找到一个能直观、真实地反映切削过程中刀具、工件或切屑各点温度分布的方法。所以，现代切削理论研究切削区温度场分布采用的主要手段仍然是实验测量法。要精确地测定出切削刃附近各点的实际温度，在技术上是困难的，对金属切削温度的研究大多局限于切削平均温度，刀工自然热电偶测温法是使用最为普遍的实验方法，这种方法只能测出切削区的平均温度。其它用于测量温度分布的主要方法有：热辐射法、示温涂料法、埋入热电偶法、往复移动热电偶探针法和根据刀具显微组织结构变化确定刀具中的温度场等，这些方法受使用条件的限制都具有局限性，都是用于测量切削平均温度的。172切屑成色的温度判别为了探索自然界中物体的温度现象，入们尝试

20、和发明了多种直接或间接测定温度的方法。其中，光学金相技术通过金属显微组织的变化，判定金属温度的高低。光学金相技术中的热氧化法广泛用于解决十产实际问题，其中包括对被切削金属切削温度的判定。使用这一技术判别金属所经历过的温度，依据是金属表而各微观区域存在化学或物理性质差别，导致受热氧化后十成的氧化膜厚度、组成、位向等不同，金属表面会出现出不同的氧化干涉色，通过这些颜色衬度的不同可以判断金属显微组织的变化，可以问接地反映出试样所承受温度的高低或受热时间的长短。基于这技术理沦基础，文献推荐使用一种由Venkaiesh提出的通过切屑成色判别金属温度的方法，切屑温度可能的取值范同利切屑成色对应的温度值见表

21、1，表中“切屑温度”为文献作者测定的温度。热氧化法经济、直观、简便，适用于各种切削条件下对切屑温度的判别，因为，只要切削，切屑总是要变颜色的，切屑颜色不同就意味着经历过的切削温度不同，凭借肉眼观察就能够分辨出4O所造成的颜色差异，本文作者采用这种方法对已获得的切屑进行温度判别，实践检验中发现，由于切屑底面与前刀面紧密接触，限制了空气中的氧气与切屑接触，减轻了氧化程度，颜色比切屑外表面稍微淡一些。鉴于切屑底面比较平整光滑，易于进行切屑之间的色度的鉴别，本文所指切屑成色均为切屑底面颜色的观察估计。2、高速切削加工的国内外现状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

22、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。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1501500cm3/min，超硬刀具材料硬度达30008000HV，强度达1

23、000Mpa，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2530以上；切削温度增加逐步缓慢；加工表面粗糙度降低12级；生产效率提高，生产成本降低。机床高速化的趋势日益明显，2001年在北京国际机床展览会（CIMT98）上机床的最高主轴转速从上届（1999年）的800012000r/min普遍提高到1500020000r/min。现在加工中心主轴转速一般为1500030000r/min，快速进给速度为3060m/min，换刀时间为35s。齿轮机床的主轴最高转速也提高到900012000r/min。目前已有主轴最高转速达到15000r/min，快进速

24、度达120m/min，换刀时间0.71.5s的不同的加工中心。高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代初期，山东大学切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统地研究了Al2O3基陶瓷刀具高速硬切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，工件材料包括45号钢、T10A钢、高速钢、轴承钢、模具钢、渗碳淬硬齿轮钢等，硬度HRC（5056），切削速度为100500m/mim，建立了有关切削力、切削温度模型、刀具磨损和破损理论、加工表面质量变化规律等。该研究成果1986年在生产高速切削加工技术中推广应用至今。20世纪90年代后期，我们先后相继研究了模具高速切削加工技术

25、与策略、涂层刀具与PCBN刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及告诉切屑数据库技术等。北京理工大学研究了高速切削刀具寿命与切削力，沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理，天津大学和大连理工大学研究了高速切削机理，上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面的温度动态变化规律、铝硅合金高速钻削和铣削数据库等，广东工业大学研究了高速主轴系统和快速进给系统，东北大学研究了高速磨削技术，程度工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化等。尽管我国高速切削加工技术的研究还有待全面深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切

26、削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就。虽然在我国，高速切削加工技术的研究和应用仍处于初步阶段，正在发展和推广之中，但作为面向21世纪的一种先进制造技术，有着非常强大的生命力和广阔的应用前景。目前，对于切屑的成形都是知其然不知其所以然，本项目这样的基础研究国内外暂时无人进行。四、研究目的及研究内容1、 研究目的高速切削是实现高效率制造的核心技术。工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。根据机加工实践所知，在不同的情况下，包括工件材料不同、刀具类型不同、刀具特性不同、机床特性不同、转速不同、进给量不同、切削深度不同等等，都会造成切屑形态的不同。在高速切削加工过程中，切削

27、速度、切削深度和进给量的不同都会造成切屑的形态有所不同。本课题将研究多种情况下切屑形态与切削速度及切削温度之间的关系，为以后的理论研究和生产实践提供参考。对以后高速切削中对切削速度、切屑深度和进给量以及车床和刀具的选择具有很好的指导意义。2、 研究内容本实验将对相同切削深度和相同进给量，相同切削深度和不同进给量，相同进给量和不同切削深度三种情况下，对切削力、切削温度和切屑形态随切削速度变化的规律作不同的研究探讨，同时本实验也将研究各种情况下工件已加工表面粗糙度与切削速度之间的关系。三、研究方案1、实验材料 实验材料使用45号钢，工件工作尺寸为8080。2、实验器材 KND-1TBII型数控车床

28、 KISTLER测力仪 C6132A卧式车床3、 实验步骤31工件制取步骤（1） 将85的45号钢棒材锯成85120的胚料。（2） 用C6132A车床车平一个端面。（3） 重新装夹另一头，车平未加工端面，并在这头加工出29.740的阶梯。（4） 装夹小端，将工件大端加工成80，并打中心孔。32 KISTLER测力仪使用步骤（1） 将测力仪的测量装置安装在刀架上。（2） 连接测力仪和电脑（3） 设置初始参数（4） 在电脑上打开采集频道（5） 采集数据前先回零（6） 将采集频道调至near，起动车床，待车刀平稳切入工件后开始采集数据（7） 待刀具复位后将采集的数据copy另存33实验步骤（1） 打

29、开车床电源，打开电脑和测力仪（2） 装夹工件（3） 编写数控程序（4） 校验程序（5） 将采集频道调至near（6） 起动车床（7） 待车刀平稳切入工件后按下enter键开始采集数据（8） 将数据存盘34实验数据计算方法 每组测得数据均有：X1X3000 、Y1Y3000 、Z1Z3000XmXi/3000 ；YmYi /3000； ZmZi /3000；根据测力仪的计算公式及标定曲线可得Fx，Fy，Fz；计算公式：QxXm100（7.96）；QyYm100（7.92）；QzZm100（3.66）；Fx，Fy，Fz可根据Qx，Qy，Qz值在标定曲线上查得；四、研究计划及预期进展第五周：查阅资料，熟悉材料性能，熟悉机床特性，理论上修改实验步骤第六周：开始实验 第七周：进行实验，随时修改优化实验步骤和参数，学习热传导学知识，做文献翻译第八周：同上第九周：同上第十周：同上第十一周：分析数据，处理实验结果第十二周：同上第十三周：撰写毕业论文第十四周：同上第十五周：同上第十六周：修改论文第十七周：论文答辩