四大基本规律

1、切削加工的研究现状及其新发展切削加工的研究现状及其新发展一、概一、概 述述(Introduction) 1.1 研究研究切削加工理论的意义切削加工理论的意义 1.2 主要研究内容主要研究内容二、切削加工基本理论二、切削加工基本理论 (Basic theory) 2.1 切削变形规律切削变形规律 2.2 切削力及其变化规律切削力及其变化规律 2.3 切削温度及其变化规律切削温度及其变化规律 2.4 切刀具磨损和破损规律切刀具磨损和破损规律三、切削加工刀具材料及其新发展三、切削加工刀具材料及其新发展 3.1 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能 3.2 刀具材料的种类和性能刀具材料的种类和性能

2、 3.3 刀具材料新发展及其应用刀具材料新发展及其应用四、切削加工技术的新发展四、切削加工技术的新发展 4.1 干切削干切削 4.2 超精密加工超精密加工 4.3 超高速加工超高速加工 4.4 纳米级加工纳米级加工研究研究切削加工理论的意义切削加工理论的意义 在工业发达国家中，国民经济所创造的物质财富制造业占在工业发达国家中，国民经济所创造的物质财富制造业占2/32/3。国民经济各部门都有相当的机械制造力量。国民经济各部门都有相当的机械制造力量。 在各种机械加工方法中，切削加工所占比重最大，目前零在各种机械加工方法中，切削加工所占比重最大，目前零件的最终形成仍以切削加工为主。机械制造中所用工作

3、母件的最终形成仍以切削加工为主。机械制造中所用工作母机有机有80%-90%80%-90%仍为金属切削机床。日本每年消费在与切削加仍为金属切削机床。日本每年消费在与切削加工有关的费用超过工有关的费用超过l0000l0000亿日元亿日元，美国每年消耗在切削加工美国每年消耗在切削加工方面的费用超过方面的费用超过10001000亿美元，刀具产值超过亿美元，刀具产值超过100100亿美元亿美元 全世界年钢产量约全世界年钢产量约1515亿吨，其中约有亿吨，其中约有1 1亿吨被刀具切成亿吨被刀具切成切屑。切屑。 19941994年我国已成为世界上仅次于美国的第二大机床消年我国已成为世界上仅次于美国的第二大机

4、床消费国。目前机床拥有量达几百万台，从事切削加工的费国。目前机床拥有量达几百万台，从事切削加工的人员高达到几千万，每年切削加工费达几百亿元。从人员高达到几千万，每年切削加工费达几百亿元。从事切削加工研究人员高达到几十万。事切削加工研究人员高达到几十万。传统切削加工理论研究内容传统切削加工理论研究内容p 四大基本规律四大基本规律: :1.1. 切削变形切削变形2.2. 切削力切削力3.3. 切削温度切削温度4.4. 刀具磨损和破损刀具磨损和破损其它研究内容其它研究内容p 刀具材料的种类刀具材料的种类p 切削液的种类切削液的种类选用选用p 难加工材料的切削加工难加工材料的切削加工p 工件材料的切削

5、加工性工件材料的切削加工性 目前研究热点目前研究热点p 超高速切削超高速切削p 精密及超精密加工、精密及超精密加工、微细加工和纳米级加工微细加工和纳米级加工p 自动化加工中刀具可靠性研究自动化加工中刀具可靠性研究p 切削过程在线检测切削过程在线检测监控和预报监控和预报p 新型刀具材料的设计与开发新型刀具材料的设计与开发p 新型高难加工材料的切削加工新型高难加工材料的切削加工p 其它新型加工方法，如：基于环保意识的绿色干切削、其它新型加工方法，如：基于环保意识的绿色干切削、硬切削、低温切削、加热切削、振动切削等硬切削、低温切削、加热切削、振动切削等p 复杂曲面加工，复杂刀具复杂曲面加工，复杂刀具

6、CAD/CAM国内研究现状国内研究现状p 山东大学山东大学 ( (新型陶瓷刀具材料、刀具磨损破损、切削新型陶瓷刀具材料、刀具磨损破损、切削可靠性等可靠性等) )，代表性人物：，代表性人物：艾兴艾兴院士院士p 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 ( (精密、超精密加工、纳米级加工、精密、超精密加工、纳米级加工、特种加工等特种加工等) )，代表性人物：，代表性人物：袁哲俊袁哲俊教授教授p 大连理工大学大连理工大学 ( (切削理论、剪切角理论切削理论、剪切角理论 、石材加工等、石材加工等) )，代表性人物：，代表性人物：刘培德刘培德教授教授p 北京理工北京理工 ( (硬质合金刀具、难加工材料加工等硬质合金

7、刀具、难加工材料加工等) ) ，代表性人物：代表性人物：于启勋于启勋教授教授p 天津大学天津大学 ( (陶瓷精密磨削加工等陶瓷精密磨削加工等) ) ，代表性人物：，代表性人物：于思远于思远教授教授p 东北大学东北大学 ( (磨削加工磨削加工) ) ，代表性人物：，代表性人物：郑焕文郑焕文教授教授p 华南理工大学华南理工大学 ( (加工表面质量、加工表面质量、 积屑瘤、加工表面残积屑瘤、加工表面残余应力余应力) )，代表性人物：，代表性人物：周泽华周泽华教授教授p 华中科技大学（华中科技大学（陈日曜陈日曜教授）、南京航空航天大学教授）、南京航空航天大学张张幼帧幼帧曜教授）曜教授） 、北京航空航天

8、大学（、北京航空航天大学（陈鼎昌陈鼎昌教授）教授） 、清华大学、成都工具研究所等、清华大学、成都工具研究所等p 美国、日本、德国、澳大利亚、英国等美国、日本、德国、澳大利亚、英国等 美国美国: Merchant, Lee and Shaffer 日本：臼井英治、小野浩二、中山一雄日本：臼井英治、小野浩二、中山一雄 澳大利亚：澳大利亚：Oxley 国外研究现状国外研究现状切削加工基本理论切削加工基本理论切削变形切削变形p 三个变形区三个变形区 第一变形区第一变形区：剪切变形，主要影响切屑的形成、切削：剪切变形，主要影响切屑的形成、切削力和温度。力和温度。实质：剪切滑移实质：剪切滑移 第二变形区第

9、二变形区：前刀面的摩擦特性，主要影响刀具前刀：前刀面的摩擦特性，主要影响刀具前刀面的磨损。面的磨损。实质：刀实质：刀屑摩擦屑摩擦 第三变形区第三变形区：加工表面质量，主要影响刀具后刀面的：加工表面质量，主要影响刀具后刀面的磨损和加工表面质量。磨损和加工表面质量。实质：刀实质：刀工摩擦工摩擦研究切削变形的实验方法研究切削变形的实验方法 侧面变形观察法侧面变形观察法 高速摄影法高速摄影法 快速落刀法快速落刀法 SEM观察法观察法 光弹性、光塑性实验法光弹性、光塑性实验法 其它方法，如：其它方法，如：X射线衍射等射线衍射等p 表示变形程度的方法表示变形程度的方法 剪切角剪切角 剪应变剪应变 变形系数

10、变形系数 刀屑接触长度刀屑接触长度 L剪切角剪切角 o 越大，变形越小越大，变形越小 o增大，增大， 越大，变形越小越大，变形越小剪应变剪应变 )cos(sincosoo变形系数变形系数 sin)cos(occhaaach为切屑厚度，为切屑厚度， ac为为切削切削厚度厚度剪应变剪应变 与与变形系数变形系数 的关系的关系oocos1sin22刀屑接触长度刀屑接触长度 L o刀具前刀面的摩擦特性刀具前刀面的摩擦特性 ， 法应力法应力 = s 剪应力剪应力 ， = O A B 刀具刀具avsnfFFp OA粘结区（内摩擦区）粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的：摩擦系数是变化的p AB滑动区（外摩擦

11、区）滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数：摩擦系数是常数p 影响前刀面摩擦系数的主要因素影响前刀面摩擦系数的主要因素 工件材料：强度硬度增大，工件材料：强度硬度增大， 减小减小 切削厚度：切削厚度增大，切削厚度：切削厚度增大， 减小减小 切削速度：切削速度： 低速，低速，V大，大， 越大；越大；高高速，速，V大，大， 越小，越小， 刀具前角：刀具前角： o增大，增大， 越大越大积屑瘤积屑瘤p 形成原因：高温、高压，粘结、冷焊形成原因：高温、高压，粘结、冷焊p 积屑瘤的作用：积屑瘤的作用： 增大前角增大前角 增大切削厚度增大切削厚度 表面粗糙增大表面粗糙增大 保护刀具保护刀具p 防止积屑瘤的办法：

12、防止积屑瘤的办法： 低速切削、或高速切削低速切削、或高速切削 添加润滑液、较小摩擦添加润滑液、较小摩擦 增大刀具前角，减小刀增大刀具前角，减小刀屑间的压力屑间的压力 提高工件硬度，减小加工硬化提高工件硬度，减小加工硬化p 切屑类型切屑类型 带状切屑带状切屑 挤裂切屑挤裂切屑 单元切屑单元切屑 崩碎切屑崩碎切屑单元切屑单元切屑 切削加工基本理论切削加工基本理论切削力及其变化规律切削力及其变化规律 p 切削力的来源切削力的来源 弹性、塑性抗力弹性、塑性抗力 摩擦力摩擦力p 切削力的测量切削力的测量 测量机床功率计算切削力测量机床功率计算切削力 电阻应变片测力仪电阻应变片测力仪 压电晶体测力仪压电晶

13、体测力仪p 切削力的计算切削力的计算 经验公式（查手册）经验公式（查手册） 理论公式（计算与预报）理论公式（计算与预报） FEM分析计算分析计算p 影响切削力的主要因素影响切削力的主要因素 工件材料工件材料 切削用量（切削用量（V, f, ap） 刀具几何参数刀具几何参数 刀具材料刀具材料 切削液切削液 刀具磨损刀具磨损 机床和装夹机床和装夹切削力的理论研究切削力的理论研究p 剪切角剪切角( )理论理论 (从固体力学出发从固体力学出发) Merchant 理论：剪切面位于要求剪切能量最小的位置理论：剪切面位于要求剪切能量最小的位置 = /4+( o- )/2 Lee and Shaffer理论

14、：最大主应力和最大剪应力之间的理论：最大主应力和最大剪应力之间的夹角为夹角为 /4 = /4+ o- p 剪切角剪切角( )理论理论 (从固体力学出发从固体力学出发) M C Shaw理论：剪切面不一定与最大剪应力平面理论：剪切面不一定与最大剪应力平面一致一致 = /4+ o- + Oxley理论：考虑加工硬化理论：考虑加工硬化、应变效应、应变效应 佐列夫理论佐列夫理论p 位错理论位错理论 (从位错的观点研究切削力从位错的观点研究切削力) 切削加工基本理论切削加工基本理论 切削温度及其变化规律切削温度及其变化规律 p 切削热的产生：摩擦与变形消耗功切削热的产生：摩擦与变形消耗功 刀具切屑工件p

15、 切削热的传出：机床、刀具、工件、切屑、介质切削热的传出：机床、刀具、工件、切屑、介质p 切削温度的测量切削温度的测量 热电偶法热电偶法(自然、人工自然、人工) 辐射、红外、热敏电阻等辐射、红外、热敏电阻等p 切削温度计算切削温度计算 经验公式（查手册）经验公式（查手册） 理论公式（计算与预报）理论公式（计算与预报） FEM分析计算分析计算p 切削温度的分布切削温度的分布p 影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 工件材料工件材料 切削用量（切削用量（V, f, ap） 刀具几何参数刀具几何参数 刀具材料刀具材料 切削液切削液 刀具磨损刀具磨损切削加工基本理论切削加工基本理论刀具磨损和破

16、损刀具磨损和破损 p 刀具磨损形式：刀具磨损形式： 前刀面前刀面 后刀面后刀面 边界磨损边界磨损 p 前刀面磨损前刀面磨损 p 后刀面磨损后刀面磨损 p 刀具磨损的主要原因刀具磨损的主要原因 磨料磨损磨料磨损 粘结粘结磨磨损损 扩散扩散磨磨损损 化学磨损化学磨损 低温下以机械磨损为主低温下以机械磨损为主 高温下以热、化学磨损为主高温下以热、化学磨损为主 对刀具磨损起主要作用的是切削温度对刀具磨损起主要作用的是切削温度p 刀具磨损原因刀具磨损原因p 刀具磨损原因刀具磨损原因p 刀具磨损原因刀具磨损原因CeramicCarbideInterfacep 刀具破损的主要原因刀具破损的主要原因 脆性破损

17、脆性破损崩刃、打刀、脱落崩刃、打刀、脱落 疲劳破损疲劳破损裂纹及其扩展裂纹及其扩展 塑性破损塑性破损 实质：大的机械应力和热应力实质：大的机械应力和热应力p 刀具破损原因刀具破损原因p 刀具破损原因刀具破损原因p 刀具破损原因刀具破损原因加工表面质量加工表面质量p 加工表面质量的概念加工表面质量的概念 加工表面硬化加工表面硬化 残余应力残余应力 表面粗糙度表面粗糙度p 加工表面的形成加工表面的形成p 加工表面硬化加工表面硬化 原因：塑性变形原因：塑性变形 表示方法：硬化程度、硬化深度表示方法：硬化程度、硬化深度 影响因素：刀具、工件、切削用量影响因素：刀具、工件、切削用量：p 加工表面残余应力

18、加工表面残余应力 原因：塑性变形、相变引起的体积变化原因：塑性变形、相变引起的体积变化 表示方法：残余拉应力、压应力表示方法：残余拉应力、压应力 影响因素：刀具、工件、切削用量影响因素：刀具、工件、切削用量：p 加工表面粗糙度加工表面粗糙度 原因：原因：几何因素、积屑瘤、鳞刺、切削几何因素、积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具边界磨损、崩刃、振动等变形、刀具边界磨损、崩刃、振动等 表示方法：表示方法：Ra 影响因素：刀具、工件、切削用量影响因素：刀具、工件、切削用量：切削液切削液p 切削液分类切削液分类 非水溶性切削液：主要是切削油非水溶性切削液：主要是切削油 水溶性切削液：水溶液和乳化液水溶性切削液

19、：水溶液和乳化液p 切削液的作用切削液的作用 冷却作用冷却作用 润滑作用润滑作用 防锈作用防锈作用 冲洗作用冲洗作用p 切削液润滑作用切削液润滑作用ACDB 主要目的主要目的：减小切削过程中刀具与：减小切削过程中刀具与工件之间的摩擦系数工件之间的摩擦系数 基本原理基本原理：在刀具前刀面和切屑之：在刀具前刀面和切屑之间形成具有润滑作用的润滑薄膜间形成具有润滑作用的润滑薄膜 润滑薄膜主要有润滑薄膜主要有：物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜、氧化膜、涂层润滑膜及自润滑膜等。膜、氧化膜、涂层润滑膜及自润滑膜等。 油性添加剂能够与金属表面形成牢固的油性添加剂能够与金属表面形成牢固的物理吸附薄膜物理吸附薄膜 润滑剂的极性分子能够同金属表面经由化学吸附形成润滑剂的极性分子能够同金属表面经由化学吸附形成化化学吸附膜学吸附膜 某些润滑剂分子可以同金属表面发生化学反应而形成某些润滑剂分子可以同金属表面发生化学反应而形成化化学反应膜学反应膜 刀具或工件中的元素在切削高温下氧化而形成刀具或工件中的元素在切削高温下氧化而形成物润滑膜物润滑膜 利用涂层涂覆技术可在刀具表面形成利用涂层涂覆技术可在刀具表面形成润滑涂层润滑涂层 刀具材料本身在切削加工过程中形成具有润滑作用的刀具材料本身在切削加工过程中形成具