第1章_精密切削加工

1、 精密加工精密加工是指加工精度和表面质量达到极高是指加工精度和表面质量达到极高程度的加工工艺。不同的发展时期，其技术指标程度的加工工艺。不同的发展时期，其技术指标有所不同。有所不同。 目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是掌握的加工精度是1m1m，与之相对应，将加工精，与之相对应，将加工精度为度为0.010.01 1m1m，加工表面粗糙度，加工表面粗糙度RaRa在在0.020.020.1m0.1m范围内的加工方法称为范围内的加工方法称为精密加工精密加工。 19831983年年, ,日本田口教授经大量考察精密与特种加工日本田口教授经大量考察精

2、密与特种加工厂后厂后, ,对当代多种加工方法所能达到的精度及其发对当代多种加工方法所能达到的精度及其发展趋势有个预测展趋势有个预测 本本( (下页下页) )图分两个层面来看图分两个层面来看: :各种加工方法的极限各种加工方法的极限; ;发展趋势发展趋势. .多种加工方法所能达到的精度及具发展趋势预测见图。多种加工方法所能达到的精度及具发展趋势预测见图。l 英国英国Rolls-Royce公司的资料表明，将飞机发动机公司的资料表明，将飞机发动机转子叶片的加工精度由转子叶片的加工精度由60m提高到提高到12m，加工，加工表面粗糙度由表面粗糙度由Ra0.5m减少到减少到Ra0.2m，则发动，则发动机的

3、压缩效率将从机的压缩效率将从89提高到提高到94。u提高零件的加工精度，可提高产品的性能和质量，提高零件的加工精度，可提高产品的性能和质量，提高产品的稳定性和可靠性。提高产品的稳定性和可靠性。l 2020世纪世纪8080年代初，前苏联从日本引进了四台精年代初，前苏联从日本引进了四台精密数控铣床，用于加工密数控铣床，用于加工螺旋桨曲面螺旋桨曲面，使其潜艇，使其潜艇的水下航行噪声大幅度下降，即使使用精密的的水下航行噪声大幅度下降，即使使用精密的声纳探测装置也很难发现潜艇的行踪。声纳探测装置也很难发现潜艇的行踪。l 传动齿轮的齿形及齿距误差直接影响了其传递扭传动齿轮的齿形及齿距误差直接影响了其传递扭

4、矩的能力。矩的能力。若将该误差从目前的若将该误差从目前的36m降低到降低到1m，则齿轮箱单位重量所能传递的扭矩将提高，则齿轮箱单位重量所能传递的扭矩将提高近一倍，从而可使目前的齿轮箱尺寸大大缩小。近一倍，从而可使目前的齿轮箱尺寸大大缩小。l BM公司开发的磁盘，其记忆密度由公司开发的磁盘，其记忆密度由1957年的年的300bit/cm2提高到提高到1982年的年的254万万bit/cm2，提高了，提高了近近l万倍，这在很大程度上应归功于磁盘基片加万倍，这在很大程度上应归功于磁盘基片加工精度的提高和表面粗糙度的减小。工精度的提高和表面粗糙度的减小。u提高零件的加工精度可促进产品的小型化。提高零件

5、的加工精度可促进产品的小型化。l 自动化装配是提高装配生产率和装配质量的重自动化装配是提高装配生产率和装配质量的重要手段。自动化装配的前提是零件必须完全互要手段。自动化装配的前提是零件必须完全互换，这就要求严格控制零件的加工公差，从而换，这就要求严格控制零件的加工公差，从而导致零件的加工精度要求极高，精密加工使之导致零件的加工精度要求极高，精密加工使之成为可能。成为可能。u提高零件的加工精度可增强零件的互换性，提提高零件的加工精度可增强零件的互换性，提高装配生产率，促进自动化装配应用，推进自高装配生产率，促进自动化装配应用，推进自动化生产。动化生产。 实现精密加工的条件：实现精密加工的条件：

6、精密的机床工具设备和刀具；精密的机床工具设备和刀具； 超精密加工的机理与工艺方法；超精密加工的机理与工艺方法； 精密测量及误差补偿技术；精密测量及误差补偿技术； 超精密加工中的工件材料；超精密加工中的工件材料； 稳定的环境条件。稳定的环境条件。 精密加工机床是实现精密加工的精密加工机床是实现精密加工的。 主要研究方向主要研究方向是提高是提高机床主轴的回转精度机床主轴的回转精度，工作工作台的直线运动精度台的直线运动精度以及以及刀具的微量进给精度刀具的微量进给精度。 采用超精密级的滚动轴承。采用超精密级的滚动轴承。 采用液体静压轴承和空气静压轴承。其静、采用液体静压轴承和空气静压轴承。其静、 动态

7、性能更加优异。动态性能更加优异。v 精密机床主轴要求具有很高的回转精度，转动平精密机床主轴要求具有很高的回转精度，转动平稳，无振动，其关键在于主轴轴承。稳，无振动，其关键在于主轴轴承。精密机床使用的导轨有：精密机床使用的导轨有：滚动导轨滚动导轨液体静压导轨液体静压导轨气浮导轨气浮导轨空气静压导轨空气静压导轨普通车床精度普通车床精度0.015-0.002mm 弹性变形式和电致伸缩式弹性变形式和电致伸缩式微量进给机构比较适用，微量进给机构比较适用，尤其是尤其是电致伸缩微量进给装置电致伸缩微量进给装置，可以进行自动化控，可以进行自动化控制，有较好的动态特性，在精密机床进给系统中得制，有较好的动态特性

8、，在精密机床进给系统中得到广泛的应用。到广泛的应用。 (1)(1)金刚石晶体的晶面选择，这对刀具的使用性能有重金刚石晶体的晶面选择，这对刀具的使用性能有重 要的影响；要的影响；(2)(2)金刚石刀具刃口的锋利性，即刀具刃口的圆弧半径，金刚石刀具刃口的锋利性，即刀具刃口的圆弧半径， 它直接影响到切削加工的最小切削深度，影响到微它直接影响到切削加工的最小切削深度，影响到微 量切除能力和加工质量。量切除能力和加工质量。 金刚石刀具金刚石刀具 是精密切削加工的重要手段是精密切削加工的重要手段l 先进国家刃磨金刚石刀具的刃口半径可以小到数先进国家刃磨金刚石刀具的刃口半径可以小到数纳米的水平。我国目前刃磨

9、的金刚石刀具的刃口纳米的水平。我国目前刃磨的金刚石刀具的刃口半径只能达到半径只能达到0.10.10.3m0.3m。l 当刃口半径小于当刃口半径小于0.0lm0.0lm时，必须解决测量上的时，必须解决测量上的难题。难题。 精密切削是微量切削，微量切削过程中许多机精密切削是微量切削，微量切削过程中许多机理方面的问题都有其特殊性，如理方面的问题都有其特殊性，如积屑瘤的形成，鳞积屑瘤的形成，鳞刺刺的产生，的产生，切削参数及加工条件对切削过程的影响切削参数及加工条件对切削过程的影响，以及以及它们对加工精度和表面质量的影响它们对加工精度和表面质量的影响，都与常规，都与常规切削有很大的不同。切削有很大的不同

10、。 精密切削加工必须能够均匀地切除极薄的金精密切削加工必须能够均匀地切除极薄的金属层，属层，是精密加工的重要特征之一。是精密加工的重要特征之一。 精密加工必须在稳定的加工环境下进行，主精密加工必须在稳定的加工环境下进行，主要包括要包括恒温恒湿、防振和空气净化恒温恒湿、防振和空气净化三个方面的三个方面的条件。条件。(1)(1)恒温恒湿恒温恒湿. .精密加工必须在严格的多层恒温精密加工必须在严格的多层恒温条件下进行，即不仅工作间应保持恒温，还条件下进行，即不仅工作间应保持恒温，还必须对机床本身采取特殊的恒温措施，使加必须对机床本身采取特殊的恒温措施，使加工区的温度变化极小。工区的温度变化极小。(2

11、)(2)防振防振. .为了提高精密加工系统的动态稳定性，除为了提高精密加工系统的动态稳定性，除在机床结构设计和制造上采取各种减振措施外，在机床结构设计和制造上采取各种减振措施外，还必须用隔振系统来消除外界振动的影响。还必须用隔振系统来消除外界振动的影响。(3)(3)空气净化空气净化. .由于精密加工的加工精度和表面粗糙由于精密加工的加工精度和表面粗糙度要求极高，空气中的尘埃将直接影响加工零件度要求极高，空气中的尘埃将直接影响加工零件的精度和表面粗糙度，因此必须对加工环境的空的精度和表面粗糙度，因此必须对加工环境的空气进行净化，对大于某一尺寸的尘埃进行过滤。气进行净化，对大于某一尺寸的尘埃进行过

12、滤。国外已研制成功了对国外已研制成功了对0.1m0.1m的尘埃有的尘埃有9999净化效净化效率的高效过滤器。率的高效过滤器。 当加工精度高于一定程度后，若仍然采用提当加工精度高于一定程度后，若仍然采用提高机床的制造精度，保证加工环境的稳定性等误高机床的制造精度，保证加工环境的稳定性等误差预防措施提高加工精度，这将会使所花费的成差预防措施提高加工精度，这将会使所花费的成本大幅度增加。这时应采取另一种所谓的误差补本大幅度增加。这时应采取另一种所谓的误差补偿措施，即是通过消除或抵消误差本身的影响，偿措施，即是通过消除或抵消误差本身的影响，达到提高加工精度的目的。达到提高加工精度的目的。u测量分测量分

13、: :在线、在位和离线三种方式在线、在位和离线三种方式. .u精密加工技术离不开精密测量技术，精密加工要求精密加工技术离不开精密测量技术，精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级。测量精度比加工精度高一个数量级。u目前，精密加工中所使用的测量仪器多以非接触式目前，精密加工中所使用的测量仪器多以非接触式: :干涉法和高灵敏度电动测微技术为基础。如激光干干涉法和高灵敏度电动测微技术为基础。如激光干涉仪，多次光波干涉显微镜及重复反射干涉仪等。涉仪，多次光波干涉显微镜及重复反射干涉仪等。u国外广泛发展非接触式测量方法并研究原子级精国外广泛发展非接触式测量方法并研究原子级精度的测量技术。度的测量技术。

14、JohanessJohaness公司生产的多次光波干公司生产的多次光波干涉显微镜的分辨率为涉显微镜的分辨率为0.5nm0.5nm，最近出现的，最近出现的隧道扫描隧道扫描显微镜显微镜的分辨率为的分辨率为0.0lnm0.0lnm，是目前世界上精度最，是目前世界上精度最高的测量仪之一。最新的研究证实，在扫描隧道高的测量仪之一。最新的研究证实，在扫描隧道显微镜下可移动原子，实现精密工程的最终目标显微镜下可移动原子，实现精密工程的最终目标- - -原子级精密加工。原子级精密加工。 隧道扫描显微镜：隧道扫描显微镜： 扫描隧道显微镜的扫描隧道显微镜的基本原理基本原理是将原子线度的极是将原子线度的极细探针和被

15、研究物质的表面作为两个电极，当样细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近品与针尖的距离非常接近 ( (通常小于通常小于1nm) 1nm) 时，在时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。势垒流向另一电极。 隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小数依赖关系，当距离减小0.1nm0.1nm，隧道电流即增加，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，可约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如以

16、得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对果同时对x-yx-y方向进行扫描，就可以直接得到三维方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。作原理。 根据加工表面及加工刀具的特点，精密切削加工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，见下表。可分为四类，见下表。u 应用天然单晶金刚石车刀对铝、铜和其它软金应用天然单晶金刚石车刀对铝、铜和其它软金属及其合金进行切削加工，可以得到极高的加属及其合金进行切削加工，可以得到极高的加工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了金刚金

17、刚石精密车削加工方法石精密车削加工方法。 它们分别用于加工平面、型面和内孔，也可它们分别用于加工平面、型面和内孔，也可以得到极高的加工精度和表面质量。以得到极高的加工精度和表面质量。 金刚石刀具精密切削是当前加工软金属材料金刚石刀具精密切削是当前加工软金属材料最主要的精密加工方法。最主要的精密加工方法。 除金刚石刀具材料外，还发展了立方氮化硼、除金刚石刀具材料外，还发展了立方氮化硼、复方氮化硅和复合陶瓷等新型超硬刀具材料，它复方氮化硅和复合陶瓷等新型超硬刀具材料，它们主要用于黑色金属的精密加工。们主要用于黑色金属的精密加工。 l 由于精密加工机床价格昂贵，加工环境条件要由于精密加工机床价格昂贵

18、，加工环境条件要求极高，因此精密加工总是与高加工成本联系求极高，因此精密加工总是与高加工成本联系在在起。起。l 在过去相当长的一段时期，这种观点限制了精在过去相当长的一段时期，这种观点限制了精密加工的应用范围，它主要应用于军事、航宇密加工的应用范围，它主要应用于军事、航宇航天等部门。航天等部门。 近十几年来，随着科学技术的发展和人们生活水近十几年来，随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，精密加工的产品已进入了国民经济和平的提高，精密加工的产品已进入了国民经济和人民生活的各个领域，其生产方式也从过去的单人民生活的各个领域，其生产方式也从过去的单件小批量生产走向大批量生产。在机械制造行业，件小批

19、量生产走向大批量生产。在机械制造行业，精密加工机床不再是仅用于后方车间加工工具、精密加工机床不再是仅用于后方车间加工工具、卡具和量具，工业发达国家已将精密加工机床直卡具和量具，工业发达国家已将精密加工机床直接用于产品零件的精密加工，产生了显著的经济接用于产品零件的精密加工，产生了显著的经济效益。效益。 u 加工一块直径为加工一块直径为l00mml00mm的离轴抛物面反射镜，用金刚的离轴抛物面反射镜，用金刚石精密车削工艺成本只有用研磨石精密车削工艺成本只有用研磨-抛光抛光-手工修琢手工修琢的传统工艺的成本的十几分之一，而且精度更高，的传统工艺的成本的十几分之一，而且精度更高，加工周期由加工周期由

20、1212个月缩短为个月缩短为3 3周。周。u 我国精密加上技术较落后，当前某些精密产品尚靠我国精密加上技术较落后，当前某些精密产品尚靠进口，还有些精密产品靠老工人手艺制造，因而废进口，还有些精密产品靠老工人手艺制造，因而废品率极高。品率极高。u 我国现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚我国现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才挑选出一台合格品，磁盘生产质量尚至几十台中才挑选出一台合格品，磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。 金属切削过程，就其本质而言，是材料在刀金属切削过程，就其本质而言，是材料在刀具的作用下，

21、产生具的作用下，产生剪切断裂、摩擦挤压和晶格滑剪切断裂、摩擦挤压和晶格滑移变形移变形的过程。在精密切削中，采用的是的过程。在精密切削中，采用的是微量切微量切削削方法方法, ,影响因素就不同。影响因素就不同。 以回转刀具的切削情况为例，分析在过渡切削以回转刀具的切削情况为例，分析在过渡切削过程中刀具切削刃与工件表面的接触情况及工件过程中刀具切削刃与工件表面的接触情况及工件材料的变形情况。材料的变形情况。u 如图所示为单刃回转刀具铣削平面的切削过程。如图所示为单刃回转刀具铣削平面的切削过程。为了反映整个工艺系统的弹性特性，假设刀具支为了反映整个工艺系统的弹性特性，假设刀具支持在具有一定弹性模数的支

22、承上。图持在具有一定弹性模数的支承上。图(b)(b)为切削剖为切削剖面的情况，从刀具切削刃和工件接触开始，刀具面的情况，从刀具切削刃和工件接触开始，刀具在工件上滑动一定的距离，工件表面仅产生弹性在工件上滑动一定的距离，工件表面仅产生弹性变形，在切削刃移开之后，工件表面仍能恢复到变形，在切削刃移开之后，工件表面仍能恢复到原来的状态。切削刃在工件表面上的这种滑动称原来的状态。切削刃在工件表面上的这种滑动称为为弹性滑动弹性滑动。经历了了弹性、塑性和切削三个过程经历了了弹性、塑性和切削三个过程. .u 随着刀具的继续回转，刀刃上的切削深度不断随着刀具的继续回转，刀刃上的切削深度不断增大，在工件表面上开

23、始产生塑性变形，在此塑增大，在工件表面上开始产生塑性变形，在此塑性变形区内，切削刃在工件表面滑过之后，工件性变形区内，切削刃在工件表面滑过之后，工件表面被刻划出沟痕，但此时并没有真正切除材料。表面被刻划出沟痕，但此时并没有真正切除材料。切削刃在工件表面上的这种滑动称为切削刃在工件表面上的这种滑动称为塑性滑动。塑性滑动。u 在塑性滑动之后，随着刀具切入深度的增加，在塑性滑动之后，随着刀具切入深度的增加，前刀面上产生了切屑，开始了前刀面上产生了切屑，开始了切削过程切削过程。由于工件。由于工件表面上产生了弹塑性变形，所以切削刃的运动轨迹表面上产生了弹塑性变形，所以切削刃的运动轨迹与被加工表面上形成的

24、轮廓线不重合。与被加工表面上形成的轮廓线不重合。 改变刀具的切入角改变刀具的切入角g g 可以依次改变刀具与工件的可以依次改变刀具与工件的最大干涉深度，得到如图最大干涉深度，得到如图1.2(a)1.2(a)的曲线。的曲线。 当切削刃的最大干涉深度很小时，即切入角当切削刃的最大干涉深度很小时，即切入角 g g很很小时便是图小时便是图1.2(a)1.2(a)中的（中的（1 1）状态。此时，刀具仅）状态。此时，刀具仅在工件表面滑过，工件表面没有刀具切入的痕迹，在工件表面滑过，工件表面没有刀具切入的痕迹，在刀具和被加工表面的全部接触长度上处于弹性变在刀具和被加工表面的全部接触长度上处于弹性变形区域。形

25、区域。 当刀具与工件的最大干涉深度达到一定的数值当刀具与工件的最大干涉深度达到一定的数值时，形成如图时，形成如图1.2(a)1.2(a)中的中的(2)(2)的切削状态。在切削的切削状态。在切削开始的一段长度内为弹性滑动区域，然后进入塑开始的一段长度内为弹性滑动区域，然后进入塑性变形区，在刀刃滑动过去后，在塑性变形区域性变形区，在刀刃滑动过去后，在塑性变形区域内将留下沟痕，但并不产生切屑。内将留下沟痕，但并不产生切屑。 继续增大刀具与工件的最大干涉深度，便形成图继续增大刀具与工件的最大干涉深度，便形成图（a a）中的）中的(3)(3)的切削状态。在切削刃和工件表面的的切削状态。在切削刃和工件表面

26、的接触初期为弹性滑动区域，随着切削深度的增大，接触初期为弹性滑动区域，随着切削深度的增大，之后为塑性滑动区域，再之后为切削区域，在工件之后为塑性滑动区域，再之后为切削区域，在工件表面上有塑性变形和除去切屑所形成的沟槽。随着表面上有塑性变形和除去切屑所形成的沟槽。随着切入深度的减小，之后又过渡到塑性变形区和弹性切入深度的减小，之后又过渡到塑性变形区和弹性变形区。变形区。 必须指出，在塑性滑动区域内也存在弹性变形区，必须指出，在塑性滑动区域内也存在弹性变形区，而在切削区域内则既存在切屑去除区，也存在塑性而在切削区域内则既存在切屑去除区，也存在塑性变形区和弹性变形区。变形区和弹性变形区。 u 零件的

27、最终工序的最小切入深度应等于或小于零件零件的最终工序的最小切入深度应等于或小于零件的加工精度的加工精度( (允许的加工误差允许的加工误差) )。因此，一种加工方因此，一种加工方法的最小切入深度反映了它的精加工能力。法的最小切入深度反映了它的精加工能力。u 根据过渡切削过程的分析可知，当切入深度太小时，根据过渡切削过程的分析可知，当切入深度太小时，切削刃对工作表面的作用只是弹性滑动或塑性滑动，切削刃对工作表面的作用只是弹性滑动或塑性滑动，并没有产生切屑，因此最小切入深度要受到一些因并没有产生切屑，因此最小切入深度要受到一些因素的限制。素的限制。u以车削过程为例进行切入深度的分析。以车削过程为例进

28、行切入深度的分析。 车削过程能够成立，主要应满足下列车削过程能够成立，主要应满足下列条件条件： l 切削过程应当是连续的、稳定的；切削过程应当是连续的、稳定的；l 应当保持有较高的加工精度和表面质量；应当保持有较高的加工精度和表面质量；l 刀具应有较长的使用寿命。刀具应有较长的使用寿命。 在精密切削中，采用的是微量在精密切削中，采用的是微量切削方法，切入深度较小，切切削方法，切入深度较小，切削功能主要由刀具切削刃的刃削功能主要由刀具切削刃的刃口圆弧承担。口圆弧承担。 如图所示，分析正交切削条件如图所示，分析正交切削条件下，切削刃口圆弧处任一质点下，切削刃口圆弧处任一质点i的受力。质点的受力。质

29、点i仅有两个方向的仅有两个方向的切削力，即垂直力切削力，即垂直力pyi和水平力和水平力pzi。水平力。水平力pzi使被切削材料质使被切削材料质点向前移动，经过挤压形成切点向前移动，经过挤压形成切屑，而垂直力屑，而垂直力pyi将被切削材料将被切削材料压向被切削零件本体，不能构压向被切削零件本体，不能构成切屑形成条件。成切屑形成条件。 最终能否形成切最终能否形成切屑，取决于作用在屑，取决于作用在此质点上的切削力此质点上的切削力pyi 和和pzi 的比值。的比值。 u 根据材料的最大剪切应力理论可知，最大剪切应力应发生根据材料的最大剪切应力理论可知，最大剪切应力应发生在与切削合力在与切削合力p pi

30、 i成成4545角的方向上。若角的方向上。若p pyiyi= p= pzizi ，则作用在材料，则作用在材料质点质点i i上的最大剪应力与切削运动方向一致，该质点上的最大剪应力与切削运动方向一致，该质点i i处材料被处材料被刀具推向前方，形成切屑，而质点刀具推向前方，形成切屑，而质点i i处位置以下的材料不能形处位置以下的材料不能形成切屑，只产生弹性、塑性变形。成切屑，只产生弹性、塑性变形。u故：故：l当当p pzizippyiyi 时，材料质点被推向切屑运动方向，形成切屑；时，材料质点被推向切屑运动方向，形成切屑；l当当p pzizipF FZ Z，这是精密切削时切削力变化的特殊规律。，这是

31、精密切削时切削力变化的特殊规律。用天然金刚石车刀进行精密切削试验，其试验结果见下表。用天然金刚石车刀进行精密切削试验，其试验结果见下表。结论：结论：用天然金刚石车刀进行精密切削时，用天然金刚石车刀进行精密切削时，F FZ ZFFY Y。切削力F（0.01N)进给量f(mm/r)0.010.020.040.100.20FZ20264896160FY45121730切削深度对切削力影响的试验结果见下表。切削深度对切削力影响的试验结果见下表。 切削力F（0.01N) 切削深度 (mm) （硬质合金车刀）0.0020.0040.0080.0160.032FZ 15375267FY2527333739结

32、论：结论：使用硬质合金车刀时，切削深度对切削力有使用硬质合金车刀时，切削深度对切削力有明显的影响，且对明显的影响，且对F FZ Z的影响大于对的影响大于对F FY Y的影响。切削的影响。切削深度小于一定值时，则深度小于一定值时，则F FY Y F FZ Z 。 切削力F（0.01N) 切削深度ap (mm) （金刚石车刀）0.0030.0060.010.020.03FZ 1017264550FY23579结论：结论：使用天然金刚石车刀时，使用天然金刚石车刀时， F FZ Z仍然大于仍然大于F FY Y。原因：原因： 切削用量直接影响主切削力切削用量直接影响主切削力F FZ Z的大小。当切削用量

33、减小时，的大小。当切削用量减小时，F FZ Z随之减小。随之减小。 切削刃口半径的大小决定后刀面上正压力大小，直接影响切削刃口半径的大小决定后刀面上正压力大小，直接影响着径向切削力（垂直轴向）着径向切削力（垂直轴向）F FY Y的大小的大小。 由于切削刃口半径是一固定值，所以当切削用量减小到一由于切削刃口半径是一固定值，所以当切削用量减小到一定值之后，定值之后，F FY Y才能大于才能大于F FZ Z。但是由于天然金刚石车刀可以磨得。但是由于天然金刚石车刀可以磨得很锋利，切削刃口半径可以比硬质合金的小许多倍，因此由很锋利，切削刃口半径可以比硬质合金的小许多倍，因此由刃口圆弧部分产生的挤压小，后

34、刀面上的正压力小，从而刃口圆弧部分产生的挤压小，后刀面上的正压力小，从而F FY Y小，小，虽然是微量切削，虽然是微量切削，F FZ Z仍然大于仍然大于F FY Y 。 F FZ Z与与F FY Y的比值的比值apap、f f 对切削力的影响对切削力的影响一般切削一般切削总是大于总是大于1 1apap影响大于影响大于f f精密切削精密切削可以小于可以小于1 1（当切削用量同刃口半（当切削用量同刃口半径之比值达到一定数值径之比值达到一定数值时）时）f f影响大于影响大于apap原因原因取决于切削用量取决于切削用量(f(f、ap)ap)同刀具刃口半径的比值同刀具刃口半径的比值精密切削时通常采用进给

35、精密切削时通常采用进给量量f f 大于切削深度大于切削深度apap的切的切削方式有关削方式有关 天然金刚石对金属的摩擦系数比其它刀具材料要天然金刚石对金属的摩擦系数比其它刀具材料要小得多，而且天然金刚石能刃磨出极小的刃口半径，小得多，而且天然金刚石能刃磨出极小的刃口半径，所以在精密切削时，采用天然金刚石刀具所产生的所以在精密切削时，采用天然金刚石刀具所产生的切削力要比其它材料刀具小。切削力要比其它材料刀具小。v 刀具几何角度、切削液等对切削力的影响同一般刀具几何角度、切削液等对切削力的影响同一般切削相似。切削相似。 u变形所消耗的功转变为热变形所消耗的功转变为热 包括两部分：弹性变形所消耗的功

36、和塑性变包括两部分：弹性变形所消耗的功和塑性变形所消耗的功。形所消耗的功。 切削热来自切削热来自三个切削变形区三个切削变形区的金属弹性变形、的金属弹性变形、塑性变形和摩擦。塑性变形和摩擦。u摩擦所消耗的功转变为热摩擦所消耗的功转变为热 包括两部分：前刀面与切屑摩擦所产生的热包括两部分：前刀面与切屑摩擦所产生的热和后刀面与工件已加工表面摩擦所产生的热。和后刀面与工件已加工表面摩擦所产生的热。 切削温度切削温度: :一般是指切屑、工件和刀具接触表面一般是指切屑、工件和刀具接触表面 上的平均温度。上的平均温度。 刀具刀尖附近的温度最高，对切削过程的影响刀具刀尖附近的温度最高，对切削过程的影响最大。最

37、大。切削温度的高低决定于切削时切削热切削温度的高低决定于切削时切削热产生产生的多的多少和少和散热散热条件。条件。 切削时大量的切削热是由切削时大量的切削热是由切屑、工件、刀具和周切屑、工件、刀具和周围介质围介质传导的。一般地，切屑传出的热量最多，传导的。一般地，切屑传出的热量最多，其余依次为刀具、工件及周围介质。其余依次为刀具、工件及周围介质。 精密切削时，精密切削时，当切削单位从数微米缩小到小于当切削单位从数微米缩小到小于1m1m时，刀具的刀尖部分会受到很大的应力作用，时，刀具的刀尖部分会受到很大的应力作用，在单位面积上会产生很大的热量，使在单位面积上会产生很大的热量，使刀尖局部区刀尖局部区

38、域产生极高的温度。域产生极高的温度。l 金属材料是由数微米到数百微米的微细晶粒组金属材料是由数微米到数百微米的微细晶粒组成，在晶粒内部，一般情况下大约成，在晶粒内部，一般情况下大约1m1m左右的间左右的间隔内就有一个位错缺陷。当切削单位较大时，在隔内就有一个位错缺陷。当切削单位较大时，在切削力作用下，工件材料不是整个晶体的滑移面切削力作用下，工件材料不是整个晶体的滑移面上的原子一起产生位移，而是通过位错运动形成上的原子一起产生位移，而是通过位错运动形成滑移（塑性变形），所以实际剪切强度远远小于滑移（塑性变形），所以实际剪切强度远远小于理论剪切强度，刀具刀尖部分受到的平均应力并理论剪切强度，刀具

39、刀尖部分受到的平均应力并不很大。不很大。原因：原因：l 当切削单位小于位错缺陷平均间隔当切削单位小于位错缺陷平均间隔1m1m时，在时，在这狭窄区域内是不会发生由于位错线移动而产生这狭窄区域内是不会发生由于位错线移动而产生的材料滑移变形的，因此也就使其剪切强度接近的材料滑移变形的，因此也就使其剪切强度接近理论剪切强度，这时，刀具刀尖部分受到的平均理论剪切强度，这时，刀具刀尖部分受到的平均应力将很大，使应力将很大，使刀尖局部区域产生极高的温度。刀尖局部区域产生极高的温度。措施：措施： 采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。高温强度的

40、刀具材料。 在精密加工中，由于热变形引起的加工误差占总误在精密加工中，由于热变形引起的加工误差占总误差的差的40407070。因此，在精密加工中必须严格控。因此，在精密加工中必须严格控制工件的温升和环境温度的变化，否则无法达到精制工件的温升和环境温度的变化，否则无法达到精密加工所要求的高精度。密加工所要求的高精度。 切削热对精密加工影响很大切削热对精密加工影响很大. . 例如精密加工例如精密加工l00mml00mm长的铝合金零件，温度每变化长的铝合金零件，温度每变化11，将产生，将产生2.25m2.25m的误差。若要求确保的误差。若要求确保0.1m0.1m的的加工精度，则工件及环境温度变化就必

41、须控制在加工精度，则工件及环境温度变化就必须控制在0.050.05的范围内。的范围内。l 切削液的浇注方式切削液的浇注方式： 采用浇注加淋浴式，若将大量的采用浇注加淋浴式，若将大量的20200.50.5的切削的切削液喷射到工件上，使整个工件被包围在恒温油内，工液喷射到工件上，使整个工件被包围在恒温油内，工件温度便可控制在件温度便可控制在20200.50.5的范围内。的范围内。减小切削热对精密加工影响的主要措施：减小切削热对精密加工影响的主要措施：u 采用切削液浇注工件的方法采用切削液浇注工件的方法。l 切削液的冷却方式：切削液的冷却方式： 通过在切削液箱内设置螺旋形铜管，管内通通过在切削液箱内

42、设置螺旋形铜管，管内通以自来水，使切削液冷却，通过控制水的流量来以自来水，使切削液冷却，通过控制水的流量来达到控制切削液温度的目的。必要时还可以在冷达到控制切削液温度的目的。必要时还可以在冷却水箱中放入冰块，通过冰水混合液能可靠地把却水箱中放入冰块，通过冰水混合液能可靠地把切削温度控制在所要求的范围内。切削温度控制在所要求的范围内。 u 优化刀具几何角度，切削用量可减小切削热优化刀具几何角度，切削用量可减小切削热。 右图的曲线是在右图的曲线是在SI-SI-125125精密车床上用金刚石精密车床上用金刚石刀具切削铝合金时，干刀具切削铝合金时，干切削与使用切削液的切切削与使用切削液的切削对比。从图

43、中可知，削对比。从图中可知，干切削后的粗糙度比用干切削后的粗糙度比用切削液时的差切削液时的差1 11.51.5个个小级，甚至一个大级。小级，甚至一个大级。 试验结论：试验结论：我国我国,30,30的豆油加的豆油加7070混合油效果最好。混合油效果最好。2020的的氯化石蜡加氯化石蜡加1 1的二烷基的二烷基二硫化磷酸锌和二硫化磷酸锌和7979的混的混合油的效果同它接近。合油的效果同它接近。2020氯化石蜡加氯化石蜡加8080的混合的混合油效果次之。而混合油的油效果次之。而混合油的效果最差。效果最差。 切削液通过渗透到接触面上，湿润刀具表面，并牢切削液通过渗透到接触面上，湿润刀具表面，并牢固地附着

44、在刀具表面上形成一层润滑膜，达到减少固地附着在刀具表面上形成一层润滑膜，达到减少刀具与工件材料之间摩擦的效果。刀具与工件材料之间摩擦的效果。 表面吸附可分为表面吸附可分为物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附。 试验结果表明试验结果表明，由混合油分子形成一层物理吸附薄，由混合油分子形成一层物理吸附薄膜的效果最差。由氯化物形成的化学膜效果较好。膜的效果最差。由氯化物形成的化学膜效果较好。由氯化物、硫化物形成的化学膜效果更好。加入少由氯化物、硫化物形成的化学膜效果更好。加入少量豆油而形成的物理厚膜效果最好，能获得最小的量豆油而形成的物理厚膜效果最好，能获得最小的表面粗糙度。表面粗糙度。 一般情况下，

45、化学膜比物理吸附膜能耐更高的温一般情况下，化学膜比物理吸附膜能耐更高的温度及应力。度及应力。按理说，润滑效果更好，能获得更小按理说，润滑效果更好，能获得更小的表面粗糙度，但是形成的的表面粗糙度，但是形成的化学膜是硫及氯同刀化学膜是硫及氯同刀具表面的化学成分形成硫化物或氯化物，具表面的化学成分形成硫化物或氯化物，这些化这些化合物在切削过程中会脱落，影响刀具表面的粗糙合物在切削过程中会脱落，影响刀具表面的粗糙度，从而影响到工件表面的粗糙度。度，从而影响到工件表面的粗糙度。 物理吸附厚膜即使脱落也不会影响刀具表面的粗物理吸附厚膜即使脱落也不会影响刀具表面的粗糙度。糙度。 结论结论： 物理吸附厚膜比化

46、学吸附膜效果好，物理吸附厚膜比化学吸附膜效果好，能获得更小的表面粗糙度。能获得更小的表面粗糙度。 (1)(1)抑制积屑瘤的生成。精密切削中，积屑瘤会严重影响加抑制积屑瘤的生成。精密切削中，积屑瘤会严重影响加工表面粗糙度，因此使用切削液减小乃至消除积屑瘤对工表面粗糙度，因此使用切削液减小乃至消除积屑瘤对提高精密切削的加工表面质量具有很好的效果。提高精密切削的加工表面质量具有很好的效果。(2)(2)降低加工区域温度，稳定加工精度。降低加工区域温度，稳定加工精度。(3)(3)减少切削力。切削液可使刀具与切屑及工件加工表面之减少切削力。切削液可使刀具与切屑及工件加工表面之间的摩擦减少，从而使切削力减少

47、。间的摩擦减少，从而使切削力减少。(4)(4)减小刀具磨损，提高刀具耐用度。减小刀具磨损，提高刀具耐用度。 缝纫机用的矿物油、煤油和橄榄油、酒精等缝纫机用的矿物油、煤油和橄榄油、酒精等。精密切削中，使用切削液有如下作用：精密切削中，使用切削液有如下作用：在精密切削中广泛应用金刚石作为刀具材料。在精密切削中广泛应用金刚石作为刀具材料。机械磨损机械磨损粘结磨损粘结磨损相变磨损相变磨损扩散磨损扩散磨损破损破损硬质点磨损等硬质点磨损等机械磨损机械磨损 （常见）（常见）破损破损 （常见）（常见）碳化磨损碳化磨损 （较少见）（较少见）刀具磨损形式有：刀具磨损形式有：金刚石刀具的磨损形式为：金刚石刀具的磨损

48、形式为：粘结磨损粘结磨损 工件或切削表面与刀具表面的粘结点，由于切削运动将刀面上的微粒带走，从而造成刀具磨损。机械磨损机械磨损 由于机械摩擦所造成的磨损。相变磨损相变磨损 当切削温度大于等于刀具材料的相变温度时，使金相组织发生变化，刀具表面的马氏体组织将转化为托氏体或索氏体组织，这种使硬度降低而造成的磨损扩散磨损扩散磨损 工件在加工过程中，工模具与工件表面在高温或高压下，相互紧密贴合，并发生相互吸引和粘着，致使工模具与工件表面的材料发生相互扩散，造成表面合金元素的贫化或富化，导致工模具表面与基体的成分发生差异，弱化了工模具表面的抗磨损性能，加快了磨损速度，从而降低了工模具寿命。u 刀具开始切削

49、的初磨阶段，刀具和工件、切屑的接触表面刀具开始切削的初磨阶段，刀具和工件、切屑的接触表面高低不平，形成犬牙交错现象，在相对运动中，双方的高低不平，形成犬牙交错现象，在相对运动中，双方的高峰高峰都逐渐被磨平。都逐渐被磨平。u 更多的机械磨损是由于切屑或工件表面有一些微小的更多的机械磨损是由于切屑或工件表面有一些微小的硬质硬质点点，如碳化物等，在刀具前刀面上划出沟纹而造成的磨料磨，如碳化物等，在刀具前刀面上划出沟纹而造成的磨料磨损。损。u 金刚石刀具使用一段时间后，在金刚石刀具使用一段时间后，在前后刀面前后刀面上出现细长而光上出现细长而光滑的磨损带，刀棱逐渐变成圆滑过渡的圆弧，随着加工的继滑的磨损

50、带，刀棱逐渐变成圆滑过渡的圆弧，随着加工的继续会形成较大的圆弧或者发展成前面和后面之间的斜面。续会形成较大的圆弧或者发展成前面和后面之间的斜面。 随着切削距离的增长，随着切削距离的增长，副后刀面副后刀面上磨损增大，并出现两段上磨损增大，并出现两段不同的磨损部分，这两部分的长度相同，等于走刀量。不同的磨损部分，这两部分的长度相同，等于走刀量。 直线刃刀具的磨损情况如图所示，右边的磨损部分磨损量很直线刃刀具的磨损情况如图所示，右边的磨损部分磨损量很大，称为大，称为第第I I磨损区磨损区，主要是因为由这段切削刃去除加工余量。，主要是因为由这段切削刃去除加工余量。 左边磨损部分的磨损量较小，称为左边磨

51、损部分的磨损量较小，称为第第磨损区磨损区，这是因为右边部分的切，这是因为右边部分的切削刃出现了磨损，使左边部分切削刃削刃出现了磨损，使左边部分切削刃参加切削，切去参加切削，切去I I区残留的余量，因此区残留的余量，因此区的切削刃也产生了一定的磨损。区的切削刃也产生了一定的磨损。但由于但由于I I区切削刃切削的深度远远大于区切削刃切削的深度远远大于区切削刃切削深度，两个磨损区的区切削刃切削深度，两个磨损区的磨损量大不相同，即形成了磨损量大不相同，即形成了阶梯形磨阶梯形磨损。损。 前刀面前刀面上的磨损是切屑流过前刀面引起的，在切屑的摩上的磨损是切屑流过前刀面引起的，在切屑的摩擦下，通常形成一条凹槽

52、形的磨损带。磨损凹槽的形状和刀擦下，通常形成一条凹槽形的磨损带。磨损凹槽的形状和刀具形状有关。具形状有关。 刀尖半径为刀尖半径为2m、刀具、刀具材料为天然金刚石、工件材料为天然金刚石、工件材料为铝镁合金。材料为铝镁合金。 当切削距离为当切削距离为100km时时凹槽的深度达到凹槽的深度达到0.1m 。 l 金刚石刀具的这种机械磨损量非常微小，刀具金刚石刀具的这种机械磨损量非常微小，刀具后刀面的磨损区及前刀面的磨损凹槽表面非常后刀面的磨损区及前刀面的磨损凹槽表面非常平滑，使用这种磨损的刀具进行加工不会显著平滑，使用这种磨损的刀具进行加工不会显著地影响加工表面质量。地影响加工表面质量。 小结：小结：

53、 结构缺陷可产生裂纹；结构缺陷可产生裂纹；当切屑经过刀具表面时，金刚石受到循环应力的当切屑经过刀具表面时，金刚石受到循环应力的作用可产生裂纹；作用可产生裂纹；刀具表面研磨应力会产生裂纹。刀具表面研磨应力会产生裂纹。 这些裂纹在切削过程中会加剧，进而造成刀具的这些裂纹在切削过程中会加剧，进而造成刀具的严重破损。严重破损。金刚石刀具破损的原因为如下几种：金刚石刀具破损的原因为如下几种：u裂纹裂纹 是指矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破是指矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质，这些平面称为裂，并且能裂出光滑平面的性质，这些平面称为解理面解理面。 解理是解理是

54、晶体异向性晶体异向性的表现之一，矿物晶体的解理严格的表现之一，矿物晶体的解理严格受其内部结构的控制。受其内部结构的控制。 解理总是在原子或离子连接薄弱的面网之间产生，解解理总是在原子或离子连接薄弱的面网之间产生，解理面一般平行于晶体格架中质点最紧密，化学键力最强理面一般平行于晶体格架中质点最紧密，化学键力最强的方向，联结力最强的面，因为垂直这种面的联结力较的方向，联结力最强的面，因为垂直这种面的联结力较弱，晶粒易于平行此面破裂。弱，晶粒易于平行此面破裂。 u解理解理 a a、在切削过程中受到冲击、在切削过程中受到冲击 b b、在切削过程中受到振动、在切削过程中受到振动 刀具的碎裂会降低切削刃的

55、表面质量，影响加工质量。刀具的碎裂会降低切削刃的表面质量，影响加工质量。u碎裂碎裂 断口断口 则是矿物或岩石受力后产生的不规则破裂面则是矿物或岩石受力后产生的不规则破裂面 。初期磨损初期磨损正常磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段急剧磨损阶段u工艺磨损限度工艺磨损限度工工。 工艺磨损限度是根据工件表面粗糙度及尺工艺磨损限度是根据工件表面粗糙度及尺寸精度的要求而制定的。当刀具磨损到一定数寸精度的要求而制定的。当刀具磨损到一定数值时，工件表面粗糙度增大尺寸精度下降，并值时，工件表面粗糙度增大尺寸精度下降，并有可能超出所要求的表面粗糙度及公差范围，有可能超出所要求的表面粗糙度及公差范围，因此必须予以限制

56、。因此必须予以限制。 u合理磨损限度合理磨损限度合合 这是由合理使用刀具材料的观点出发而制这是由合理使用刀具材料的观点出发而制定的磨损限度。因为刀具磨损限度定得太大或定的磨损限度。因为刀具磨损限度定得太大或太小都会浪费刀具材料。只有取正常磨损阶段太小都会浪费刀具材料。只有取正常磨损阶段终了之前的磨损量终了之前的磨损量合合作为磨损限度才能最经作为磨损限度才能最经济地使用刀具。济地使用刀具。 u定义定义 刀具由开始切削到磨钝为止的切削总时刀具由开始切削到磨钝为止的切削总时间称为间称为刀具耐用度刀具耐用度，它代表刀具磨损的快慢，它代表刀具磨损的快慢程度。程度。u刀具耐用度愈大，则表示刀具的磨损愈慢，

57、刀具耐用度愈大，则表示刀具的磨损愈慢，因此影响刀具磨损的因素，都会影响刀具耐因此影响刀具磨损的因素，都会影响刀具耐用度。用度。 天然单晶金刚石天然单晶金刚石是精密切削中最重要的刀具材是精密切削中最重要的刀具材料，它是目前已知的最硬的材料。料，它是目前已知的最硬的材料。 天然单晶金刚石刀具用于精密切削，其破损或天然单晶金刚石刀具用于精密切削，其破损或磨损而不能继续磨损而不能继续使用的标志使用的标志是加工表面粗糙度是加工表面粗糙度超过规定值。超过规定值。 金刚石刀具的耐用度平时以其金刚石刀具的耐用度平时以其切削路程的长度切削路程的长度表示。如切削条件正常，金刚石刀具的耐用度表示。如切削条件正常，金

58、刚石刀具的耐用度可达数百公里。可达数百公里。 天然单晶金刚石刀具只能在机床主轴转动非天然单晶金刚石刀具只能在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用，否则由于振动会使常平稳的高精度机床上使用，否则由于振动会使金刚石刀具很快产生刀刃微观崩刃，不能继续使金刚石刀具很快产生刀刃微观崩刃，不能继续使用。用。 在金刚石刀具设计时，应正确选择金刚石晶在金刚石刀具设计时，应正确选择金刚石晶体方向，以保证刀刃具有较高的微观强度，减少体方向，以保证刀刃具有较高的微观强度，减少解理破损的产生概率。解理破损的产生概率。u提高金刚石刀具的耐用度的提高金刚石刀具的耐用度的措施措施： 二战后，美国首先发展了金刚石刀具精密切

59、削技二战后，美国首先发展了金刚石刀具精密切削技术，并为此发展了空气轴承的高性能精密车床。术，并为此发展了空气轴承的高性能精密车床。 5050年来，研究开发了超精密切削机床。超精密切年来，研究开发了超精密切削机床。超精密切削机床是综合性新技术的结晶，它综合应用多项削机床是综合性新技术的结晶，它综合应用多项近代新技术于精密机床，使精密机床产生质的飞近代新技术于精密机床，使精密机床产生质的飞跃。跃。 近年来，精密和超精密切削技术在民用产品中亦近年来，精密和超精密切削技术在民用产品中亦得到广泛的应用，如加工计算机磁盘，复印机的得到广泛的应用，如加工计算机磁盘，复印机的硒鼓，录像机磁鼓，激光打印机的多棱

60、镜等。硒鼓，录像机磁鼓，激光打印机的多棱镜等。 一些高生产率的中小型超精密机床陆续开发成功。一些高生产率的中小型超精密机床陆续开发成功。 美国、日本、英国、荷兰，德国等工业发达国家美国、日本、英国、荷兰，德国等工业发达国家都有工厂、研究所生产和研究开发超精密机床，都有工厂、研究所生产和研究开发超精密机床，并达到了较高的水平。并达到了较高的水平。 我国在我国在2020世纪世纪6060年代起开始发展精密机床。年代起开始发展精密机床。 昆明机床厂、汉川机床厂生产多种昆明机床厂、汉川机床厂生产多种坐标镗床坐标镗床，最新的坐标镗床已有精密数控系统。重庆机床最新的坐标镗床已有精密数控系统。重庆机床厂、武汉