高速切削切屑形态及切削力研究-开题报告

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1C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。
图2不同材料的高速切削加工速度范围
1·2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：①提高生产效率；②提高加工精度；③降低切削阻力。但随之也出现了值得注意的事项：①机床的耐用度降低；②工具寿命缩短；③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。
1·4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。
1·6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。
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。
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。
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：①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、弯曲度的精度要求，为此应施以适当的手工精修加工。②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。
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。
1·3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：
1小型化；
2柔性突出；
3易于转变加工内容；
4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。)
1·5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。
(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。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：①HSK、②KM、③Bigplus、④NC5、⑤AHO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。
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。
1·1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。
本课题对①相同切削深度和相同进给量，②相同切削深度和不同进给量，③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
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。
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。
二、立论依据
1、研究意义
高速切削加工的理念从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、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。
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，以增加工件材料的塑性。
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：Байду номын сангаас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。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。