簡介:1,,第3章切削原理,本章要點,切屑的形成過程,切削力及其影響因素,切削熱與切削溫度,積屑瘤、殘余應(yīng)力和加工硬化,刀具磨損與刀具壽命,切削用量的選擇,,,,,,,高速加工技術(shù),,,2,第3章切削原理CUTTINGTHEORY,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),,31切屑的形成過程PROCESSOFCHIPFORMING,3,311金屬切削過程的變形,沒有副刃參加切削,且ΛS0°,4,,,,切屑的形成與切離過程,是切削層受到刀具前刀面的擠壓而產(chǎn)生以滑移為主的塑性變形過程。,正擠壓金屬材料受擠壓時,最大剪應(yīng)力方向與作用力方向約成45°。,偏擠壓金屬材料一部分受擠壓,OB線以下金屬由于母體阻礙,不能沿AB線滑移,而只能沿OM線滑移。,切削與偏擠壓情況類似。彈性變形→剪切應(yīng)力增大,達到屈服點→產(chǎn)生塑性變形,沿OM線滑移→剪切應(yīng)力與滑移量繼續(xù)增大,達到斷裂強度→切屑與母體脫離。,圖32金屬擠壓與切削比較,311金屬切削過程的變形,5,,,圖33切屑根部金相照片,311金屬切削過程的變形,6,,,311金屬切削過程的變形,圖34切削變形實驗設(shè)備與錄像裝置,7,,,,第Ⅰ變形區(qū)即剪切變形區(qū),金屬剪切滑移,成為切屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。,圖35切削部位三個變形區(qū),第Ⅲ變形區(qū)已加工面受到后刀面擠壓與摩擦,產(chǎn)生變形。此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應(yīng)力的主要原因。,311金屬切削過程的變形,8,312切屑類型與變形系數(shù),,,9,312切屑類型與變形系數(shù),,,圖36切屑形態(tài)照片,10,312切屑類型與變形系數(shù),,,為使切削過程正常進行和保證已加工表面質(zhì)量,應(yīng)使切屑卷曲和折斷。切屑的卷曲是切屑基本變形或經(jīng)過卷屑槽使之產(chǎn)生附加變形的結(jié)果(圖37),圖37切屑的卷曲,圖38斷屑的產(chǎn)生,斷屑是對已變形的切屑再附加一次變形(常需有斷屑裝置,圖38),11,切削層經(jīng)塑性變形后,厚度增加,長度縮小,寬度基本不變??捎闷浔硎厩邢鲗幼兊淖冃纬潭?。,312切屑類型與變形系數(shù),,,◆厚度變形系數(shù),(31),◆長度變形系數(shù),(32),12,312切屑類型與變形系數(shù),,,當Γ00~30°,ΛH≥15時,ΛH與Ε相近Ε主要反映第Ⅰ變形區(qū)的變形,ΛH還包含了第Ⅱ變形區(qū)的影響。,(33),13,粘結(jié)區(qū)高溫高壓使切屑底層軟化,粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中,形成長度為LFI的粘接區(qū)。切屑的粘接層與上層金屬之間產(chǎn)生相對滑移,其間的摩擦屬于內(nèi)摩擦。,313切屑與前刀面的摩擦變形,,,圖311切屑與前刀面的摩擦,在高溫高壓作用下,切屑底層與前刀面發(fā)生沾接,切屑與前刀面之間既有外摩擦,也有內(nèi)摩擦。,滑動區(qū)切屑在脫離前刀面之前,與前刀面只在一些突出點接觸,切屑與前刀面之間的摩擦屬于外摩擦。,14,,,314已加工表面的變形,切削刃存在刃口圓弧,導致擠壓和摩擦,產(chǎn)生第Ⅲ變形區(qū)。,A點以上部分沿前刀面流出,形成切屑;A點以下部分受擠壓和摩擦留在加工表面上,并有彈性恢復。,A點前方正應(yīng)力最大,剪應(yīng)力為0。A點兩側(cè)正應(yīng)力逐漸減小,剪應(yīng)力逐漸增大,繼而減小。,15,,,,315硬脆非金屬材料切屑形成機理,G>GC(34),式中G裂紋擴展單位長度時釋放的能量(應(yīng)變能釋放率);GC裂紋擴展單位長度時所需的能量(裂紋擴展阻力)。,K1>K1C(35),式中K1應(yīng)力強度因子;K1CK1臨界值。,對于Ⅰ型(張開型)裂紋,在平面應(yīng)變條件下,脆性斷裂條件為,16,,,,315硬脆非金屬材料切屑形成機理,◆大規(guī)模擠裂與小規(guī)模擠裂交替進行(圖313),17,,,,316磨削機理,★磨粒切削刃幾何形狀不確定(通常刃口前角為-60~-85°)★磨粒及切削刃隨機分布★磨削厚度?。ǎ紟爪琈),磨削速度高,磨削點瞬時溫度高(達1000℃以上),18,,,,316磨削機理,★彈性變形磨粒在工件表面滑擦而過,不能切入工件★塑性變形磨粒切入工件,材料向兩邊隆起,工件表面出現(xiàn)刻痕犁溝,但無磨屑產(chǎn)生★切削磨削深度、磨削點溫度和應(yīng)力達到一定數(shù)值,形成磨屑,沿磨粒前刀面流出具體到每個磨粒,不一定三個階段均有,圖314磨屑形成過程A)平面示意圖B)截面示意圖,19,第3章切削原理CUTTINGTHEORY,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),,32切削力CUTTINGFORCE,20,321切削力的來源與分解,,,切削力來源,★3個變形區(qū)產(chǎn)生的彈、塑性變形抗力★切屑、工件與刀具間摩擦力,,,21,322切削力經(jīng)驗公式,,,切削力經(jīng)驗公式,(36),式中CFC,CFP,CFF與工件、刀具材料有關(guān)系數(shù);XFC,XFP,XFF切削深度AP對切削力影響指數(shù);YFC,YFP,YFF進給量F對切削力影響指數(shù);KFC,KFP,KFF考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。,,22,322切削力經(jīng)驗公式,,,(37),式中FC主切削力(N);V主運動速度(M/S)。,(38),23,322切削力經(jīng)驗公式,,,機床電機功率,,式中Η機床傳動效率,通常Η075~085,(310),(39),指單位時間切除單位體積V0材料所消耗的功率,24,323影響切削力因素,,,工件材料,◆切削深度與切削力近似成正比;◆進給量增加,切削力增加,但不成正比;◆切削速度對切削力影響復雜(圖316),,25,323影響切削力因素,◆前角Γ0增大,切削力減?。▓D317),,◆主偏角ΚR對主切削力影響不大,對吃刀抗力和進給抗力影響顯著(ΚR↑FP↓,F(xiàn)F↑,圖318),刀具幾何角度影響,26,323影響切削力因素,,,刀具幾何角度影響,◆與主偏角相似,刃傾角ΛS對主切削力影響不大,對吃刀抗力和進給抗力影響顯著(ΛS↑FP↓,F(xiàn)F↑)◆刀尖圓弧半徑RΕ對主切削力影響不大,對吃刀抗力和進給抗力影響顯著(RΕ↑FP↑,F(xiàn)F↓);,,,◆刀具材料與工件材料之間的親和性影響其間的摩擦,而影響切削力◆切削液有潤滑作用,使切削力降低◆后刀面磨損使切削力增大,對吃刀抗力FP的影響最為顯著,27,第3章切削原理CUTTINGTHEORY,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),28,331切削熱的來源與傳出,,,切削熱來源,★切削過程變形和摩擦所消耗功,絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠?切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)(切削液、空氣等傳散出去,,★主要來源QAQDQFFQFR(312),,(311),式中,QD,QFF,QFR分別為切削層變形、前刀面摩擦、后刀面摩擦產(chǎn)生的熱量,29,332切削溫度及分布,TJUNIVERSITY,,,切削溫度分布,★切削塑性材料前刀面靠近刀尖處溫度最高?!锴邢鞔嘈圆牧虾蟮睹婵拷都馓帨囟茸罡?。,,30,333影響切削溫度的因素,,,切削用量的影響,式中Θ用自然熱電偶法測出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度?C;CΘ與工件、刀具材料和其它切削參數(shù)有關(guān)的切削溫度系數(shù);ZΘ、YΘ、XΘVC、F、AP的指數(shù)。,,經(jīng)驗公式,(312),31,333影響切削溫度的因素,,,刀具幾何參數(shù)的影響,前角?O↑→切削溫度↓主偏角?R↓→切削溫度↓負倒棱及刀尖圓弧半徑對切削溫度影響很小,工件材料的影響,工件材料機械性能↑→切削溫度↑工件材料導熱性↑→切削溫度↓,刀具磨損的影響,冷卻液的影響,32,334切削溫度的測量,,,自然熱電偶法,工件和刀具材料不同,組成熱電偶兩極,切削時刀具與工件接觸處的高溫產(chǎn)生溫差電勢,通過電位差計測得切削區(qū)的平均溫度。,利用紅外輻射原理,借助熱敏感元件,測量切削區(qū)溫度??蓽y量切削區(qū)側(cè)面溫度場。,★用不同材料、相互絕緣金屬絲作熱電偶兩極(圖322)。,★可測量刀具或工件指定點溫度,可測最高溫度及溫度分布場。,,33,335磨削熱與磨削溫度,,,磨削熱,★磨削區(qū)溫度砂輪與工件接觸區(qū)的平均溫度,它與磨削燒傷、磨削裂紋密切相關(guān)?!锬チDハ鼽c溫度磨粒切削刃與磨屑接觸點溫度,是磨削區(qū)中溫度最高的部位,與磨粒磨損有直接關(guān)系?!锕ぜ骄鶞囟饶ハ鳠醾魅牍ぜ鸬臏厣?,影響工件的形狀與尺寸精度。,磨削時去除單位體積材料所需能量為普通切削的10~30倍,砂輪線速度高,且為非良導熱體磨削熱多,且大部分傳入工件,工件表面最高溫度可達1000℃以上。,,34,第3章切削原理CUTTINGTHEORY,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),35,341積屑瘤,,,積屑瘤成因,◆一定溫度、壓力作用下,切屑底層與前刀面發(fā)生粘接◆粘接金屬嚴重塑性變形,產(chǎn)生加工硬化,◆增大前角,保護刀刃◆影響加工精度和表面粗糙度,滯留粘接長大,,36,342殘余應(yīng)力,,,殘余應(yīng)力概念,未施加任何外力作用情況下,材料內(nèi)部保持平衡而存在的應(yīng)力。,,◆殘余張應(yīng)力易使加工表面產(chǎn)生裂紋,降低零件疲勞強度◆殘余壓應(yīng)力有利于提高零件疲勞強度◆殘余應(yīng)力分布不均會使工件發(fā)生變形,影響形狀和尺寸精度,37,342殘余應(yīng)力,,,◆熱塑變形效應(yīng)表層張應(yīng)力,里層壓應(yīng)力◆里層金屬彈性恢復若里層金屬產(chǎn)生壓縮變形,則彈性恢復后表層得到壓應(yīng)力,里層為張應(yīng)力◆表層金屬相變影響較復雜,若切削區(qū)溫度超過相變溫度,珠光體受熱轉(zhuǎn)變成奧氏體,冷卻后又轉(zhuǎn)變成馬氏體,體積膨脹,表層產(chǎn)生壓應(yīng)力◆實際應(yīng)力狀態(tài)是上述各因素影響的綜合結(jié)果,殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因,◆控制切削過程盡可能減小殘余應(yīng)力◆時效處理最大限度減小殘余應(yīng)力◆殘余壓應(yīng)力的利用采用滾壓、噴丸等方法,,38,343加工硬化,,,加工硬化概念,已加工表面表層金屬硬度高于里層金屬硬度的現(xiàn)象,加工表面嚴重變形層內(nèi)金屬晶格拉長、擠緊、扭曲、碎裂,使表層組織硬化,◆硬化程度,(313),式中H硬化層顯微硬度(HV);H0基體層顯微硬度(HV)。,◆硬化層深度,指硬化層深入基體的距離ΔHD(ΜM),,39,343加工硬化,,,◆減小切削變形提高切速,加大前角,減小刃口半徑等◆減小摩擦如加大后角,提高刀具刃磨質(zhì)量等◆進行適當?shù)臒崽幚?40,第3章切削原理CUTTINGTHEORY,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),41,351刀具磨損,,,刀具磨損形態(tài),◆正常磨損,前刀面磨損,形式月牙洼形成條件加工塑性材料,V大,HD大影響削弱刀刃強度,降低加工質(zhì)量,后刀面磨損,形式后角0的磨損面(參數(shù)VB,VBMAX)形成條件加工塑性材料,V較小,HD較??;加工脆性材料影響切削力↑,切削溫度↑,產(chǎn)生振動,降低加工質(zhì)量,,前、后刀面磨損,42,351刀具磨損,,,◆非正常磨損,破損(裂紋、崩刃、破碎等),卷刃(刀刃塑性變形),43,,,◆磨粒磨損各種切速下均存在低速情況下刀具磨損的主要原因◆粘結(jié)磨損(冷焊)刀具材料與工件材料親和力大刀具材料與工件材料硬度比小中等偏低切速,,粘結(jié)磨損加劇,◆擴散磨損高溫下發(fā)生◆氧化磨損高溫情況下,在切削刃工作邊界發(fā)生,351刀具磨損,刀具磨損原因,,44,352刀具壽命,,,刀具壽命(耐用度)概念,◆刀具從切削開始至磨鈍標準的切削時間,用T表示?!舻毒呖倝勖话研碌稄耐度肭邢鏖_始至報廢為止的總切削時間,其間包括多次重磨。,(314),式中CT、M、N、P為與工件、刀具材料等有關(guān)的常數(shù)。,(315),可見V的影響最顯著;F次之;AP影響最小。,用硬質(zhì)合金刀具切削碳鋼(ΣB0763GPA)時,有,,45,352刀具壽命,,,不同刀具材料壽命(耐用度)比較,,46,353刀具壽命確定,,,式中TO、TM、TA、TC分別為工序時間、基本時間、輔助時間和換刀時間;T為刀具壽命。令F,AP為常數(shù),有,使工序時間最短的刀具壽命。以車削為例,工序時間,將上式代入式(414),對T求導,并令其為0,可得到最大生產(chǎn)率刀具壽命為,(316),(317),又,47,,,(318),式中C0工序成本;CM機時費;CT刀具費用;TM,TA,TC,T含義同前。,使工序成本最小的刀具壽命。仍以車削為例,工序成本為,(319),仍令F,AP為常數(shù),采用相同方法,可得到經(jīng)濟壽命為(圖328),353刀具壽命確定,48,,,規(guī)定刀具切削時間,離線檢測,354刀具磨損、破損檢測與監(jiān)控,通過切削力(切削功率)變化幅值,判斷刀具的磨損程度;當切削力突然增大或突然下降很大幅值時,則表明刀具發(fā)生了破損通過實驗確定刀具磨損與破損的“閾值”,切削加工時,切屑剝離,工件塑性變形,刀具與工件之間摩擦以及刀具破損等,都會產(chǎn)生聲發(fā)射。正常切削時,聲發(fā)射信號小而連續(xù),刀具嚴重磨損后聲發(fā)射信號會增大,而當?shù)毒咂茡p時聲發(fā)射信號會突然增大許多,達到正常切削時的幾倍,49,,,354刀具磨損、破損檢測與監(jiān)控,50,第3章切削原理CUTTINGTHEORY,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),51,361選擇切削用量的傳統(tǒng)方法,,,1確定切削深度AP,盡可能一次切除全部余量,余量過大時可分2次走刀,第一次走刀的切削深度取單邊余量的2/3~3/4。,2確定進給量F,◆粗切時根據(jù)工藝系統(tǒng)強度和剛度條件確定(計算或查表)◆精切時根據(jù)加工表面粗糙度要求確定(計算或查表),3確定切削速度V,根據(jù)規(guī)定的刀具耐用度確定切削速度V(計算或查表),4校驗機床功率僅對粗加工,(320),式中P機床電機功率(KW);Η機床傳動效率;FC主切削力(N)。,由,,可導出,52,,,優(yōu)化問題的數(shù)學模型,求設(shè)計變量XX1,X2,,XNT,使目標函數(shù)FX→MIN,并滿足約束條件GIX≤0(I1,2,,M),362切削用量的優(yōu)化,◆設(shè)計變量切削過程可以控制的輸入變量即切削用量。AP通常已由工藝過程確定,故一般取V和F為設(shè)計變量?!裟繕撕瘮?shù)指優(yōu)化目標與設(shè)計變量之間的函數(shù)關(guān)系式。,1)以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標使工序時間為最短,,53,,,2)以最小生產(chǎn)成本為優(yōu)化目標使工序成本為最小,3)以最大利潤為優(yōu)化目標使單位成本金屬去除率最大,362切削用量的優(yōu)化,54,,,◆約束條件指設(shè)計變量的取值范圍,1)機床結(jié)構(gòu)參數(shù)限制,2)加工表面粗糙度限制,(325),式中RA表面粗糙度(ΜM);RΕ刀尖圓弧半徑(MM)。,3)機床功率的限制,(326),式中各符號含義同前。,362切削用量的優(yōu)化,55,,,363切削用量優(yōu)化方法,即函數(shù)求極值的方法。不能考慮約束條件,只適于處理簡單問題。,(327),可利用設(shè)置懲罰函數(shù),將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題處理。懲罰函數(shù)的表達式,56,◆尋優(yōu)過程示意圖(采用田川法局部尋優(yōu)),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,363切削用量優(yōu)化方法,57,第3章切削原理CUTTINGTHEORY,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),58,,1931年德國切削物理學家CJSALOMOM在“高速切削原理”一文中給出了著名的“SALOMOM曲線”對應(yīng)于一定的工件材料存在一個臨界切削速度,此點切削溫度最高,超過該臨界值,切削速度增加,切削溫度反而下降。SALOMOM的理論與實驗結(jié)果,引發(fā)了人們極大的興趣,并由此產(chǎn)生了“高速切削(HSC)”的概念。,尚無統(tǒng)一定義,一般認為高速加工是指采用超硬材料的刀具,通過極大地提高切削速度和進給速度,來提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。以切削速度和進給速度界定高速加工的切削速度和進給速度為普通切削的5~10倍。以主軸轉(zhuǎn)速界定高速加工的主軸轉(zhuǎn)速≥10000R/MIN。,371高速加工概述,高速加工定義,59,371高速加工概述,60,,高速加工的切削速度范圍,高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異,見圖332,◎車削7007000M/MIN◎銑削3006000M/MIN◎鉆削2001100M/MIN◎磨削50300M/S,高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同,371高速加工概述,61,,加工效率高進給率較常規(guī)切削提高510倍,材料去除率可提高36倍切削力小較常規(guī)切削至少降低30,徑向力降低更明顯。有利于減小工件受力變形,適于加工薄壁件和細長件切削熱小加工過程迅速,95以上切削熱被切屑帶走,工件積聚熱量極少,溫升低,適合于加工熔點低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件加工精度高刀具激振頻率遠離工藝系統(tǒng)固有頻率,不易產(chǎn)生振動;又切削力小、熱變形小、殘余應(yīng)力小,易于保證加工精度和表面質(zhì)量工序集約化可獲得高的加工精度和低的表面粗糙度,并在一定條件下,可對硬表面進行加工,從而可使工序集約化。這對于模具加工具有特別意義,高速加工的特點,371高速加工概述,62,,航空航天◎帶有大量薄壁、細筋的大型輕合金整體構(gòu)件加工,材料去除率達100180CM3/MIN?!蜴嚭辖稹⑩伜辖鸺庸?,切削速度達2001000M/MIN汽車工業(yè),高速加工的應(yīng)用,371高速加工概述,63,,高速加工雖具有眾多的優(yōu)點,但由于技術(shù)復雜,且對于相關(guān)技術(shù)要求較高,使其應(yīng)用受到限制。,371高速加工概述,與高速加工密切相關(guān)的技術(shù)主要有,◎高速加工刀具與磨具制造技術(shù);◎高速主軸單元制造技術(shù);◎高速進給單元制造技術(shù);◎高速加工在線檢測與控制技術(shù);◎其他如高速加工毛坯制造技術(shù),干切技術(shù),高速加工的排屑技術(shù)、安全防護技術(shù)等。,此外高速切削與磨削機理的研究,對于高速切削的發(fā)展也具有重要意義。,64,372高速加工刀具,65,金剛石與CBN晶體結(jié)構(gòu)相似,每一個原子都以理想四面體方式以109°28′鍵角與鄰近4個原子結(jié)合。金剛石中的每個C原子都以共價鍵方式與鄰近4個C原子結(jié)合。CBN中每個N原子與4個B原子結(jié)合,每個B原子又與4個N原子結(jié)合,并存在少數(shù)離子鍵。,372高速加工刀具,66,天然金剛石,天然金剛石是目前已知的最硬物質(zhì),根據(jù)其質(zhì)量不同,硬度范圍為HV800012000,相對密度為348356。天然金剛石是一種各向異性的單晶體,在晶體上取向不同,硬度及耐磨性也不相同。天然金剛石耐磨性極好,刀具壽命可長達數(shù)百小時;刃口鋒利,切削刃鈍圓半徑可達001ΜM。天然金剛石耐熱性為700800℃,高于此溫度,碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu),硬度喪失。天然金剛石價格昂貴,刃磨困難,主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件,如激光反射鏡、感光鼓、多面鏡、磁盤等。,372高速加工刀具,67,聚晶金剛石,人造金剛石是在高溫高壓條件下,借助于某些合金觸媒的作用,由石墨轉(zhuǎn)化而成。在高溫高壓下,金剛石粉經(jīng)二次壓制形成聚晶金剛石(20世紀60年代出現(xiàn))。聚晶金剛石不存在各向異性,硬度略低于天然金剛石,為HV65008000。聚晶金剛石價格便宜,焊接方便,可磨性好,應(yīng)用廣泛,可在大部分場合代替天然金剛石。用等離子CVD(化學氣相沉積)可將聚晶金剛石作成涂層,用途和聚晶金剛石刀具相同。金剛石刀具不適于加工鐵族材料,因為金剛石中的碳元素與鐵元素有很強的親和力,碳元素極易向含鐵的工件擴散,使金剛石刀具很快磨損。,372高速加工刀具,68,聚晶金剛石應(yīng)用實例,372高速加工刀具,69,較高的硬度和耐磨性CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似,化學鍵類型相同,晶格常數(shù)相近。CBN粉末硬度HV8000,PCBN硬度30005000。切削耐磨材料時,其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的50倍,涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍,陶瓷刀具的25倍。,◆PCBN切削性能,聚晶立方氮化硼PCBN/POLYCRYSTALLINECUBICBORONNITRIDE1970年問世,高的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于金剛石刀具(圖337),372高速加工刀具,70,良好的化學穩(wěn)定性12001300℃與鐵系材料不發(fā)生化學反應(yīng);2000℃才與碳發(fā)生化學反應(yīng);對各種材料粘結(jié)、擴散作用比硬質(zhì)合金小的多?;瘜W穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石刀具,特別適合加工鋼鐵材料。良好的導熱性CBN導熱性僅次于金剛石,導熱系數(shù)為1300W/M℃,是硬質(zhì)合金的20倍,陶瓷的37倍,且隨溫度升高而增加。這一特性使PCBN刀具刀尖處溫度降低,減少刀具磨損,提高加工精度。較低的摩擦系數(shù)CBN與不同材料間的摩擦系數(shù)為0103(硬質(zhì)合金為0406),且隨切削速度的提高而減小。這一特性使切削變形和切削力減小,加工表面質(zhì)量提高。,372高速加工刀具,71,加工HRC45以上的硬質(zhì)材料例如各種淬硬鋼(工具鋼、合金鋼、模具鋼、軸承鋼等),鑄鐵(釩鈦鑄鐵、冷硬鑄鐵、高磷鑄鐵等),高溫合金,硬質(zhì)合金,粉末金屬表面噴涂(焊)材料等。,◆PCBN刀具應(yīng)用,金屬軟化效應(yīng)用PCBN切削淬硬鋼,工件材料硬度<HRC50時,切削溫度隨材料硬度增加而增加;工件材料硬度>HRC50時,切削溫度隨材料硬度增加有下降趨勢(圖338),金屬軟化,硬度下降,加工易于進行。,372高速加工刀具,72,◆PCBN刀具應(yīng)用實例,372高速加工刀具,73,373高速加工機床,陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu),74,,采用C或B級精度角接觸球軸承,軸承布置與傳統(tǒng)磨床主軸結(jié)構(gòu)相類似;采用“小珠密球”結(jié)構(gòu),滾珠材料SI3N4;與鋼球相比,陶瓷軸承的優(yōu)點是,陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)特征,373高速加工機床,◎陶瓷球密度減小60,從而可大大降低離心力;◎陶瓷彈性模量比鋼高50,使軸承具有更高剛度;◎陶瓷摩擦系數(shù)低,可減小軸承發(fā)熱、磨損和功率損失;◎陶瓷耐磨性好,軸承壽命長。,采用電動主軸(電機與主軸作成一體);軸承轉(zhuǎn)速特征值(軸徑(MM)轉(zhuǎn)速(R/MIN))較普通鋼軸承提高12~2倍,可達05~1106。,75,,回轉(zhuǎn)精度高,液體靜壓軸承回轉(zhuǎn)誤差在02ΜM以下,空氣靜壓軸承回轉(zhuǎn)誤差在005ΜM以下;功率損失?。灰后w靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達1106,空氣靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達3106??諝忪o壓軸承承載能力較小。,373高速加工機床,76,373高速加工機床,◆電磁鐵繞組通過電流I0,對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸力F,與轉(zhuǎn)子重量平衡,轉(zhuǎn)子處于懸浮平衡位置(圖332)。轉(zhuǎn)子受擾動后,偏離其平衡位置。傳感器檢測出轉(zhuǎn)子位移,將位移信號送至控制器??刂破鲗⑽灰菩盘栟D(zhuǎn)換成控制信號,經(jīng)功放變換為控制電流,改變吸力方向,使轉(zhuǎn)子重新回到平衡位置,◆位移傳感器通常為非接觸式,其數(shù)量一般為57個,對其靈敏度和可靠性要求均較高?!艨刂破髟O(shè)計較復雜,使磁懸浮軸承成本較高(一套磁懸浮軸承售價約1萬美元)。,77,磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu),373高速加工機床,78,,主軸由兩個徑向和兩個軸向磁浮軸承支承,磁浮軸承定子與轉(zhuǎn)子間空隙約01MM。剛度高,約為滾珠軸承主軸剛度10倍。轉(zhuǎn)速特征值可達4106?;剞D(zhuǎn)精度主要取決于傳感器的精度和靈敏度,以及控制電路性能,目前可達02ΜM。機械結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)均較復雜;又由于發(fā)熱多,對冷卻系統(tǒng)性能要求較高。,磁浮軸承主軸特點,373高速加工機床,79,,自檢測磁懸浮軸承系統(tǒng),為檢測轉(zhuǎn)子位移,需使用位移傳感器,使軸承系統(tǒng)軸向尺寸加大,動態(tài)性能下降,制造成本增高。由此提出利用電磁鐵線圈的自感應(yīng)來檢測轉(zhuǎn)子位移。工作原理轉(zhuǎn)子發(fā)生位移時,電磁鐵線圈的自感應(yīng)系數(shù)也要發(fā)生變化,即電磁鐵線圈的自感應(yīng)系數(shù)是轉(zhuǎn)子位移X的函數(shù),相應(yīng)的電磁鐵線圈的端電壓(或電流)也是位移X的函數(shù)。將電磁鐵線圈的端電壓(或電流)檢測出來并作為系統(tǒng)閉環(huán)控制的反饋信號,通過控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子位移,使其工作在平衡位置上(圖332)。脈寬調(diào)制信號(PWM)經(jīng)驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生磁場。從控制電磁鐵提取PWM載波電壓中包含了轉(zhuǎn)子位移信息。提取的信號經(jīng)全波整流后,由低通濾波器變?yōu)檗D(zhuǎn)子的低頻位移信號。PID將此信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?,?jīng)功率放大后控制電磁鐵,形成閉環(huán)控制。,373高速加工機床,80,373高速加工機床,,
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