现代制造技术基础理论
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第五讲：高速切削基础理论
主要内容 概述； 高速切削过程中变形； 高速切削过程中的切削力； 高速切削过程中的切削热; 高速切削过程中的磨损形态与失效形式 ； 高速切削机床
现代制造技术基础理论
一、高速切削概述 高效切削与高速切削
现代制造技术基础理论
1高速切削的意义 ➢ 高速加工和高效加工 提高劳动生产率
• 如果切削速度明显高于形成锯齿的临界速度，沿剪切带内传递 的载荷就迅速降低。另外，剪切区的形成几乎是绝热的，剪切 区前方的工件温度仍基本与周围环境一样。所以，下一个锯齿 的形成只取决于前刀面顶部前方工件上受的应力。
现代制造技术基础理论
• M.A.Davies认为，锯齿形切屑开始形成时处于热 传导，热对流和热产生速率三者的动态平衡状态 ，当切削速度提高到某一临界值时，就会打破这 种动态的平衡，从而产生锯齿形切屑。
• 绝热剪切理论（突发性热塑性剪切理论）
– Catastrophic thermo-plastic Shear or Adiabatic Shear Theory
• 周期脆性断裂理论
– Periodic Brittle fracture
现代制造技术基础理论
绝热剪切理论
• 绝热剪切(Adiabatic Shearing, AS)现象是材料在高应变速率形 变条件下塑性变形区域化的一种常见现象。
萨洛蒙 曲线
现代制造技术基础理论
Salomon曲线
现代制造技术基础理论
2 高速切削的发展 美国于1960年前后开始进行超高速切削实验 在超高速切削条件下,切屑的形成和普通切削不同 随切削速度的提高,塑性材料的切屑从带状、片状到碎 屑不断演变 单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降
在超高速切削条件下，材料的切削机理将发 生变化，切削过程变的比常规切削容易和轻松
--高速
30~90m/min
1~8g
现代制造技术基础理论
4 高速切削的优点
• 提高劳动生产率 • 切削力降低:高速高精密加工刚性差的零件 • 95~98%的切削热来不及传给工件,被切屑带走
降低了工件的热变形 • 激振频率特别高,避开了工艺系统的固有频率范围 • 难加工材料的切削 • 降低加工成本
现代制造技术基础理论
• 在对切削模型做了一定的假设并对切屑变形方程 进行了无量纲化处理，M.A.Davies得出了无量纲 参数λ、q ，分别决定了导热和产生热的速率:
现代制造技术基础理论
• ①λ降低，会增大材料产生锯齿的趋势; • ②q增大，会导致锯齿形切屑的形成。 • 切屑的不可逆塑性剪切流动是由“热”引起的，在低速时
• R. Komanduri等人提出绝热剪切理论来解释高速切削时产生 锯齿形的原因。
• M.A.Davies也提出锯齿形切屑的成型模型来支持R. Komanduri 的理论。
• 锯齿形切屑产生的原因是当切削速度达到某一临界值时由切屑 内部局部应力的突变所造成的。
• 随着刀具的运动，沿着第一变形区的方向开始发生突变剪切， 应变能的释放和切削中的摩擦运动产生了大量的热量导致了热 软化作用，使得沿第一变形区继续变形所需要的应力降低，而 沿前刀面方向刀具所受载荷也会迅速降低。切削刃处工件材料 受到挤压和剪切，所受载荷会增加。当下一个锯齿形切屑单元 即将形成时，切削刃前面工件的热-力学状态和第一变形区及 前刀面上施加的应力将起决定性的作用。
• 伴随着绝热剪切过程的发生，材料内形成了一些剪应变高度 集中的狭窄区域，即绝热剪切带(Adiabatic Shear Band, ASB ，又称集中剪切滑移带)。ASB是一种高应变率加载下材料变 形或断裂的特殊产物，它的出现表明了材料承载能力的下降 或丧失。
现代制造技术基础理论
锯齿状切屑的形成机理
• 工件材料及性能对形成什么样的切屑形态起决定性 作用
• 工件材料及性能决定后，切削速度对切屑的形状起 主要影响
• 一般低硬度和高热物理性能κρc的工件材料，在很 大的切削速度范围内易形成连续带状切屑；反之易 形成锯齿状切屑
• 随着切削速度的提高，锯齿化程度增加，直至形成 单元切屑。
• 锯齿化程度严重的切屑，在惯性力作用下，易折断 而形成较短的切屑形状
5 高速切削的关键技术
• 高速切削机理 • 高速切削刀具技术 • 高速切削机床技术 • 高速切削工艺技术 • 高速切削的测试技
术
现代制造技术基础理论
二、高速切削加工的变形
1. 高速切削加工切屑的形成
• 切削时通常形成带状切屑、锯齿状切屑、单元切屑和崩碎切 屑。
现代制造技术基础理论
影响切屑形态的因素
基本时间 辅助时间
现代制造技术基础理论
2 高速切削的发展 德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)于1929年进行了
超高速模拟实验,于1931年4月发表了超高速切削理论,提出 了高速切削假设 在常规的切削速度范围内,切削温度随切削速度的增大而
提高 每一种材料,存在一个速度范围,切削加工无法进行 超过这个范围,切削温度和切削力反而下降
• 绝热剪切变形局部化广泛存在于各种金属、岩石和高分子材 料等遭受爆炸、侵彻、高速碰撞、高速切削和高速磨损等涉 及高应变率载荷的高速变形过程中。
• 由于材料的变形发生在极短的时间内，约90%的塑性功转化 成的热量来不及散失到周围区域，因此近似将这种过程叫做 “绝热剪切”过程。
• 大的剪切变形高度集中在一个相对狭小的局部区域，变形过 程中的非弹性功所转化的热量引起绝热温升，局部化变形以 正反馈的方式发展。
• 但形成锯齿状切屑，将引起一定的切削力波动
现代制造技术基础理论
• 高速切削钢材，特别是难加工材料时，切屑变形特点发生 明显变化，从连续切屑变为不连续切屑，随着切削速度的 提高，剪切变形区越来越窄，形成集中剪切滑移，最终形 成单元体相互分离的节状切屑
现代制造技术基础理论
现代制造技术基础理论
2.高速切削锯齿形切屑形成的机理
现代制造技术基础理论
3 高速切削的速度范围
• 切削速度划分
10 镍基合金
钛合金 钢
铸铁 铜合金 铝合金 碳纤维塑料
Biblioteka Baidu
切削速度 m/min
100
1000
10000
100000
普通切削 过渡区 高速区 现代制造技术基础理论
• 进给速度和加、减速度
– 普通机床
进给速度 快速空行程 加、减速
8~15m/min 15~24m/min 0.1~0.3g
主要内容 概述； 高速切削过程中变形； 高速切削过程中的切削力； 高速切削过程中的切削热; 高速切削过程中的磨损形态与失效形式 ； 高速切削机床
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一、高速切削概述 高效切削与高速切削
现代制造技术基础理论
1高速切削的意义 ➢ 高速加工和高效加工 提高劳动生产率
• 如果切削速度明显高于形成锯齿的临界速度，沿剪切带内传递 的载荷就迅速降低。另外，剪切区的形成几乎是绝热的，剪切 区前方的工件温度仍基本与周围环境一样。所以，下一个锯齿 的形成只取决于前刀面顶部前方工件上受的应力。
现代制造技术基础理论
• M.A.Davies认为，锯齿形切屑开始形成时处于热 传导，热对流和热产生速率三者的动态平衡状态 ，当切削速度提高到某一临界值时，就会打破这 种动态的平衡，从而产生锯齿形切屑。
• 绝热剪切理论（突发性热塑性剪切理论）
– Catastrophic thermo-plastic Shear or Adiabatic Shear Theory
• 周期脆性断裂理论
– Periodic Brittle fracture
现代制造技术基础理论
绝热剪切理论
• 绝热剪切(Adiabatic Shearing, AS)现象是材料在高应变速率形 变条件下塑性变形区域化的一种常见现象。
萨洛蒙 曲线
现代制造技术基础理论
Salomon曲线
现代制造技术基础理论
2 高速切削的发展 美国于1960年前后开始进行超高速切削实验 在超高速切削条件下,切屑的形成和普通切削不同 随切削速度的提高,塑性材料的切屑从带状、片状到碎 屑不断演变 单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降
在超高速切削条件下，材料的切削机理将发 生变化，切削过程变的比常规切削容易和轻松
--高速
30~90m/min
1~8g
现代制造技术基础理论
4 高速切削的优点
• 提高劳动生产率 • 切削力降低:高速高精密加工刚性差的零件 • 95~98%的切削热来不及传给工件,被切屑带走
降低了工件的热变形 • 激振频率特别高,避开了工艺系统的固有频率范围 • 难加工材料的切削 • 降低加工成本
现代制造技术基础理论
• 在对切削模型做了一定的假设并对切屑变形方程 进行了无量纲化处理，M.A.Davies得出了无量纲 参数λ、q ，分别决定了导热和产生热的速率:
现代制造技术基础理论
• ①λ降低，会增大材料产生锯齿的趋势; • ②q增大，会导致锯齿形切屑的形成。 • 切屑的不可逆塑性剪切流动是由“热”引起的，在低速时
• R. Komanduri等人提出绝热剪切理论来解释高速切削时产生 锯齿形的原因。
• M.A.Davies也提出锯齿形切屑的成型模型来支持R. Komanduri 的理论。
• 锯齿形切屑产生的原因是当切削速度达到某一临界值时由切屑 内部局部应力的突变所造成的。
• 随着刀具的运动，沿着第一变形区的方向开始发生突变剪切， 应变能的释放和切削中的摩擦运动产生了大量的热量导致了热 软化作用，使得沿第一变形区继续变形所需要的应力降低，而 沿前刀面方向刀具所受载荷也会迅速降低。切削刃处工件材料 受到挤压和剪切，所受载荷会增加。当下一个锯齿形切屑单元 即将形成时，切削刃前面工件的热-力学状态和第一变形区及 前刀面上施加的应力将起决定性的作用。
• 伴随着绝热剪切过程的发生，材料内形成了一些剪应变高度 集中的狭窄区域，即绝热剪切带(Adiabatic Shear Band, ASB ，又称集中剪切滑移带)。ASB是一种高应变率加载下材料变 形或断裂的特殊产物，它的出现表明了材料承载能力的下降 或丧失。
现代制造技术基础理论
锯齿状切屑的形成机理
• 工件材料及性能对形成什么样的切屑形态起决定性 作用
• 工件材料及性能决定后，切削速度对切屑的形状起 主要影响
• 一般低硬度和高热物理性能κρc的工件材料，在很 大的切削速度范围内易形成连续带状切屑；反之易 形成锯齿状切屑
• 随着切削速度的提高，锯齿化程度增加，直至形成 单元切屑。
• 锯齿化程度严重的切屑，在惯性力作用下，易折断 而形成较短的切屑形状
5 高速切削的关键技术
• 高速切削机理 • 高速切削刀具技术 • 高速切削机床技术 • 高速切削工艺技术 • 高速切削的测试技
术
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二、高速切削加工的变形
1. 高速切削加工切屑的形成
• 切削时通常形成带状切屑、锯齿状切屑、单元切屑和崩碎切 屑。
现代制造技术基础理论
影响切屑形态的因素
基本时间 辅助时间
现代制造技术基础理论
2 高速切削的发展 德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)于1929年进行了
超高速模拟实验,于1931年4月发表了超高速切削理论,提出 了高速切削假设 在常规的切削速度范围内,切削温度随切削速度的增大而
提高 每一种材料,存在一个速度范围,切削加工无法进行 超过这个范围,切削温度和切削力反而下降
• 绝热剪切变形局部化广泛存在于各种金属、岩石和高分子材 料等遭受爆炸、侵彻、高速碰撞、高速切削和高速磨损等涉 及高应变率载荷的高速变形过程中。
• 由于材料的变形发生在极短的时间内，约90%的塑性功转化 成的热量来不及散失到周围区域，因此近似将这种过程叫做 “绝热剪切”过程。
• 大的剪切变形高度集中在一个相对狭小的局部区域，变形过 程中的非弹性功所转化的热量引起绝热温升，局部化变形以 正反馈的方式发展。
• 但形成锯齿状切屑，将引起一定的切削力波动
现代制造技术基础理论
• 高速切削钢材，特别是难加工材料时，切屑变形特点发生 明显变化，从连续切屑变为不连续切屑，随着切削速度的 提高，剪切变形区越来越窄，形成集中剪切滑移，最终形 成单元体相互分离的节状切屑
现代制造技术基础理论
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2.高速切削锯齿形切屑形成的机理
现代制造技术基础理论
3 高速切削的速度范围
• 切削速度划分
10 镍基合金
钛合金 钢
铸铁 铜合金 铝合金 碳纤维塑料
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切削速度 m/min
100
1000
10000
100000
普通切削 过渡区 高速区 现代制造技术基础理论
• 进给速度和加、减速度
– 普通机床
进给速度 快速空行程 加、减速
8~15m/min 15~24m/min 0.1~0.3g