（机械制造及其自动化专业论文）高速铣削加工表面质量的研究.pdf

摘要 高速切削加工是近2 0 年来迅速发展起来的先进制造技术，以高切削速度、 高进给速度和高加工精度为主要特征，具有综合效益高、对市场响应速度快的能 力。对于这一崭新技术，在实际生产中，尚有许多新的问题有待于解决，不仅牵 涉到技术研究层面上的问题，更主要的是理论研究层面上的问题，迫切需要建立 与高速切削系统相匹配的理论体系和研究方法。尤其是在不均匀热一力耦合强应力 场作用下，已加工表面的形成过程及对表面质量所进行的系统、全面研究很少， 使得有效控制高速切削加工表面质量的理论基础尤显不足。论文基于高速切削理 论、热弹塑性变形理论和有限元理论对高速切削机理及表面加工质量进行了研 究，从理论上创造性的提出了高速切削变形区不均匀强应力场的热力耦合理论， 并应用到已加工表面粗糙度、表面硬化程度和残余应力性质机理的研究中，对深 入探讨切削参数、工件材料等对与加工表面质量的影响规律具有重要的理论指导 意义，为高速切削技术的推广和应用提供可靠的、科学的依据和技术支撑。 探讨了适合高速切削变形的不均匀热力耦合强应力场的建模及有限元模拟 方法。根据热一弹塑性变形理论、有限元方法，建立了受应变、应变速率和切削 温度影响的材料应力应变关系本构方程，材料为均质、等向强化的塑性材料， 符合p r a n d t l r e u s s 应力增量理论及v o nm i s e s 屈服准则；基于o x l e y 切削理论， 构建了适于高速切削的扩展的o x l e y 切削模型，设定了相应的有限元模型边界条 件，利用大型有限元分析软件d e f o r m 2 d 、d e f o r m - 3 d 对高速切削过程进行 了二维和三维动态切削过程模拟，模拟结果表明，高速切削变形区为一个不均匀、 高梯度、非线性的热力耦合强应力场。通过系统、深入地分析高速切削变形区 刀屑、刀。工接触面及剪切区应力场和温度场的分布规律，为课题的后续试验分 析和研究工作提供了可量化和可供参考的数据。 建立了己加工表面分析模型，分析了已加工表面的形成过程，研究了高速切 削变形区的剪切区、刃口区、后刀面摩擦磨损区对工件已加工表面的应力场、温 度场的影响；用一定刃口钝圆、后刀面磨损带的刀具进行了高速切削模拟，反映 了刀具工件接触区的应力场及温度场分布的变化规律。 v 基于热力耦合弹塑性变形理论和分子机械摩擦理论，建立了已加工表面残 留高度的力学模型，定量地分析了工件材料物理性能对残留高度的影响；从几何 学的角度，研究了高速平面立铣和自由曲面加工时刀具几何参数及工件表面设计 参数对残留高度的影响规律；以高速铣削加工试验数据为依据，利用多元正交回 归分析法，建立了平面铣削4 5 # 钢和3 c r 2 m o 模具钢表面粗糙度经验预测模型， 得出铣削参数对粗糙度和切削力的直接影响关系；给出了提高表面加工质量的切 削参数匹配值，为生产实际提供参考依据。 全面系统地研究了高速铣削表面残余应力的分布情况，利用x 射线应力分析 仪对高速铣削表面残余应力进行了测试，测得进给方向、垂直于进给方向及距工 件表面不同层深处的残余应力分布曲线，分析了铣削参数( 主轴转速、进给速度) 对残余应力的性质、大小及层深分布的影响；基于热，力耦合变形理论，研究了残 余应力产生的机理；探讨了残余应力对表面变质层的影响。 基于热力耦合变形理论和位错理论，对加工硬化机理进行了研究，分析了流 动应力与加工硬化及位错密度的关系：针对不同的高速铣削表面加工硬化评价指 标，建立了加工硬化统计模型；利用s e m 和t e m 先进的测试技术，探讨了表面 变质层的微观结构组成及其对加工硬化的影响。 通过对高速铣削表面粗糙度、残余应力、加工硬化及表面变质层微观结构的 系统研究，可以得出，用高速铣削加工技术可以获得优于常规切削的加工表面质 量，大大地提高零件的疲劳强度，减小塑性变形层的深度，可有效地改善零件的 使用性能。 本课题得到山东省优秀中青年科学家科研奖励基金( 0 2 b s 0 7 4 和 2 0 0 5 b s 0 5 0 0 2 ) 、国家自然科学基金( 5 0 5 7 5 1 2 6 ) 及全国优秀博士学位论文作者专项 资金( 2 0 0 2 31 ) 的支持。 关键词：高速铣削；表面质量；表面粗糙度：残余应力；加工硬化。 v i a b s t r a c t h i g h - s p e e dm a c h i n i n g ( h s m ) i so n eo ft h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s i nt h el a s tt w od e c a d e s ，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yh i 曲s p e e d ，h i g hf e e dr a t ea n dh i 曲 p r e c i s i o n i ti s ac o s t - e f f e c t i v em a n u f a c t u r i n gp r o c e s st op r o d u c ep a r t s 、i t l lh i g h e r s u r f a c eq u a l i t ya n dc a r la d a p tt ot h ek e e nc o m p e t i t i o na n dr a p i dc h a n g eo ft h em a r k e t h s mt e c h n o l o g yh a sa l r e a d yb e e n a p p l i e di nm a n ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s i n p r a c t i c a lo p e r a t i o n s ，t h e r ea r en u m e r o u sn e wp r o b l e m sa r i s i n gf o rb o t ht e c h n i c a la n d t h e o r e t i c a la s p e c t sw h i c hn e e dt ob eu r g e n t l ys o l v e d s u r f a c eq u a l i t yi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r si ne v a l u a t i n gm a c h i n i n gp r o d u c t i v i t ya n dc u t t i n gp e r f o r m a n c e ，w h i c h i sas i g n i f i c a n td e s i g ns p e c i f i c a t i o nk n o w nt oh a v ec o n s i d e r a b l ei n f l u e n c eo np a r t s p r o p e r t i e ss u c ha sw e a l r e s i s t a n c e ，d u c t i l i t y , t e n s i l e ，a n df a t i g u es t r e n g t h h o w e v e r , t h e s h o r t a g e so fr e s e a r c h e so ns u r f a c eq u a l i t yp r e d i c a t i o na n dc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e sl i m i t t h ed e v e l o p m e n ta n dr e a s o n a b l ea p p l i c a t i o no ft h eh s mt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi n s t u d y i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m so ft h em a c h i n e dl a y e ra f f e c t e db yt h en o n - u n i f o r m t h e r m o m e c h a n i c a l c o u p l i n gi n t e n s es t r e s s f i e l d si n h i g hs p e e dc u t t i n gz o n e s c o n s e q u e n t l y , t h es u r f a c ei n t e g r i t yo ft h em a c h i n e dl a y e rf o rh i g h s p e e dm i l l i n gi s i n v e s t i g a t e d b a s e do nt h e h i 曲一s p e e dm a c h i n i n gt h e o r y , t h e r m o e l a s t i c - p l a s t i c d e f o r m a t i o nt h e o r ya n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i nt h ep a p e r , t h et h e o r yf o rt h e 1 0 1 - u m f o r mt h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l i n gi n t e n s es t r e s sf i e l d si nh i g hs p e e dc u t t i n g z o n e si sp r e s e n t e da n da p p l i e dt ot h ea n a l y s i so ft h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m so fs u r f a c e r o u g h n e s s ，r e s i d u a ls t r e s s e sa n ds u r f a c eh a r d e n i n g i ti s a ni m p o r t a n tf u n d a m e n t a l s u b j e c tt op r o m o t i n gh s mt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n ，w h i c hh a sav e r y i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oe x p l o i th s mp o t e n t i a le n e r g yf g r t h e r t h em o d e l i n ga n da n a l y s i sf o rt h en o n - u n i f o r mt h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l i n g i n t e n s es t r e s sf i e l d si nh i g h s p e e dc u t t i n gz o n e sa r ec o n d u c t e do nt h eb a s i so ft h e t h e r m o e l a s t i c p l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e o r y a n df e mt e c h n i q u e s t h es t r e s s s t r a i n c o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fp l a s t i cm a t e r i a l si nl a r g ep l a s t i cd e f o r m a t i o n si sp r e s e n t e dt o f o l l o wt h ep r a n d t l r e u s sf l o wr u l ea n dt h ev o nm i s e sy i e l dc r i t e r i o n ，p o s s e s s i n g i s o t r o p i c a l l ys t r a i nh a r d e n i n gc h a r a c t e r i s t i c s m e a n w h i l et h ef l o ws t r e s si st a k e na sa f u n c t i o no f s t r a i n ，s t r a i nr a t ea n dt e m p e r a t u r e an e w o r t h o g o n a lc u t t i n gm o d e lf o rh s m i sc o n s t r u c t e da c c o r d i n gt o o x l e y sm a c h i n i n gt h e o r y t h ea p p l i c a b i l i t yo fo x l e y s m a c h i n i n gt h e o r yi se x t e n d e dt ot h eh s m f es i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e db yu s i n g v i i 山东大学博士学位论文 d e f o r m - 2 d w h i c hc a r lr e p r e s e n th s mp r o c e s sd y n a m i c a l l y n eo b l i q u ec u r i n g s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tp e r f e c t l yb ym e a n so ft h r e e - d i m e n s i o n a lf e m f u s i n gt h ef e m a n a l y s i ss o f t w a r ed e f o r m - 3 d ) 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eo b t a i n e d i n c l u d i n gt h e s t r e s sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ew o r k p i e c ea n dc h i p ，w h i c hd e m o n s t r a t et h e b e h a v i o r so ft h en o n - u n i f o r mt h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l i n gi n t e n s es t r e s sf i e l d si nh i g h s p e e dc u t t i n gz o n e s n eh i s t o r yo fe f f e c t i v es t r e s sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n c u t t i n gz o n ec a nb ei n d i c a t e di nt h ef o r mo fn u m e r i c a lv a l u e s i tm a yl a yat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h e s u b s e q u e n t w o r k si n a n a l y s i sa n dr e s e a r c h e so ft h ec u t t i n g m e c h a n i s m s b a s e do nm e t a lc u t t i n gt h e o r y , t h ea n a l y t i c a lm o d e lf o rt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m s o fm a c h i n e dl a y e ri se s t a b l i s h e d t h es t r e s sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nt h e s h e a r i n gz o n e ，h o n e d r a d i u sz o n ea n dt o o l - w o r k p i e c ei n t e r f a c e sa r e a n a l y z e d r e s p e c t i v e l yb yu s i n gm e c h a n i s t i cm e t h o d s f es i m u l a t i o n s 、i 血t h et o o lh o n e dr a d i u s a n df l a n kw e a rl e n g t ha r ep e r f o r m e dt or e v e a lt h e v a r i a t i o n so ft h es t r e s s e sa n d t e m p e r a t u r e so f t h et o o l w o r k p i e c ec o n t a c tz o n ei nt h em a c h i n e dl a y e r 。 i no r d e rt oi n v e s t i g a t eq u a n t i t a t i v e l yt h ei n f l u e n c eo ft h em a t e r i a lb e h a v i o ro n s u r f a c er o u g h n e s so ft h em a c h i n e dl a y e r ，t h em e c h a n i s t i cm o d e lf o rd e t e r m i n i n gt h e c u s ph e i g h t ( t h er e m n a n th e i g h to nm a c h i n e ds u r f a c e ) i sp r e s e n t e db ya p p l y i n gt h e t h e r m o e l a s t i c - p l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e o r ya n dt h em o l e c u l a r - m e c h a n i c a lt h e o r yo f f r i c t i o n t h eg e o m e t r i c a lm o d e l so ft h ec u s ph e i g h to nt h em a c h i n e ds u r f a c ef o rt h e p l a n ea n df r e ef o r ms u r f a c ea r ed e r i v e ds ot h a tt h ee f f e c t so ft h et o o la n dc u t t i n g p a r a m e t e r so nt h ec u s ph e i g h tc a r lb eo b t a i n e df r o mt h ev i e w p o i n to ft h eg e o m e t r y p r e d i c t i v em o d e l sa r ec o n s t r u c t e df o rt h es u r f a c er o u g h n e s si nh i g h - s p e e de n dm i l l i n g o fo 4 5 cs t e e la n d3 c r 2 m od i e - m o u l ds t e e l u s i n g s t a t i s t i c a lt e s ta n d m u l t i p l e r e g r e s s i o na n a l y s i s n e d a t af o re s t a b l i s h i n gm o d e l sa r e a c q u i r e df r o m e x p e r i m e n t sc o n d u c t e do nah i g h - s p e e dm a c h i n i n gc e n t r ea c c o r d i n gt ot h ef a c t o r i a l d e s i g no fe x p e r i m e n tm e t h o d t h ec u t t i n gp a r a m e t e rm a t c hv a l u e sa r ep r o v i d e db yt h e p r e d i c t i v em o d e l sa n dt h er e f e r e n c eo f t h es u r f a c er o u g h n e s sf o rh i g hs p e e de n dm i l l i n g c a l lb eg i v e nt op r a c t i c a lo p e r m i o n t h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n si nt h em a c h i n e dl a y e rf o rh i g hs p e e dm i l l i n ga r e r e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h ep a p e r t h ed a t ao ft h er e s i d u a ls t r e s si sd e t e c t e d 、i t i l x r a ys t r e s sa n a l y z e r n et e s t i n gr e s u l t si l l u s t r a t et h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nc u r v e s i nd e p t hb e n e a t ht h em a c h i n e ds u r f a c ei nb o t ht h ef e e da n dc r o s s f e e dd i r e c t i o n s t h e r e a r en u m e r o u sm a c h i n i n gf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h er e s i d u a ls t r e s si nh i g hs p e e dm i l l i n g v i i i a b sl k a c t t h o s ef a c t o r sc a r lb ec l a s s i f i e da sm e c h a n i c a la n dt h e r m a le f f e c t s t h ec a u s e so f f o r m a t i o na n dt h ee f f e c t so ft h er e s i d u a ls t r e s si nt h em a c h i n e dl a y e ra r es t u d i e d c o n s i d e r i n gt h et h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l i n gd e f o r m a t i o ni nc u t t i n gp r o c e s s i na d d i t i o n ， t h ee f f e c t so ft h er e s i d u a ls t r e s s e so nt h em i c r o s t r u c t u r e so ft h em a c h i n e dl a y e r ， e s p e c i a l l yo n t h em i c r o s c o p i cc r a c k ，a r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r t h es u r f a c eh a r d e n i n gm e c h a n i s m so ft h em a c h i n e dl a y e rf o r h 鼬s p e e dm i l l i n g a r es t u d i e db a s e do nt h et h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l i n gd e f o r m a t i o nt h e o r ya n dm e t a l c u t t i n g d i s t o r t i o nt h e o r y t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ef l o ws t r e s sa n dt h ew o r k h a r d e n i n g ，d i s l o c a t i o nd e n s i t ya r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h es t a t i s t i c a lw o r kh a r d e n i n g m o d e l sa r ee s t a b l i s h e di nt h ev i e w p o i n to fd i f f e r e n ta s s e s s m e n ti n d e x e so ft h es u r f a c e h a r d e n i n gf o r1 1 i 曲s p e e dm i l l i n g t h em i c r o s t r u c t u r e so ft h em a c h i n e dl a y e ri nd i f f e r e n t d e p t h sa n dc r o s ss e c t i o na r eo b s e r v e dw i t hs e m ( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) a n d t e m ( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e 、t e s t i n gt e c h n i q u e s t h ei n f l u e n c e so f t h ew o r k h a r d e n i n go nt h em i c r o s t r u c t u r e so f t h em a c h i n e dl a y e ra r ed e s c r i b e di nt h ep a p e r i nt h i ss t u d y , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e t t e rs u r f a c eq u a l i t yc a r lb eo b t a i n e di nh i g h s p e e dm i l l i n go v e rt h a ti nt h ec o n v e n t i o n a lm a c h i n i n g c o n s e q u e n t l y , t h ef a t i g u e s t r e n g t ho ft h em a c h i n e ds u r f a c ei se n h a n c e d t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nd e p t h sa r e r e d u c e da n dt h es e r v i c ep e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e dg r e a t l yf o rt h em a c h i n e p a r t s t h i sw o r ki ss p o n s o r e db yt h es c i e n t i f i cr e s e a r c hf o u n d a t i o nf o rt h eo u t s t a n d i n g y o u n gs c i e n t i s to fs h a n d o n gp r o v i n c e ( 0 2 b s 0 7 4a n d2 0 0 5 b s 0 5 0 0 2 ) ，t h en a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 5 7 51 2 6 ) ，a n dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ea u t h o ro f n a t i o n a le x c e l l e n td o c t o r a ld i s s e r t a t i o n ( 2 0 0 2 3 1 ) k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dm a c h i n i n g ；s u r f a c eq u a l i t y ；s u r f a c er o u g h n e s s ； r e s i d u a ls t r e s s ；w o r kh a r d e n i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二乏红日 辣j 妒 。i ； 6 。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一赴聊虢遴日期： 渺、s j l 。 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 产品的质量是企业的生命线，工件加工质量是产品可靠性的保证。提高生产 率和产品质量是机械加工技术发展的永恒主题。因此，高效、高质量、低成本一 直是人们向往的目标和努力的方向，这正是高速切削加i ( h s m ：h i g h s p e e d m a c h i n i n g ) 技术得以迅速发展的内在动力。高速切削技术以其特有的原理优势和 巨大的潜在应用价值，已成为面向2 1 世纪的先进制造技术的重要组成部分。作为 一种新的切削加工理念，h s m 已经被愈来愈多的工程技术人员所认可。在国际生 产工程研究会( c i r p ) 报告中指出“h s m 切削机理及其关键技术的研究将是今后 的重要研究课题之一” 1 i 。在“国家十五重点领域技术预测研究”和“先进制造 领域关键技术的分析论证”中，高速切削技术被列为重大综合型项目和经济与社 会发展急需的高新技术项目的重要内容。 高速切削技术自2 0 世纪9 0 年代走出实验室，在工业发达国家得到了广泛应 用，使汽车 1 - 6 , 1 4 - 2 0 l 、航空航天【7 - 1 3 l 、模具制造业【t - 6 , 1 4 - 2 0 1 中加工整体结构件、复杂 曲面、薄壁件和产品改型及轻工【4 1 、信息【4 删等行业的产品质量和生产率都得以 大幅提高，加工工艺及装备得以更新换代，因此，h s m 已被誉为2 0 世纪机械制 造业的一场技术革命，正成为切削加工的主流，它的发展和推广应用必将带动整 个现代加工制造业效益的提高和技术的进步，对促进国民经济和社会的发展具有 重要意义。 高速切削是以高切削速度、高迸给速度和高加工精度为主要特征的加工技术， 具有综合效益高、对市场响应速度快的能力。是否采用高速加工，已成为企业在 制造业界成败的关键之一【6 j 。为了适应高速切削技术迅速发展的需要，国内许多 企业先后配置了具有2 0 世纪9 0 年代先进水平的数控机床和加工中心。根据近年 来的广泛调查，虽然许多企业( 模具、汽车、机床、轴承等) 进口了大批高速数 控机床和加工中心( 据m i k r o n 公司中国办事处介绍，2 0 0 3 年国内用于生产的 最高转速为4 0 ，0 0 0 r m i n 的h s m 7 0 0 高速铣削中心已有3 0 多台，且都在生产一 线工作 6 j ) 。然而，由于这一崭新技术实际生产经验不足，已有的工艺参数数据非 常不完整，缺乏合理的切削参数选择方案及合理的刀具选择方法，在生产中还主 要依靠以往的经验或进行大量的“试切”来确定工艺参数，具有很大的盲目性， 耗费了大量的时间和材料，企业的生产效率和对市场的应变能力并没有因为设备 山东大学博士学位论文 的更新而提高，反而造成了设备资源和工艺系统能力的极大浪费。并且随着高速 加工技术的不断应用，新的技术问题也不断出现，整个行业仍处在探索之中，其 关键所在是传统的切削理论和原理在高速切削系统中已不能完全适用，而对高速 加工机理的研究还没有比较统一、深入的认识，尚有许多基础理论问题有待于解 决，需要建立新的理论和方法。综上，高速加工技术的推广和应用不仅牵涉到技 术研究层面上的问题，更主要的是理论研究层面上的问题。 高速精加工一般作为终加工工序。零件使用性能的高低由高精度的表面质量 来保证。随着工业技术的飞速发展，机器零件的使用要求( 如疲劳强度、耐磨性、 抗腐蚀性和配合质量等) 越来越高，一些重要零件在高速、高压、高温等特殊环 境下工作，表面层的任何缺陷不仅直接影响零件的工作性能，而且还可能引起应 力集中、应力腐蚀等现象，将进一步加速零件的失效，尤其是影响可靠性和寿命， 这一切都与已加工表面质量有很大关系。 已加工表面质量( m a c h i n e ds u r f a c eq u a l i t y ) ，是指零件在加工后的表面层状 态。主要包括表面粗糙度( 表面几何学方面的参数) 、表面层加工硬化程度和表面 层残余应力的性质及其大小( 表面物理性能方面的参数) 等指标。已加工表面质 量对零件的使用性能有很大的影响。如表面粗糙度会影响接触刚度、配合性质、 耐磨性、抗腐蚀性及疲劳强度等。表面层残余拉应力容易使表面产生微裂纹，降 低疲劳强度，使刚度差的零件发生变形而降低形状精度，但残余压应力则可阻止 微裂纹的产生与扩展，提高零件的使用寿命。表面加工硬化层虽然会增加其耐磨 性，但由于硬化不均匀，同时脆性也增加，降低零件抵抗冲击的能力，成为发生 裂纹而促使表面破损和疲劳破坏的主要原因。因此，为了加工出所要求的表面质 量，就有必要了解已加工表面层的形成及表面层质量的变化规律。 就整个切削加工系统来讲，已加工表面质量受很多因素的影响，如图1 - 1 所 示。为简化分析条件，本文是在稳定切削条件下来研究已加工表面质量相关问题。 一心力枘切杖翟度斟义。损 问削力1 进给速度l 厝碾 一 ll l “h l 7刀具路径7形状7i 表面质量 删鞭才嫩压删序”“刁圳i 一 脚精叼振动冷零九肘7 f 求 l 机床系统l| 工艺规程i 工件 第一章绪论 己加工表面是在切削加工过程中形成的，切削区的局部切削热、切削力及接 触面的剧烈摩擦等造成的剪切滑移变形、不均匀的热弹塑性变形及高梯度的表面 温度均使已加工表面层的微观结构发生变化。因此，要探求高速切削已加工表面 质量的变化规律，制定控制表面质量的措旅，则需要深入研究高速切削已加工表 面层的形成机理。 综上所述，获得高质量的加工表面是高速切削技术的目标之一。本课题的主 要目的是针对目前实际生产中存在的问题，通过对高速切削过程切削机理的分析 及表面加工质量的研究，深入认识高速切削加工表面粗糙度、表面层硬化程度和 残余应力大小、性质以及表面层微观结构的分布规律，进一步揭示切削参数与加 工表面质量之间的关系，提出获得高表面质量的相关控制措施，为高速切削技术 的推广和应用提供可靠的、科学的依据和技术支撑。 1 2 高速切削国内外研究现状 1 2 1 高速切削的基本概念、特点及应用范围 高速切削加工源于德国s a l o m o n 博士1 9 2 4 年开始进行的一系列实验研究， 以其1 9 3 1 年4 月发表的超高速加工理论为标志。其主要理论成果：高切削速度下 可能存在的“切削速度一切削温度”关系( 图1 2 ) ，即对于每一种材料，都存在一 个速度“死谷”地带( 区域b ，v a l l e yo f d e a t h ) ，在这速度范围内，因任何刀 具都无法承受太高的切削温度，切削 加工不可能进行；但当切削速度超过 这个范围后，在区域c 内，切削温度 增加缓慢，单位切削力也随之下降， 这样切削过程就变得轻松，刀具寿命 将会持续很长时间，且切削时间大幅 度减少，成倍地提高生产率 2 1 - 2 6 】。尽 图i - 2 切削温度随切削速度的变化 管此观点并没有被后来的研究者所完全证实和认同【1 刊，但却引起了人们对高速切 削加工的极大兴趣，导致了高速切削加工技术的诞生。六十多年来人们从切削机 理、机床工作系统、刀具材料、工件材料、数控技术等方面进行了研究，以探索 有效、实用、可靠的高速切削技术。 高速切削加工是相对于常规切削加工而言的，主要是指高速车削和高速铣削， 一般来讲，以高速立铣加工最为典型。所谓“高速”只是一个相对概念，对于不同 的加工方式、不同的工件材料，高速切削的速度是不同的，目前尚无统一的规定， 坐丕丕兰：! 塞主兰垡监苎 迄今主要有7 种观点( 详见文献 2 ) 。一般认为，切削速度超过常规切削加工速 度的5 l o 倍，或主轴转速在8 ，0 0 0r m i n 以上的 切削加工，可作为高速切削加工。 “高速”不仅是一个技术指标，还是一个经 济指标，它不仅仅是一个技术上可以实现的切削 速度，而且必须是一个由此可获得较大经济效益 的高速度的切削加工。与常规切削加工相比较， 许多研究证明，高速切削加工技术具有明显的优 越性 2 , 5 , 7 , 2 0 】，如图1 3 所示。 ( 1 ) 高精度化。h s m 加工精度和表面质量高， 图1 - 3 高速加工的优越性 切削力减小，切削温度增加趋势渐缓、热变形减小。 ( 2 ) 高效率化。单位时间材料切除率高，工序的集约化和设备的通用化使之 具有很高的生产效率。因此，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。 ( 3 1 工序集中。可将“粗加工、半精加工、精加工”全部在一台机床上完成， 减少了机床台数，避免了由于多次装夹而产生的精度误差。如模具加工，常规的 工艺流程：粗加工一半精加工一精加工一( 热处理) 一( 磨削) 电火化加工一手 工抛光( 其中：分别用粗细砂纸、布、丝绸抛光等等) 等多道加工工序，而高速 切削，可将这些加工集中为一道工序。 高速铣削的应用范围如表1 - 1 所示。 表l 一1 高速铣削应用范围一览表3 ，1 4 1 2 2 高速切削机理研究简介 高速切削机理是高速切削技术应用和发展的理论基础，几十年来的工程实践 证明，h s m 的发展和推广得益于高速切削机理的理论研究。 高速切削机理主要包括以下几个方面的研究内容：( 1 ) 高速切削变形机理。 主要研究h s m 中切屑形成机理、切削过程的动态模型、基本切削参数对切削过 第一章绪论 程的影响等。( 2 ) 高速切削摩擦机理。切削过程中“刀具前刀面一切屑”、“刀具后 刀面一工件”形成2 对摩擦副，在变形区内产生局部的不均匀热- 力耦合强应力场， 直接影响着切削过程中切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量， 需要对切削工艺参数及其影响规律进行研究。( 3 ) 不同材料，特别是一些生产中常 用的难加工材料的高速切削机理，要研究各种工程材料在高速切削下的切削性能， 建立相应的高速切削数据库。 我国从事高速切削方法和理论方面研究的主要单位有山东大学 2 ，3 0 ”、上海交 通大学 1 4 , 3 0 】、广东工业大学f 5 】、南京航空航天大学川和西北工业大学【捌等，其研 究成果及应用，都有利的推动了我国h s m 技术的发展。 1 3 高速切削表面质量的研究现状 1 3 1 高速切削表面粗糙度的研究现状 表面粗糙度( s u r f a c er o