良好的导热性 CBN 导热性仅次于金刚石，导热系数为 1300W/m· ℃ ，是 硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一 特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加 工精度。 较低的摩擦系数 CBN与不同材料间的摩擦系数为 0.1-0.3（硬质合金为0.40.6 ），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形 和切削力减小，加工表面质量提高。
800 750 700 650 50 60 70 硬度HRC （V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm） 600 30 40
图3-38 切削温度与硬度关系
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高速加工刀具
◆ PCBN刀具应用实例
表3-5 PCBN刀具应用实例 加工对象 硬度 加工方式 车削 镗孔 端铣 磨削 磨削 端铣 立铣 工艺参数 V=180m/mim f = 5.6mm/r V=50m/mim 加工效果 GCr15 HRC71 钢轧辊 YG15 HRA87 冷挤压模 A3热压板 凸轮轴 HRC60 以车代磨，工效提高4-5倍 Ra0.8-0.4μm 工效较电火花加工提高30 倍，Ra0.8-0.4μm V = 800m/mim 以铣代磨，工效提高6-7倍 Vf = 100m/mim Ra1.6-0.8μm，平面度0.02 V= 80m/s 比单晶刚玉砂轮寿命提高 20倍，生产效率提高50% V= 65m/s 比棕刚玉砂轮耐用度提高 170倍，生产效率提高一倍 V = 800m/mim Ra0.8μm，平面度0.02 Vf = 0.1mm/齿 V = 850m/mim 以铣代磨，工效提高5-6倍 Ra0.8μm
切削原理 Cutting Theory
高速加工技术
High Speed Machining Technology
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高速加工概述
概述
1931 年德国切削物理学家 C.J.Salomom 在 “ 高速切削原 理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于一 定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高， 超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。 Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣， 并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。 高速加工定义 尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的 刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料 切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。 以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进 给速度为普通切削的5～10倍。 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000 r/min。
模具制造： ◎高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍 （图3-34，图3-35 ）。 仪器仪表： ◎精密光学零件加工。
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高速加工概述
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钻孔 表面倒棱 内侧专用机床 5轴×4工序 = 20轴（3万件/月） 刚性（零件、孔数、孔径、孔 型固定不变）
天然金刚石耐热性为 700-800℃ ，高于此温度，碳原子 转化为石墨结构，硬度丧失。 天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和 表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多 面镜、磁盘等。
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高速加工刀具
聚晶金刚石 人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒 的作用，由石墨转化而成。 在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石 （20世纪60年代出现）。 聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石， 为HV6500-8000 。 聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛， 可在大部分场合代替天然金刚石。 用等离子 CVD （化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂 层，用途和聚晶金刚石刀具相同。 金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元 素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩 散，使金刚石刀具很快磨损。
此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展 也具有重要意义。
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高速加工刀具
表3-3 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比
刀具材料种类 材料性能 硬度 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 HRC65 HRC66 3.2GPa 20-30 620 ℃ 低 1.45GPa 0.8GPa 70-100 低 低 30-40 惰性大 天然 聚晶金刚石 金刚石 PCD 聚晶立方氮 化硼 PCBN HV4000 1.5GPa 40-100 ＞1000 ℃ 惰性大 很高 Ra=0.4-0.2 IT5-6 可替代磨削 淬火钢、冷硬 铸铁、高温合 金等难加工材 料
铝合金 铜 铸铁 钢 钛合金 镍合金
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100 1000 切削速度V（m/min）
10000
图3-32 高速与超高速切削速度范围
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高速加工概述
高速加工的特点 加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除 率可提高3-6倍 切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明 显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件 切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走， 工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化 和易于产生热变形的零件 加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不 易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于 保证加工精度和表面质量 工序集约化：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度， 并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集 约化。这对于模具加工具有特别意义
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高速加工刀具
天然金刚石 天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同， 硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。 天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不 同，硬度及耐磨性也不相同。
天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃 口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01μm。
最高 最高 高精度 Ra=0.1-0.05 IT5-6 硬质合金、铜、 铝有色金属及 其合金、陶瓷 等高硬度材料
一般钢 材、铸 铁粗、 精加工
高速加工刀具
碳原子 氮原子 硼原子
图3-36 金刚石（左）与CBN（右）原子结构
金刚石与CBN晶体结构相似，每一个原子都以理想四面 体方式以109°28′键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每 个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每 个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合， 并存在少数离子键。
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高速加工概述
高速加工的切削速度范围 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图3-32 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同 ◎车削： 塑料 700-7000 m/min ◎铣削： 300-6000 m/min ◎钻削： 200-1100 m/min ◎磨削： 50-300 m/s
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔 径、孔型可变）
图3-33 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
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高速加工概述
电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣 →7手工磨修 a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→ 2粗铣 → 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修 b）高速模具加工的过程
图3-34 两种模具加工过程比较
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高速加工概述
10 1 0.1 0.01 0.001 高速切削
粗加工
传统加工方法 精加工
手工精修
少量手工精修
加工时间 100 %
图3-35 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
★ 对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总 费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大 减少，从而可降低模具生产成本。
硬度/HV 5000 4000 3000 BN20 2000 1000 0 0 硬质合金 200 400 600 800 1000 温度/℃ 陶瓷
BN100
图3-37 PCBN刀具高温硬度
高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-37）
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高速加工刀具
良好的化学稳定性
1200-1300℃与铁系材料不发生化学反应；2000 ℃才与碳 发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的 多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。
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高速加工刀具
◆ PCBN刀具应用 加工HRC45以上的硬质材料 例如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等）， 铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬 质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。
金属软化效应 用 PCBN 切 削 淬 硬 钢 ， 工件材料硬度＜ HRC50 时， 切削温度随材料硬度增加 而增加；工件材料硬度＞ HRC50 时，切削温度随材 料硬度增加有下降趋势 （图 3-38 ），金属软化， 硬度下降，加工易于进行。
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高速加工概述
高速加工的应用 航空航天： ◎带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材 料去除率达100-180cm3/min。 ◎镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min
汽车工业： ◎采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产 线，实现多品种、中小批量的高效生产（图3-33）
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HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 0.3GPa 146.5 惰性小 2.8GPa 100-120 600-800 ℃ 惰性小
抗弯强度 2.4GPa 导热系数 40-50 热稳定性 350℃ 化学惰性 耐磨性 加工质量 低速加 加工对象 工一般 钢材、 铸铁
1000 ℃ 1400 ℃ 800 ℃ 较高 高 一般精度 Ra≤0.8 Ra≤0.8 IT7-8 IT7-8 一般钢 材、铸 铁粗、 精加工 高硬度 钢材精 加工
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高速加工刀具
聚晶金刚石应用实例