1、机械基础示范中心网站开放试验提供的参考内容西北工业大学机电学院实验项目名称航空难加工材料切削机理研究创新试验实验学时24指导教师杨巧凤实验地点航空楼D114实验对象本科大四可选人数10人航空难加工材料切削机理研究创新试验 教学大纲一、课程基本信息1、课程代码： 2、课程名称：航空难加工材料切削机理研究创新试验3、学时/学分：24 /44、先修课程：测试技术、现代制造工艺基础、机械制造基础， 0520170/0530110/05201605、面向对象： 机械设计制造及自动化专业本科生6、开课院（系）：机电学院机械设计制造及自动化系7、教材、教学参考书：机械制造工艺学 荆长生 西北工业大学出版社
2、1995年3月传感器与测试技术 李晓莹 高等教育出版社 2004年12月航空难加工材料切削机理研究创新试验实验指导书 杨巧凤 2006年12月二、课程性质和任务课程性质：专业任选课（综合实验）课程任务：通过实验使学生对切削机理的研究有一个初步的认识，学会并掌握切削力、切削温度、刀具磨损、切削变形的实验设计方法，实验数据处理方法、难加工材料切削加工性的分析方法。学会综合运用所学理论知识及专业知识、培养学生理论联系实际，在实践中综合分析问题、解决问题的能力。培养学生严谨的科学态度。为学生从事机械制造打下一个良好的理论基础。三、实验（上机）内容和基本要求1) 总体实验方案设计。 2学时2) 设计切削
3、力测量实验方案，做实验，实验数据处理、建立此材料切削力控制数学模型。 6学时3) 分析被加工材料的性能、选择合适的刀具材料、刀具几何参数。 4学时4) 设计切削温度测量实验方案，做实验，实验数据处理、建立此材料切削温度控制数学模型。 6学时5) 设计刀具磨损测量实验方案，做实验，求刀具耐用度 。 4学时3. 学生组数 2组4. 每组人数 5人5. 每学年开设次数 2次四、各教学环节学时分配目项学时 讲课习题课讨论课实验课其他合计实验421824五、对学生能力培养的要求要求学生根据实验专题查阅资料、确定方案、选择仪器和实验装置，完成实验设计、调试、数据测定及处理，撰写有分析的实验设计研究报告。通
4、过实验培养学生的自学能力、研究能力、动手能力、表达能力，以及组织管理和团结协作的工作能力。六、考核方法：实验报告50% 实验动手能力30% 纪律20%撰写人：杨巧凤 制定日期： 2006年12月 航空难加工材料切削机理研究创新试验指导书电学院机电实验教学中心机械制造基础单元一、前言随着科学技术的迅速发展，材料的使用要求与切削加工性之间的矛盾日益突出，特别是航空宇航零件，要用到超耐热合金、钛合金、高温和金、含有碳纤维的复合材料等。切削难加工材料时刀具磨损快、易打刀、加工质量难以达到要求，切削效率极低，对于难加工材料，难加工不是绝对的，现在，对某些难加工材料已实现了高速切削，本实验拟选一典型的航空
5、难加工材料-沉淀型高强不锈钢（随工厂难加工材料切削研究情况更换不同的难加工材料），对其切削机理进行系统的实验研究。主要研究切削力、切削温度、刀具磨损、切削变形以达到选择合理的切削条件、合适的刀具材料、合理的刀具几何参数及切削用量。通过实验使学生对切削机理的研究有一个初步的认识，学会并掌握切削力、切削温度、刀具磨损、切削变形的实验方法，实验数据处理方法、难加工材料切削加工性的分析方法。通过本实验使学生对切削原理、切削刀具、切削工艺、切削实验知识有一个比较全面的认识。为学生从事切削研究及机械制造打下一个良好的理论基础。实验用难加工材料的选用材料选用西工大与某飞机厂合作的“高效切削机理研究” 科研项
6、目。1Cr12Mn5Ni4Mo3Al 材料系双相沉淀硬化不锈钢，是我国目前的一种新型优质材料，它具有强度高，热处理强度b1470Mpa；热硬性好，耐蚀性强等特点。由于此材料加工性能极差表现在：切削过程中塑性变形大，切削力大，又导热系数极低，致使切削温度高；加工硬化严重；粘附力强，切削时易粘刀，使刀具产生剧烈的扩散磨损和粘结磨损；切屑的卷屈与断屑较困难。由于零件材料的切削加工性能极差，造成零件生产效率低、刀具耐用度差，断屑难，加工周期特别长。所以加工此材料的零件成了公司生产环节的一个瓶颈。面对今后更为严峻的科研、生产任务形势，如何提高此材料零件的加工工效、降低生产成本则是公司的当务之急。因此，本
7、试验选用此材料进行（切削力、切削热、刀具磨损）切削机理分析、 研究。从而建立切削此材料的切削理论基础,从而为解决该材料加工难这一课题提供技术支持。用本试验的研究工作来指导生产实践。提高工件的生产效率，降低生产成本，缩短新产品开发的时间。材料名称：沉淀硬化不锈钢牌号：1Cr12Mn5Ni4Mo3Al材料69111（1Cr12Mn5Ni4Mo3Al）的成分见表1。 二、实验目的培养学生的实验设计能力，并提高学生的实验技能本实验有学生自己完成实验设计、试件制做、仪器调试、数据采集、数据处理、及实验结果分析，提高实验设计能力及实验技能。培养学生理论联系实际，在实践中综合分析问题、解决问题的能力学生运用
8、所学基础理论知识及专业知识。对切削力、切削温度、刀具磨损的形成机理及与切削参数的关系进行分析研究。学习航空难加工材料切削机理研究的基本方法、难加工材料切削加工性的分析方法实验研究内容与工厂急待解决的生产问题同步，使学生了解航空航天难加工材料目前的加工现状。学习航空航天难加工材料切削机理研究的基本方法。培养学生严谨的科学待度用于指导实际生产的研究结果来自于实验，试验的每一个环节都与结果的正确有关。 增加学生切削与刀具方面的知识内容由于切削原理与刀具专业课只有二十学时。拟通过做实验使学生加深对切削与刀具知识的理解。三、实验内容与方法（一）、分析被加工材料的性能、选择合适的刀具材料、刀具几何参数表1
9、 69111材料的成分CMnSiCrNiMoAlSP0.030.094.405.300.8011.0012.004.005.002.703.300.501.000.0250.025工厂提出的1Cr12Mn5Ni4Mo3Al 材料系双相沉淀硬化不锈钢加工存在的问题如下：1 加工周期特别长，严重的影响了加工效率，给工厂完成生产任务造成了很大的困难。2 加工用刀具磨损的速度非常的快，难以达到正常的刀具使用寿命。3 材料的加工硬化太严重，已加工的零件在工厂正常的条件下难以再作局部的修改。4 工件的表面质量非常的差，工件极易报废。为了了解该材料的切削加工性，可以通过现场切削加工提出的问题来考查，并以此作
10、为初选刀具的材料的依据。选择刀具材料时要考虑因素有：高硬度、高耐磨性、有足够的强度与韧性、高的耐热性与化学稳定性、有良好的工艺性、经济性、较好的导热性、良好的抗振性。 选择刀具材料尽量满足以下条件：1、 高硬度 刀具材料的硬度要高于工件材料的硬度。通常室温下，刀具硬度应在60HRC以上。2、 高耐磨性 耐磨性是指刀具材料抵抗磨损的能力。这一性能一方面取决与它的硬度，另一方面还与其化学成分、显微组织有关。材料硬度越高，耐磨性越好；含有耐磨的合金碳化物越多。晶粒越细，分布越均匀则耐磨性也越好。3、 有足够的强度与韧性 刀具切削是要承受各种应力与冲击。一般用抗弯强度和冲击韧性来表示。主要反映刀具材料
11、抗断裂、崩刃的能力。4、 高的耐热性与化学稳定性 各种刀具材料在高温时会降低硬度而失效高速钢为600，硬质合金8001000，陶瓷刀具为1200。 耐热性是指在高温下保持材料硬度的性能，可用高温硬度值来表示，也可用红硬性（维持刀具材料切削性能的最高温度极限）来表示。耐热性愈好，材料允许的切削速度愈高，它是衡量刀具材料性能的主要标志。5、 有良好的工艺性 工具刚应具有较好的热处理工艺，如淬火变形小、脱碳层浅、淬透性好等。热轧成形刀具应具有较好的高温塑性。高硬度合金材料则要求可磨削加工性好。大截面高速刚材料则要求锻造性能好等。6、 经济性经济性是刀具材料的重要指标之一，刀具材料的发展应结合本国的实
12、际情况。有的刀具虽然单件成本比较贵，但因使用寿命很长，分摊到每一个零件的 成本不一定很高。因此在选择刀具材料时应考虑经济效果。7、 较好的导热性 刀具材料的导热系数大，导热性较好，切削热易传出，有利于降低切削温度。8 良好的抗热振性 断续切削时刀具要承受热冲击和机械振动，反复作用的热冲击和机械振动会使刀具出现裂纹。弹性模量和热膨胀系数小，导热系数和抗弯强度大时，抗热振性增加。目前还没有一种刀具材料能满足上述所有要求。因此必须了解刀具材料的性能和特点。 刀具材料的物理机械性能密度硬度 抗弯强度GPa冲击韧性弹性模量GPa抗压强度GPa导热系数线膨胀系数耐热性通过切削实验确定一种刀具材料刀具材料(
13、mm/min)(mm)(mm)n(rpm)切削路程(m)刀具磨损在对现场加工用的刀具材料了解基础上，通过查阅相关设计资料，综合考虑刀具选择原则后，拟选用高速钢、硬质合金和涂层刀具材料进行切削试验。（二）、设计切削力测量实验方案，做实验，实验数据处理、建立此材料切削力控制数学模型。图1 切削力的测试系统图1、切削参数选择根据工厂提供的参数，选择切削参数范围如下：切削速度 V=1540mm/min进给速度 Vf=0.020.15mm/r切削深度 ap=0.51.5mm2、设计切削力测量实验方案正交实验法用正交表安排多因素试验的方法，这一方法具有这样的特点：完成试验要求所需的实验次数少。数据点的分布
14、很均匀。可用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，能得到许多有价值的结论。影响切削力的三个因素是：切削深度、进给量和切削速度。每个因素分别取三个水平做实验，得因素与水平表如下：因素与水平表水平因素A切削深度(ap mm)B进给量(Vf mm/r)C切削速度(V mm/min)123A1=0.5A2=1.0A3=1.5B1=0.02B2=0.08B3=0.15C1=15C2=20C3=40试验的设计表列号1 2 3 4因素A B C空白列实验号切削深度(mm) 进给量(mm/r) 切削速度(mm/min)123456789 1（0.5） 1(0.02) 1(15)
15、1 2(0.08) 2(20) 1 3(0.15) 3(40) 2(1.0) 1 2 2 2 3 2 3 1 3(1.5) 1 3 3 2 1 3 3 2 1233122313、实验数据处理 基于金属切削原理的研究结论，在切削加工环境固定不变的前提条件下，铣削力与切削参数之间存在复杂的指数关系12。综合考虑上述因素后，选择本实验切削力的经验公式的通用形式是：F=CFc apCpfCfvCv 式中：CFc切削力系数;ap切削深度;f进给量;v切削速度。Cp、Cf、Cv指数。式(1)两边取常用对数后，即lgF=lgCFc+Cplgap+Cflgf+Cvlgv 令y=lgF; x1=lgap;x2=
16、lgf;x3=lgv b0=lgCFc b1=lgap; b2=lgf; b3=lgv代入式(2) 变为线性方程,即y=b0+b1x1+b2x2+b3x3确定因素水平，进行编码处理经过计算，解码后，得到切削力的经验公式切削力建模程序框图要求：完成实验设计；用C语言编制处理程序完成实验数据处理。（三） 、设计切削温度测量实验方案，做实验，实验数据处理、建立此材料切削温度控制数学模型。在机械制造业中，虽然已发展出各种不同的零件成型工艺，但目前仍有90%以上的机械零件是通过切削加工制成。在切削过程中，机床作功转换为等量的切削热，这些切削热除少量逸散到周围介质中以外，其余均传入刀具、切屑和工件中，刀具
17、、工件和机床温升将加速刀具磨损，引起工件热变形，严重时甚至引起机床热变形。因此，在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及被加工材料加工性能试验等研究时，对切削温度的测量非常重要。测量切削温度时，既可测定切削区域的平均温度，也可测量出切屑、刀具和工件中的温度分布。常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构法等。 切削热和切削温度切削时的热量主要来自剪切变形功、刀屑和刀工件摩擦功。干切时，切削热主要由切屑、工件和刀具传出去，周围介质传出小于1。 本试验采用自然热电偶法1、 热电偶法测温原理 当两种不同材质组成的材料副（如切削加工中的刀具工件）接近并受热时，会因表层电子溢出而产
18、生溢出电动势，并在材料副的接触界面间形成电位差（即热电势）。由于特定材料副在一定温升条件下形成的热电势是一定的，因此可根据热电势的大小来测定材料副（即热电偶）的受热状态及温度变化情况。采用热电偶法的测温装置结构简单，测量方便，是目前较成熟也较常用的切削温度测量方法。自然热电偶法自然热电偶法主要用于测定切削区域的平均温度。采用自然热电偶法的测温装置是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极，组成闭合电路测量切削温度。刀具引出端用导线接入直流放大器一极，工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖接入直流放大器另一极。测温时，刀具与工件引出端应处于室温下，且刀具和工件应分别与机床绝缘。切削加工时，刀具与工
19、件接触区产生的高温（热端）与刀具、工件各自引出端的室温（冷端）形成温差电势，该电势值可用接入的毫伏计测出，切削温度越高，该电势值越大。切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通过切削温度标定得到。根据切削实验中测出的热电势毫伏值，可在标定曲线上查出对应的温度值。采用自然热电偶法测量切削温度简便可靠，可方便地研究切削条件（如切削速度、进给量等）对切削温度的影响。值得注意的是，用自然热电偶法只能测出切削区的平均温度，无法测得切削区指定点的温度；同时，当刀具材料或（和）工件材料变换后，切削温度毫伏值曲线也必须重新标定。 外圆车削切削温度测量系统示意图2、设计切削温度测量实验方案采用正交实验法，实验设计
20、与切削力实验相同。3、实验数据处理 本实验切削温度经验公式的通用形式=Capxfyvz (1)式中：C切削温度系数;ap切削深度;f进给量;v切削速度。x、y、z指数。温度的经验公式求解过程基本与上述相同切削温度建模程序框图（四） 、设计刀具磨损测量实验方案，做实验，求刀具耐用度 刀具磨损依据各磨损情况找出刀具磨损的主要原因。在切削加工中，通常出现的刀具磨损包括如下两种形态：(1)由于机械作用而出现的磨损，如崩刃或磨粒磨损等；(2)由于热及化学作用而出现的磨损，如粘结、扩散、腐蚀等磨损，以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。依据损坏的刀具，用电子显微镜进行观察刀具外貌以初步分析
21、刀具的损坏形式，判断化学作用和扩散对刀具破坏的影响。本试验选择在铣床上，用立铣刀进行周铣。实验前选定刀具后刀面的磨钝标准。为了节约材料，同时又要能反映刀具在正常工作情况下的磨损强度，按国标规定，当切削刃参加工作部分的中部磨损均匀时，磨钝标准取VB=0.2mm。切削时间t和切削速度v为自变量,令VB为因变量,进行切削试验,同样可测量出VB。然后可用多元回归分析的方法建立如下的磨损方程:VB有了上述方程后,再将磨损限度(例如VB=0.2mm)代入,便可得出T-v关系式。因为VB为磨损限度时的切削时间t即为耐用度T。1、切削参数选择范围主轴转速n（rpm）200500切削速度（m/min）1850每
22、齿进给量(mm/z)0.030.05轴向切削深度(mm)32、设计刀具耐用度实验方案刀具耐用度实验数据（VB0.2mm）周铣序号V (m/min)T(min)137.68429.67618.847503、实验数据处理根据上表求刀具耐用度公式:T=CtVCx绘制V-T关系曲线（四）、试验结果分析与讨论1、根据以上实验结果，综合分析该难加工材料的切削加工性，给出适用于生产的刀具材料、切削参数、工艺参数数据。2、通过实验提高加工效率多少%以上。3、论述此难加工材料切削加工中切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量等现象。论述试验切削参数对这些现象的影响规律。4、通过实验研究，总结研究结论。5、对此材料的加工生产提出指导性意见。6、对本试验采用的测试方法有何新的建议。
