机械行业难加工材料与结构的加工技术.pptx

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1、南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系机械制造(j xi zh zo)技术Mechanical Manufacturing Technology（切削(qixio)原理与刀具：Cutting Principle&Cutting Tools）第七章 难加工材料与结构的加工技术第一页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系本章本章(bn zhn)内容内容l10.1难加工材料与结构概述*（1学时）l 10.1.1难加工材料l 1）难加工材料的分类l 2）难加工材料的应用l 10.1.2 难加工结构l10.2 难加工材料的加工技术（2学时）

2、l 10.2.1 钛合金(hjn)加工l 10.2.2 高温合金(hjn)加工l 10.2.3 不锈钢加工l 10.2.4 高强度钢和超高强度钢的加工l 10.2.5 复合材料加工l 10.2.6 脆性材料加工l10.3 难加工结构的加工技术（1学时）l 10.3.1薄壁件加工l 10.3.2 叶片及涡轮盘加工l 10.3.4阵列孔及微孔加工第二页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)(ji gng)材料与结构概述材料与结构概述l1.定义：l 难加工材料是指难以进行(jnxng)切削加工的材料，即切削加工性差的材料。切削加工性等

3、级代号5级以上的材料均属于难加工材料。从材料的物理力学性能看，硬度高于250HBS、强度b0.98GPa、延伸率30、冲击值ak 9.8105J/m2、导热系数k1.2GPa、s1GPa的钢称为高强度钢；把调质后b1.5GPa、s1.3GPa的钢称为超高强度钢。它们的硬度在3550HRC之间。加工(ji gng)这两种钢时，粗加工(ji gng)一般在调质前进行，而精加工(ji gng)、半精加工(ji gng)及部分粗加工(ji gng)则在调质后进行。第十二页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料与结构概述难加工材料与结构概述(i sh)(i

4、 sh)分类分类l2）高强度钢一般为低合金钢，合金元素(yun s)的总含量不超过60%，有Cr钢、Cr-Ni钢、Cr-Si钢、Cr-Mn钢、Cr-Mn-Si钢、Cr-Ni-Mo钢、Cr-Mo钢、Si-Mn钢等。超高强度钢视其合金量的不同，可分低合金超高强度钢、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。第十三页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)(cilio)与结构概述分类与结构概述分类5.5.复合材料复合材料(cilio)(cilio)l1.定义：复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性定义：复合材料是由两种或两种以上的物理

5、和化学性质不同的物质人工质不同的物质人工(rngng)制成的多相组成固体材料，制成的多相组成固体材料，是由增强相和基体相复合而成的，并形成界面相。增强是由增强相和基体相复合而成的，并形成界面相。增强相主要是承载相，基体相主要是连接相，界面相的主要相主要是承载相，基体相主要是连接相，界面相的主要作用是传递载荷，三者的不同组分和不同复合工艺使复作用是传递载荷，三者的不同组分和不同复合工艺使复合材料具有不同的性能。合材料具有不同的性能。第十四页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料与结构概述难加工材料与结构概述(i sh)(i sh)分类分类l2.性能

6、：复合材料的优越性在于它的性能比其组成材料好得性能：复合材料的优越性在于它的性能比其组成材料好得多，多，1）它可改善）它可改善(gishn)或克服组成材料的弱点，充分发或克服组成材料的弱点，充分发挥其优点；挥其优点；2）它可按构件结构和受力要求，给出预定的、分）它可按构件结构和受力要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计；布合理的配套性能，进行材料的最佳设计；3）可获得单一组）可获得单一组成材料不具备的性能。成材料不具备的性能。l3.种类：按其结构和功能，可把复合材料分为结构复合材料种类：按其结构和功能，可把复合材料分为结构复合材料和功能复合材料。前者的研究和应用较多，发展很快

7、。主要和功能复合材料。前者的研究和应用较多，发展很快。主要有两种，一是以聚合物为基体，其中以树脂（环氧树脂、酚有两种，一是以聚合物为基体，其中以树脂（环氧树脂、酚醛树脂）为基体的居多；另一种是以金属或合金（铝及合金、醛树脂）为基体的居多；另一种是以金属或合金（铝及合金、高温合金、钛合金及镍基合金）或陶瓷为基体。高温合金、钛合金及镍基合金）或陶瓷为基体。第十五页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料与结构概述分类难加工材料与结构概述分类(fn li)(fn li)6.6.硬脆性材料硬脆性材料l1.概述：硬脆性材料具有高强度、高硬度、高脆性、耐磨损和

8、腐概述：硬脆性材料具有高强度、高硬度、高脆性、耐磨损和腐蚀、隔热、低密度和膨胀系数及化学稳定性好等特点，是一般金蚀、隔热、低密度和膨胀系数及化学稳定性好等特点，是一般金属材料无法比拟的。硬脆性材料由于这些独特性能而广泛应用光属材料无法比拟的。硬脆性材料由于这些独特性能而广泛应用光学、计算机、汽车、航空航天、化工、纺织、冶金、矿山、机械、学、计算机、汽车、航空航天、化工、纺织、冶金、矿山、机械、能源能源(nngyun)和军事等领域。和军事等领域。第十六页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料与结构难加工材料与结构(jigu)(jigu)概述分类概述

9、分类l2.分类：分类：l 1）硬脆性材料根据来源可分为自然和人工硬脆性材）硬脆性材料根据来源可分为自然和人工硬脆性材料；料；l 2）根据是否为金属可分为金属硬脆性材料和非金属）根据是否为金属可分为金属硬脆性材料和非金属硬脆性材料；硬脆性材料；l 3）根据能否导电可分为导电和非导电硬脆性材料；）根据能否导电可分为导电和非导电硬脆性材料；l 4）根据材料微观）根据材料微观(wigun)结构可分为晶体和非晶体结构可分为晶体和非晶体硬脆性材料；硬脆性材料；第十七页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料与结构概述难加工材料与结构概述(i sh)(i sh)

10、分类分类l3.3.代表性材料：代表性材料：l 陶瓷和石材是其代表性材料。陶瓷是以粘土、长石和石陶瓷和石材是其代表性材料。陶瓷是以粘土、长石和石英等天然原料，经粉碎英等天然原料，经粉碎成形成形(chn xn)(chn xn)烧结而成的烧烧结而成的烧结体。其主要成分是硅酸盐。石材包括天然大理石、花岗石结体。其主要成分是硅酸盐。石材包括天然大理石、花岗石及人工合成的大理石、水磨石等。随着科学技术的不断发展，及人工合成的大理石、水磨石等。随着科学技术的不断发展，硬脆性材料如各种光学玻璃、单晶硅、微晶玻璃及陶瓷等在硬脆性材料如各种光学玻璃、单晶硅、微晶玻璃及陶瓷等在航空航天及军用设备中应用的越来越广泛，

11、而且对零件表面航空航天及军用设备中应用的越来越广泛，而且对零件表面质量要求极高。然而，硬脆性材料具有低塑性、易脆性破坏、质量要求极高。然而，硬脆性材料具有低塑性、易脆性破坏、微裂纹以及引起工件表面层组织易破坏等缺点，使得硬脆性微裂纹以及引起工件表面层组织易破坏等缺点，使得硬脆性材料的加工十分困难。材料的加工十分困难。第十八页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)(cilio)与结构概述应用与结构概述应用l随着航空航天工业、核工业、兵器工业、化学工业、电子工业及现代机械工业的发展，对产品零部件材料的性能提出了各种各样的新的和

12、特殊的要求。有的要在高温、高压力状态(zhungti)下工作，有的要耐腐蚀、耐磨损，有的要能绝缘，有的则需有高导电率。因此，难加工材料在这些工业中具有广泛的应用。l（1）钛合金具有密度小、强度高、能耐各种酸、碱、海水、大气等介质的腐蚀等一系列优良的力学、物理性能，因此在航空、航天、核能、船舶、化工、冶金、医疗器械等工业中得到了越来越广泛的应用。第十九页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)(cilio)与结构概述应用与结构概述应用1.1.钛合金钛合金记忆(jy)钛合金镜架钛合金刀具第二十页，共80页。南京航空航天大学机电学

13、院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料与结构概述难加工材料与结构概述(i sh)(i sh)应用应用2.2.高温合金高温合金 低膨胀、恒弹性、高弹性高温(gown)合金精密(jngm)合金高温合金不锈钢棒第二十一页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料与结构难加工材料与结构(jigu)(jigu)概述应用概述应用3.3.不锈钢不锈钢 不锈钢阀门(f mn)氙气驾驶(jish)辅助灯第二十二页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)(cilio)与结构概述应用与结构

14、概述应用4.4.高强度钢高强度钢 六缸汽车(qch)发动机汽车(qch)进气装置第二十三页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料与结构难加工材料与结构(jigu)(jigu)概述应用概述应用5.5.复合材料复合材料 碳纳米(n m)管氧化铝纳米(n m)复相陶瓷热压氮化硼及其复合材料(f h ci lio)第二十四页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)(ji gng)材料与结构概述应用材料与结构概述应用6.6.硬脆性材料硬脆性材料 陶瓷(toc)刀具氧化铝陶瓷(toc)基片第二十

15、五页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料与结构难加工材料与结构(jigu)(jigu)概述难加工结构概述难加工结构(jigu)(jigu)l所谓难加工结构是指在常规机床上加工时精度难以保证或必须采用多轴联动才能加工出的结构，如薄壁、深（长）径比大的结构、复杂型面、微小微细结构及其它用常规方法难以加工的孔、槽等结构。l难加工结构一般(ybn)可分为外型面难加工结构和内型面难加工结构。l外型面难加工结构件主要有：薄壁件、叶片、涡轮盘、微小微细零件外型面及其它特殊复杂的型面。l内型面难加工结构主要有：蜂窝结构、阵列孔、有特殊要求的小孔、窄缝及其它特殊

16、复杂的形腔结构。第二十六页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术l1.钛合金加工l2.高温合金加工l3.不锈钢加工l4.高强度钢和超高强度钢的加工l5.复合材料(f h ci lio)加工l6.脆性材料加工第二十七页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术 1.钛合金加工钛合金加工l钛合金切屑形成过程大致可分为三个阶段，1）因受到前刀面的挤压，被切材料会产生弹性变形，在切屑前上方有时也可能出现微小

17、的破裂面。2）进一步受到前刀面的挤压，于是在材料上方隆起一块材料。3）这块隆起的材料在与切削速度呈角度很窄的区域产生应力集中剪切变形。局部或全部(qunb)断裂，形成节状切屑流出。图10.2.1为钛合金切屑形成阶段模型。第二十八页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术 1.钛合金加工方法钛合金加工方法l钛合金的车削l钛合金的铣削 l钛合金的磨削 l钛合金的高速切削(qixio)l钛合金的特种加工 第二十九页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(

18、cilio)的加工技术的加工技术 2.高温合金加工高温合金加工 1.简介 对于镍合金及钴合金等高温合金来说，耐高温的特性直接提高了加工难度。在加工时的大切削力和高温共同作用下，刀具产生碎片或变形，进而断裂。此外，此类合金会迅速产生加工硬化现象。工件在加工时产生的硬化表面会导致刀具切削刃在切深处产生缺口，并使工件产生不良应力，破坏加工零件的几何精度。由于高温合金的特殊性能(xngnng)使得它加工起来比较困难。第三十页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技技术术2.加工性能加工性能（1）切削）

19、切削(qixio)加工性差加工性差（2）切削）切削(qixio)变形大变形大 塑性很大，有的延伸率塑性很大，有的延伸率40，其切削其切削(qixio)变形系数约为变形系数约为45钢的钢的1.5倍。倍。（3）加工硬化倾向大）加工硬化倾向大 切削切削(qixio)试验表明，试验表明，vc越高，越高，f越小，加工硬化越小。越小，加工硬化越小。（4）切削）切削(qixio)力大力大 切削切削(qixio)高温合金时，切削高温合金时，切削(qixio)力的各项分力均大于力的各项分力均大于45钢，极易引起振动。钢，极易引起振动。（5）切削）切削(qixio)温度高温度高 切削切削(qixio)高温合金时，

20、由高温合金时，由于材料本身的强度高、塑性变形大、切削于材料本身的强度高、塑性变形大、切削(qixio)力大、消力大、消耗功率多、产生的热量多，而它们的导热系数又较小，所以耗功率多、产生的热量多，而它们的导热系数又较小，所以切削切削(qixio)温度比切削温度比切削(qixio)45钢和不锈钢都高得多。钢和不锈钢都高得多。（6）刀具易磨损）刀具易磨损 切削切削(qixio)高温合金时，刀具磨损严重高温合金时，刀具磨损严重（7）表面质量和精度不易保证）表面质量和精度不易保证第三十一页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料的加工技术难加工材料的加工技术

21、(jsh)2.高温合金加工高温合金加工 l3.改善高温合金切削加工性的措施改善高温合金切削加工性的措施l（1）尽量在硬化期前加工合金）尽量在硬化期前加工合金l（2）使用锋利的锐角切刃的刀具）使用锋利的锐角切刃的刀具l（3）使用强度高的几何外形刀具）使用强度高的几何外形刀具l（4）采取提高刚度措施的刀具）采取提高刚度措施的刀具 l（5）防止）防止(fngzh)工件偏移工件偏移 l（6）在钻削加工中，采用较大的导程角）在钻削加工中，采用较大的导程角 l（7）当走刀次数较大时，改变切削深度）当走刀次数较大时，改变切削深度第三十二页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院05205

22、2系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术 2.高温合金加工高温合金加工(ji gng)l4.高温合金加工刀具高温合金加工刀具(doj)l 1.无涂层硬质合金刀具无涂层硬质合金刀具(doj)l 2.涂层硬质合金刀具涂层硬质合金刀具(doj)l 3.陶瓷刀具陶瓷刀具(doj)l 4.立方氮化硼（立方氮化硼（CBN）刀具）刀具(doj)第三十三页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料的加工技术难加工材料的加工技术 2.高温高温(gown)合金加工合金加工 l5.高温合金加工刀具几何参数(cnsh)的选择l 1.前角

23、0l 2.后角0l 3.主偏角r的选择l 4.刃倾角s的选择第三十四页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术 3.不锈钢加工不锈钢加工 1.不锈钢的相对(xingdu)加工性加工特点形成原因备 注切削力大强度和硬度与中碳钢相近，塑性较高，尤其是奥氏体不锈钢，延伸率超过45钢的1.5倍以上，切削时塑性变形大，使切削力增加，而不锈钢加工硬化严重，热强度高，增加了切削抗力车削1Cr18Ni9Ti的单位切削力比正火状态的45钢约高25%切削温度高塑性变形大，与刀具间的摩擦也大，产生的切削热多而不锈钢的导热系数较

24、低，如1Cr18Ni9Ti的导热系数只有45钢的1/3，散热条件较差，因此切削温度较高在同样条件下，切削不锈钢时的切削温度比切削45钢约高200300加工硬化严重以奥氏体不锈钢和奥氏体铁素体不锈钢最为突出，随着硬化后强度的提高，屈服强度也升高例如，退火状态奥氏体不锈钢强度不超过屈服强度的30%45%，而加工硬化后达85%95%，不仅使切削力大大增加，而且使刀具和被切金属间的摩擦力以及刀具的磨损加剧，同时使表面质量降低刀具易磨损切屑与前刀面的接触长度约为切削碳钢时的65%70%，造成应力集中在切削刃附近，使刀具易崩刃。此外由于接触长度小，切削热也集中在切削刃附近，造成温度高，从而使刀具磨损加快切

25、屑不易卷曲和折断由于不锈钢的塑性高，韧性大，而且高温强度高，切削时切屑不易折断容易粘刀和形成积屑瘤不锈钢的塑性大，粘附性强，因而在切削过程中容易形成积屑瘤，使表面光洁度降低。含碳量较低的马氏体不锈钢，这一特点尤为明显线膨胀系数较大切削过程中，切削温度高，工件易变形，尺寸精度较难控制第三十五页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术 3.不锈钢加工不锈钢加工(ji gng)2.不锈钢的机械加工(ji gng)1）不锈钢的车削加工(ji gng)2）不锈钢的铣削加工(ji gng)3）钻削加

26、工(ji gng)4）铰削加工(ji gng)5）攻螺纹 6）磨削加工(ji gng)第三十六页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料的加工技术难加工材料的加工技术(jsh)4.高强度钢和超高强度钢的加工高强度钢和超高强度钢的加工 1.高强度钢和超高强度钢的切削加工特点：高强度钢和超高强度钢切削加工难度大，主要表现在切削力大、切削温度高、刀具磨损快、刀具耐用度低、生产率低和断屑困难。由于它们的硬度高、强度高，塑性相对较低，故与塑性高、强度低的工件(gngjin)材料相比，已加工表面质量一般不成问题。主要切削特点：1）切削力大 2）切削温度高 3）

27、刀具易磨损和刀具耐用度低 4）断屑性能第三十七页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术 4.高强度钢和超高强度钢的加工高强度钢和超高强度钢的加工 2.改善高强度和超高强度钢切削(qixio)加工性的措施 对高强度钢、超高强度钢进行高效和保证质量的切削(qixio)加工，必须采取有效的措施，应采用先进、适用的刀具材料，应选用合理的刀具几何参数和合理选择切削(qixio)用量等措施。主要措施：1.采用先进、适用的刀具材料 2.选用合理的刀具几何参数 3.选用合理的切削(qixio)用量 第三十八页，共80页

28、。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系3.高强度和超高强度钢铰削加工 1.刀具材料(cilio)的选择 2.切削用量的选择 难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术 4.高强度钢和超高强度钢的加工高强度钢和超高强度钢的加工(ji gng)0.05615-5-156150.10.31111112A-A-10-15530BAA11.51302B硬质合金(yn zh h jn)铰刀 第三十九页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术 4.高强度钢和超高

29、强度钢的加工高强度钢和超高强度钢的加工 硬质合金(yn zh h jn)铰刀的切削用量 工件材料强度b/MPa切削速度vc/（mmin-1）孔径（mm）转速n/（rmin-1）1130601015600118012505513245020303757501425401520303080375600166820第四十页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料的加工技术难加工材料的加工技术(jsh)4.高强度钢和超高强度钢的加工高强度钢和超高强度钢的加工 4.高强度和超高强度钢钻削加工 1.钻头的选择钻削高强度钢时，可选用高性能高速钢麻花钻或硬质合金钻

30、头。钻削超高强度钢时，一般采用硬质合金钻头。高速钢麻花钻，可选用群钻或修磨成三尖刃形的钻头。为了提高钻头的刚度(n d)，应适当增加钻心厚度，减小悬伸量，螺旋角也应小一些，一般为1730。选用硬质合金钻头时，可加大顶角，以改善排屑。第四十一页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术l2.切削用量的选择(xunz)l钻削高强度和超高强度钢时，比钻削一般钢材的切削速度低50%左右。选用高速钢钻头钻孔时，一般取vc=1015m/min，当工件材料的硬度HRC大于45时，切削速度更低。进给量为f=0.030.3m

31、m/r（钻头直径小时取小值）。采用硬质合金钻头时，可选较高的切削速度，但不能太高，必须考虑工件材料的硬度对钻头耐用度的影响。当工件材料的硬度HRC大于50时，钻头的速度应小于30m/min，进给量f=0.030.3mm/r。第四十二页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术 4.高强度钢和超高强度钢的加工高强度钢和超高强度钢的加工 5.高强度和超高强度钢铣削加工1.刀具(doj)及其参数的选择铣削时应选强度高、耐冲击和耐热性好的刀具(doj)材料，如高性能高速钢和硬质合金，也可以选择热压陶瓷刀具(doj)

32、。选择刀具(doj)几何参数时，要充分考虑这种钢的切削特点，应减小主偏角，增大刀尖圆弧半径，切深前角和进给前角应小于零（高速钢铣刀除外）。硬质合金和陶瓷刀具(doj)的刃口应倒棱，以增加刃口的强度。第四十三页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术l2.切削用量的选择l高强度钢和超高强度钢的品种很多，其强度和硬度也有很大的差异。铣削时应根据不同加工对象和加工条件(tiojin)，合理选择切削用量。在选择切削速度时，在工件材料的强度和硬度较高的情况下，应适当降低切削速度，减小刀具每齿进给量，按工件材料的强度

33、选择铣削速度，按工件材料的硬度选择铣削用量。第四十四页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料的加工技术难加工材料的加工技术(jsh)5 复合材料加工复合材料加工 1.聚合物基复合材料的加工 聚合物基复合材料包括颗粒增强和纤维增强两大类，其中颗粒增强类复合材料易在材料内部产生(chnshng)较大的应力集中，目前其制备技术仍处于研究阶段，应用较少。因此，以下着重讨论FRP的加工。2.FRP的切削加工特点（1）切削温度高 （2）刀具磨损严重、耐用度低（3）产生(chnshng)沟状磨损（4）产生(chnshng)残余应力 （5）要控制切削温度第四十五

34、页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术 5 复合材料加工复合材料加工(ji gng)3.FRP的孔加工和切割加工A.孔加工在纤维复合材料构件的连接中，机械连接占据着重要的地位。因此，当复合材料构件装配时，需加工出成千上万个紧固件孔，紧固件孔不仅数量多、质量要求高，而且难度大，是复合材料加工中最难的加工工序之一。由于复合材料层合板的主要特点之一是层间剪切强度低，这使得钻孔中轴向力容易产生层间分层，如不加以防范，就会导致昂贵的复合材料构件的报废。复合材料制孔的另一个主要问题是碳纤维材料质

35、点的硬度高，相当于高速钢的硬度，因此对刀具(doj)的磨损十分严重，刀具(doj)耐用度很低。第四十六页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术l我国现有材料、工艺条件下的制孔质量标准如下：1）表面层没有分层，孔入口处不应有分层，孔边缘毛刺应清除；2）沉头窝与孔的同轴度不大于0.08mm；3）孔壁损伤允许范围深0.25mm，宽0.33mm，长度(chngd)不超过孔或沉头窝圆周长的25%；4）孔出口边缘与孔夹层边缘毛刺必须清除；5）孔出口边损伤有一定允许范围。第四十七页，共80页。南京航空航天大学机电学院

36、南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术 5 复合材料加工复合材料加工(ji gng)3.FRP的孔加工和切割加工B.切割加工FRP零部件生产中切断也是主要加工工序。常用的切割方式有机械切割、高压水切割、超声波切割和激光切割等。机械切割工具包括砂轮片及各种锯等，其刀具转速和进刀量要根据板材厚度和切割方法来确定。高压水切割的特点(tdin)是切口质量高、结构完整性好、速度快。激光切割的特点(tdin)是切缝小、速度快、能节省原材料和可以加工形状复杂的工件第四十八页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院0

37、52052系系难加工材料的加工技术难加工材料的加工技术(jsh)5 复合材料加工复合材料加工 4.金属基复合材料的加工(ji gng)方法 金属基复合材料（Metal-matrix composite，简称MMC）可分为颗粒增强复合材料、长纤维增强复合材料和短纤维（或晶须）增强复合材料。1.切削加工(ji gng)特点2.MMC的孔加工(ji gng)与切割加工(ji gng)A.孔加工(ji gng)B.切割加工(ji gng)第四十九页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术 5 复

38、合材料加工复合材料加工(ji gng)切削加工特点：金属基长纤维增强复合材料的切削加工有与FRP相似的特点。金属基短纤维增强复合材料的切削加工却有着很多独特特点。实验表明，切削加工金属基短纤维增强复合材料时，在其加工面上会残存很多与增强纤维直径对应的孔沟。用金刚石单晶刀具切削SiC短纤维增强铝合金复合材料SiCw/6061时，加工表面(biomin)上的孔沟数与纤维含有率有关，纤维含有率越高，孔沟越多。第五十页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术 5 复合材料加工复合材料加工(ji

39、gng)MMC的孔加工与切割加工A.孔加工在MMC上钻孔(zun kn)时：（1）高速钢钻头以后刀面磨损为主，且可见与切削速度方向一致的条痕，这与在FRP上钻孔(zun kn)相似，主要是磨料磨损所致，VB值随切削路程增大而增加，随f增大而减小，而vc（vc40m/min对VB影响不大。（2）在K10、K20、高速钢及TiN涂层高速钢钻头等四种钻削试验中，K10最耐磨。第五十一页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术l（3）因K10钻头磨损小，故随孔数增加，轴向力几乎不增大，扭矩略有增

40、加，但TiN涂层钻头扭矩增加较多，孔表面粗糙度值较小。l（4）孔即将钻透时，应减小进给量，以免损坏孔出口。l（5）PCD钻头用于金属基颗粒增强复合材料的较大直径孔钻削时效果较好。试验表明(biomng)，切削速度vc为50200m/min，进给量f为0.050.2mm/r，并使用冷却液时，可以获得较高钻削质量。第五十二页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技术技术 5 复合材料加工复合材料加工(ji gng)MMC的孔加工与切割加工B.切割加工在MMC上钻孔时：前面介绍的激光、水射流等特种加

41、工方法也可以用于金属基复合材料的切割，这里主要介绍用于金属基复合材料切割的电火花加工和电子束加工。电火花加工主要用于金属基复合材料和其它具有良好导电性能的复合材料的切割。与其它大多数切割方法相比，这种方法不会产生微裂纹，因而可减少疲劳致损，加工出的表面粗糙度优于Ra 0.25mm。电火花加工存在的一个(y)主要问题是工具磨损太快，这无形中就增加了加工成本。第五十三页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技技术术l金属基纤维增强复合材料可以用各种能量(nngling)的电子束加工，沿纤维轴向切割

42、或短纤维复合材料切割，纤维无须断裂，只要对基体切割、熔化或蒸发就行了。当电子束能量(nngling)足够大时，就能使长纤维复合材料中的纤维熔融、气化，更确切的说，就是在电子束产生的机械和热应力作用下纤维发生了断裂。电子束切割的缺点是切割过程中会发生微结构损坏，会产生裂纹和界面脱粘。第五十四页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术 6.硬脆性材料硬脆性材料(cilio)加工加工 1.脆性材料(cilio)超精密加工：1.抛光加工 2.超精密车削加工 3.微波和超声波加工 4.离子束和激光加工 5.超精密磨

43、削加工 6.在线电解修整（ELID）磨削 7.MEEC（电解电火花磨削）加工第五十五页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技技术术 6.硬脆性材料加工硬脆性材料加工(ji gng)2.陶瓷材料的加工：（1）陶瓷材料具有很高的硬度 （2）陶瓷是典型的硬脆材 （3）陶瓷材料的切削加工性，依其种类、制造方法的不同有很大差别(chbi)。（4）陶瓷材料常温下几乎无塑性。（5）切削陶瓷材料时的单位切削力比切削一般金属材料时大得多，刀具切入困难。（6）切削陶瓷材料时，刀具磨损严重。第五十六页，共80页。

44、南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)材料的加工材料的加工(ji gng)技技术术工程陶瓷的机械加工仍普遍使用传统的加工方法，用金刚石磨轮磨削、研磨和抛光。磨削特点有：1）磨轮磨损大，磨削比小；2）磨削力大，磨削效率低；3）磨削后陶瓷零件强度降低。较先进的磨削方法有：1）采用新型(xnxng)金刚石磨轮磨削；2）复合磨轮磨削法；3）超声波振动磨削法。第五十七页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工材料难加工材料(cilio)的加工技术的加工技术 6.硬脆性材料硬脆性材料(cilio)加工加工 3.

45、石材(sh ci)的加工：第五十八页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工结构难加工结构(jigu)的加工技术的加工技术 本章主要内容：1.薄壁件加工2.叶片(ypin)及涡轮盘加工 3.阵列孔及微孔加工 第五十九页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)(ji gng)结构的加工结构的加工(ji gng)(ji gng)技术技术 1.1.薄壁件加工薄壁件加工(ji gng)(ji gng)1.机械加工难点(ndin)第六十页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院0

46、52052系系难加工难加工(ji gng)(ji gng)结构的加工结构的加工(ji gng)(ji gng)技术技术 1.1.薄壁件加工薄壁件加工(ji gng)(ji gng)2.解决问题的途径：1.加工前预处理及加工后调整(tiozhng)A.毛坯初始残余应力消除与均匀化技术 B.加工变形的后期校正 2.优化调整(tiozhng)加工工艺方案 A.优化装夹方案 B.切削用量和走刀路径的优化 C.其它工艺措施 第六十一页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)(ji gng)结构的加工结构的加工(ji gng)(ji gng)

47、技术技术3.采用高速加工(ji gng)技术 4.考虑其它加工(ji gng)方法 A.使用特殊的机床、刀具进行薄壁零件加工(ji gng)B.化学铣削加工(ji gng)第六十二页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)(ji gng)结构的加工结构的加工(ji gng)(ji gng)技术技术 1.1.薄壁件加工薄壁件加工(ji gng)(ji gng)3.加工效果比较：薄壁类零件由于其结构特点，容易在加工时产生加工变形，因而难以用常规的方法进行加工。上面所述及的几种加工方法中，使用特殊的机床、刀具进行加工对加工变形控制较为理

48、想，但由于要采用专用机床、刀具，增加了制造成本，通用性也差。优化工装(n zhun)参数、加工路径等工艺参数只针对特定零件，需要较长时间摸索，对经验的依赖性较强。化学铣削加工出的薄壁零件消除了前几种方法引入的附加残余应力（铣削残余应力、装夹应力等）的影响，但表面质量不易控制。目前，国内外大都采用高速铣削的方式来加工薄壁件，但由工件原始残余应力及装夹应力引起的加工变形仍然没有很好地得到解决。第六十三页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)(ji gng)结构的加工结构的加工(ji gng)(ji gng)技术技术 2.2.叶片及涡

49、轮盘加工叶片及涡轮盘加工(ji gng)(ji gng)1.叶片及涡轮盘加工中存在的问题：在航空燃气涡轮发动机中，涡轮部件的工作(gngzu)条件最为苛刻，特别是涡轮转子，要在高温、高压、高转速和高气流速度下工作(gngzu)，其工件材料难以机械切削，工件加工空间又十分有限，所以很难采用传统的机械方式进行加工。涡轮转子的工作(gngzu)能力直接影响发动机的基本性能和可靠性。叶片是航空发动机制造中最关键的零件，是喷气发动机和气轮机设备中的重要零件，叶身型面形状复杂而且要求精度高，加工批量大。采用常规的机械加工方法进行加工时，必须先经精密铸造，然后加工，抛光后镶嵌至叶轮的榫槽中，再焊接而成，其劳

50、动量占全机的30以上，而且材料难加工、形状复杂、薄壁易变形。第六十四页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工结构难加工结构(jigu)(jigu)的加工技术的加工技术 2.2.叶片及涡轮盘加工叶片及涡轮盘加工 2.涡轮盘叶片的铣削(x xu)加工方法：1.铣削(x xu)叶片第六十五页，共80页。南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院052052系系难加工难加工(ji gng)(ji gng)结构的加工结构的加工(ji gng)(ji gng)技术技术 2.2.叶片及涡轮盘加工叶片及涡轮盘加工(ji gng)(ji gng)2.涡轮盘叶片的