切削过程基本规律及应用.ppt
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第二章金属切削过程的基本规律及其应用 本章提要 2 1金属切削过程的基本规律 2 2金属切削过程基本规律的应用 本章提要 本章主要介绍了金属切削过程四个方面的基本规律及其生产上五个方面的应用 在切削过程中 产生了切削变形 切削力 切削热与切削温度 刀具磨损与耐用度变化等各种现象 严重影响了生产的进行 针对上述现象 本章分析了产生诸现象的原因及对切削过程的影响 并在此基础上总结出切削变形 切削力 切削热与切削温度 刀具磨损与耐用度变化四大规律 应用这些规律 很好地解决了生产上出现的各种问题 如改善工件材料的切削加工性 合理选择切削液 合理选择刀具几何参数与切削用量等 并对促进机械加工技术的发展起着很重要的作用 2 1 1切削变形 2 1金属切削过程的基本规律 2 1 2切削力 2 1 3切削热与切削温度 2 1 4刀具磨损与刀具耐用度 2 1 1切削变形 金属切削过程与金属受压缩 拉伸 过程比较 a 压缩 b 切削 塑性金属受压缩时 随着外力的增加 金属先后产生弹性变形 塑性变形 并使金属晶格产生滑移 而后断裂 以直角自由切削为例 如果忽略了摩擦 温度 和应变速度的影响 金属切削过程如同压缩过程 切削层受刀具挤压后也产生塑性变形 图2 1金属的压缩与切削 图2 1金属的压缩与切削 通常把切削刃作用部分的金属层划分为三个变型区 如图2 1 c 所示 第 变形区近切削刃处切削层内产生的塑性变形区 第 变形区与前刀面接触的切屑层内产生的变形区 第 变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区 c 三个变形区 2 1 1切削变形 2 1 1 5切削变形的变化规律 2 1 1 1切屑的形成及变形特点 2 1 1 2切屑的类型 2 1 1 3变形程度的量度方法 2 1 1 4前刀面的挤压摩擦与积屑瘤 1 第一变形区金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用 经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑 下面以直角自由切削为例 分析较典型的连续切屑的形成过程 a 质点滑移过程 图2 2切屑形成过程 2 1 1 1切屑的形成及变形特点 2 第二变形区内金属的挤压摩擦变形 经过第一变形区后 形成的切屑要沿前刀面方向排出 还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力 切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形 第二变形区的变形 这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里 表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行 3 第三变形区内金属的挤压摩擦变形 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦 造成纤维化与加工硬化 1 带状切屑 外形呈带状 由于工件材料不同 切削条件不同 切削过程的变形也不同 所形成的切屑多种多样 通常将切屑分为四类 2 1 1 2切屑的类型 2 挤裂切屑 切屑上与前刀面接触的一面较光洁 其背面局部开裂成节状 3 单元切屑切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状 4 崩碎切屑切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂 得到的切屑呈不规则的细粒状 切屑的类型是由材料的应力 应变特性和塑性变形程度决定的 1 相对滑移 相对滑移 是用来量度第 变形区滑移变形的程度 如图2 4 设切削层中A B 线沿剪切面滑移至A B 时的距离为 y 事实上 y很小 故可认为滑移是在剪切面上进行 其滑移量为 S 相对滑移 表示为 2 1 1 3变形程度的量度方法 图2 4相对滑移 2 1 变形系数是衡量变形的另一个参数 用它来表示切屑的外形尺寸变化大小 如图2 5所示 切屑经过剪切变形 又受到前刀面摩擦后 与切削层比较 它的长度缩短lchhD 宽度不变 这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩 变形系数 h表示切屑收缩的程度 即 2 2 式中lc hD 切削层长度和厚度 lch hch 切屑长度和厚度 图2 5切屑的收缩 2 变形系数 h 由图2 5可知剪切角 变化对切屑收缩的影响 增大剪切面AB减短 切屑厚度hD减小 故且 h变小 它们之间的关系如下 公式 2 1 2 3 表明 剪切角 与前角 0变化是影响切削变形的两个主要因素 因此 切削时塑性变形是很大的 如果增大前角 0和剪切角 使 h减小 则切削变形减小 与 h只能近似地表示切削变形等程度 2 3 2 1 1 4前刀面的挤压摩擦与积屑瘤 1 作用力分析如图2 6所示 以切屑作为研究对象 设刀具作用的正压力Fn与摩擦力Ff组成的合力Fr与剪切面上反作用力共线 并处于平衡 将合力F r分解成二组分力 在运动方向的水平分力Fz 垂直分力Fy 在剪切面上的剪切力Fs 法向力Fns 分力Fz Fy可利用测力仪测得 由于剪切力Fs的作用 使切削层在剪切面上产生剪切变形 图2 6切屑上受力分析 正压力Fn 摩擦力Ff 合力Fr 剪切力Fs 法向力Fns 合力F r Fs按下列公式计算 剪切面上产生的剪应力 应为 上两式中 摩擦角 AD 切削层面积 2 4 2 5 下面简要介绍M E Merchant提出的按最少能量原则来确定剪切角 的原理 由图2 6可知 切削力Fz为 2 剪切角 确定 前刀面上摩擦力Ff与正压力Fn之比 即为前刀面与切屑接触面间摩擦系数 tan Ff Fn 2 6 摩擦系数 或摩擦角 亦可根据已测得的分力Fz Fy值求得 tan 0 Fy Fz 2 7 2 8 3 切屑与前刀面间的摩擦 切屑与前刀面间的摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同 切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域 如图2 7所示有粘结区和滑动区 经测定切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图2 7所示 图2 7应力分布 剪应力 的分布在粘结区内 基本上是不变的 它等于较软金属的剪切屈服极限 s 在滑动区剪应力 是变化的 离切削刃越远 越小 正应力 分布在接触区内正应力 是变 化的 离切削刃越远 前刀面上正压力越小 故正应力 越小 近切削刃处正应力 为最大值 式中Ffi Fni 分别指粘结区内的摩擦力和正压力 Ari 粘结面积 av 粘结区内平均正应力 粘结区内的摩擦系数 计算方法如下 2 10 如图2 8所示 积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块 图2 8为积屑瘤替代切削刃参加切削情况 当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时 图中R0 134mm 会产生较大的挤压作用 此外 由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘附在已加工表面上 促使加工表面粗糙度增加 所以在精加工时应尽量避免或抑制积屑瘤的产生 图2 8积屑瘤 4 积屑瘤 此外 接触面间压力 粗糙程度 粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关 合理控制切削条件 调节切削参数 尽量不形成中温区域 就能较有效地抑制或避免积屑瘤的产生 以切削中碳钢为例 从图2 9曲线可知 低速 vc 3m min左右 切削时 产生的切削温度很低 较高速 vc 60m min 切削时 产生的切削温度较高 这两种情况的摩擦系数均较小 故不易形成积屑瘤 在中速 vc 20m min 积屑瘤的高度达到最大值 图2 9切削速度对积屑瘤的影响 形成积屑瘤的条件主要决定于切削温度 2 1 1 5切削变形的变化规律 从相对滑移 变形系数 h计算式中可知 切屑变形的程度主要决定于剪切角 和摩擦系数 的大小 改变加工条件 促使 增大 减小 就能减小切屑变形 影响切屑变形的因素很多 下面介绍的是其中最主要的 起决定作用的几个因素 1 前角增大前角 0 使剪切角 增大 变形系数 h减小 因此 切屑变形减小 2 切削速度切削速度vc是通过积屑瘤使剪切角 改变和通过切削温度使摩擦系数 变化而影响切削变形的 图2 11切削速度vc对 h的影响 如图2 1l以中碳钢为例 vc超过40m min继续增高 由于切削温度逐渐升高 致使摩擦系数 下降 故变形系数 h减小 vc在3 20m min范围内提高 积屑瘤高度随着增加 刀具实际前角增大 使剪切角 增大 故变形系数 h减小 vc 20m min时 h值最小 vc在20 40m min范围内提高 积屑瘤逐渐消失 刀具实际前角减小 使 减小 h增大 此外 在高速时 也由于切削层受力小 切削速度又快 切削变形不充分而使切屑变形减小 3 进给量 进给量f对切屑变形的影响规律如图2 12所示 图2 12进给量f mm r 4 工件材料 工存材料的机械性能不同 切屑变形也不同 材料的强度 硬度提高 正压力Fn增大 平均正应力 av增大 因此 摩擦系数 下降 剪切角 增大 切屑变形减小 所以 切削强度 硬度高的材料 不易产生变形 若需达到一定变形量 应施较大作用力和消耗较多的功率 而切削塑性较高的材料 则变形较大 图2 13又用不同前角 0切削不同材料时的变形系数 h值 图2 13材料对变形系数 h的影响 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力 2 1 2切削力 2 1 2 1切削力的来源 合力及其分力 2 1 2 2切削力测定和切削力实验公式 2 1 2 3单位切削力 切屑功率和单位切削功率 2 1 2 4切削力的变化规律 2 1 2 1切削力的来源 合力及其分力 切削时作用在刀具上的力 由下列两个方面组成 变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力 切屑 工件与刀具间的摩擦力 a 直角自由切削 图2 14合力及其分力 作用在前刀面的弹 塑性变形抗力Fny 作用在前刀面的摩擦力Ffy 合力Fr 作用在后刀面的弹 塑性变形抗力Fna 作用在后刀面的摩擦力Ffa 图2 14合力及其分力 b 非自由切削 在铣削平面时 上述分力亦称为 Fz 切向力 Fy 径向力 Fx 轴向力 为了便于分析切削力的作用和测量 计算切削力的大小 通常将合力Fr在按主运动速度方向 切深方向进给方向作的空间直角坐标轴z y x上分解成三个分力 它们是 主切削力Fz主运动切削速度方向的分力 切深抗力Fy切深方向的分力 进给抗力Fx进给方向的分力 图2 14 c 非自由切削 由图2 14 b 可知 合力与各分力间关系为 其中 Fy Fx ycoskr Fx Fx ysinkr式中Fxy 合力在Fr基面上的分力 2 11 现将切削力实验公式的来源简述如下 1 测力仪的工作原理如图2 15所示 电阻应变片式测力仪由传感器1 电桥电路2 应变仪 放大器 3和记录仪4组成 传感器是测力仪的主要组成部分 合理确定弹性体的结构 形状和参数 提高弹性体的制造精度 保证应变片的合理布局和粘贴质量 是提高测力仪的测量精度 刚性和灵敏度以及减小各分力间相互干涉的主要途径 图2 15测力系统方框示意图l一传感器 2一电桥电路 3一应变仪 4一记录仪 2 1 2 2切削力测定和切削力实验公式 测力实验的方法有单因素法和多因素法 通常采用单因素法 通过切削力实验建立的车削力实验公式 其一般形式为 式中CFX CFy CFz 影响系数 它的大小与实验条件有关 xFx xFy xFz 背吃刀量口 对切削力影响指数 yFx yFy yFz 进给量 对切削力影响指数 KFx KFy KFz 计算条件与实验条件不同时对切削力的修正系数 2 车削力实验公式的建立 下面简要说明建立主切削力Fz实验公式的基本原理 图2 16双对数坐标中直线图形 a p Fz b f Fz a b 根据实验得到的 p Fz f Fz许多对应值 就可在双对数坐标中连成如图2 16所示两条直线图形 直线图形的对数方程为 lgFz 1gCap十xFzlgap1gFx 1gCf十yFzlgf上式可改写为 综合 a b 式 得Fz实验公式 式 a b c 中xFz yFz 分别为 p Fz f Fz直线图形中的斜率 通常xFz 1 yFz 0 75 0 9 Cap Cf 分别为 p Fz f Fz直线图形中的截矩 CFx 由 a b 和 c 式联立求得的系数值 c 2 1 2 3单位切削力 切削功率和单位切削功率 1 单位切削力单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力 可用下式表示 式 2 15 表明 单位切削力p与进给量f有关 它随着进给量f增加而减小 单位切削力p不受背吃刀量ap的影响 这是因为背吃刀量改变后 切削力Fz与切削层面积AD以相同的比例随着变化 而进给量f增大 切削层面积AD随之增大 而切削力Fz增大不多 利用单位切削力p来计算主切削力Fz较为简易直观 2 15 2 切削功率 切削功率Pm是指车削时在切削区域内消耗的功率 通常计算的是主运动所消耗的功率 式中Fz 主切削力 N vc 主运动切削速度 机床电动机所需功率PE应为 PE Pm kW 2 17 式中 机床传动效率 2 16 单位切削功率Ps是指单位时间内切除单位体积金属Zw所消耗的功率 Ps Pm ZwkW 2 18 另外可导出Pm Ps之间的关系式 表2 1为使用硬质合金车刀对部分常用金属材料进行切削实验求得的单位切削力p和单位切削功率Ps值 实验是在固定进给量f 0 3mm r和其余条件下进行的 当进给量f改变时 应将p和Ps值乘表2 2中修正系数Kfp Kfps 2 19 3 单位切削功率 表2 1硬质合金外圆车刀切削常用金属时单位切削力和单位切削功率 f 0 3mm r 2 1 2 4切削力的变化规律 影响切削力的因素主要有四个方面 工件材料 切削用量 刀具几何参数及其它方面的因素 1 工件材料的影响工件材料是通过材料的剪切屈服强度 s 塑性变形 切屑与刀具间摩擦系数 等条件影响切削力的 从表2 1中可以反映出不同材料对切削力的影响程度 表2 2进给量f对单位切削力或单位切削功率的修正系数Kfp Kfps 背吃刀量和进给量背吃刀量ap和进给量f增大 分别使切削宽度bD 切削厚度hD增大 因而切削层面积AD增大 故变形抗力和摩擦增加 而引起切削力增大 但是ap和f增大后 它们分别使变形和摩擦增加的程度不同 2 切削用量的影响 切削速度加工塑性金属时 切削速度vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样 它们都是积屑瘤与摩擦的作用造成的 在低速到中速范围内 5 20m rain 随着速度vc的提高 切削变形减小 故主切削力Fz逐渐减小 中速时 20m min左右 变形值最小 Fz减至最小值 超过中速 随着速度vc的提高 切削变形增大 故Fz逐渐增大 在更高速度范围内 vc 35m min 切削变形随着速度增加而减小 故切削力Fz逐渐减小而后达到稳定 以车削45钢为例 由图2 20可知 图2 20切削速度vc对切削力Fz影响 表2 3切削速度vc改变时切削力Fz影响的修正系数KvFz 前角前角 0增大 切削变形减小 切削力减小 但增大前角 0 使三个分力Fz Fy和Fx减小的程度不同 表2 4为用kr 75 外圆车刀车削45号钢和灰铸铁时前角 0对切削力的修正系数 表2 3为车削钢时切削速度vc对切削力Fz影响的修正系数 3 刀具几何角度的影响 表2 4前角改变时切削力的修正系数K 0F 主偏角kr改变使切削面积的形状和切削分力Fxy的作用方向改变 因而使切削力也随之变化 由实验得到的图2 22中表明 主偏角kr在30 60 范围内增大 由切削厚度hD的影响起主要作用 促使主切削Fz减小 主偏角约在60 90 范围内增大 刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出 故主切削力Fz增大 图2 22主偏角kr对切削力影响 主偏角 表2 5主偏角kr对切削力的修正系数KkrF 表2 5为主偏角kr对切削力的修正系数 刃倾角 s 由实验可知 刃倾角 s对主切削力Fz影响很小 但对切深抗力Fy 进给抗力Fx影响较显著 刃倾角 s的绝对值增大时 使主切削刃参加工作长度增加 摩擦加剧 但在法剖面中刃口圆弧半径r 减小 刀刃锋利 切削变形减小 上述作用的结果是使Fz变化很小 刃倾角 s对Fy Fx的作用如图2 23所示 当刃倾角 s由正值向负值变化时 使正压力Fn倾斜了刃倾角 s 从而改变了合力Fr及其分力Fxy的作用方向 Fxy的切深分力Fy增大 进给分力Fx减小 通常刃倾角 s每增减l 使切深分力Fy增减 2 3 图2 23刃倾角 s对切削力Fy Fx影响 由此可见 从切削力观点分析 切削时不宜选用过大的负刃倾角 尤其在加工的工艺系统刚性较差情况下 往往因 s增大Fy的作用而产生振动 表2 6车削45号钢时刃倾角 s对切削力修正系数K sF 4 其它因素的影响 刀具的棱面 刀尖圆弧半径 刀具磨损的影响 表2 6为车削45号钢时刃倾角 s改变对切削力修正系数 2 1 3切削热与切削温度 2 1 3 2切削热的来源与传导 2 1 3 2切削温度 2 1 3 3影响切削温度的因素 2 1 3 1切削热的来源与传导 切削是由切削功转变而来的 如图2 25所示 其中包括 剪切区变形功形成的热Qp 切屑与前刀面摩擦功形成的热Q f 已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Q f 产生总的切削热Q 分别传人切屑Qch 刀具Qc 工件Qw和周围介质Qf 切削热的形成及传导关系为 Qp Q f Q f Qch Qw Qc Qf 2 20 2 1 3 2切削温度 通过切削区域产生的变形功 摩擦功和热传导 可以近似推算出切削温度值 以计算切削区域平均温度为例 切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的 单位时间内产生的热q等于消耗的切削功率Pm 即 q Fzvc 60W式中Fz 主切削力 N vc 切削速度 m min 1 切削温度计算 测量切削温度的方法有 热电偶法 热辐射法 涂色法和红外线法等 其中热电偶法测温虽较近似 但装置简单 测量方便 是较为常用的测温方法 自然热电偶法 人工热电偶法 2 1 3 3影响切削温度的因素 切削温度与变形功 摩擦功和热传导有关 也就是说 切削温度的高低是由产生的热和传走的热两方面综合影响的结果 做功越多 生热越多 散热越少时 切削温度越高 影响生热和散热的因素有 切削用量 刀具几何参数 工件材料和切削液等 2 切削温度的测定 2 1 4刀具磨损与刀具耐用度 2 1 4 1刀具磨损形式 2 1 4 2磨损过程和磨钝标准 2 1 4 3刀具磨损原因 2 1 4 4刀具耐用度 2 1 4 5影响刀具耐用度的因素 2 1 4 1刀具磨损形式 刀具磨损形式分为正常磨损和非正常磨损两大类 正常磨损是指在刀具设计与使用合理 制造与刃磨质量符合要求的情况下 刀具在切削过程中逐渐的磨损 1 正常磨损 后刀面磨损 前刀面磨损 前后刀面同时磨损 非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象 其中有 破损在切削刃或刀面上产生裂纹 崩刃或碎裂 卷刃切削时在高温作用下 使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象 2 非正常磨损 2 1 4 2磨损过程和磨钝标准 正常磨损情况下 刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大 若以后刀面磨损为例 它的典型磨损过程如图2 20所示 图中大致分三个阶段 初期磨损阶段 段 正常磨损阶段 段 急剧磨损阶段 段 图2 20刀具磨损过程曲线 在后刀面月区内均匀磨损VB 0 3mm 在后刀面月区内非均匀磨损VBmax 0 6mm 月牙洼深度标准KT 0 06十0 3f f 进给量mm r 精加工根据达到表面粗糙度等级要求确定 表2 8磨钝标准VB值 mm 在ISO标准中 供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为 表2 8为车刀的磨钝标准 供选用时参考 2 1 4 3刀具磨损原因 切削时刀具的磨损是在高温高压条件下产生的 因此 形成刀具磨损的原因就非常复杂 它涉及到机械 物理 化学和相变等的作用 现将其中主要的原因简述如下 1 磨粒磨损 2 粘结磨损 3 扩散磨损 4 相变磨损 5 氧化磨损 2 1 4 4刀具耐用度 1 刀具耐用度概念刀具耐用度是指刃磨后的刀具从开始切削到磨损量达到磨钝标准为止所用的切削时间 用T分钟表示 刀具耐用度还可以用达到磨钝标准所经过的切削路程lm或加工出的零件N来表示 刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志 利用刀具耐用度来控制磨损量VB值 比用测量VB来判别是否达到磨钝标准要简便 2 刀具耐用度试验 图2 21刀具耐用度试验 a 刀具磨损曲线 b 刀具耐用度曲线 通过试验先确定5种以上不同切削速度的刀具磨损过程曲线 如图2 21 a 所示 曲线磨损量VB可利用读数显微镜测得 然后在磨损曲线上取出达到磨钝标准时的各速度vc与耐用度T对应值 并将它们表示在双对数坐标中 可得图2 21 b 所示的刀具耐磨度曲线 vc 2 24 vc T之间呈下列线性关系 式中A 与实验条件有关的系数 是曲线中截距 它相当于T 1min时的切削速度 m vc对T影响程度指数 在曲线中表示斜率 系数A和指数m可从图形求出 精确的可用回归法计算 m值越小 表示vc对T的影响越大 总的说来 切削速度对耐用度的影响是很大的 同样也可以求出进给量与切削深度对刀具耐用度的影响关系式 f ap 3 刀具耐用度合理数值的确定 刀具耐用度合理数值有两种 最高生产率耐用度Tp所确定的Tp能达到最高生产率 或者说 加工一个零件所花的时间加工一个零件的生产时间最少 加工一个零件的生产时间tpr由下列几部分组成 tpr tm tl tctm T 2 25 式中tm 切削时间 min 件 tl 辅助时间 包括装卸零件 刀具空行程时间等 min 件 tc 一次换刀所需时间 min 次 tm T 换刀次数 所确定的耐用度能保证加工成本最低 亦即使加工每一个零件的成本最低 每个零件平均加工成本Cpr为 Cpr Mtm Mtt Mt0 Ct式中M 全广每分钟开支分摊到本零件的加工费用 包括工作人员开支和机床损耗等 C 换刀一次所需费用 包括刀具砂轮消耗和工人工资等 最低生产成本耐用度Tc 上式改写为 对上式微分 并令dCpr dT 0 求出最低成本耐用度Tc为 刀具耐用度的具体数值 可参考有关资料或手册选用 2 27 2 1 4 5影响刀具耐用度的因素 1 切削用量的影响 2 刀具几何参数的影响 3 加工材料的影响 4 刀具材料的影响 2 2金属切削过程基本规律的应用 提要 本节运用金属切削过程基本规律的理论 从解决控制切屑 改善材料加工性能 合理选用切削液 刀具几何参数和切削用量方面问题 来达到保证加工质量 降低生产成本 提高生产效率的目的 介绍这些知识 也是为使用与设计刀具以及分析刀具以及分析解决生产中有关的工艺技术问题打下必要的基础 2 2 1工件材料的切削加工性 2 2 2切削液 2 2 3刀具几何参数的合理选择 2 2 4切削用量的合理选择 本节提纲 工件材料的切削加工性是指工件材料被切削成合格的零件的难易程度 2 2 1 1评定工件材料加工性的主要指标 1 刀具耐用度指标在切削普通金属材料时 用刀具耐用度达到60min时允许的切削速度v60的高低来评定材料的加工性 难加工材料用v20来评定 此外 经常使用相对加工性指标 即以45号钢 HB170 229 b 0 637GPa 的v60为基准 记作v060 其它材料的v60与v20之比值称为相对加工性 即 Kv 2 29 2 2 1工件材料的切削加工性 2 加工表面粗糙度指标 在相同加工条件下 比较加工后表面粗糙度等级 粗糙度值低 加工性好 反之 加工性差 此外 材料加工的难易程度主要决定于材料的物理 力学和机械性能 其中包括材料的硬度HB 抗拉强度 b 延伸率 冲击值ak和导热系数k 故通常还可按它们的大小来划分加工性等级 见表2 9 确定了材料加工性能 对于改善材料加工性 合理选择刀具材料刀具几何参数和切削用量提供了重要的依据 表2 9工件材料加工性分级表 1 调整化学成分 2 材料加工前进行合适的热处理 3 选择加工性好的材料状态 4 其它 2 2 1 2改善材料切削加工性的措施 2 2 2切削液 切削液主要用来减少切削过程中的摩擦和降低切削温度 合理使用切削液 对提高刀具耐用度和加工表面质量 加工精度起重要的作用 2 2 2 1切削液的作用 1 冷却作用 2 润滑作用 边界润滑原理 3 洗涤与防锈作用 2 2 2 2常用切削液及其选用 1 水溶液水溶液主要起冷却作用 2 切削油切削油主要起润滑作用 3 乳化液乳化液是在切削加工中使用较广的切削液 它是由水和油混合而成的液体 常用它代替动植物油 生产中使用的乳化液是由乳化剂加水配制而成 浓度低的乳化液含水比例多 主要起冷却作用 适用于粗加工和磨削 浓度高的乳化液 主要起润滑作用 适于精加工 4 极压切削油和极压乳化液 2 2 3刀具几何参数的合理选择 2 2 3 1前角 前刀面的功用和选择 前角选择原则 在刀具强度许可条件下 尽量选用大的前角 对于成形刀具来说 车刀 铣刀和齿轮刀等 减小前角 可减少刀具截形误差 提高零件的加工精度 前角的数值应由工件材料 刀具材料和加工工艺要求决定 2 2 3 2后角和后刀面的功用和选择 后角的选择原则是 在粗加工以确保刀具强度为主 可在4 6 范围内选取 在精加工时以保证加工表面质量为主 一般 0 8 12 主偏角kr主要影响切削宽度bD和切削厚度hD的比例并影响刀具强度 此外 增大主偏角kr是控制断屑的一个重要措施 主偏角kr选择原则主要是 在工艺系统刚性不足的情况下 为减小切削力 选取较大的主偏角 在加工强度高 硬度高的材料时 为提高刀具耐用度 选取较小主偏角 根据加工表面形状要求选取 如车削台阶轴取kr 90 车外圆又车端面取kr 45 镗盲孔取kr 90 副偏角k r影响加工表面粗糙度和刀具强度 通常在不产生摩擦和振动条件下应选取较小的副偏角 表2 13为不同加工条件时的主 副偏角值 供选择参考 2 2 3 3主偏角 副偏角的功用与选择 表2 13主偏角kr 副偏角k r选用值 过渡刃的选择原则是 普通切削刀具常磨出较小圆弧过渡刃 以增加刀尖强度和提高耐用度 随着工件强度和硬度提高 切削用量增大 则过渡刃尺寸可相应加大 一般可取过渡刃偏角kr 1 2kr 宽度b 0 5 2mm或取圆弧半径r 0 5 3mm 刃倾角 s主要影响切屑的流向和刀具强度 刃倾角 s的选择原则是 主要根据刀具强度 流屑方向和加工条件而定 刃倾角的具体数值可参考表2 14选择 表2 14刃倾角 s数值的选用表 2 2 3 4刃倾角功用与选择 2 2 4切削用量的合理选择 2 2 4 1切削用量选择原则根据不同的加工条件和加工要求 又考虑到切削用量各参数对切削过程规律的不同影响 故切削用量参数ap f和vc增大的次序和程度应有所区别 可以从以下几个主要方面分析 表面粗糙度 生产效率 机床功率 刀具耐用度 生产效率 机床功率 刀具耐用度 切削用量ap f和vc增大 切削时间减小 一般情况下尽量优先增大ap 以求一次进刀全部切除加工余量 当背吃刀量ap和切削速度vc增大时 均使切削功率成正比增加 此外 增大背吃刀量口ap 使切削力增加多 而增大进给量f使切削力增加较少 消耗功率也较少 所以 在粗加工时 应尽量增大进给量f是合理的 在切削用量参数中 对刀具耐用度影响最大的是切削速度vc 其次是进给量f 影响最小的是背吃刀量ap 优先增大背吃刀量ap不只是达到高的生产率 相对vc与f来说对发挥刀具切削性能 降低加工成本也是有利的 综上所述 合理选择切削用量 应该首先选择一个尽量大的背吃刀量ap 其次选择一个大的进给量f 最后根据已确定的ap和f 并在刀具耐用度和机床功率允许条件下选择一个各理的初削速度vc 这是在半精加工 精加工时确定切削用量应考虑的主要原则 在较理想的条件下 提高切削速度vc 能降低表面粗糙度值 而在一般的条件下 提高背吃刀量ap对切削过程产生的积屑瘤 鳞刺 冷硬和残余应力的影响并不显著 故提高背吃刀量对表面粗糙度影响较小 所以 加工表面粗糙度主要限制的是进给量f的提高 表面粗糙度 2 2 4 2切削用量选择方法 1 粗车时切削用量的选择 背吃刀量ap根据加工余量多少而定 除留给下道工序的余量外 其余的粗车余量尽可能一次切除 以使走刀次数最少 例如在纵车外圆时 当粗车余量 太大或加工的工艺系统刚性较差时 则加工余量 分两次或数次走刀后切除 通常使 第一次走刀的背吃刀量apl为 第二次走刀的背吃刀量ap2为 进给量f 当背吃刀量ap确定后 再选出进给量f就能计算切削力 该力作用在工件 机床和刀具上 也就是说 应该在不损坏刀具的刀片和刀杆 不超出机床进给机构强度 不顶弯工件和不产生振动等条件下 选取一个最大的进给量f值 或者利用确定的ap和f求出主切削力Fz来校验刀片和刀杆的强度 根据计算出的切深Fy来校验工件的刚性 根据计算的进给抗力Fx来校验机床进给机构薄弱环节的强度等 按上述原则可利用计算的方法或查手册资料来确定进给量f的值 表2 15为硬质合金车刀和高速钢车刀粗车外圆和端面时的进给量f值 注 有冲击时 进给量应减小20 表2 15硬质合金车刀及高速钢车刀粗车外圆和端面时的进给量 在背吃刀量ap和进给量f选定后 再根据规定达到的合理耐用度值 就可确定切削速度vc 刀具耐用度T所允许的切削速度vT应为 除了用计算方法外 生产中经常按实际经验和有关手册资料选取切削速度 在粗车时切削用量还受机床功率的限制 因此 选定了切削用量后 尚需校验机床是否足够 应满足 机床功率允许的切削速度为 上式PE 机床电动机功率 Fz 主切削力 机床传动效率 校验机床功率 背吃刀量ap半精车的余量较 约1 2mm左右 精车余量更小 半精车 精车背吃刀量的选择 原则上取一次切除的余量数 但当使用硬质合金时 考虑到刀尖圆弧半径与刃口圆弧半径的挤压和摩擦作用 背吃刀量不宜过小 一般大于0 5mm 2 半精车 精车切削用量选择 切削速度vc半精车 精车的背吃刀量和进给量较小 切削力对工艺系统强度和刚性影响较小 消耗功率较少 故切削速度主要受刀具耐用度限制 切削速度可利用公式或资料确定 进给量f半精车和精车的背吃刀量较小 产生的切削力不大 故增大进给量对加工工艺系统的强度和刚性影响较小 所以 增大进给量主要受到表面粗糙度的限制 在已知的切削速度 预先假设 和刀尖圆弧半径条件下 根据加工要求达到的表面粗糙度可以利用计算的方法或手册资料确定进给量 从资料中选用进给量时 应预选一个切削速度 通常切削速度高时的进给量较速度低的进给量大些- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 切削 过程 基本 规律 应用
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