毕业论文-大长细比深孔仿形加工刀具系统设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 毕业设计（论文） 系系 别别 ： 专专 业业： 学学 生生 姓姓 名名： 学学 号：号： 设计设计( (论文论文) )题目题目： 大长细比深孔仿形加工刀具系统设计 起起 迄迄 日日 期期: : 2012 年 9 月 24 日 2012 年 12 月 16 日 设计设计( (论文论文) )地点地点: : 指指 导导 教教 师师: : 专业教研室负责人专业教研室负责人: : 日期: 2012 年 月 日 摘摘 要要 大长细比深孔仿形加工加工在机械加工领域中占有非常重要的地位，约占孔加工量 的 40%以上。随着科学技术的进步，新型高强度、高硬度和高 价值难加工深孔零件的不 断出现，加工工件在加工深度、加工精度以及加工效率上要求的不断提高，使得深孔加 工成为机械加工的关键工序和加工难点。传统的加工 方法由于工艺系统刚度，切削排 出及冷却润滑的问题。越来越难以满足甚至根本达不到现在的深孔加工在精度、效率、 材料上的要求。所以这时的深孔加工需要一种 特定的钻削技术的支持。随着我国机械 制造业的迅速发展，使得原本局限于军事工业、航空航天等特定领域的深孔加工技术及 装备在我国各行业也得到了广泛的应用。 关键词：深孔钻，分析研究，钻削 1 Abstract Deep hole drilling process in the field of mechanical processing occupies a very important position, accounting for about40% of the volume of the above the hole processing. With the progress of science and technology, high strength, high hardness and high value of difficult to machining deep hole parts appear continuously, processing a workpiece in machining depth, machining precision and processing efficiency requirements continue to increase, the deep hole processing becomes the key process and mechanical processing machining. The traditional processing method due to the rigidity of processing system, cutting discharging and cooling lubrication problem. More and more difficult to meet or simply not up to now the deep hole processing in the precision, efficiency, material requirements. So when the deep hole processing require a specific drilling technical support. Chinas machinery manufacturing industry is developing rapidly, which was confined to the military industry, aerospace and other specific areas of deep hole machining technology and equipment in our country each industry has been widely applied. Key Words:Key Words: deep hole drilling, analysis, drilling 2 目录 摘 要 . 2 Abstract . 1 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 本课题研究的目的与意义 . 1 1.2 国内外发展与现状 . 2 1.2.1 大长细比深孔仿形加工技术的发展 2 1.2.2 国内外现状 3 1.3 深孔加工简介 . 5 1.3.1 深孔的定义 5 1.3.2 深孔加工的分类 . 6 1.3.3 深孔加工的特点 . 6 第 2 章 内排屑深孔钻切屑的处理与控制 . 8 2.1 切屑形成的基本理论与屑形控制 8 2.1.1 滑移与滑移线 . 8 2.1.2 切屑的变形和卷曲 . 11 2.1.3 切屑屑形及其控制 . 11 2.1.4 切屑形成过程中的声响与织构现象 . 14 2.2 切屑的基本形态 . 14 2.3 切屑的折断原理 15 2.4 切屑的控制 18 2.5 几种常用的断屑方法 21 第 3 章 积屑瘤与切削 . 23 3.1 积屑瘤； 23 3.2 钻削加工 26 第 4 章 大长细比深孔仿形加工系统比较与研究 . 29 第 5 章 大长细比深孔仿形加工分析与研究 . 32 5.1 系统的钻削原理 . 32 5.2 系统的构成及总体布局 32 5.3 钻削系统的关键部件设计一授油器的设计 33 3 5.4 大长细比深孔仿形加工时对刀具材料的要求 35 5.5 大长细比深孔仿形加工时常用刀具材料 35 第 6 章 大长细比深孔仿形加工系统设计(实例分析) 37 6.1 方案的确定 . 37 6.2 分析与计算 . 38 6.2.1 车床型号的选择 38 6.2.2 冷却排屑系统设计 . 39 6.3 主要图纸设计 . 40 6.4 镗刀系统设计 41 6.4.1 镗刀头 41 6.4.2 镗杆选择 . 41 6.5 箱体的结构设计 42 6.6 镗刀强度及镗杆的稳定性验算 44 第 7 章 自激振动及抑制 . 47 7.1 振动对机械加工的影响 47 7.2 机械加工中振动的种类 47 7.3 机械加工中振动的产生、特征及抑制 48 总 结 . 52 参考文献 . 53 致 谢 . 54 4 5 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 本课题研究的目的与意义 深孔加工技术最初应用于国防军工制造业，加工枪管和炮筒。随着科学技术的进步， 工业的发展，深孔加工技术已经运用到各机器制造部门，如石油化工机械、航空工业、 造船、冶金、发电设备、橡胶机械等，从而使深孔加工成为机械加工中必不可少的一种 工艺方法。特别是近年来随着宇航制造业、原子能工业、电力工业等行业的迅速发展， 对机器及其零部件的综合性能提出了更高的的要求。新型高强度、高硬度的材料如钛合 余、不锈钢、耐热合金、高锰钢、复合材料等应用越来越多，这些材料具有良好的物理 机械性能、抗腐性能、抗磁性能和抗高温氧化性能，在某些方面非常优良。但它们的切 削加工性一般较差，表现为切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、断屑、排屑困难。 在这类材料上加工长径比大的孔，就显得十分困难。所以，难加工材料深孔加工问题是 否解决好，将直接影响机械产品的生产率和质量。特别是在重型机器制造中，能否掌握 它，运用自如，将对生产起着决定性的作用。 大长细比深孔仿形加工条件比较恶劣，它是在封闭或半封闭的状况下进行的，因此， 不能直接观 察刀具的切削情况，切削热不易传散，而且排屑困难，工艺系统刚性差，切削效果不理 想。难加工材料由于其切削性能差，切削热量大，刀具耐用度很低，容易堵屑，而造成 刀具、工件甚至机床损坏。大长细比深孔仿形加工对工艺、刀具和设备有着比较特殊的要 求，目前专 门化的研究机构还比较少，因此，该项技术目前在许多企业中都属于“瓶颈”问题。如 果该项技术能够得到有效推广，必将大大地提高我国机械制造业的技术水平，产生巨大 的社会及经济效益，市场前景非常乐观。 深孔加工在各行各业应用都比较普遍，如枪炮管深孔加工，发动机输水孔、活塞销、 曲轴通油孔，车辆的减振器筒、液压缸，火箭发射装置的精密高强度导管，航空仪表的 测流、测压精密管，核电站的不锈钢管的加工，石油测井仪器等等。这是一项具有代表 性既关系到产品性能质量，又关系到工艺成本和生产周期的关键技术。如能以最少的投 入，最快的速度使我国深孔加工技术提高到国际先进水平，对于我国制造行业的技术改 造和综合国力的提高将有巨大促进。 2 专门用于加工深孔的钻头。在机械加工中通常把孔深与孔径之比大于6的孔称为深孔。 大长细比深孔仿形加工时,散热和排屑困难，且因钻杆细长而刚性差，易产生弯曲和振动。 一般都要借助压力冷却系统解决冷却和排屑问题。 大长细比深孔仿形加工的钻孔长度（或深度）大于等于孔直径的三倍。 所用钻有时 称为 BTA 或喷吸钻。 冷却液通过钻头内部送到切削边。 大长细比深孔仿形加工在机械加工中占有非常重要的地位，但由于有一些技术 问题 尚未解决，至今仍是金属切削加工的“瓶颈”工序。在深孔加工中，常常发生钻头刀齿突然 崩刃或断齿，即钻头破损，其结果是工件孔表面损伤，钻杆扭弯、断裂，甚至机床被损坏。 破损是深孔钻最主要的损坏形式。 1.2 国内外发展与现状 1.2.1 大长细比深孔仿形加工技术的发展 人类对深孔加工技术的需求，至少可以追溯到 14 世纪欧洲滑膛枪的问世，远比第一 次工业革命后现代机械技术的发展要早很多。 工具和工具制造技术的产生和发展，源于人类生产活动和战争的需要。中国是火药的 发源地。早在元、明时期已普遍使用金属管型火器手铳、火铳及火枪。金属管型火器 是最早出现的深孔零件，比现代意义上的机械零件早出若干世纪。 最早的管式火器是采用铸造、锻造方法制成。由于精度很低使用范围十分有限。随着 时代的发展，人们对深孔工件的精度有了越来越高的要求。深孔加工工艺的革新问题显得 迫在眉睫。 图图 1-1 扁钻扁钻 最早用于加工大长细比深孔仿形加工的深孔钻头是扁钻（图 1-1） ，它发明于 18 世纪 初。1860 年美国国人对扁钻进行了改进，发明了麻花钻。1930 年出现了第一支能够连续 供油排屑并具有自动导向功能的深孔钻头枪钻（图 1-2） ，其因用于加工枪孔而得名。 3 1943 年，德国海勒公司研制出毕斯涅尔加工系统（即目前我国常称的内排屑大长细比深孔 仿形加工系统） 。 图图 1-2 枪钻枪钻 图图 1-3 BTA 深孔钻深孔钻 二战结束以后，英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、美国 的孔加工协会、法国的现代设备商会联合组成了深孔加工国际孔加工协会(Boring and Trepanning Association),简称 BTA 协会。该协会对毕斯涅尔加工系统进行了改进，定名为 BTA 系统。后来由瑞典的山特维克公司首先设计出了可转位深孔钻及分屑多刃错齿深孔钻 （图 1-3） 。BTA 法存在着切削压力高，密封困难等缺点，为克服这些不足，1963 年山特 维克公司发明了喷吸钻法。 20 世纪 70 年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出 DF(Double Feeder)法为单管双 进油装置， 它是把 BTA 法与喷吸钻法两者的优点结合起来的一种加工方法， 用于生产后得 到了令人满意的结果，目前广泛应用于中、小直径内排屑大长细比深孔仿形加工。 1.2.2 国内外现状 深孔加工技术从 20 世纪 80 年代末以来，在西方国家一直处于停滞状态。20 世纪 80 年代以来，以枪钻、BTA 钻为代表的的深孔加工技术在西方工业国未出现任何重要突破性 的改进和发展。针对 BTA 钻的种种弊端，虽然在六七十年代曾经先后推出双管喷吸钻、 DF 系统两种改进方案，但均未取得很好的效果。学术方面，20 世纪 80 年代以来学术研究 出现了低潮期。20 世纪 5070 年代有关国际性学术会议增举办过几次，国际上流传的为数 不多的深孔加工专著和大批论文绝大多数是在 20 世纪 7080 年代出版和发表的。近 20 年 来，国际学术研究沉寂，很少出现有创新意义的成果和论著。此外，国际深孔加工装备处 于垄断状态，装备产品的进口价格居高不下。 4 目前国际上主要的深孔刀具供应商是瑞典的山特维克可乐满(SANDVIK Coromant)公 司。由资料5,44可知，如图 1-4 所示，其生产的深孔钻可加工直径 c D由 15mm 到 75mm 以上，钻削深度 4 l达到 c D150，孔公差达到 IT9 级。 图图 1-4 山特维克可乐满大长细比深孔仿形加工刀具加工范围山特维克可乐满大长细比深孔仿形加工刀具加工范围 我国 20 世纪下半叶才开始工业化进程，比欧洲晚了 20 年。80 年代改革开放后才逐步 加快了与国际接轨的步伐，90 年代计入工业发展快车道，1997 年以来，中国经济连续以 8%左右的速度增长，成为世界上经济增长速度最快的国家。但是我们也必须清楚地看到， 尽管我国机电产品已成为出口贸易的最强大支柱和国内经济增长的发动机，但其中大多数 仍属于劳动力密集型和资金密集型产品，技术密集型和创新型机电产品所占比重极为 10% 左右。主要机械产品技术来源的 57%和大多数电子信息设备的核心技术均依靠国外引进。 近年来机电装备的进口增长率和总额逐年均超过出口。截止 2005 年，据统计深孔钻加工 装备的 90%都是进口产品。至 70 年代末我国改革开放时，中国的深孔加工技术已整整比 西方落后了 30 年 1。 1978 年 DF 法在我国设计完成并与 1979 年正式用于生产，现广泛用于中、小直径内 排屑大长细比深孔仿形加工。国内几家重型机器制造厂相继研制成和采用了深孔套料钻， 已成功加工出 12m 长的发电机转自内孔。西安石油大学与 1989 年成功地将喷吸效应原理 应用到外排屑枪钻系统，使枪钻的加工性能大大提高；1994 年又研制成功多尖齿内排屑深 孔钻，使大长细比深孔仿形加工的稳定性和耐用度大大提高 6。 5 1.3 深孔加工简介 1.3.1 深孔的定义 在机械加工工艺中，孔的加工主要分为浅孔加工和深孔加工两大类。两类加工之间没 有准确的界限。一般规定孔深 L 与孔径 0 d之比大于 5，即5/ 0 dL的孔称为深孔；反之 5/ 0 dL的孔被称之为浅孔 6。 在机械加工中浅孔一般采用麻花钻加工。麻花钻结构如图 1-5 所示。其结构直径 0 d、 螺旋角和螺旋槽导程之间的关系为： tan 0 d P (1-1) 人们在实践中发现，为了顺利排屑，麻花钻一次钻削的钻削深度 L 不应超过螺旋槽导 程 P 的 3/4，即4/3PL 。将其带入式(1.1)得 tan4 3 0 d L (1-2) 图图 1-5 麻花钻的螺旋角麻花钻的螺旋角 由 GB144178 查得，麻花钻的螺旋角取值在3025之间。代入式(1-2)得 6 08. 405. 5/ 0 dL。所以麻花钻的良好工作的钻深 L 是小于 5 倍孔径 0 d。因此，尽管 麻花钻在钻浅孔时是功效很高的机夹刀具，但是受钻深 L 限制，使用麻花钻加工深孔时必 须频繁退刀和进刀（有时还需要对钻头和被加工孔进行冷却润滑） ，使功效大大降低 1。 1.3.2 深孔加工的分类 深孔加工可分为一般深孔加工（钻、镗、铰等） 、精密深孔加工（珩磨、滚压等）和 电深孔加工（电火花、电解等） 。一般深孔加工又可按多种方式分类。 按加工方式分类分为： 1.实心钻孔法，用于加工无孔毛坯。如图 1-6(a)。 2.镗孔法，用于提高孔的精度和降低孔的内表面粗糙度。如图 1-6(b)。 3.套料钻孔法，使用空心钻头钻孔，加工后可取出一根芯棒。如图 1-6(c) 图图 1-6 深孔加工方式深孔加工方式 按运动形式分类分为： 1.工件旋转，刀具做进给运动。 2.工件不动，刀具作旋转进给运动。 3.工件旋转，刀具做反向旋转进给运动。 4.工件作旋转进给运动，刀具不动。 （此方法很少采用） 按排屑方式分为：内排屑、外排屑两种方式。外排屑又分为前排屑、后排屑两种方式。按 加工系统冷却分类分为枪钻系统、BTA 系统、喷吸钻系统、DF 系统。 1.3.3 深孔加工的特点 深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的，故其具有以下特点： 1.不能直接观察到刀具的切削情况。目前只能凭经验，通过听声音、看切屑、观察机 床负荷及压力表、触摸振动等外观现象来判断切削过程是否正常。 7 2.切削热不易传散。一般切削过程中 80%的切削热被切屑带走，而大长细比深孔仿形 加工只有 40%，刀具占切削热的比例较大，扩散迟、易过热，刃口切削温度可达 600必 须用强制有效的冷却方式。 3.切屑不易排出。由于孔深，切屑经过的路线长，容易发生阻塞，造成钻头崩刃。因 此，切屑的长短和形状要加以控制，并要进行强制性排屑。 4.工艺系统刚性差。因受孔径尺寸限制，孔的长径比较大，钻杆细而长，刚性差，易 产生振动，钻孔易走偏，因而支撑导向极为重要。 BTA加工法，也就是内排屑高效率钻削法。 它是在枪炮钻基础上发展起来的，采用 圆形空心钻杆和高压密封装置，将大量高压切削液压入钻杆和工件孔壁之间的环形间隙 中，流入切削区，然后和切屑一起从钻杆的内孔中排出。由于切屑不会划伤工件孔壁，加 之环形间隙中的高压切削液能起到阻尼钻杆振动的作用(见图1)。因此 BTA加工方法具有 加工表面粗糙度值低、精度高，钻孔效率高及刀具系统性能好等优点。 1-1 BTA法工作原理图 8 第第 2 章章 内排屑深孔钻切屑的处理与控制内排屑深孔钻切屑的处理与控制 切屑 的 处 理与控制是深孔钻钻削难于解决的问题，关系到钻削是 否顺利，生产效率的高低，经济效益等一切问题。 2.1 切屑形成的基本理论与屑形控制 由于金属切削过程是在高温、高压、高速下进行，因此切屑的形成机理相当复杂。 为了在切削加工中有效控制屑形，提高加工效率，改善加工表面质量，有必要对金属切 削过程的一些基本理论进行深入研究和探讨。 2.1.1 滑移与滑移线 机械制造是利用金属塑性变形机理，采取滚压、轧制、冷拔或切削加工等方法，使 零件达到要求的形状和尺寸。根据金属塑性变形理论可知，金属产生塑性变形的基本机 理是滑移，即清移是金属最主要的塑性变形方式。 金属的滑移仅在剪应力作用下才能发生， 即当剪应力 t 达到金属材料的剪切强度极限 ts 时，便会产生塑性变形。在平面变形条件下，多晶体金属中的滑移是沿最大剪应力方 向发生的，即滑移带与最大剪应力迹线相重合。假设在连续应力场(塑性区)内最大剪应 力迹线是无限密集的，则沿最大剪应力方向不断由一点到与其无限接近的另一点，即可 在变形平面上绘出两组相互正交的曲线(如图 1 所示)，从而形成由切屑形成过程中第一 变形区内部分滑移线与流线(或相邻部分)组成的格子。 滑移线的微分方程为 第一组滑移线： dy/dx=tanw 第二组滑移线： dy/dx =-tanw 9 图 2-1 滑移线和最大剪应力迹线 图 2-2 与滑移线相切的直角坐标系 第一、第二滑移线的参变量分别用 a 和 b 代替。选取滑移线 oa、ob 为两曲线坐标轴， 用坐标轴的曲线坐标(a，b)表示平面上 p 点的位置（见图 2-2） 。这样，在曲线坐标网的 任一 a 线上坐标 b 等于常值；在任一 b 线上坐标 a 等于常值。因此，在无限接近 p 点处， 坐标曲线 a 和 b 与选取的直角坐标轴相重合，因此可认为 dx=dsa， dy=dsb 1-1 10 式中，dsa 和 dsb 分别为曲线 a 和 b 的弧长微分。因此有 （1-2） 由于直角坐标轴与滑移线相切，因此对于 a 而言，w=0。由于沿曲线 a 和 b 的角度 w 是不断变化的，因此偏导数 不等于零，从而使切屑在形成过程中产生变形和卷曲。 图 2-3 两滑移线间的滑移线转角 图 2-4 切屑中的应力 11 2.1.2 切屑的变形和卷曲 根据滑移线性质的汉基定理可知，滑移线 a1 与 a2、b1 与 b2 是无限接近的。b1 线在 p 点与 f 点的法线的交点 O1 为 b1 线在 p 点的曲率中心；b2 线在 e 点与 d 点的法线的 交点 O2 为 b2 线在 e 点的曲率中心。在图 3 中，wpf=wed，wpe=wfd。b2 线在 p 点的 曲率半径等于 b2 线在 e 点的曲率半径加上滑移线 a1 由 e 点与 p 点的弧长增量 s。由 于弧长 pfed(见图 3)，从而使切屑发生变形。同理，由于弧长 pefd，切屑必然发生 卷曲。 在图 2-4 中，用一个剪切面 oM 代替第一变形区，如果用点流动到剪切面上的 p 点， 第二滑移线与第一滑移线在 p 点的切线垂直，即剪应力 t 与平行于第一滑移线在 p 点的 切线的正应力 s 形成直角。在坐标系 xpy 内，p 为原点，OM 即为第二滑移线的切线，X 轴即为 s 和 t 的合力方向，并与 t 成 45 的夹角，与第一滑移线在 p 点的切线的夹角为 p/4。由于 s 和 t 的夹角为 p/2。 s 和-s 形成一个力矩，使切屑以 p(空间坐标时为 Z)为轴 发生卷曲。 此外，随着切屑在前刀面上流动，其底层受到挤压，晶粒被拉长，造成切屑底部膨 胀，促使切屑进一步弯曲变形，引起切屑卷曲。 2.1.3 切屑屑形及其控制 金属材料的性能不同，其滑移性质也不相同，即使在相同条件下进行切削，所得切 屑的类型、尺寸(变形程度)也不相同。 对于多晶体的塑性金属，切应力与作用于滑移线上的正应力的大小和方向无关，引 起滑移面切变的原子移动是依次发生的，因此在切削塑性金属时容易得到连续状切屑。 低塑性金属(或因形变硬化使塑性变差的金属)的切应力与正应力的大小和方向有关，容 易产生刚性滑移(或称机械滑移)，它与塑性金属发生的位错式滑移明显不同，由原子层 组成的原子群在滑移面上相对于另一些材料层同时滑动，随着滑移的产生，滑移带的不 完整性破坏增大，结果将导致宏观完整性破坏。因此，切削脆性金属时，容易因机械滑 移而得到崩碎切屑。 12 2-5 车刀几何参数示意图 切削塑性金属时，断屑是需要解决的主要矛盾。为有利于断屑，应尽可能增大切屑 的基本变形和附加变形。如以较高切削速度切削碳钢或合金钢时，为得到螺旋卷屑、长 紧卷屑或 C 形切屑，车刀应采用外斜式卷屑槽(见图 2-5)，刀具合理几何参数范围： t=5 -15 ， h=0.5-1.5mm， s=65 -80 ； k 值由背吃刀量则和进给量 f 决定， 当 ap=0.4=20mm、 f=0.15-1mm/r 时，k=1.5-7mm。文献2、7等给出了这方面的一些参考数据，但文献中 给出的切削用量、 刀具几何参数(尤其是倒棱、 卷屑槽等参数)以及附加断屑台(或断屑器) 结构、尺寸等与切削用量相匹配的数据多是在特定试验条件下得出的，如工件材料性质 或切削条件改变，刀具几何参数、断屑台(或断屑器)尺寸等也需通过试验重新确定。 切削灰铸铁等脆性金属时，如何得到连续屑形也是一大难题。脆性金属的切削过程 如图 6 所示。当刀具刚切入工件时，被切削金属层首先发生弹性变形(见图 6a)；随即切 屑在切削刃部开始产生裂口(见图 6b) ；刃前裂口以每秒上千米的速度发生失稳扩展， 使被切削金属层产生不同方向的裂纹(见图 6c)；裂纹贯穿整个切削厚度，形成不规则的 崩碎切屑(见图 6d)。 加工 HT200 材料时，刀具前角和切削速度对切屑长度的影响如图 7 所示。当切削速 度 v 2.5m/s，刀具前角 0=30 时，由于切削温度较高，切屑呈暗红色被“挤”出，虽 然可得到硬度较高的连续形切屑(类似钢屑)，但在此切削条件下切削力太大，切削温度 过高，不适用于实际生产。选取较大的刀具前角虽可减小切屑变形，但在较高切削速度 下，因切屑与前刀面接触长度减小，使切屑长度也缩短。此外，前角过大可能引起“自 动切入”现象。在实际加工中，刀具前角取值一般在=10 -25 之间为宜。 13 图 2-6 脆性金用切削过程示意图 图 2-7 1:v=0.484m/s 2:v=1.545m/s 3:v=2.547m/s 试件材料：HT200，ac=0.1414mm，aw=5.66mm 如图 2-7 刀具前角和切削速度对切屑长度的影响 图 2-8 织构现象形成的切屑横截面形状 14 2.1.4 切屑形成过程中的声响与织构现象 在金属切削过程中，如将机床、电机等发出的其它噪声排除在外，在塑性金属切屑 的形成过程中可听到“咯吱、咯吱”的声响；在脆性金属切屑的形成过程中则可听到“咯 酥、咯酥”的声响。根据金属学原理可知，点阵过渡到新的位置几乎是瞬时完成的，因 此发出的声响并不是单纯的平直音。金属切削过程中原子键被破坏而引起的原子位置改 变如晶粒破碎(沿晶或穿晶)、晶格扭曲等会发出爆裂声，这就为确定切削过程是否正常 提供了一个判别条件。 金属材料切削变形时，不仅切屑和已加工表面中的晶粒被拉长或破碎，而且各晶粒 的晶格位向也会沿变形方向同时发生转动，使金属材料组织出现织构现象，由此形成的 切屑横截面形状如图 8 所示。已加工表面的织构现象对加工表面质量不利(表面鳞刺的 产生即与其有关)。由于切屑变形越大，织构现象越严重，因此精加工时应采用可减小 切屑变形的切削条件， 如高速切削、 选取较大刀具前角和较小切削厚度、 提高刃磨质量、 使用润滑性能好的切削液、通过热处理工艺降低工件材料塑性等。 2.2 切屑的基本形态 1、带状切屑 带状切屑 这是最常见的一种切屑。它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工 塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类 切屑。 2、节状切屑 又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削 厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。 3、粒状切屑 又称单元切屑。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切 屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。 4、崩碎切屑 切削脆性金属时，由于材料塑性很小、抗拉强度较低，刀具切入后，切削层金属在 15 刀具前刀面的作用下，未经明显的塑性变形就在拉应力作用下脆断，形成形状不规 则 的 崩 碎 切 屑 。 加 工 脆 性 材 料 ， 切 削 厚 度 越 大 越 易 得 到 这 类 切 屑 。 粒状切屑崩碎切屑 节状切屑带状切屑 图 2-9 2.3 切屑的折断原理 金属切削加工是典型的材料去除不可逆过程。加工过程中，金属材料伴随着大应变 和高温状态产生的的塑性变形和断裂并最终形成切屑在现代高精度、高效率和高自动 化的金属切削加工中，切屑控制问题越来越成为切削加工中的重要课题。不利的屑形将 严重影响操作安全、加工质量、刀具寿命、机床精度和生产效率随着虚拟制造技术的 深入研究，为我们对切削加工过程的切屑仿真研究提供了良好的途径，它将其生成、卷 曲、折断过程的运动控制溶人参数化驱动的实时加工过程仿真演示中，真正建立起具有 “沉韫感”的加工环境的虚拟体现因此有必要对切屑的形成、变形和折断的机制与规 律进行深人的研究，以便对切屑形态进行有效的控制并为实时加工过程仿真提供切屑造 型的依据并能进一步通过切屑控制和预测来优化切削参数。 1 切屑形成的复杂性 金属切削加工的过程是一个很复杂的过程，包含和涉及到很多物理机理因素，如切削 力、切削热、刀具磨损以及工件表面质量等，它们都是以切屑的件都是未知的，甚至连 边界本身也无法确定因此我们很难用简单的解析法得出切削中过程形成、流出的解析 16 解。 削加工中对切屑形成及切屑形状的影响因素很多， 并且关系复杂， 影响结果相当大 在 实际加工中，许多不稳定的因素如刀具的磨损，工件材料的不均匀性及机床的动态特性 都会导致切屑形状的改变。而对于不同的刀具刃形，材料及不同的加工参数，其切屑形 状的差异就更大、园此，切屑形成的因素错综复杂，如不经过预先试验，一般很难准确 地预测出切屑的形状。但是，切削过程与切屑形成有其本身的规律，当切削条件在一定 范围内变更时，切屑形状的变化有一定的规律可循，切削加工实践及研究证明，使切屑 的形状控制在一定的允许范围内是能够做到的。 2 切屑的形成、卷曲及折断切屑的分类方法有很多，其中以国际生产加工研究协会的 CIRP 分类法和国际标准化组织的 ISO 分类法应用最为广泛。 CIRP 切屑分类法比较系统 地反映了切屑流出、卷曲、折断与切屑类型之间的密切关系，有利于研究切屑的卷曲规 律和断屑原理。 我们下面的讨论将以这种分类法为基础展开。 21 切屑的形成、卷曲 刀具切人工件时，被切金属层经剪切面发生弹塑性措移变形成为切屑。对于切屑的卷 曲，文献 认为，前刀面的摩擦作用是切屑卷曲的主要原因这是因为前刀面的挤压作 用使切屑厚度方向存在不同的残余应变，使切屑晶粒翻转从而引起切屑的卷曲。同时， 刀具卷屑槽的存在将在很大程度上影响切屑的卷曲。日本的中山一雄指出：正常状态的 切屑一般是螺旋形切屑， 其形状可由螺旋外径 2p， 螺距 P， 螺旋面与轴线的夹角 0 确定。 切屑流出后，受到工件、刀具、机床等的阻碍引起变形或折断，从而形成各种类型的切 屑。因此，其它形状的切屑可以看成是螺旋切屑的演变和组合。 图 2-10 螺旋形切削形状参数 由切削机理可知，对螺旋形切屑产生影响的参数有：切屑上卷曲率ltp ，横卷曲率ltp ， 17 流屑角玑则螺旋切屑的形状参数可表示为 （2-3） （2-4） （2-5） 切削加工过程中，影响及因素 很多，诸如，被加工材料的性质，切削用量，刀具几何参数，冷却液及加工方式等通 过对主要影响因素的分析计算和对其它因素进行综合实验，我们得到如下公式 （2-6） （2-7） （2-8） （2-9） 18 22 切屑的折断 确定了切屑螺旋参数后，为了得到预期的屑型和最优的断屑效果，我们还必须对断屑 机理进行研究从 CIRP 分类法中，我们可以看到，当切屑的卷曲曲率很小时，容易形 成长带屑或缠乱屑；当成切屑的卷曲曲率较大时，如果切屑流出时没有受到工件或刀具 的阻碍，或受到阻碍后又脱离了阻碍，则会形成连续的螺旋屑；如果切屑受到阻碍后不 能脱离阻碍，则形成各种类型的折断屑可见，切屑卷曲曲率对切屑的类型有很大的影 响但是，我们同时看到，切屑的几何尺寸、工件和刀具的形状以及切屑相对于工件和 刀具的位置决定了切屑流出后是否碰到阻碍或碰到什么样的阻碍以及切屑受阻后的行 为此时，阻碍将对切屑的最终形状起决定作用切屑相对于工件和刀具的位置可由切 屑卷曲曲率、流屑角和切屑螺旋形状参数来计算得到 断屑的应变条件决定了切屑碰 到工件或刀具阻碍时是否会折断切屑受前刀面和和断屑槽作用后，得到向上的卷曲半 径 。 ，然后碰到后刀面使其卷曲半径增大到见，当应变 E 达到断裂应变 时， 切屑就被折断从而得到 c 形屑(图 2)所以此时切屑折断的条件为 （2-10） 图 2-11 切削的生成 卷曲 折断 图2-11所示后刀面障碍型的折断方式是在实际的车削加工中最为常见的一种切屑折 断方式。 2.4 切屑的控制 在生产实践中，有的切屑打成螺卷状，到一定长度时自行折断；有的切屑折断成C 形、6字形；有的呈发条状卷屑；有的碎成针状或小片，四处飞溅，影响安全；有的带 状切屑缠绕在刀具和工件上，易造成事故。不良的排屑状态会影响生产的正常进行。 19 图2-12 切削碎 切屑经第I、第变形区的剧烈变形后，硬度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑 排出过程中，当碰到刀具后刀面、工件上过渡表面或待加工表面等障碍时，如某一部位 的应变超过了切屑材料的断裂应变值，切屑就会折断。 20 图2-13 切削碰到刀具或工件折断 研究表明，工件材料脆性越大(断裂应变值小)、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越小， 切屑就越容易折断。可采取以下措施对切屑实施控制： (1)采用断屑槽 通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力， 使切屑应变增 大，切屑卷曲半径减小。 断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则会影响断屑效果。常用的断屑 槽截面形状有折线形、直线圆弧形和全圆弧形。 图2-14 断屑槽截面形状 前角较大时，采用全圆弧形断屑槽刀具的强度较好。断屑槽位于前刀面上的形式有 平行、外斜、内斜三种。 外斜式常形成C形屑和6字形屑，能在较宽的切削用量范围内实现断屑；内斜式常形 成长紧螺卷形屑，但断屑范围窄；平行式的断屑范围居于上述两者之间。 21 图2-15 前刀面上的断削槽形状 2)改变刀具角度 增大刀具主偏角Kr，切削厚度变大,有利于断屑; 减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断; 刃倾角 s可以控制切屑的流向，s为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C 形屑或自然流出形成螺卷屑；s为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑 或6字形屑。 (3)调整切削用量 提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度; 适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。 须根据实际条件适当选择切削用量。 2.5 几种常用的断屑方法 作出断屑槽 图 2-16 a),b)加工碳钢、合金钢、工具钢和不锈钢 c)加工塑性更高的材料 22 断屑槽位置及刃倾角作用 图 2-17 断屑槽位置及刃倾角作用 外倾式刃倾角-s，断屑范围广，粗加工； 平行式刃倾角 s =0，碰到切削表面折断，用于粗加工、半精加工； 内倾式刃倾角+s，半精加工、精加工。 2.改变切削用量 f , 断屑,影响较大（a影响） ， ap，f 时有效， v 的影响较小， v 时容易断屑。 3. 其它断屑方法 固定附近断屑挡块； 采用间断切削； 切削刃上开分屑槽 23 第第 3 章章 积屑瘤与切削积屑瘤与切削 3.1 积屑瘤； 1、积屑瘤的形成 当前刀面与切屑底层金属的摩擦力超过切屑材料本身分子之间的结合力时，滞留层 的部分金属就会粘附到刀具的前刀面上靠近刀刃处，逐渐累计便会形成一块很硬的楔状 金属瘤，通常称为积屑瘤，也叫刀瘤 。 图 3-1 积削瘤 在加工过程中，由于工件材料是被挤裂的，因此切屑对刀具的前面产生有很大的 压力，并摩擦生成大量的切削热。在这种高温高压下，与刀具前面接触的那一部分切屑 由于摩擦力的影响，流动速度相对减慢，形成“滞留层”。当摩擦力一旦大于材料内部晶 格之间的结合力时，“滞流层”中的一些材料就会粘附在刀具*近刀尖的前面上，形成积 屑瘤。 2、影响积屑瘤的主要因素 由于积屑瘤是在很大的压力、强烈摩擦和剧烈的金属变形的条件下产生的。因而， 切削条件也必然通过这些作用而影响积屑瘤的产生、长大与消失。 （1）工件材料:当工件材料的硬度低、塑性大时，切削过程中的金属变形大，切屑与 前刀面间的摩擦系数（大于1）和接触区长度比较大。在这种条件下，易产生积屑瘤。 当工件塑性小、硬度较高时，积屑瘤产生的可能性和积屑瘤的高度也减小，如淬火钢。 切削脆性材料是产生积屑瘤的可能更小。 （2）刀具前角:刀具前角增大，可以减小切屑的变形、切屑与前刀面的摩擦、切削力 24 和切削热，可以抑制积屑瘤的产生或减小积屑瘤的高度。据有关资料介绍，刀具前角 040时，积屑瘤产生的可能就小。 （3） 切削速度:切削速度主要是通过切削温度和摩擦系数来影响积屑瘤的。 当刀具没 有负倒棱时，在极低的切削速度条件下，不产生积屑瘤。以中碳钢为例，切削速度 Vc2m/min30m/min时， 积屑瘤从生产到生长到最大。 也即是说，切削温度为300 左右时，切屑与刀具间的摩擦系数最大，积屑瘤达到最高 高度。随着切削速度相应的切削温度提高，积屑瘤的高度逐渐减小。高速切削时（Vc 120m/min），由于切削温度很高（800以上），切屑底层的滑移抗力和摩擦系数显著 降低，积屑瘤也将消灭。所以我们日常精加工时，为了达到较低的已加工表面粗糙度的 办法是采用在刀具耐热性答应范围内的高速切削，或采用低速（Vc 100m/min)或低速（Vc5/min ）。 影响积屑瘤的因素： 工件材料 塑性越大，越容易产生积屑瘤。 切削速度 当工件材料一定时，切削速度是影响积屑瘤的主要因素 。 25 规律：高速或低速不易产生积屑瘤。 图3-2 切削速度是影响积屑瘤的主要因素 3、积屑瘤的作用 （1）优点：积屑瘤的硬度比原材料的硬度要高，可代替刀刃进行切削，提高了刀刃 的耐磨性；同时积屑瘤的存在使得刀具的实际前角变大，刀具变得较锋利。 （2） 缺点：积屑瘤的存在，在实际上是一个形成、脱落、再形成、再脱落的过程. 部分脱落的积屑瘤会粘附在工件表面上。刀具刀尖的实际位置也会随着积屑瘤的 变化而改变.。同时，由于积屑瘤很难形成较锋利的刀刃，在加工中会产生一定的振动。 所以这样加工后所得到的工件表面质量和尺寸精度都会受到影响。 4、积屑瘤的控制 （1）材料的性质 材料的塑性越好，产生积屑瘤的可能性越大。因此对于中、低碳 钢以及一些有色金属在精加工前应对于它们进行相应的热处理，如正火或调质等，以提 高材料的硬度、降低材料的塑性。 （2）切削速度 当加工中出现不想要的积屑瘤时，可提高或降低切削速度，亦可以 消除积屑瘤。但要与刀具的材料、角度以及工件的形状相适应。 （3）冷却润滑 冷却液的加入一般可消除积屑瘤的出现，而在冷却液中加入润滑成 分则效果更好。 5、在精加工时怎样避免产生积屑瘤 在精加工时， 为了减少积屑瘤对加工表面质量的影响， 可采取下列措施减少或避免。 积屑瘤的产生： （1）提高切削速度或降低切削速度。因为积屑瘤是在一定的切削条件下形成的，中 等切削速度最容易形成积屑瘤，应尽量避开。 26 （2）增大刀具前角、后角和刃倾角，使切削刃锋利，减小摩擦，排屑畅快。 （3）减小刀具前刀面的表面粗糙度值，减少切屑与前刀面的摩擦。 （4）浇注充分的切削液。 3.2 钻削加工 利用孔加工刀具在钻床上进行各种类型的孔加工的切削方法。 钻削运动 可进行粗加工、半精加工和精加工。 主运动：刀具的旋转运动； 进给运动：刀具或工件的平动。 一、钻削特点与加工范围 特点：钻削加工属于定尺寸切削加工，孔径尺寸受到刀具直径的限制。 加工范围：主要用于钻孔、扩孔和铰孔，也可以用来攻螺纹、锪沉头孔及锪凸台端 面。 图 3-3 钻削工艺特点 27 (1)容易产生“引偏” 引偏： a)由于钻头弯曲而引起孔径扩大，孔不圆。 b)被加工孔的端面和轴线不垂直。 避免引偏的措施： 1)预钻锥形定心坑 2)用钻套为钻头导向 3)钻头的两个主切削刃，刃磨对称。 （2）排屑困难 （3）切削热不易传散 2. 钻削的应用 IT10 以下，Ra 大于 12.5，要求高时需进一步加工。 成批大量生产中，广泛用钻模，多轴钻，组合机床。 3. 扩孔、铰孔 （1）扩孔 用于对已钻孔的进一步加工，可作为孔的半精加工或最终加工。 特点（和钻孔比） a）刀齿数多（34 个） ，故导向性好，切削平稳；生产率高 b）刀体强度和刚性较好； c）没有横刃，改善了切削条件。 因此，大大提高了切削效率和加工质量。一般情况，IT10IT9，Ra 为 3.26.3 （2）铰孔 用于中、小尺寸孔的半精加工和精加工。 一般，IT9IT7，Ra 为 0.41.6 铰孔特点 a)刀齿数多（612 个） ，故导向性好，切削平稳； b)刀体强度和刚性较好（容屑槽浅，芯部直径大） ； c）铰孔余量小，故工件的受力变形和受热变形较小。且切削速度较低，不易产生 积屑瘤。因此，铰孔的加工质量更好。 28 10 铰刀的类型 （a）直柄机用铰刀（b）锥柄机用铰刀 c）硬质合金锥柄机用铰刀（d）手用铰刀（e） 可调节手用铰刀（f）套式机用铰刀（g）直柄 莫式圆锥铰刀（h）手用 1:50 锥度铰刀 12 摇臂钻床 在大型工件上钻孔， 希望工件不动， 钻床主轴能任意调整其位置。 这就需用摇臂钻床。 摇臂钻床广泛地用于大、中型工件的加工。 29 第第 4 章章 大长细比深孔仿形加工系统比较与研究大长细比深孔仿形加工系统比较与研究 深孔加工时, 必须将切屑从孔内排出。对孔深孔径超过一定大小的孔来说, 只要排 屑能力差, 无论怎样提高刀具系统的性能!如使用能重切削和大走刀进给的刀具 都是毫 无意义的。因此, 前人采用了各种排屑法也称为深孔加工系统, 由于加工精度、效率的 关系, 经淘汰只剩下三种系统, 即枪钻系统、喷吸钻系统、DF 系统。 最近日本冶金株式会社把被称为 (系统的大长细比深孔仿形加工应用于生产取得 了很好的效果。下面把系统和上述三种系统进行比较并加以说明。各深孔加工系统的共 同点, 第一是用高压冷却液使切屑排出, 其次是用硬质合金钻头进行高速、高精度切削 加工枪钻系统如图) 所示, 冷却液由钻杆内部到达切削刃, 切屑从孔内壁与钻杆形槽之 间被冷却液的压 力推出, 即所谓冷却液推屑法。因为排屑空间大, 切屑较易于排出。这种刀具的缺点是 加工效率低, 这是因为使用了枪形钻杆, 会引起扭曲和弯曲, 不能高速进给。 图 4-1 枪钻系统 使用硬质合金刀具加工钢件时, 如果加工时进给量很小, 则将会使刀具后刃面的磨损增 大, 因此不得不使用耐磨性好的硬质合金,系硬质合金和钢的亲和力大, 易于产生刀瘤而 使加工表面光洁度变差, 一般在加工钢件时加工表面上会产生划痕。这种划痕随刀瘤的 增大而增大。但是因刀具磨损量大而不能使用。DF 系统如图 4-4 所示, 冷却液从孔的内 壁和钻杆外径之间的缝隙里到达切削刃, 切屑被冷却液从钻杆内孔中推出。由于刀具的 柄，即钻杆是管状的, 因而刚度好, 有可能进行大进给量的高效切削。但在加工小孔时, 由于冷却液通道小, 排屑困难, 故加工直径 14 以下的孔效果不好。 30 图 4-2 BTA 系统 喷吸钻系统如图 4-3 所示，使用双层管, 应用真空效应将切屑吸出, 称为冷却液吸引排 屑法。 图 4-3 喷吸钻系统 喷吸钻的刀柄即外管和 DF 系统一样是管状的, 因此刚度较高, 可采用大进给量加 工。但加工太深的孔时, 用真空效应排屑比较困难， 此外因为使用双管, 由于冷却液通 道的关系, 不能加工直径，8 以下的孔, 还有一个缺点是, 冷却液的供给方式不能抑制外 管的振动。而 DF 系统则由于孔内壁和钻杆外径之间有高压冷却液, 可使钻杆的振动受 到抑制。仅从振动阻尼效果这一点来看, 可以说 DF 系统较之喷吸钻漂统刚性更高,更容 易保证精度。系统综合了上述推压、吸引排屑法的长处, 它是在工件孔端面处安装了液 压头, 供给推压的冷却液, 在钻杆尾部装备了能产生真空吸引作用的装置，如图 4 -4。 31 图 4-4 DF 系统 BTA 是美国镗削和套料加工协会的简称，编者这个系统的最大特点是, 由于兼用推、 吸两种方式,冷却液流速加快, 提高了排屑能力。在小直径孔,特别是 14 以下的孔的加工 方面, 采用枪钻系统, 刀具刚度差, 效率很低。由