《金属切削加工及装备》课程--5技能训练应知篇之金属切削基本理论的应用.ppt

技能训练应知篇项目五 金属切削基本知识的应用 第一节切屑控制在金属切削过程中 切屑的失控 将会严重影响操作者的人身安全及机床的正常工作 可导致刀具损坏和划伤已加工表面 因此 切屑的控制是切削加工中一个十分重要的操作技能 一 切屑形状的分类生产中由于加工条件不同 所形成的切屑形态多种多样 根据ISO和国标GB T16461 1996规定 切屑的形状与名称共分为以下八类 带状 管状 盘旋状 环形螺旋 锥形螺旋 弧形 单元 针形等 如下表5 1所列 表5 1切屑形状的分类 在上表5 1中所列举的八种切屑形状中 相比之下 比较理想的切屑形状是 短管状切屑 2 2 平盘旋状切屑 3 1 锥盘旋状切屑 3 2 短环形螺旋切屑 4 2 和短锥形螺旋切屑 以及带防护罩的数控机床和自动机床上得到的单元切屑 7 和针形切屑 8 其中最安全 散热效果较好的切屑形状是短屑中的 C 6 字形和100mm左右长度的螺旋切屑 二 切屑的流向 卷曲和折断1 切屑的流向切屑的流向用流屑角 c表示 如图5 1所示 在通常切削情况下 刀具除了主切削刃起主要切削作用外 刀尖倒角 或圆弧 和副切削刃处也有非常少的部分参与切削 最终切屑流向垂直于主 副切削刃终点连线的方向 通常 切屑的流出方向与正交平面之间的夹角被称为流屑角 以 c表示 图5 1切屑的流屑角 刀具上影响流屑方向的主要参数是刃倾角 s 因为刃倾角 s的正负对切屑作用力方向不同 如图5 2所示 刃倾角 s为负时 前刀面使切屑流向已加工表面 刃倾角 s为正时 使切屑流向待加工表面 断定刃倾角 s正负的规定 刀尖为最高点时 s为正 s 0 刀尖为最低点时 s为负 s 0 当切削刃与基面平行时 刃倾角 s为零 s 0 图5 2刃倾角对切屑流向的影响 2 切屑的卷曲机理切屑的卷曲是由于切屑内部变形或碰到断屑槽等障碍物造成的 生产中常常采用强迫卷屑的方法 在前刀面上磨出适当的卷屑槽 或附加卷屑台 在切屑流过时 迫使它卷曲 a 变形差引起卷曲b 力矩引起卷曲c 断屑器作用引起卷曲图5 5切屑卷曲机理示意图 3 切屑的折断机理切屑经第I 第II变形区的严重变形后 硬度增加 塑性降低 性能变脆 当切屑经变形自然卷曲或经断屑槽等障碍物强制卷曲产生的拉应变超过切屑材料的极限应变值时 切屑即会折断 长螺卷屑折断是由于弯曲处应力过大造成 图5 6切屑折断时的受力及弯曲 三 断屑措施1 磨制断屑槽在焊接式硬质合金车刀的前刀面上可磨制如下图所示的三种槽型 折线型和圆弧型适用于加工碳钢 合金钢 工具钢等 全圆弧型适用于加工塑性大的金属材料和重型刀具 a 折线型b 直线圆弧型c 全圆弧型图5 7断屑槽的形式 断屑槽影响断屑效果的主要参数是 槽宽LBn 槽深hBn 或rBn 槽宽LBn的大小应确保一定厚度的切屑在流出时碰到断屑台而发生卷曲 前刀面上断屑槽的位置有三种形式 如图5 8所示 图中a 和b 所示的两种形式均适用于粗加工 c 形式适用于半精加工和精加工 2 改变切削用量在切削用量参数中 对断屑起影响作用最大的是进给量f f增大 切屑厚度hch增大 切屑受到碰撞后就较容易折断 其次是背吃刀量ap 但只有当ap与f同时增大时 才能有效地断屑 切削速度vc对断屑的影响作用最小 3 改变刀具角度主偏角 r是影响断屑的主要因素 主偏角 r增大 切屑厚度hch增大 容易断屑 生产中常取 r 60 90 以取得良好断屑效果 刃倾角 s能改变切屑流向 可迫使切屑流出前刀面后碰到待加工表面或后刀面上造成断屑 4 其它断屑方法 1 附加断屑装置为使切屑流出时能可靠断屑 可在前刀面上固定附加断屑挡块 使流出切屑碰撞挡块而折断 如图5 10所示 2 间断进给断屑采用振动切削装置 使切屑厚度hch变化 造成狭小截面处应力集中 强度减小 以达到断屑目的 但装置较复杂 第二节工件材料的切削加工性一 切削加工性的概念及评定指标切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度 研究材料切削加工性的目的是为了找出改善难加工材料的切削加工性的途径 常用的切削加工性的标志方法主要有以下几个 1 考虑生产和刀具使用寿命的标志方法在保证高生产率的条件下 刀具使用寿命愈高 表明该材料的切削加工性愈好 在保证相同刀具使用寿命的条件下 加工某种材料所允许的最大切削速度愈高 表明该材料的切削加工性愈好 在相同切削条件下 以达到刀具磨钝标准时所能切除的金属体积愈大 表明该材料的切削加工性愈好 2 考虑已加工表面质量的标志方法在一定的切削条件下 以加工某种材料是否容易达到所要求的加工表面质量的各项指标来衡量 由于粗糙度易于测量 通常认为容易获得较小表面粗糙度的材料的切削加工性好 3 考虑安全生产和工作稳定性的标志方法在相同的切削条件下 单位切削力较小的材料其切削加工性较好 尤其是对重型机床 在自动化生产或深孔加工中 工件材料在切削加工中愈容易断屑其切削加工性就愈好 某材料被切削时 刀具的使用寿命大 允许的切削速度高 表面质量易保证 切削力小 易断屑 则这种材料的切削加工性就好 反之 其切削加工性就差 但同一种材料很难在各项加工性的指标中同时获得良好评价 因此 在实际生产中 常常只取某一项指标 来反映材料切削加工性的某一侧面 最常用的衡量材料切削加工性指标为vT 其含义是 当刀具使用寿命为T时 切削某种材料所允许的切削速度 通常以刀具使用寿命T 60分钟 切削正火状态45钢切削速度v60 写作 v60 j 作为基准 把切削其它材料的v60与之相比较 这个比值Kv称为相对加工性 即Kv v60 v60 j当Kv 1时 表示该种材料比正火状态的45钢 抗拉强度为 b 0 637GPa 更易切削 当Kv 1时 表示该种材料比正火状态的45钢 抗拉强度为 b 0 637GPa 更难切削 各种材料的相对加工性Kv乘以45钢的切削速度 即可得出切削各种材料的可用速度 对于一些难加工材料 可取刀具使用寿命T 30分钟或15分钟 则vT写作v30或v15 目前常用的工件材料 按相对加工性Kv可分为八级 如下表5 2所示 二 影响切削加工性的因素工件材料切削加工性的好坏 主要决定于工件材料的机械性能 即物理 力学性能 化学成分 热处理状态和表层质量等指标 因此 影响材料切削加工性的主要因素有 1 材料的硬度和强度工件材料在常温和高温下的硬度和强度越高 加工中的切削力就越大 产生的切削热越高 刀具使用寿命会越低 切削加工性差 有些材料硬度和强度在常温时并不高 但随着切削热增加 其硬度和强度提高 切削加工性会变差 例如20CrMo合金钢便是如此 2 材料的塑性和韧性工件材料的塑性越大 切削变形越大 韧性越强 切削消耗的能量越多 这都使切削热增多 导致切削温度升高 塑性和韧性高的材料 刀具表面冷焊现象严重 刀具就容易磨损 切屑也不易折断 切削加工性变差 材料的塑性及韧性过低 使切屑与前刀面接触面过小 切削力和切削热集中在刀刃附近 将导致刀具切削刃破损加剧和工件已加工表面质量下降 因此 材料的塑性和韧性过大或过小 都将使其切削加工性能下降 采用不同热处理方法可影响材料相对加工性 3 材料的导热性工件材料的导热性越差 切削热越难传散 刀具表面的温度越高 会使刀具磨损严重 刀具使用寿命降低 切削加工性变差 4 材料的化学成分工件材料中所含的各种合金元素会影响材料的切削加工性 例如 材料中含碳 锰 硅 铬 钼的份量多 使材料的硬度提高 含镍量增多 材料韧性提高 导热性降低 在工件材料中含有氧和氮 易形成氧化物 氮化物的硬质点 会加速刀具磨损 以上这些都会造成工件材料的切削加工性变差 工件材料中含铅 磷 硫 会使材料的塑性降低 切屑易于折断 有利于改善切削加工性 三 改善难加工材料切削加工性的途径1 合理选择刀具材料根据工件材料性能和加工要求 应选择与之相适应的刀具材料 如切削含有钛元素的不锈钢 高温合金和钛合金时 适宜用YG类硬质合金刀具 其中细晶粒牌号刀具材料能明显提高刀具寿命 加工工程塑料和石材等非金属材料 也应选择YG类刀具 切削钢和铸铁 尤其是冷硬铸铁 宜选用Al2O3基陶瓷刀具 高速切削淬硬钢和镍基合金等 可选用Si3N4基陶瓷刀具 在铣削硬度为HRC60以上的模具钢时 可选用CBN刀具 2 适当选择热处理通常采用热处理方法可改变材料的金相组织 以达到改善切削加工性能的目的 例如对低碳钢进行正火处理 对高碳钢或工具钢进行球化退火 都能改善材料的切削加工性能 3 适当调剂化学元素在材料制备时调剂其化学成分也是改善其切削加工性的重要途径 例如在钢中加入少量的硫 铅 钙 磷等元素 在铸铁中加入少量的硅 铝等元素 在不锈钢中加入硒元素等 都能使材料的切削加工性能得到改善 4 采用新的切削加工技术随着切削加工技术的发展 一些新的切削加工方法也相继问世 例如加热切削 低温切削 振动切削 在真空中切削以及绝缘切削等 都可有效地解决难加工材料的切削问题 此外 还可通过选择加工性好的材料状态 以及选择合理的刀具几何参数 制订合理的切削用量 选用合适的切削液等措施来改善切削条件 达到改善难切材料的切削加工性的目的 第三节切削液及其选用一 切削液的作用在切削过程中 合理使用切削液可以减小切削力和降低切削温度 改善刀 工 刀 屑之间摩擦状况 从而改善已加工表面质量 延长刀具寿命 降低机床动力消耗 此外 选用高性能的切削液 也是改善某些难加工材料切削加工性的有效途径之一 切削液应具有抗泡性 抗霉菌变质能力 排放与使用中不污染环境 尤其应对人体无害 易于回收处理 使用经济性合理等 为改善切削条件和合理使用切削液 切削液应具有冷却 润滑 清洗和防锈等主要功能 1 冷却作用当切削液浇注在切削区后 切削液能以传导 对流和汽化等方式 把切屑 工件和刀具上的热量带走 降低切削温度 起到了冷却作用 从而有效地减小了工艺系统的热变形 提高工件加工精度 同时也减少刀具磨损 切削液冷却性能的好坏取决于它的导热系数 比热容 汽化热 汽化速度 流量和流速等 一般来说 在常规切削条件下 水基切削液的冷却性能较好 油基切削液则差些 2 润滑作用切削液中带油脂的极性分子吸附在刀具新鲜的前 后刀面上 形成物理吸附膜 添加在切削液中的化学物质发生化学反应生成化学吸附膜 这些膜能减小刀 屑和刀 工摩擦 减少粘结及刀具磨损 提高已加工表面质量 3 清洗作用清除出碎屑 铁锈和磨粒等 清洗性能好坏与切削液的渗透性 流动性和使用压力有关 4 防锈作用液中的防锈添加剂在金属表面形成保护膜 起到防锈作用 防锈作用取决于防锈剂性质 二 切削液的种类及应用1 切削液的种类金属切削加工中 常用的切削液可分为三大类 水溶液 乳化液和切削油 1 水溶液水溶液是以水为主要成分的切削液 利用天然水所具有的很好的冷却作用 在水中加入一定含量的油性 防锈等添加剂制成水溶液 使水溶液在保持良好冷却性能的同时 还具有一定的润滑和防锈性能 水溶液是一种透明液体 对操作者观察切削进行情况十分方便有利 相比较其它切削液 水溶液的冷却效果最好 2 乳化液乳化液是将乳化油用水稀释而成的乳白色稀释液 不透明 乳化油主要是由矿物油 乳化剂 防锈剂 油性剂 极压剂和防腐剂等组成 乳化液冷却 润滑性能较好 成本较低 废液处理较容易 但其稳定性差 夏季高温条件下易腐败变质 3 切削油切削油主要成分是矿物油 少数采用矿物油和动 植物油的复合油 其中也可根据需要加入一定量的油性 极压和防锈添加剂 以提高其润滑和防锈性能 适用于精加工和加工复杂形状工件 如成形面 齿轮 螺纹等 其润滑和防锈效果均较好 2 切削液中的常用添加剂为了改善切削液的性能所加入的化学物质被称为添加剂 常用的添加剂主要有以下几种 1 油性添加剂油性添加剂含有极性分子 能降低油与金属表面的界面张力 使切削液很快渗透到切削区 形成物理吸附膜 减少刀具与切屑 工件界面之间的摩擦 但是 这种吸附膜只能在较低温度 200 即在较低的切削速度条件下 下起到较好的润滑作用 所以 它也只能是主要用于低速精加工的场合 常用的油性添加剂有动植物油 脂肪酸 胺类 醇类及脂类等 2 极压添加剂极压添加剂是含有硫 磷 氯 硼等的化合物 这些化合物在高温下与金属表面发生化学反应生成化学反应膜 在切削中起极压润滑作用 它与油性添加剂相比较 更适合用于高温 高压的切削条件 3 乳化剂乳化剂是使矿物油和水乳化形成稳定的乳化液的物质 具有亲水和亲油的性质 能起到乳化 增溶 润湿 洗涤 润滑等作用 乳化剂的分子是由极性基团 可溶于水 与非极性基团 可溶于油 两部分组成 形成稳定的 水包油 型乳化液 乳化剂在水基切削液中还能吸附在金属表面上形成润滑膜 起到油性添加剂的润滑作用 3 切削液的合理使用 1 切削液的合理选择切削液应根据刀具材料 加工要求 工件材料和加工方法的具体情况选用 以便得到良好的使用效果 粗加工时 应选用以冷却为主的切削液 高速钢刀具切削时必须使用切削液 通常推荐使用3 5 乳化液或水溶液 硬质合金 陶瓷刀具耐热性好 一般不用切削液 需要时 应选用水溶液或低浓度乳化液 但应连续 充分地浇注 以免高温下刀片冷热不匀 产生热应力而导致裂纹 精加工应选用润滑性好的极压切削油或高浓度的水溶液及乳化液 对于不同的加工材料 切削液的选用与否以及使用什么种类的切削液应有所区别 在切削钢材等塑性金属材料时 需使用切削液 切削铸铁 青铜等脆性材料 一般不用切削液 对于高强度钢 高温合金等难加工材料的切削加工 应选用极压切削液 加工铜及其合金时 不宜用含硫的切削液 切削铅合金时不能用含氯的切削液 加工镁及其合金时不能用水溶液 加工铝及其合金时也不用水溶液 应选用中性或PH值不太高的切削液 对于不同的加工方法 所使用的切削液也不同 磨削时的温度高 还会产生大量的细屑和砂末等 应使用具有较好的冷却性能和清洗性能 且具有一定的润滑性和防锈性的切削液 一般磨削加工常用普通乳化液和水溶液 对于钻孔 攻丝 铰孔 拉削等 宜用极压切削液 齿轮刀具切削时 应采用极压切削油 对数控机床 加工中心等 应选用使用寿命长的高浓度水溶液及乳化液 还要求切削液应能适应多种材料和多种加工方式 用精密机床加工时 不宜使用含硫的切削液 2 切削液的使用方法在车削和铣削时 普遍使用的方法是浇注法 但这种用法难于使切削液渗透入切削区的高温处 影响使用效果 深孔加工应采用高压冷却法 把切削液直接喷射到切削区内降低切削温度并带出碎屑 a 车削浇注法b c d 铣削浇注法图5 11切削液的普通浇注方法 喷雾冷却法是一种使用切削液的较好方法 压缩空气以0 3 0 6MPa的压力通过喷雾装置 把切削液从 1 5 3mm的喷嘴中喷出 弥散成雾状 高速喷至切削区 由于雾状液滴的汽化和渗透作用 吸收了大量的热量 可取得良好的润滑 冷却效果 图5 12喷雾浇注装置原理图 第四节刀具几何参数的合理选择刀具几何参数包括刀具几何角度 前刀面形式和切削刃形状等参数 刀具的 合理 几何参数 是指在保证加工质量的前提下 能够获得最高刀具使用寿命 从而达到提高切削效率 降低生产成本目的的刀具几何参数 一 前角的选择1 前角的功用前角是刀具上重要的几何参数之一 刀具前角在切削过程中的作用主要有以下4点 1 影响切削变形程度前角增大 切削变形 切削力 切削功率 切削热等均将减小 2 影响已加工表面质量增大前角 能减少切削层塑性变形和加工硬化程度 抑制积屑瘤等生成 减小切削振动 提高加工表面质量 3 影响切削刃强度及散热状况增大前角 楔角减小 切削刃强度降低 散热体积减少 前角过大易造成崩刃等 降低刀具使用寿命 4 影响切屑形态与断屑效果减小前角 切屑变形会增大 使切屑更容易卷曲和折断 可见 前角的大小决定着切削刃的锋利程度和坚固强度 也影响着刀具使用寿命和生产效率 2 前角的选择原则 1 根据工件材料选择加工塑性材料前角宜大 加工脆性材料前角宜小 工件材料强度和硬度越高 前角宜越小 甚至取负值 2 根据刀具材料选择高速钢可选较大的前角 硬质合金应选用较小的前角 陶瓷等超硬刀具材料制成的刀具的前角则更小 3 根据加工要求选择粗加工和断续切削应选用较小的前角 以保护切削刃 精加工选用较大的前角 使刀具锋利 当机床功率不足或工艺系统刚性较差时 选取较大的刀具前角 以减少切削功耗和减轻切削振动 3 前刀面及其选用常用的前刀面形式主要有以下几种 参见下图 1 正前角平面型这种型式的特点是结构简单 刀刃锋利 但刀尖强度低 传热能力差 多用于加工易切削材料 精加工用刀具 成形刀具或诸如铣刀等类型的多刃刀具 a b c d e a 正前角平面型b 正前角平面带倒棱型c 负前角单面型d 负前角双面型e 正前角曲面带倒棱型图5 13前刀面的形式 2 正前角平面带倒棱型在刃口上磨出很窄的负前角倒棱面 称为负倒棱 它对于提高刀具刃口强度 改善散热条件有很明显的效果 这种型式多用于粗加工铸 锻件或断续切削 3 负前角单面型和负前角双面型切削高强度 高硬度工件材料时采用负前角 当刀具磨损主要在后刀面时采用负前角单面型 当刀具前 后刀面都有磨损时采用负前角双面型 4 正前角曲面带倒棱型在平面带倒棱的基础上 前刀面上又磨出一个曲面 称为卷屑槽或月牙槽 它可以增大前角 并能起到卷屑的作用 这种型式多用于粗加工和半精加工 二 后角的选择1 后角的功用主要功用是减小后刀面与加工表面间的摩擦 1 增大后角 可减小加工表面与后刀面的接触长度 减小摩擦 提高刀具使用寿命 2 增大后角 楔角则减小 使切削刃刃口钝圆半径减小 刀具刃口显得更锋利 3 后角大的刀具在达到相同的磨钝标准VB时 被磨去的刀具体的体积增大 加大了刀具的磨损值NB 会影响到工件尺寸精度 但是 后角过大 使刀具楔角减小 刃口强度降低 散热体积减小 刀具使用寿命下降 2 后角的选择原则 1 根据加工要求选择精加工时 宜选择较大的后角 粗加工 强力切削或断续切削时 为保证刀具刃口强度 应选较小的后角 2 根据工件材料选择加工高强度 高硬度钢和脆性材料时 为保证刃口强度 应选较小的后角 加工塑性材料时 可选较大的后角 3 工艺系统刚性较差时 应选较小的后角 尺寸精度要求较高的刀具 宜选较小的后角 3 副后角的选择原则功用 减小副后刀面与已加工表面间的摩擦 通常副后角较小 常取 o 1 3 且 o o 三 主偏角及副偏角的选择1 主偏角及副偏角的功用 1 影响已加工表面的残留面积高度减小主偏角 r和副偏角 r 可减小已加工表面残留面积高度 从而减小工件已加工表面表面粗糙度 副偏角对理论粗糙度影响更大 理论粗糙度是指排除在实际切削中存在的积屑瘤 振动 切削刃不平整 工件材料的组织缺陷等因素的影响 在切削刃理想的情况下 相对于工件运动形成的已加工表面粗糙度 理论粗糙度的值取决于残留面积高度 残留面积高度为 2 影响切削层尺寸和断屑效果在背吃刀量ap和进给量f一定时 增大主偏角 r 切削宽度bD减小 切削厚度hD增大 有利于断屑 3 影响刀尖强度主偏角 r的大小直接影响切削刃工作长度和单位长度切削刃上的切削负荷 增大主偏角和副偏角 刀尖强度降低 散热面积和容热体积减小 切削宽度减小 切削刃单位长度上的负荷随之增大 4 影响切削分力比例关系增大主偏角 并不影响切削分力Fc 但可减小背向分力Fp 增大进给分力Ff 减小背向分力Fp有利于减小工艺系统弹性挠曲变形和减轻切削振动 2 主偏角的选择 1 根据加工工艺系统的刚性选择当对工件进行粗加工 半精加工或者工艺系统刚性较差时 为了减小振动和提高刀具的使用寿命 宜选择较大的主偏角 r 2 根据工件材料选择加工很硬的工件材料时 为减轻单位长度切削刃上的负荷 改善刀尖散热条件 提高刀具使用寿命 宜选择较小的主偏角 3 根据工件已加工表面形状选择加工阶梯轴时 选 r 92 当需用一把车刀车削工件外圆 端面和45 倒角时 选 r 45 3 副偏角的选择副偏角是影响表面粗糙度的主要角度 对于精密加工 r 要小 副偏角还影响刀尖强度 副偏角的选择原则是 在不影响摩擦和振动的条件下 应尽可能选取较小的副偏角 r 四 刃倾角的选择1 刃倾角的功用 影响切屑流向刃倾角 s的大小和正负直接影响切屑流出前刀面的流屑角 即直接影响切屑的卷曲和流出方向 参见下图 2 影响刀尖强度及切削刃上受冲击的位置 当 s 0 时 切削刃全长同时接触工件 因而冲击较大 当 s 0 时 刀尖部分首先接触工件 容易造成崩刃 当 s 0 时 远离刀尖的切削刃的其余部分首先接触工件 从而保护了刀尖部位 切削过程也比较平稳 刃倾角变化对切屑流向的影响 3 影响切削刃的锋利程度只要 s 0 都将增大工作前角 具有斜角切削的特点 可以使切削刃变得更加锋利 工作前角为 4 影响切削刃的实际工作长度刃倾角的绝对值越大 斜角切削时的切削刃工作长度越大 切削刃上单位长度的负荷越小 有利于提高刀具的使用寿命 5 影响切削分力的比例 当 s由0 变化到 45 时 背向分力Fp约增大1倍 进给分力Ff下降1 3 切削分力Fc基本不变 Fp的增大 将导致工件变形甚至引起振动 进而影响加工精度和表面质量 2 刃倾角的选择 1 根据加工要求选择一般精加工时 选择 s 0 5 粗加工时 为提高刀具强度 通常取 s 0 5 微量精车 精镗 精刨时 采用大刃倾角 取 s 45 75 2 根据工件材料选择切削淬硬钢等高硬度 高强度材料时 常取较大的负刃倾角 切削铸铁件时 通常选取刃倾角 s 0 3 根据加工条件选择加工断续表面和加工余量不均匀表面时 或其它产生冲击振动的切削条件下 通常取负刃倾角 s 0 4 根据刀具材料选择金刚石和立方氮化硼车刀 通常取 s 0 5 可见 刃倾角 s的选取并非越大越好 而是对应一定的切削条件存在有一个合理的数值 应根据具体的加工条件选择刃倾角 切削刃是完成切除工件加工余量与形成加工表面任务的最关键地方 刀尖则是工作条件最恶劣的部位 为提高刀具使用寿命 必须设法保护切削刃和刀尖 为此 可以采用负倒棱 过度刃 修光刃等型式 切削刀具各角度间互相联系 互相影响的 对于任何一个合理的刀具几何参数 都应是在兼顾多种因素的相互关系中确定的 第五节切削用量的合理选择当确定了刀具几何参数之后 还需要选定切削用量参数才能合理地调整机床 而后进行切削加工 合理 的切削用量 是指能够充分发挥刀具和机床的性能 保证获得高的工件加工质量 高的生产率及低的加工成本条件下的切削用量 应根据具体加工条件和技术要求以及约束条件正确选择切削用量 根据切削用量的选择原则 一组切削用量必须考虑到加工余量 刀具使用寿命 机床功率 表面粗糙度和工艺系统刚度等因素 一 切削用量的选择原则切削用量中任一参数的增大都会导致刀具使用寿命的降低 切削用量的变化会影响到工件表面加工质量以及机床工作状况 所以 在选择切削用量时 必须遵循以下原则 1 根据零件加工余量和粗 精加工要求 选定尽可能大的背吃刀量ap 2 根据加工工艺系统允许的切削力 其中包括机床进给系统与工件刚度以及精加工时对表面粗糙度要求 确定尽可能大的进给量f 3 根据刀具使用寿命 确定切削速度vc 4 选定的切削用量应该是机床功率允许的 二 切削用量的合理选择1 背吃刀量ap的合理选择背吃刀量ap一般是根据加工余量来确定的 粗加工 表面粗糙度Ra50 12 5 m 时 尽可能一次走刀切除全部余量 在中等功率的机床上 取ap 8 10mm 如果余量太大或不均匀 工艺系统刚性不足或断续切削时 可分几次走刀 半精加工 Ra6 3 3 2 m 取ap 0 5 2mm 精加工 Ra1 6 0 8 m 取ap 0 1 0 4mm 2 进给量 的合理选择粗加工时 合理的进给量 应是工艺系统刚度所能承受的最大进给量 生产中 常根据工件材料材质 形状尺寸 刀杆截面尺寸和已定的ap 从工艺手册或数据库 也称专家库 中查得 当工艺系统刚性高时 可取较大值 ap增大 切削力增大 应选择较小的 值 加工铸铁时的切削力较小 值可取大些 精加工时 进给量f主要受到工件已加工表面粗糙度的限制 一般取较小值 若选取的f值过小 切削厚度hD过薄 刀尖处将形成应力集中和散热不良 使刀具磨损加快 反使表面粗糙度值加大 所以 进给量也不宜过小 3 切削速度vc的合理选择由已定的背吃刀量 进给量和刀具使用寿命 结合查阅有关的切削用量手册 获得相关的切削用量系数和修正系数 即可计算出vc 选择切削速度的一般原则是 1 粗车时 ap 均较大 故宜选取较小的vc值 精车时 ap 均较小 宜取较大vc值 2 工件材料的强度 硬度较高和加工性较差时 应选较小vc值 反之 选较大vc值 在同等加工条件下 加工铸铁的vc低于碳钢的vc 加工铝 铜等合金的vc高于加工钢的vc值 3 刀具材料的性能越好 vc值应选得越高 此外 在选择vc时 还应注意以下几点 1 精加工时 应尽量避开容易产生积屑瘤等的速度值域 2 断续切削时 为了减小机械冲击和热应力冲击的影响 应适当降低切削速度vc 3 在易发生振动的工艺状况下 所选择的切削速度vc应避开自激振动的临界速度 4 加工大件 细长件 薄壁件及带硬皮的工件时 应选用较低的切削速度vc 5 切削速度vc被确定之后 还应校验切削功率和机床功率 选择切削用量时 可参照有关手册或数据库推荐数据 也可凭经验根据选择原则确定 三 切削用量的优化及切削数据库1 切削用量的优化切削用量的优化 是指在一定的预定加工质量或生产效率等目标及约束条件下 选择最佳切削用量 在切削用量三要素中 背吃刀量ap主要取决于加工余量 一般都是事先给定 不参与优化 所以 切削用量的优化主要是指切削速度vc与进给量 的优化组合 常用的优化目标函数主要有三个 最高生产率目标函数 最低加工成本目标函数和 最大利润目标函数 生产中切削速度vc和进给量 数值的选择要受到机床 工件 刀具及切削条件等方面的限制 1 机床方面机床功率 机床运动参数 n f 和机床上的薄弱机构的强度和刚度等 2 刀具方面刀具的使用寿命 刀杆的强度和刚度 以及刀片的强度等 3 工件方面工件结构的强度和刚性 以及对工件已加工表面质量 粗糙度 的要求等 根据这些约束条件 可建立一系列约束条件不等式 对所建立的目标函数及约束方程求解 便可获得vc和 的最优解 计算机技术的迅速发展为最佳求解计算提供了极大的方便 2 切削数据库简介金属切削数据库 就是存储着象 切削用量手册 所搜集的许多切削加工数据的计算机管理系统 它具有对切削数据实现采集 查询 评定 优化 校验 维护 制表和输出等功能 它储存有经过优化的各种加工方法和加工各种工程材料的切削数据 使用它 可明显地提高产品的加工质量 降低成本 提高企业的经济效益 金属切削数据库的服务对象主要是机械制造工厂 用户可通过网络等先进通信技术连接到数据库 自行查找所需数据 第六节高速切削与精密切削简介一 高速切削1 高速切削的基本概念高速切削是指采用比常规切削速度高很多的高效加工方法 现有高速车削和高速铣削两种 1 就加工材料而言 目前一般认为高速切削的切削速度是 切削高合金钢 镍基耐热合金为300m min 切削钛合金为200m min 切削铜 铝及其合金 3000m min 切削纤维增强塑料为2000 9000m min 切削钢和铸铁等最常用的工件材料的切削速度 1000m min 2 就加工方法而言 高速切削的速度为 车削700 7000m min 铣削300 6000m min 钻削200 1100m min 磨削80 160m s等 2 高速切削的特点与常规切削加工相比 高速切削有如下特点 1 切削力小高速切削时 被加工材料受到一定程度的高温软化 因此切削力减小 如车削铸铝合金的切削速度达到800m min后 切削力比常规切削至少降低约50 2 切削变形小高速切削时 剪切角 随着切削速度的提高而迅速增大 因而 可使切削变形大幅度减小 3 切削温度低高速切削时 产生的热量大部分被切屑带走 工件表面上温度并不高 4 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 切削热传入工件的比率减小 易于保证加工精度和表面质量 5 刀具使用寿命相对提高工件材料因高速切削高温软化 使切削速度对刀具使用寿命的不利影响减弱 刀具使用寿命下降速率减小 6 加工效率高主轴转速和进给的高速化 辅助时间减少 加工效率得到大幅度提升 7 加工能耗低单位功率的金属切除率显著增大 降低能耗 提高了能源和设备利用率 3 高速切削的关键技术高速切削技术包涵的关键性技术主要有 1 高速切削刀具高速切削用的刀具材料要求强度高 耐热性能好 常用的有 超细晶粒硬质合金 涂层硬质合金 金属陶瓷 陶瓷 聚晶立方氮化硼或聚晶金刚石刀具 2 高速主轴和高速进给机构高速主轴单元常采用电磁主轴结构 轴承采用高速陶瓷滚动轴承或磁浮轴承 进给机构采用多头螺纹行星滚柱丝杆 或采用直线伺服电动机 3 高速切削机床配备有在线自动检测 高效切屑处理 冷却润滑和安全防护等装置 二 精密切削加工1 精密切削加工的基本概念 1 精密切削加工的概念精密切削加工是指在精密机床上使用如金刚石或立方氮化硼等超硬材料刀具进行切削加工 以获得超高精度加工表面的加工方法 2 精密切削加工方法按加工方式不同可分为切削加工 磨料加工 特种加工和复合加工等四类 黑色金属的精密加工通常用磨料加工等方法即可解决 金刚石精密车削主要是针对有色金属的加工发展起来的 现已成为实现铝 铜及其合金等软质金属零件精密加工的主要工艺手段 2 精密切削加工的难点精密切削往往是使用精度低于工件精度要求的机床设备和工具 借助工艺手段和特殊工艺装备来实现加工目标的 超微量去除技术是实现精密加工的关键 比常规加工技术难得多 因为在这种情况下 工具和工件表面微观的弹性变形和塑性变形是随机的 精度更是难以控制 工艺系统的刚度和热变形对加工精度有很大影响 去除层越薄 被加工表面所受的切应力越大 材料就越不易被去除 尤其是在尺寸仅为数微米的晶粒内进行超微量加工 晶粒内部又大量存在有位错等缺陷 切削更难 3 实现精密切削加工的条件精密切削加工系统主要包