charter6 切削加工.ppt

第六章固态材料的质量减少工艺切削加工和特种加工 质量减少工艺 被加工工件的多余材料是以切屑或微粒 即废料 的形式被去除掉的 切削加工 是利用切削工具从毛坯 铸件 锻件 棒料等 或工件上切去多余材料 以获得几何形状 尺寸和表面质量均完全符合图样要求的机器零件的方法 包括钳工和机械加工 钳工 手持工具划线 锯 锉 刮 钻孔 机械加工 操作机械车 铣 刨 磨 镗 工艺特点 加工精度高 表面质量好 6 1概述一 加工质量 表6 1 表6 2 二 切削运动和切削用量1 切削表面 2 切削运动 切削运动 进给运动 使刀具与工件之间产生附加的相对运动 加上主运动 即可连续不断地切除切屑 并获得具有所需几何特征的已加工表面 主运动 它促使刀具和工件之间产生相对运动 从而使刀具前刀面接近工件 2 切削运动 3 切削用量 包括切削速度 进给量和背吃刀量 切削深度 称为切削用量三要素 3 切削用量 切削速度它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离 单位为m min或m s 主运动为旋转运动时 切削速度用下式表示式中dw 工件待加工表面的直径 如车削 或刀具直径 如钻 铣 磨削 mm n 工件或刀具每分 秒 钟转数 r min或r s 主运动为复往运动时 平均切削速度为式中L 往复运动行程长度 mm nr 主运动每分钟的住复次数 住复次数 min 进给量进给量 feedperrevolution f是主运动每转一周时或一个往复行程时 工件和刀具在进给方向上的相对位移量 其单位为mm r或mm dst 进给速度与进给量的关系 vf fn 背吃刀量 切削深度 背吃刀量 backengagement ap是指在通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量 其单位为mm 即工件已加工表面与待加工表面间的垂直距离 对于外圆切削 6 2切削刀具 6 2切削刀具一 刀具的几何形状外圆车刀切削部分的组成 三面 两刃 一尖 一 刀具切削部分的组成前刀面刀具上与切屑接触并相互作用的平面主后面刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面 副后面刀具上与工件已加工表面相对并相互作用的表面 主切削刃前刀面与主后刀面的交线 它完成主要的切削工作 副切削刃前刀面与副后刀面的交线 它配合主切削刃完成切削工作 并最终形成已加工表面 刀尖主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃 它可以是小的直线段或圆弧 二 参考平面 1 切削平面通过主切削刃上某一点并与工件过渡表面相切的平面 2 基面通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面 3 正交平面通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面三者共同组成标注刀具角度的正交平面参考系 三 刀具的标注角度 前角 1 前角 0在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角 前角表示前刀面的倾斜程度 有正 负和零值之分 前角越大 刀具越锋利 但太大会削弱刀头坚固性 一般取10 25 三 刀具的标注角度 后角 2 后角 0在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角 后角表示主后刀面的倾斜程度 一般为正值 一般取6 12 三 刀具的标注角度 主偏角 副偏角 3 主偏角在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角 主偏角一般为正值 30 90 4 副偏角在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给方向反方向的夹角 副偏角一般为正值 5 10 二 刀具材料1 对刀具材料的性能要求 1 较高的硬度 2 良好的耐磨性 3 良好的耐热性 4 足够的强度和韧性 5 良好的工艺性 2 常用刀具材料的性能和用途 1 碳素工具钢制造切削速度低的简单手动工具 2 合金工具钢制造低速加工和要求热处理变形小的刀具 3 金属陶瓷和金刚石目前主要用于难加工材料的精加工在近代切削加工中 高速钢和硬质合金互相补充 成为应用最广泛的刀具付料 4 高速钢又称白钢 锋钢 含有较多的W Cr等合金元素 硬度 耐热性和耐磨性都有显著提高 淬火硬度为HRC62 65 耐热性可达600 允许的切削速度为30 50m min 0 5 1 08m s 热处理变形小 刃磨性能较硬质合金好 广泛用于制造各种复杂的刀具 如钻头 铣刀 拉刀和齿轮刀具等 5 硬质合金由硬度和熔点都很高的碳化钨 WC 碳化钛 Tic 等金属碳化物作基体 用钴作粘结剂 采用粉末冶金法制成的合金 硬度可达HRA89 91 相当于HRC74 78 耐热性可达850 1000 V达100 300m min 1 7 5m s 抗弯强度 冲击韧性差 通常制成各种形式的刀片 将其焊接或夹固在刀体上使用 6 3切削加工的工艺特点一 零件表面的形成 形成零件表面的2个要素 一是刀具的切削刃 二是刀具与工件之间的相对运动 按照表面形成过程的特点 将切削加工分为两大类 1 包络法 被加工工件表面形状是由切削刃连续位置的包络线形成的 刀具切削刃的形状与工件表面的形状没有直接关系 6 3切削加工的工艺特点一 零件表面的形成 2 成形法 被加工工件表面形状是由刀具切削刃的形状复印形成的 成形法加工时 工件表面的加工精度取决于刀具的精度 二 切削过程1 切屑的形成及其类型 由于工件材料性质 刀具角度 切削用量的不同 切削过程中的变形情况也就不同 因而产生了不同类型的切屑 1 带状切屑 2 崩碎切屑 3 挤裂切屑 从OA线开始发生塑性变形 到OM线剪切滑移基本切屑沿前刀面排除时进一步受到前刀面的挤压和摩擦 使靠近前刀面处金属纤维化 基本上和前刀面相平行 已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦 产生变形和回弹 造成纤维化与加工硬化 2 切削力及切削功率 切削力 金属切削时 刀具切削入工件 使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力称为切削力 切削力的来源 切屑力来源有三个方面 A 克服被加工材料对弹性变形的抗力B 克服被加工材料对塑性变形的抗力C 克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力 以车刀为例研究切削力 总的合力FrFc 主切削力或切向力 它切于过渡表面并与基面垂直 Fc是计算车刀强度 设计机床零件 确定机床功率所必需的 Fc 0 85 0 9 FcFf 进给力或轴向力 它是处于基面内并与工件轴线平行与进给方向相反的力 是设计进给机构 计算车刀进给功率所必需的 Ff 0 1 0 6 FcFp 切深抗力 或背向力 径向力 吃刀力 它是处于基面内并与工件轴线垂直的力 它用来确定与工件加工精度有关的工件挠度 计算机床零件和车刀强度 它与工件在切削过程中产生的振动有关 Fp 0 15 0 7 Fc 此力不做功 但能使工件变形或产生振动 对加工精度和已加工表面质量影响较大 3 切削力的估算a用经验公式估算CFc 与工件材料和刀具材料有关的系数 ap 背吃刀量mm f 进给量 XFc YFc 指数 KFC 与切削用量 刀具角度 刀具磨损及切削液有关的修正系数b用单位切削力P来估算 4 切削功率 1 2 3 例 车外圆时 工件转速为n 240r min 切削速度vc 50m min 测得此时电机功率为2 4kw 设计机床传动功率为0 8 试求工件直径和主切削力 解 已知 PE 2 4 0 8vc 50m min 50m 60s 5 影响切削力的因素工件材料刀具角度切削用量3 切削热和切削液 1 切削热 举例 1 不加冷却液 以中等速度车削钢件时 切屑 50 86 工件 40 10 刀具 9 3 周围介质 1 2 钻削 切屑 28 工件 52 5 刀具 14 5 周围介质 5 2 切削温度是指切削区产生的热量与向外传导的热量处于动平衡状态下的切削区稳定的平均温度 切削温度的高低取决于切削热的大小与传出条件 影响切削温度的因素有 工件材料 刀具材料 切削用量 刀具几何形状 浇注切削液 根据实验 车削钢材时切削温度与切削用量的关系为 3 降低切削温度的措施1 选择合理的切削用量及刀具角度这可以减少切削热的产生和增加切削热的导出2 采用切削液 4 切削液1 切削液的作用 a冷却作用b润滑作用c洗涤和排屑作用d防锈作用2 切削液的分类 水溶液水加入防锈添加剂 作用以冷却为主 主要用于粗加工 切削油这类切削液润滑 防锈性能好 一般用于低速精加工 乳化液具有良好的冷却作用和一定的润滑性能 低含量的乳化液常用于粗车和磨削 高含量的乳化液用于精车和铣削等 注意以下两点 第一 硬质合金刀具由于耐热性好 一般不用切削液 必要时 可采用低含量的乳化液或水溶液 但切削液必须连续地 充分地浇注 以免硬质合金刀片因骤冷骤热产生内应力而出现裂纹 第二 加工铸铁件时 一般不用切削液 因为铸铁本身含有大量的石墨 能起到润滑作用 同时 因呈崩碎切屑 切削液易把切屑的某些硬质颗粒带至机床运动部分 增加机床磨损 但在精加工时 可采用渗透性 清洗性好的煤油 4 刀具的磨损和刀具寿命 磨损形式 磨损原因 磨料磨损 粘接磨损 扩散磨损 化学磨损 磨损过程 刀具磨损量的计算 刀具寿命 耐用度 是指刀具由开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间 min 以符号t T 表示 刀具总寿命是一把新刀从开始使用到报废为止的切削总时间 刀具寿命 耐用度 T G与耐用度实验有关的系数 三 切削加工性 在一定的切削条件下工件材料被切削加工的难易程度 1 衡量切削加工性的指标a一定耐用度下的切削速度VTb相对加工性Kr Kr V60 V60 j以45钢为基准c切削力 切削温度 已加工表面质量 切屑的控制 断屑的难易程度 工件材料的切削加工性主要决定于材料的物理 力学性能 灰铸铁切削加工性较好 低碳钢切削加工性较差 高碳钢切削加工性亦很差 中碳钢其切削加工性比高碳钢和低碳钢都好 铝 铜合金可切削性很好 但有些塑性太高的铝 铜合金 加工时塑性变形很大 断屑困难 表面质量不易保证 可切削性亦差 2 改善切削加工性的途径1 采用热处理高碳钢 工具钢 球化退火 降低硬度 热轧中碳钢 正火 组织与硬度均匀 低碳钢 正火 降低塑性 提高硬度 马氏体不锈钢 调质 铸铁件 切削加工前退火 降低表层硬度 消除内应力 2 调整材料的化学成份例如 在钢中加少量的硫 铅 磷等元素 形成金属夹杂物 如MnS 在钢中弥散分布 使之容易断屑 刀具磨损减轻 加工表面质量好 这类钢称为易切削钢 6 4切削工艺机床名称 一 车削1 车床的组成 2 工件的在车床上的装夹方法 1 常用的附件 三爪自定心卡盘 四爪单动卡盘 顶尖 心轴 中心架 跟刀架 花盘 弯板 2 工件的装夹方法 三爪自定心卡盘装夹 特点 可保证一次装夹所加工各表面间的位置精度要求 双顶尖装夹 顶尖 中心架 跟刀架特点 l d 10的细长轴 四爪单动卡盘 特点 4 L d10多次调头装夹均可保证各表面间的位置精度要求 3 车削的工艺特点 1 易于保证各加工面件的同轴度 垂直度 平行度等 2 生产率较高 表面质量好 3 对工件材质 加工要求的适用性强 4 车床的加工范围回转表面 车外圆 内孔 端面 外锥面 车槽 切断 车螺纹 钻孔 铰孔 注意车床加工共同点 主运动进给运动回转表面 普通车床使用的刀具 车刀 钻头 绞刀 板牙 丝锥 滚花刀等 二 钻削加工钻 扩 铰 镗加工都属于孔加工方法 另外还有拉孔 磨孔属于孔的精加工 1 钻孔钻孔是用钻头在实体材料上加工孔 钻孔属粗加工 可达到的尺寸公差等级为IT11 表面粗糙度Ra值一般为12 5um 1 麻花钻 两个主切削刃 两条副切削刃 一个横刃 2 钻孔的工艺特点 1 容易产生 引偏 产生的原因 麻花钻细长 钻头仅有两条很窄的棱边与孔壁接触 接触刚度和导向作用很差 钻头横刃产生的轴向力很大 钻头有两个主切削刃 减小 引偏 产生采取的措施 预钻锥形定心孔 用钻套为钻头导向 刃磨时 尽量把钻头的两个主切削刃刃磨得对称一致 2 排屑困难 3 切削热不易传散 工件吸收的热量约占52 5 钻头约占14 5 切屑约占28 而介质仅占5 左右 3 钻孔机床的选择台式钻床 单件小批生产 中小型工件上的小孔 立式钻床 中小型工件上直径较大的孔 摇臂钻床 大中型工件上的孔 回转体工件上的孔 多在车床上加工 在成批和大量生产中 钻模 多轴钻或组合机床进行孔的加工 立式排钻床 在车床上钻孔和在钻床上钻孔有何不同 各适合于什么场合 从主运动和进给运动方面分析 车床上加工孔是工件做旋转的主运动 刀具做轴向的进给运动 而钻床上加工孔是刀具既做旋转运动 同时又做轴向的进给运动 同时 在钻床上加工孔容易引偏 因此 车床上主要加工盘 套类零件上与外圆面有同轴度要求的孔 钻床上则主要加工箱体 支架等零件上的紧固孔 油孔 定位销等 2 扩孔扩孔是用扩孔钻对工件上已有的孔进行扩大加工 提高孔的精度和减小表面粗糙度Ra值 扩孔的公差等级为IT10 IT9 表面粗糙度Ra值为6 3 3 2um 属于半精加工 扩孔钻与麻花钻在结构上相比有以下特点 1 刚性较好 2 导向性较好 3 切削条件较好 在一定程度上可校正原孔轴线的偏斜 3 铰孔铰孔是在扩孔或半精镗的基础上进行的 是孔的精加工方法 公差等级为IT8 IT6 表面粗糙度Ra值为1 6 0 4um 提高工件的尺寸精度和形状精度 但不能提高孔的位置精度 钻一扩一铰是生产中典型的孔加工方案 四 镗孔镗孔是位置精度要求严格的箱体上的孔系加工 可在车床 镗床或铣床上进行 镗孔可分粗镗 半精镗和精镗 另外孔加工还有拉孔 磨孔磨孔是孔的精加工方法 尺寸公差等级 IT8 IT6 Ra 1 6 0 4um 磨孔主要用于不宜或无法进行镗削 铰削或拉削的高精度的孔以及淬硬孔的精加工 拉孔是孔进行精加工 尺寸公差等级为IT8 IT7 Ra值为0 8 0 4um 五 刨削刨削加工的尺寸公差等级一般为IT9 IT7 Ra值为6 3 1 6um 用宽刀进行精刨 表面粗糙度Ra值为1 6 0 8um 牛头刨床是由滑枕带着刀架作直线往复运动 龙门刨床由工作台带着工件通过龙门框架作直线往复运动 六 铣削铣削加工公差等级可达IT9 IT7 表面粗糙度Ra值可达6 3 1 6um 铣削平面的工艺特点 1 铣刀是多齿刀具 切削过程不平稳 容易产生振动 Ra较大 2 刀齿的散热条件好 但切入和切出有热和力的冲击 加速刀具的磨损 甚至引起硬质合金刀片的碎裂 3 铣削加工的应用范围广 4 铣平面比刨平面的生产率高 转盘铣床 七 磨削 在磨床上用砂轮作刀具加工工件的工艺方法 1 加工范围 2 磨削工艺特点 主要由刀具特点 刀具是砂轮 砂轮上的每个磨粒的突出尖棱都可以看成是一个微小的刀齿 也可以看成是具有极多微小刀齿的铣刀 决定的 第一 能获得较高的加工质量 第二 能磨削加工很硬的材料 精密万能外圆磨床 平面磨床 定梁龙门磨床 6 5特种加工 利用能源 电能 化学能 光能及声能等 工具材料 硬度可以比工件材料的硬度低 切削力 加工时一般没有明显的切削力 切削速度 加工去除工件材料的速度比切削加工低 特种加工的主要优点 1 加工范围不受材料物理 力学性能的限制 具有 以柔克刚 的特点 可以加工任何硬的 脆的 耐热或高熔点的金属或非金属材料 2 特种加工方法获得的加工精度和表面质量冉其产格的 确定的规律性 利用这些规律 可以有目的地解决一些工艺难题和提高零件的表面质量 进而提高其使用件能和寿命 3 许多特种加工方法对工件无宏观作用 因而适合于加薄壁件 弹性件 有些特种加工方法可以在控制的气氛中工作 适于要求无污染的纯净材料加工 目前 特种加工已在航天 电子 化工 汽车 拖拉机等制造工业部门得到广泛应用 特种加工包括 化学加工 电化学加工 电火花加工 电接触加工 超声波加工 激光加工 电子束加工 粒子束加工 等离子体加工 电液加工 磨料流加工 磨料喷射加工 液体喷射加工 电化学机械加工及各类复合加工等 电子束加工 电子束加工的基本原理如下页图所示 在真空条件下 电子枪射出高速运动的电子束 电子束流通过一极或多极汇聚形成高能束流 经电磁透镜聚焦后轰击工件表面 由于高能束流冲击工件表面时 电子的动能瞬间大部分转变为热能 由于光斑直径极小 其直径在微米级或更小 在轰击处形成局部高温 可使被冲击部分的材料在几分之一微秒内 温度升高到几千摄氏度以上 使材料局部快速气化 蒸发而实现加工目的 所以电子束加工是通过热效应进行的 电磁透镜实质上只是一个通直流电流的多匝线圈 其作用与光学玻璃透镜相似 当线圈通过电流后形成磁场 利用磁场 可迫使电子束按照加工的需要作相应的偏转 电子束加工原理示意图 1 高速加压 2 电子枪 3 电子束 4 电磁透镜 5 偏转器 6 反射镜 7 加工室 8 工件 9 工作台及驱动系统 10 窗口 11 观察系统 电子束的加工过程是一个热效应过程 这是因为电子是一个非常小的粒子 半径为2 8 10 12mm 质量很小 9 10 29kg 但其能量很高 可达几千电子伏 电子束可以聚焦到直径为1 2 因此有很高的能量密度 可达109W cm2 高速高能量密度的电子束冲击到工件上时 在几分之一微秒的瞬时 入射电子与原子相互作用 碰撞 在发生能量变换的同时 有些电子向材料内部深入 有些电子发生弹性碰撞被反射出去 成为反射电子 在电子与原子的碰撞中 使原子振动产生发热现象 虽然还产生二次电子 荧光 x射线等 占用了一部分能量 但可以认为几乎所有的能量都变成了热能 由于电子束的能量密度高 作用时间短 所产生的热量来不及传导扩散就将工件被冲击部分局部熔化 气化 蒸发成为雾状粒子而飞散 这是电子束的热效应 图8 3表示了利用电子束热效应进行的各种加工 在低功率密度时 电子束中心部分的饱和温度在熔化温度附近 这时熔化坑较大 可作电子束熔凝处理 中等功率密度照射时 出现熔化 气化和蒸发 可用于电子束焊接 用高功率密度照射时 电子束中心部分的饱和温度远远超过蒸发温度 使材料从电子束的入口处排除出去 并有效地向深度方向加工 这就是电子束打孔加工 高功率密度电子束除打孔 切槽外 在集成电路薄膜元件制作中 利用蒸发可获得高纯度的沉积薄膜 利用电子束热效应的加工 a b c a 低功率密度照射b 中等功率密度照射c 高功率密度照射 在低功率密度时 电子束中心部分的饱和温度在熔化温度附近 这时熔化坑较大 可作电子束熔凝处理 中等功率密度照射时 出现熔化 气化和蒸发 可用于电子束焊接 用高功率密度照射时 电子束中心部分的饱和温度远远超过蒸发温度 使材料从电子束的入口处排除出去 并有效地向深度方向加工 这就是电子束打孔加工 高功率密度电子束除打孔 切槽外 在集成电路薄膜元件制作中 利用蒸发可获得高纯度的沉积薄膜 电子束加工的特点 1 束斑极小由于电子束能够极其微细地聚焦 甚至聚焦到 加工面积可以很小 是一种精密微细的加工方法 微型机械中的光刻技术 可达到亚微米级宽度 2 能量密度很高能达到107 109W cm2 使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度 去除材料主要靠瞬时蒸发 是一种非接触式加工 适合于加工精微深孔和狭缝等 速度快 效率高 3 可控性好可以通过磁场或电场对电子束的强度 位置 聚焦等进行直接控制 可加工出斜孔 弯孔及特殊表面 便于实现自动化生产 位置控制精度能准确到0 1左右 强度和斑束尺寸可达到1 的控制精度 4 生产率很高电子束的能量密度高 而且能量利用率可达90 以上 所以加工生产率很高 5 无污染由于电子束加工是在真空中进行 因而污染少 加工表面不氧化 特别适用于加工易氧化的金属及合金材料 以及纯度要求极高的半导体材料 6 电子束加工有一定的局限性 一般只用来加工小孔 小缝及微小的特形表面 且需要一套专用设备和数万伏的高压真空系统 价格较贵 生产应用有一定局限性 电子束加工设备 图为电子束加工装置结构示意图1 移动工作台 2 带窗真空室门窗 3 观察筒 4 抽气 5 电子枪 6 加速电压控制 7 束流强度控制板 8 束流聚焦控制 9 束流位置控制 10 更换工件用截止阀 11 电子束 12 工件 13 驱动电动机 14 抽气 1 电子枪见图5 这是获得电子束的装置 它包括电子发射阴极 控制栅极和加速阳极等 阴极经过加工电流加热发射电子 带负电荷的电子高速飞向高电位的阳极 在飞向阳极的过程中 经过加速极加速 又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑 发射阳极一般用钨或钽制成 在加热状态下发射大量电子 控制栅极为一中间有孔的圆筒形 其上加以较阴极为负的偏压 既能控制电子束的强弱 又有初步的聚焦作用 加速阳极通常接地 而阴极为很高的负电压 所以能驱使电子的加速 2 真空系统为避免电子与气体分子之间的碰撞 确保电子的高速运动 电子束加工时应维持1 33 10 2 1 33 10 4真空度 此外加工时金属蒸气会影响电子发射 产生不稳定现象 因此需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽出去 a b 图8 5电子枪1 发射电子的阴极 2 控制栅极 3 加速阳极 4 工件3 控制系统其作用是控制流通断时间 束流强度 束流聚焦 束流位置 束流电流强度 束流偏转 电磁透镜 以及工作台位置 从而实现所需要的加工 4 电源系统电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高 常用稳压设备 这是因为电子束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系 各种控制电压以及加速电压 由升压整流或超高压直流发电机供给 电子束加工应用 1 打孔目前 电子束打孔的最小直径已达1 孔径在0 5 0 9mm时 其最大孔深已超过10mm 即孔深径比大于15 1 打孔的速度主要取决于板厚和孔径 通常每秒可加工几十至几万个孔 而且有时还可以改变孔径 在喷气发动机燃烧室罩 机翼的吸附屏 化纤喷丝头 人造革透气孔 塑料上的孔 不但用电子束来加工 而且效率高 在人造革上的应用 现在人造革已很普及 但人造革透气性很差 穿着很不舒服 用电子束在人造革上打孔可以达到相当好的效果 如以天然革穿着的舒适度为100 微孔聚氨酯革只有55 而用电子束打孔的PVC革可达85 电子束打孔成本比天然革成本低 可替代天然革 如1 5mm厚革加工时 脉冲频率为25Hz 打孔速率为500