机械制造基础课件-金属切削加工基础知识.ppt

王德春 机械制造基础 王德春 第五章金属切削加工基础知识 技术准备 毛坯制造 零件加工 检验和装配 车 铣 钻 刨 磨 镗等 零件的检验 组装成部件 最后将部件总装成机器 毛坯 经过铸造 锻造 焊接 冲压等变成 的获得 图纸 工艺规程和各种设备的准备等 机械制造的生产过程如下所示 一般情况下 通过铸造 锻造 焊接和各种轧制的型材 毛坯精度低和表面粗糙度大 不能满足零件要求 必须进行切削加工才能成为零件 金属切削加工担负着几乎所有零件的加工任务 在机械制造过程中 处于十分重要的地位 铸铁的浇注 也有一些通过精密铸造 锻造 焊接的产品 可以不经过切削加工 直接使用 零件的加工方法 金属切削加工就是通过机床所提供的动力和切削运动 使刀具和工件之间产生相对运动 切除工件上多余的材料 从而使工件的形状 尺寸精度及表面质量都符合预定的要求 就是获得合格零件的加工过程 通常也叫冷加工 金属切削加工目的在于加工出符合图纸要求的机械零件 金属切削加工分为钳工和机械加工 简称机工 两部分 1 钳工一般时通过工人手持工具进行切削加工的 钳工加工方式多种多样 使用的工具简单 方便灵活 是装配和修理工作中不可缺少的加工方法 随着生产的发展 钳工机械化的内容也逐渐丰富起来了 2 机械加工主要通过工人操纵机床来完成切削加工的 其主要加工方法有车削 钻削 铣削 刨削 磨削等 所用的机床分别为车床 钻床 铣床 刨床 磨床等 本章主要介绍金属切削加工 车床 卧轴矩台平面磨床 金属切削加工概述 第一节金属切削加工的基础知识为了保证机械设备的精度和使用寿命 同时也为了保证产品的质量 在设计零件时应根据零件在机器中的的不同作用提出合理的要求 这些要求通称为零件的加工质量 如下图所示 机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量两方面 它们的好坏将直接影响产品的使用性能 使用寿命 外观质量 生产率和经济性等 一 概述 一 加工精度经机械加工后 零件的尺寸 形状 位置等参数的实际数值与设计理想值的符合程度称为机械加工精度 简称为加工精度 实际值与理想值相符合的程度超高 即偏差 加工误差 越小 加工精度超高 加工精度包括尺寸精度 形状精度和位置精度 零件图上 对被加工件的加工精度要求常用尺寸公差 形状公差和位置公差来表示 1 尺寸精度尺寸精度是指零件加工后的实际尺寸相对于理想尺寸的准确程度 尺寸精度是用尺寸公差来控制的 尺寸公差是切削加工中零件尺寸允许的变动量 在基本尺寸相同的情况下 尺寸公差愈小 则尺寸精度愈高 反之亦然 2 形状精度形状精度是指零件上的线 面等要素的实际形状相对于理想形状的准确程度 形状精度是用形状公差来控制的 如直线度 圆度 圆柱度 平面度等 3 位置精度位置精度是指零件上的点 线 面等要素的实际位置相对于理想位置的准确程度 位置精度是用位置公差来控制的 如平行度 垂直度 同轴度 圆跳动 对称度等 二 表面质量机械零件的表面质量 主要是指零件加工后的表面粗糙度以及表面层材质的变化 1 表面粗糙度表面粗糙度是指零件的表面微观不平度 即使是光滑的磨削表面 放大后也会发现有高低不同的微小峰谷 表面粗糙度对零件的耐磨性 抗腐蚀性和配合性质等有很大的影响 它直接影响机器的使用性能和寿命 常用的评定表面粗糙度的参数是轮廓算术平均偏差Ra值 即表面粗糙度的符号用Ra来表示 表面粗糙度共分14级 单位为 m 不同的加工方法可以达到不同的表面粗糙度 要合理的在图纸上标注表面粗糙度 必须掌握各种加工方法 以及详细了解零件各表面在装配体中的功能 一般来说 零件的表面粗糙度越小 零件的使用性能越好 寿命也越长 但零件的制造成本也会相应的增加 2 表面层材质的变化零件加工后表面层的力学 物理及化学等性能会与基体材料不同 表现为加工硬化 残余应力产生 疲劳变化及耐腐蚀性下降等 这些将直接影响零件的使用性能 零件加工质量与加工成本有着密切关系 加工精度要求高 将会使加工过程复杂化 导致成本上升 所以在确定零件加工精度和表面粗糙度时 总的原则是在满足零件的使用性能和后续工序要求的前提下 尽量选用较低要求的精度等级和较大的表面粗糙度值 以降低零件的成本 二 切削运动和切削用量 一 切削运动在金属的切削过程中 为了获得各种不同形状的零件 刀具与工件之间必须要有相对的运动 即切削运动 它是由金属切削机床来完成的 如轴类零件的车削加工 切削运动通常是由金属切削机床的工作台完成的 如下所示 切削运动按运动在切削中所起的作用不同分为主运动和进给运动两种 1 主运动所谓的主运动就是由机床提供的刀具与工件间主要的相对运动 即使刀具切削刃切入工件材料的运动 主运动的特点是速度最高 消耗功率最大 而且通常只有一个 主运动既可以由刀具来完成也可以由工件来完成 主运动的运动形式即可是直线运动 也可以是旋转运动 进给运动由机床或人力提供的运动 使刀具与工件之间产生附加的相对运动 它使新的金属层不断投入切削 以便切除工件表面上全部余量的运动 进给运动也由刀具或工件完成 其形式一般有直线 旋转或两者的合成运动 进给运动的主要特征是速度低 消耗功率小 可以有多个 3 合成运动切削时 主运动与进给运动同时进行 这时 刀具切削刃上一点相对于工件的合成运动为合成切削运动 车削加工时主运动和进给运动如下所示 C DocumentsandSettings Administrator 桌面 录像 主运动和进给运动 swf 主运动和进给运动 二 工件表面以车削为例 在切削加工过程 工件的表面有三个 如下图所示 1 待加工表面 需要切去金属的表面 2 已加工表面 切削后得到的表面 2 过渡表面 正在被切削的表面 也称为切削表面或加工表面 车削加工工件上的表面 三 切削用量 用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量 是切削速度 进给量及背吃刀量的总称 1 切削速度切削速度指切削刃上某点瞬时速度 以v表示 单位m min 以车削为例 当主运动为旋转运动时 可按下式计算 2 进给量进给量指工件 或刀具 每转一转时 刀具 或工件 沿进给方向移动距离 也称走刀量 以f表示 单位为mm r 如主运动为往复直线运动 如刨削 插削 则进给量单位为mm 次 1 车削 每转进给量 用f表示 单位mm r 2 刨削 每行程进给量 用f表示 单位mm 次 3 铣削 每齿进给量 用fz表示 单位mm z 车削时进给速度为vf n f 单位mm min 通常 切削加工中的主运动只有一个 而进给运动可以是一个或几个 3 背吃刀量背吃刀量指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离 旧称切削深度 以ap表示 单位为mm 在车床上车外圆时 背吃刀量计算公式为 p dw dm 2式中 dw 待加工表面直径 mm dm 已加工表面直径 mm 第二节刀具切削部分的几何角度金属切削刀具是完成切削的重要工具 其作用是从工件上切除多于的金属 它是影响生产率 加工质量和成本的主要因素 刀具的性能是决定机床性能的主要因素 由于机械零件种类繁多 结构复杂程度不一 其形状 尺寸和表面质量也不尽相同 为了适应不同零件的加工 机床有许多不同的种类 相应就有很多种机床刀具 如下图所示 焊接式车刀 机夹式车刀 整体式车刀 中心钻 麻花钻 扩孔钻 深孔钻 铰刀 镗刀 螺纹刀具 拉刀 铣刀 齿轮加工刀具 砂轮 砂轮 刀具的种类虽然很多 但外圆车刀是最常用 最简单和最基本的切削工具 因而最肯有代表性 其他刀具都可以看作是以车刀为基本形态演变而来的 如下图所示 因此 在研究金属切削工具时 通常以外圆车刀为例进行研究和分析 车刀与其它刀具的形状比较 车刀是车床加工时使用的刀具 车床 车刀是车床车削加工时使用的刀具 车刀的种类很多 按结构形式划分有整体式 焊接式 机夹式等三种 如下图所示 C DocumentsandSettings Administrator 桌面 录像 机夹重磨式车刀 wmv 整体式 焊接式 机夹式 车刀按其用途不同可分为外圆车刀 镗孔刀 切断刀 螺纹车刀和成形车刀 上述类型中 最常用的是外圆车刀 它按其主偏角大小又分为90 75 各45 外圆车刀 如下图所示 外圆车刀的使用应根据外圆表面加工的方案选择 75 的外圆车刀刀头强度高 常被选用为外圆的粗车刀 45 的弯头车刀 使用方便 可用来车削端面和倒角 90 的外圆车刀可用于粗车或精车 还可以车削有垂直台阶的外圆和细长轴 450外圆车刀 900外圆车刀 750外圆车刀 一 车刀的组成外圆车刀是最基本 最典型的切削刀具 它由切削部分和刀柄两部分所组成 切削部分是刀具上直接参加切削工作的部分 也称刀头 刀柄 刀体 是刀具上的夹持部分 一般采用碳钢制造 车刀的刀头由 三面两刃一尖 所组成 1 前刀面Ar 前面 切屑流出所经过的刀面 2 后刀面A 主后面 对着工件切削表面的刀面 3 副后刀面A 副后面 对着工件已加工表面的刀面 4 主切削刃S 前刀面与后刀面的交线 5 副切削刃S 前刀面与副后刀面的交线 6 刀尖r 主切削刃与副切削刃的交点 一般为半径很小的圆弧 以保证刀尖有足够的强度 二 刀具几何角度参考系由于车刀的刀头形状是不规则的 为方便的表示刀具切削部分的几何形状 必须把刀具放在一个确定的参考系中 用一组确定的几何参数来表达刀具和切削刃在空间的位置 这就是刀具的几何角度 即刀具的几何参数 而这个参考系通常是人为建立的基准坐标平面 作为组成参考系的基准 刀具几何角度参考系有两类 刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系 1 刀具标注角度参考系1 假设条件刀具标注角度参考系是设计刀具时 为标注刀具几何角度而采用的参考系 也是制造 刃磨和测量刀具时用的参考系 为了使参考系中的坐标平面与刃磨 测量基准面一致 特别规定了如下假设条件 1 假设运动条件 用主运动向量Vc近似地代替相对运动合成速度向量Ve 即Vf 0 2 假设安装条件 假定车刀安装绝对正确 即安装车刀时应 使刀尖与工件中心等高 车刀刀杆对称面垂直于工件轴线 车刀刀杆底面水平 由此可见 标注角度参考系是在简化了切削运动和设立标准刀具位置的条件下建立的参考系 刀具标注角度参考系有正交平面参考系 法平面参考系和假定工作平面参考系三种 其中正交平面参考系最应用的最多 1 正交平面参考系正交平面参考系由基面 r 主切削平面 s 和正交平面 Po 所组成 a 基面 r 切削刃上任意一点的基面是通过该点并垂直于该点切削速度方向的平面 b 切削平面 s 切削刃上任意一点的切削平面是通过该点并和工件切削表面相切的平面 c 正交平面 Po 主刀刃上任意一点的正交平面是通过该点并垂直于主切削刃在基面上投影的平面 上述三个平面在空间是互相垂直的 如下图所示 此外 还有法平面参考系和假定工作平面参考系 车刀上的三个辅助平面 三 刀具标注角度1 在基面内测量的角度 主偏角Kr 为主切削刃在基面上的投影与进给运动速度方向之间的夹角 副偏角K r 为副切削刃在基面上的投影与进给运动速度反方向之间的夹角 还有一个刀尖角 r 180 Kr K r C DocumentsandSettings Administrator 桌面 录像 车刀的主偏角和副偏角 wmv 2 正交平面内测量的角度正交平面中测量的刀具角度主要有前角和后角 前角 o 前刀面与基面之间的夹角 后角 o 主后刀面与切削平面之间的夹角 楔角 o 前刀面与后刀面之间的夹角 楔角的大小决定着切削部分的强度 它与前后角关系 o 90 o o C DocumentsandSettings Administrator 桌面 录像 车刀的前角和后角 wmv 3 在主切削平面内测量的角度切削平面中测量的刀具角度主要有刃倾角 刃倾角 s 在切削平面内主切削刃与基面之间的夹角 当主切削刃与基面平行时 s 0 当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时 s 0 反之 s 0 C DocumentsandSettings Administrator 桌面 录像 车刀的刃倾角 wmv 刃倾角影响刀尖强度并控制切屑流出的方向 如下图所示 刃倾角对排屑方向的影响 4 在副切削刃平面内测量的角度副后角 o 副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角 副后角影响刀面与已加工表面之间的磨擦和刀具强度 上述的几何角度中 其中最常用的是前角 o 后角 o 主偏角 r 副偏角 r 副后角 o 和刃倾角 s 刀具的各种角度如下图所示 四 刀具的工作角度切削过程中 由于刀具的安装位置 刀具对于工件间相对运动情况的变化 实际上起作用的角度与标注角度有所不同 我们称这些角度为工作角度 现在仅就刀具安装位置对角度的影响叙述如下 1 刀柄中心线与进给方向不垂直时对主 副偏角的影响2 切削刃安装高于或低于工件中心时 对前角 后角的影响五 切削层参数切削层是刀具切削部分切过工件一个单程所切除的工件材料层 其截面尺寸的大小即为切削层参数 为了简化计算 切削层形状 尺寸规定在刀具的基面中度量 切削层的形状和尺寸将直接影响刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺寸大小 车外圆时 主 副切削刃为直线时 且 s 0 切削层就是车刀由位置 移到位置 也就是移动一个进给量f的距离 刀具正在切削的那层金属层 切削层的形状是平行四边形 如下图所示 1 切削层公称厚度hD是垂直于切削表面度量的切削层尺寸 简称切削厚度 hD f sin r2 切削层公称宽度bD是沿切削表面度量的切削层尺寸 简称切削宽度 bD p sin r3 切削层公称横截面积ADAD f p hD bD 第三节刀具材料在金属切削过程中 刀具的切削部分承担切削工作 刀具材料性能的优劣 是影响加工表面质量 切削效率 刀具寿命基本因素 因此在设计和选择刀具时必须合理选择刀具材料 一 刀具材料应当具备的性能由于刀具是在温度较高 较大压力 摩擦剧烈的情况下工作的 有时刀具还要承受冲击和振动 因此刀具切削部分材料应具备以下基本要求 1 高的硬度2 高的耐磨性3 足够的强度和韧性4 高的耐热性 热稳定性 5 工艺性此外 在选用刀具材料时 还要考虑经济性 经济性差的刀具材料难以推广使用 刀具材料种类很多 常用的有碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金陶瓷 金刚石 天然和人造 和立方氮化硼等 当今用得最多的刀具材料为高速钢和硬质合金钢 二 高速钢高速钢是含有较多钨 钼 铬 钒等元素的高合金工具钢 与碳素工具钢和合金工具钢相比 高速钢能提高切削速度1 3倍 因此而得名 提高刀具耐用度10 40倍 它可以加工从有色金属到高温合金在内的范围广泛的材料 高速钢刀具制造工艺简单 能锻造 容易磨出锋利的刀刃 因此在复杂刀具 钻头 丝锥 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等 的制造中 高速钢占有重要地位 高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢和高性能钢两类 1 通用高速钢通用高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢 按其化学成分不同分钨系高速钢和钼系高速钢 2 高性能高速钢高性能高速钢是在通用高速钢中再加入一些合金元素 以进一步提高它的耐热性和耐磨性 这类高速钢的切削速度可达50 100m min 因此具有比通用高速钢更高的生产率与刀具使用寿命 同时还能切削不锈钢 耐热钢 高强度钢等难加工材料 三 硬质合金硬质合金是用粉末冶金的方法制成的一种刀具材料 它是由硬度和熔点很高的金属碳化物 WC TiC等 微粉和金属粘接剂 Co Ni Mo等 经高压成形 并在1500 左右的高温下烧结而成的 硬质合金的硬度高达74 81HRC 耐磨性很好 耐热性为800 1000 切削速度可达100m min以上 能切削淬火钢等硬材料 但其抗弯强度低 韧性差 怕冲击和振动 制造工艺性差 硬质合金目前已是各类切削刀具切削部分的主要刀具材料之一 如车刀 铣刀 钻头 铰刀 拉刀等 常用的硬质合金有钨钴类硬质合金 YG 钨钛钴类硬质合金 YT 钨钛钽 铌 钴类硬质合金 YW 碳化钛基硬质合金 YN 和钨钽 铌 钴类硬质合金 YA 钨钴类硬质合金 K类 钨钴类硬质合金由碳化钨和钴构成 其硬度为89 91 5HRA 耐热性为800 900 主要用于加工铸铁 有色金属及其合金 非金属材料和含钛的不锈钢等工件材料 常用的牌号有YG3 YG6 YG8等 G后面的数字为Co的百分含量 硬质合金中含钴量越多 韧性越好 适合于粗加工 含钴量少者用于精加工 钨钛钴类硬质合金 P类 它是由碳化钨 碳化钛和钴构成 其硬度为89 5 92 5HRA 耐热性为900 1000 常用的牌号有YT5 YT14 YT15 YT30 T后面的数字为TiC的百分含量 当TiC的含量较多 Co的含量较少时 硬度和耐磨性提高 但抗弯强度有所下降 主要用于加工塑性材料 但它不适合加工含Ti元素的不锈钢 因为两者的Ti元素亲和作用较强 会发生严重的粘结 使刀具磨损加剧 钨钛钽 铌 钴类硬质合金 M类 它是由碳化钨 碳化钛 钴以及加入少量碳化钽或碳化铌构成 其抗弯强度 韧性 抗氧化能力 耐热性和高温硬度都有很大的提高 是一种既能加工钢材 又能加工铸铁 有色金属及其合金 通用性能好的刀具材料 常用的牌号有YW1 YW2 碳化钛基硬质合金 P01类 它是由碳化钛 镍和钼构成 它的硬度高 92 5HRA 具有较高的抗氧化能力 较高的耐磨性 耐热性 1100 1300 和抗月牙洼磨损能力 主要用于碳钢 合金钢 工具钢 淬火钢等连续切削的精加工 常用的牌号有YN10 钨钽 铌 钴类硬质合金它是由碳化钨 碳化钽 碳化铌 和钴构成 有较高的常温硬度和耐磨性 同时能细化晶粒 也可提高高温硬度 高温强度和抗氧化能力 常用的牌号有YA6 适合于对冷硬铸铁 有色金属及其合金进行半精加工 也可对高锰钢 淬火钢等材料进行精加工和半精加工 四 其它刀具材料 陶瓷陶瓷刀具材料是以人造的化合物为原料 在高压下成形和在高温下烧结而成的 硬度为91 95HRA 耐热性高达1200 以上 化学稳定性好 与金属的亲和力小 与硬质合金相比切削速度可提高3 5倍 但其最大的弱点是抗弯强度低 冲击韧性差 因此主要用于钢 铸铁 有色金属等材料的精加工和半精加工 常用的陶瓷刀具材料有 高纯氧化铝陶瓷 复合氧化铝陶 瓷和复合氮化硅陶瓷等 金刚石金刚石分天然和人造两种 都是碳的同素异形体 天然金刚石由于价格昂贵用得很少 人造金刚石是在高温高压条件下由石墨转化而成 是目前已知的最硬物质 其硬度接近于10000HV 金刚石刀具能精密切削有色金属及其合金 硬质合金 陶瓷 高硅铝合金等高硬度 高耐磨材料 但它不适合加工铁族材料 因为金刚石中的碳原子和铁有很强的化学亲合力 在高温条件下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构 刀具极易损坏 立方氮化棚 CBN 立方氮化硼是由软的六方氮化硼 在高温高压下加入催化剂转变而成的 其硬度高达8000 9000HV 耐磨性好 耐热性好 高达1400 主要用于对高温合金 淬硬钢 冷硬铸铁进行半精加工和精加工 第四节金属切削过程金属切削过程是指通过切削运动 刀具从工件上切下多余金属层 形成切屑和已加工表面的过程 在这个过程中产生一系列现象 如切削变形 切削力 切削热和切削温度 刀具磨损等 学习这些规律 讨论这些现象 对于合理选择金属切削条件 分析解决切削加工中质量 效率等问题具有重要意义 一 切屑的形成和切屑种类 一 切屑的形成过程切削变形本质上是工件切削层材料受到刀具前刀面的挤压作用后 产生弹性变形 塑性变形和剪切滑移 使切削层金属与母体材料分离变为切屑的过程 切屑过程可用三个变形区来描述 第一变形区 I 这一区域是切削过程中的主要变形区 又称剪切区 第二变形区 因其变形主要是摩擦引起的 故这一区域又称摩擦变形区 第三变形区 第三变形区直接影响已加工表面的质量和刀具的磨损 变形区滑移线和流线示意图 二 切屑的种类由于工件材料 切削条件不同 产生的切屑种类也不同 按其机理可分为四大类 带状切屑 挤裂切屑 节状切屑 粒状切屑 单元切屑 和崩碎切屑四种 如下图所示 a 带状切屑b 挤裂切屑c 单元切屑d 崩碎切屑 三 滞流层和积屑瘤在切削塑性材料时 由于切屑底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦 使切屑底层的流动速度低于上层的流动速度 形成滞流层 当滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑本身分子间结合力时 滞流层的部分新鲜金属就会粘附在刀刃附近 形成楔形的积屑瘤 见下图 积屑瘤对切削过程的影响 积屑瘤硬度远高于被切金属的硬度 能代替切削刃进行切削 起到保护切削刃和减少刀具磨损的作用 所以粗加工时产生积屑瘤有一定好处 但积屑瘤是不稳定的 使切削深度和切削厚度不断变化 影响尺寸精度 影响到表面粗糙度 如下图所示 所以精加工时应避免产生积屑瘤 生产实践表明 高速或低速切削都不易形成积屑瘤 积屑瘤加工的工件表面 二 切削力切削力是切削过程中重要的物理现象 它将直接影响工件质量 刀具寿命和机床动力消耗 1 切削力的来源 切削合力与分力金属切削时 刀具切入工件 工件上正在被切的金属层发生变形而成为切屑 所需的力称为切削力 切削力主要来源于两方面 其一 切削层金属 切屑和工件表面金属层的弹性和塑性变形产生的变形抗力 其二 刀具前刀面与切屑 刀具后刀面与工件表面之间产生的摩擦抗力 作用于刀具上的合力F大小和方向随加工条件的不同而发生变化 为了便于测量和研究切削力 尤其是为了适合生产中设计和使用机床 刀具 夹具的需要 一般将合力分解为三个互相垂直的分力 如下图所示 总切削力在主运动方向上的正投影 称为切削力 用符号Fc表示 切削力的大小约占总切削力的90 以上 总切削力在进给方向上的正投影 称为进给力 用符号Ff表示 总切削力在垂直于工作平面上的分力 称为背向力 用符号Fp表示 上述三个力中 Fc为主切削力 它是计算机床动力的主要依据 是刀具 夹具强度校验的主要参数 C DocumentsandSettings Administrator 桌面 录像 切削基本知识 rm 三 切削热和切削温度切削热是切削过程中的另一重要物理现象 切削热和由它产生的切削温度 是刀具磨损和影响工件质量的重要原因 切削温度过高会使刀具磨损加剧 寿命下降 工件和刀具受热膨胀会导致工件精度超差 质量恶化 一 切削热的产生与传出切削热来源于切削层金属发生弹性 塑性变形所产生的热及切屑与前刀面 工件与后刀面之间的摩擦 切削时所消耗的功约有98 99 转换为切削热 故单位时间内产生的切削热可由下式计算 Q Fcvc式中 Q 切削热 J s Fc 主切削力 N vc 切削速度 m s 切削热由切屑 工件 刀具及周围介质传导出去 二 切削温度的分布在刀削过程中 切屑 刀具和工件上不同部位的切削温度分布是不均匀的 在前刀面和后刀面上 最高温度点都不在切削刃上 而是在离切削刃有一定距离的地方 三 影响切削温度的主要因素1 工件材料2 刀具几何参数3 切削用量 四 其它因素刀具磨损后切削刃变钝 使金属变形增大 同时刀具后刀面与工件的摩擦加剧 所以 刀具磨损后切削温度上升 后刀面上的磨损量愈大时 切削温度的上升愈为迅速 而切削液对切削温度的影响显著 切削时 使用切削液对降低切削温度 减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果 切削液的润滑作用可以减少摩擦 减小切削热的产生 四 刀具磨损和刀具寿命刀具磨损是金属切削研究中的重要课题之一 其与工件效率和加工成本有直接的影响 刀具磨损在加工中的主要表现是 一把新刃磨的刀具 经过一段时间的切削后 已加工表面粗糙度增大 工件尺寸超差 切削温度升高 切屑的颜色和形状发生变化 切削力增大 并伴有振动 此时刀具已磨损 一 刀具的磨损形式刀具失效的形式有正常磨损和非正常磨损两类 1 正常磨损刀具正常磨损时 按磨损部位不同 可分为前刀面磨损 用KT表示 后面刀磨损 用VBmax表示 前刀面和主后面同时磨损 用VBmax和KT表示 三种形式 如下图所示 刀具的磨损形式 二 刀具磨损的原因刀具磨损的原因很复杂 主要有以下几种常见的形式 1 磨料磨损 机械作用的磨损 2 粘结磨损3 氧化磨损4 扩散磨损5 相变磨损高速钢刀具低温时以机械磨损为主 温度升高时发生粘结磨损 达到相变温度时即形成相变磨损 失去切削能力 综合上述可知 温度越高 刀具磨损愈快 所以温度是刀具磨损的主要原因 三 刀具的磨损过程及磨钝标准1 刀具的磨损过程由实验可知 后刀面的平均磨损量VB随切削时间的增大而增大 其磨损曲线如下图所示 图3 22刀具磨损的典型曲线 刀具磨损的典型曲线 刀具的磨损过程一般可分为三个阶段 初期磨损初期磨损过程较快 时间短 正常磨损刀具的磨损量VB随时间的延长而均匀地增加 该阶段的磨损曲线基本上是线性的 其斜率代表磨损强度 是比较刀具性能的一个重要指标 剧烈磨损经正常磨段后 刀刃已变钝 切削力 切削温度急剧升高 磨损原因发生了质变 刀具表层疲劳 性能下降 磨损量VB剧增 刀具很快失效 2 刀具的磨钝标准刀具的磨损量的大小直接影响切削力 切削热 切削温度及工件的加工质量 所以 一定的加工条件都对刀具的磨损量值做了相应的规定 可从相关手册中查得 一般为了测量的方便 都以 后刀面磨损量大小来制订磨钝标准 通常说的磨钝标准是指后刀面磨损带中间平均磨损量VB允许达到的最大值 以符号VB表示 VB对切削的影响很大 特别是对Fp更明显 对加工精度也有影响 国标规定刀具的磨钝标准见书上表7 8 1 四 刀具的寿命刀具的寿命 刀具刃磨后 从开始投入切削至达到磨钝标准的净切削时间称为刀具寿命 记为T 刀具寿命可以作为衡量材料的可加工性的标准 衡量刀具材料切削性能的标准 衡量刀具几何参数合理性的标准 五 工件材料的切削加工性工件材料切削加工性是指对材料进行切削加工的难易程度 根据不同的要求 可以用不同的指标来衡量材料的切削加工性 一 工件材料的切削加工性的评定1 刀具寿命指标以刀具寿命T或一定寿命下的切削速度vT衡量加工性 在相同切削条件下加工不同材料时 若在一定切削速度下刀具寿命T较长或一定寿命下所允许的切削速度vT较高的材料 则其加工性较好 反之 其加工性较差 如将寿命T定为60min 则vT可写作 v60 j 一般以45钢的v60为基准 写作 v60 然后把其它各种材料的v60于之相比 这个比值Kr 称为相对加工性 即Kr v60 v60 j凡Kr大于1的材料 其加工性比45钢好 Kr小于1者 加工性比45钢差 vT和Kr是最常用的加工性衡量指标 在不同的加工条件下都使用 2 已加工表面质量指标3 切削力或切削温度指标4 切屑控制性能指标以切屑控制或断屑的难易衡量加工性切削加工时 凡切屑易于控制或断屑性能良好的材料加工性较好 反之则较差 在自动机床或自动线上 常以此为衡量加工性指标 一种工件材料很难在各方面都能获得较好的切削加工性能指标 只能根据需要选择一项或几项作为衡量其切削加工性的指标 在一般的生产中 常以保证一定的刀具寿命所允许的切削速度作为评定材料切削加工性的指标 二 影响工件材料切削加工性的因素工件材料的物理力学性能 化学成分和金相组织是影响加工性的主要因素 主要因素有以下几点 1 硬度和强度2 塑性 碳素钢中 低碳钢的塑性过大 高碳钢的塑性太小 硬度又高 故它们的加工性都不如硬度和塑性都适中的中碳钢好 3 韧性4 导热性导热性通过对切削温度的影响而影响材料的加工性 导热性大的材料 由切屑带走和工件散出的热量多 有利于降低切削温度 使刀具磨损速率减慢 故加工性好 综上所述 可以通过材料强度 硬度 塑性 冲击韧性 热导率等来分析加工工件材料的热切削加工性 三 常用材料的切削加工性 四 改善工件材料切削加工性的途径生产中对工件材料改善适切削加工性的主要途径是通过适当的热处理 当工件材料选定不能更改时 则只能改变切削条件使之适应该种材料的加工性 选择适当的刀具材料 合理刀具几何参数和切削用量 采用性能良好的切削液和有效的使用方法等 六 金属切削条件的选择金属切削加工过程中的效率 质量和经济性等问题 除了与机床设备的工作能力 操作者的技术水平 工件的形状 生产批量 刀具材料及工件材料的切削加工性有关 还受到切削条件的影响和制约 这些切削条件包括刀具几何参数和刀具的寿命 切削用量及切削过程的冷却润滑等 一 刀具几何参数的选择刀具的几何参数 对切削变形 切削力 切削温度 刀具寿命等有显著的影响 选择合理的刀具的几何参数 对保证加工质量 提高生产率 降低加工成本有重要的意义 所谓刀具合理几何参数 是指在保证加工质量的前提下 能够满足较高生产率 较低加工成本的刀具几何参数 1 前角的选择增大前角 可减小切削变形 从而减小切削力 切削热 降低切削功率的消耗 还可以抑制积屑瘤和鳞刺的产生 提高加工质量 但增大前角 减小了切削刃与刀头强度降低 容易造成崩刃 还会使刀头的散热面积和容热体积减小 使切削区局部温度 上升 易造成刀具的磨损 刀具耐用度下降 2 后角的选择3 主偏角与副偏角的选择4 刃倾角的选择 二 刀具寿命的选择刀具寿命对切削加工的生产率和生产成本有较大的影响 如果将刀具寿命定得过高 必然要降低切削用量 使机加工时间增加 生产率降低 成本提高 如果将刀具寿命定得过低 虽然可采用较大的切削用量 但会增加换刀和磨刀的次数 辅助时间延长 同样会降低生产率 增加成本 因此 应根据具体的生产条件制定出合理的刀具寿命 确定合理的刀具寿命的方法有三种 1 根据单件平均生产时间最短的指标计算出来的最大生产率刀具寿命 2 根据单件平均加工成本最低的指标计算出来的最低成本刀具寿命 3 根据平均利润率最大指标计算出来最大利润刀具成本寿命 三 切削用量的选择选择合理的切削用量 要综合考虑生产率 加工质量和加工成本等 一般情况下 粗加工时 由于要尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度 应优先选择大的背吃刀量 其次选择较大的进给量 最后根据刀具耐用度 确定合适的切削速度