机械制造技术基础 第1章 机械制造过程的基础知识.ppt

第1章机械制造过程的基础知识 1 1机械制造工艺系统及组成 1 1 1机械制造工艺过程及其组成1 1 2机械制造工艺系统 机械制造工艺是指制造机械产品的技巧 方法和程序 机械制造过程中 凡是直接改变生产对象的形状 尺寸 表面质量 物理机械性质 以及决定零件相互位置关系等 使其成为成品或半成品的过程称为机械制造工艺过程 根据作用不同可分为机械加工工艺过程与机器的装配工艺过程 1 1 2机械制造工艺过程及其组成 机械加工工艺过程是通过采取合理有序的各种加工方法 逐步地改变毛坯的形状 尺寸 相对位置和性能使其成为合格零件的过程 而产品的装配则是采用按一定顺序布置的各种装配工艺方法 把组成产品的全部零件按设计要求正确结合在一起形成产品的过程 称之为装配工艺过程 其中机械加工工艺过程是主要讲述内容 机械加工工艺过程的组成工序是指在一个工作地点 由一个或一组工人对一个或同时对数个工件所连续完成的那一部分工艺过程 零件的工艺过程的确定是一个复杂的过程 它取决于零件的材料 结构特点 精度要求 技术条件 生产批量的大小 以及工厂的具体生产条件 单件生产阶梯轴的工艺过程 大批量生产阶梯轴的工艺过程 工件每经一次装夹后所完成的那部分工序内容称为安装 在一次装夹中 工件在机床上所占据的每一个位置 称为一个工位 工步是指在工件被加工表面 或装配时的连接表面 加工 或装配 工具 切削用量中的进给量和切削速度都不变的情况下 所连续完成的那部分工序内容 它是加工工序中的主要组成部分 根据设计信息将制造资源 原材料 劳动力 能源等 转化为有形产品或财富的过程称为生产过程 工厂逐步用系统的观点看待生产过程的各个环节及它们的关系 即将生产过程看成一个具有输入和输出的工艺系统 1 1 2机械制造工艺系统 转变 输入 输出 效益 正负 生产要素 生产对象 生产资料 直接间接 能源 劳动力 生产信息 生产过程 生产财富 转变过程 生产率 输出 输入 有形 产品 无形 服务 1 2金属切削的基础知识 1 2 1切削运动 切削用量与切削层参数的基本概念1 2 2切屑的形成过程及变形程度的表示方法1 2 3工件材料的可切削性1 2 4切削过程中的切削力 切削热及控制措施1 2 5金属切削刀具基础知识1 2 6刀具的标注角度与刀具的工作角度1 2 7常用刀具材料的分类 性能及应用范围1 2 8刀具的磨损和耐用度 切削用量的制订 1 2 1切削运动 切削用量与切削层参数的基本概念 切削加工时 刀具与零件之间具有相对运动 即切削运动 待加工表面加工时即将被切除的工件表面 已加工表面工件上经刀具切削后产生的新表面 过渡表面主切削刃正在切削的表面称为过渡表面 它是待加工表面与已加工表面的连接表面 切削用量是切削过程中切削速度 进给量 和背吃刀量 的总称 切削速度是主运动的线速度 当主运动为旋转运动时 以做主运动的回转体的最大直径的切削速度来计算进给量是指刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量 可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表示 背吃刀量是指在与主运动方向和进给运动方向所组成的平面的法线上测量的工件上已加工表面与待加工表面间的距离 在主运动和进给运动作用下 工件将有一层多余的材料被切除 这层多余的材料称为切削层 纵车外圆时切削层尺寸可用以下三个参数表示 切削公称厚度是垂直于切削刃的方向上度量的切削刃两瞬时位置过渡表面间的距离 fsinkr 切削层公称宽度是沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸 切削层公称横截面面积是切削层横截面的面积 切削变形的形成 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 通常把切削刃作用部分的金属层划分为三个变型区 如图所示 第 变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区 第 变形区与前刀面接触的切屑层内产生的变形区 第 变形区近切削刃处切削层内产生的塑性变形区 三个变形区 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 切屑的类型 2 挤裂 节状 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 变形程度的量度方法 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 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 2 变形系数 h 工件材料的可切削性 工件材料的可切削性是指在一定的切削条件下 材料被切削加工成合格零件的难易程度 衡量材料切削加工性的指标 1 刀具耐用度指标在相同加工条件下 切削某种材料时 若刀具耐用度较长或在相同耐用度下的切削速度较大 则该材料的切削加工性较好 反之 其切削加工性较差 2 切削力 切削温度指标在相同切削条件下 凡切削力大 切削温度高的材料加工性差 反之 则加工性好 3 加工表面质量指标精加工时 常以此为切削加工性指标 凡容易获得好的加工表面质量 包括表面粗糙度 冷作硬化程度及残余应力等 的材料 其切削加工性好 反之较差 4 断屑难易程度指标凡切屑容易控制或容易断屑的材料 其切削加工性好 反之则较差 相对切削加工性及其分级 影响工件材料切削加工性的因素 1 硬度工件材料的硬度越高 切屑与前刀面接触长度减小 前刀面上应力增加 摩擦集中 切削温度升高 刀具磨损加剧 高温硬度越高 刀具与工件硬度比小 切削加工性越差 2 强度工件材料的强度越高 切削力越大 切削温度越高 刀具磨损加快 切削加工性越差 3 塑性和韧性强度相同时 塑性和韧性越大的材料 变形越大 切削力增加 消耗功率越多 切削温度越高 刀具磨损越大 切削加工性越差 4 热导率材料导热系数越大 切屑和工件导出的热量越多 越有利于降低切削区温度 因此切削加工性越好 5 化学成分钢中含炭量越多 材料强度 硬度越高 切削力越大 刀具越易磨损 含炭量太低 塑性和韧性较高 不易断屑 使加工表面粗糙度大 6 金相组织钢中铁素体塑性大 珠光体硬度较高 马氏体硬度更高 故珠光体的含量越少 允许的切削速度越高 刀具使用寿命越长 切削加工性越好 马氏体比珠光体更硬 因而马氏体含量高者 加工性差 另外 金相组织的形状和大小也影响加工性 常用材料切削加工性及其改善措施 1 普通金属材料硬度低 韧性高的材料 可采用增大刀具前角 降低切削速度 低速加切削液 在刀具上磨制断屑槽控制断屑 对材料进行热处理 对于硬度高 韧性差的材料 可采用耐磨性高的刀具 减小刀具前角和主偏角 降低切削速等措施 以及对材料进行热处理 2 难加工材料对于硬度 强度和伸长率均很高的高合金钢 加工使切削力大 消耗功率多 切削温度高 断屑困难 加工表面质量也差 刀具磨损剧烈 对此类综合加工性指标很差的材料进行加工 最好用涂层硬质合金刀片刀具 采用大前角 10 20 大主偏角 45 75 负刃倾角 10 5 大的刀尖圆弧半径 磨制断屑槽 降低切削速度 100m min 等措施来减小切削力 提高刀具强度 也可通过退火 回火及正火来改善其加工性 对于硬度 强度不高 但塑性和韧性特别高的材料 应选用硬度高 有一定韧性 导热系数较大 高温性能好的刀具材料 对于以铬为主的不锈钢 调质或退火状态下加工 具有很好的综合力学性能 一般用YG类 最好添加钽 铌 如YG6A YH类或YW类 以及采用特殊基体如陶瓷涂TiN和Al2O3的涂层刀片 采用较大前角 较大后角以减小切削变形 采用大主偏角kr 负刃倾角 s 以减小切削力 增大刀头强度 采用中等切削速度等 钛合金的加工性很差 刀具磨损快 刀具耐用度低 所以加工钛合金使 应用YG类 YH类刀具 采用较小的前角 ro 5 10 切削速度不易过高 被吃刀量和进给量要适当加大 冷硬铸铁的硬度极高 塑性很低 切削力和切削热都集中在切削刃附近 因而刀刃很容易崩损 应选用硬度 强度都好的刀具材料 一般用细化晶粒或超细晶粒的YG类和YH类硬质合金 复合氧化铝或碳化硅陶瓷刀具对冷硬铸铁进行精加工 半精加工 前角取小值 以提高切削刃和刀尖的强度 主偏角也应适当减小 切削过程中的切削力 切削热及控制措施 金属切削时 刀具切入工件 使被加工材料发生变形成为切屑所需要的力称为切削力 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 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 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 FC 主运动切削速度方向的分力它切于加工表面 并与基面垂直 Fz用于计算刀具强度 设计机床零件 确定机床功率等 切深抗力Fy FP 切深方向的分力它处于基面内并垂直于进给方向 Fp用于计算与加工精度有关的工件挠度和刀具 机床零件的强度等 它也是使工件在切削过程中产生振动的主要作用力 进给抗力Ff FX 进给方向的分力它处于基面内与进给方向相同 Ff用于计算进给功率和设计机床进给机构等 切削力的计算 目前生产实际中采用的计算公式都是通过大量的试验和数据处理而得到的经验公式 这些经验公式主要有两种形式 指数切削力形式和切削层单位面积切削力形式 在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力 不同的加工方式和加工条件下 切削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得 车削时的切削分力及切削功率的指数公式见 若已知单位切削力kc 即可求得单位切削功率ps 根据 硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功率表查 实际切削条件与表中不符时 必须引入修正系数加以修正 有关修正系数可参见相关手册 在实际应用工作中 切削力的计算可查阅有关手册 影响切削力的因素 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极强度 s 塑性变形 切屑与刀具间摩擦系数 等条件影响切削力的 影响较大的因素主要是工件材料的强度 硬度和塑性 材料的强度 硬度越高 则屈服强度越高 切削力越大 在强度 硬度相近的情况下 材料的塑性 韧性越大 则刀具前面上的平均摩擦系数越大 切削力也就越大 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 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 加工脆性材料时的影响较小 3 刀具几何角度的影响 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 总之 主偏角kr对切削力FZ的影响较小 影响程度不超过10 但是对背向力FY和进给力FX的影响较大 主偏角 Fy FxycosKrFx FxySinKr 式中 FXY 切削合力F在基面内的分力 可见FY随kr的增大而减小 FX则随kr的增大而增大 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 其它的影响因素 4 负倒棱对切削力的影响在前刀面上磨出的负倒棱br的宽度与进给量f之比增大 切削力随之增大 5 刀具材料的影响因为刀具材料与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦 所以直接影响到切削力的大小 一般按立方碳化硼 CBN 刀具 陶瓷刀具 涂层刀具 硬质合金刀具 高速钢刀具的顺序 切削力依次增大 6 切削液的影响切削液具有润滑作用 使切削力降低 切削液的润滑作用愈好 切削力的降低愈显著 在较低的切削速度下 切削液的润滑作用更为突出 7 刀具后刀面磨损的影响刀具后刀面磨损带中间部分的平均宽度以VB表示 磨损面上后角为0 VB愈大 磨擦愈强烈 因此切削力也愈大 VB对背向力Fp的影响最为显著 切削热 切削热的来源与传导 切削温度影响工件材料的性能 前刀面上的摩擦系数和切削力的大小 影响刀具磨损和刀具使用寿命 影响积屑瘤的产生和加工表面质量 也影响工艺系统的热变形和加工精度切削是由切削功转变而来的 如图所示 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 切削温度分布 1 剪切区内 沿剪切面方向上各点温度几乎相同 而在垂直于剪切面方向上的温度梯度很大 2 前刀面和后刀面上的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 这是摩擦热沿前 后刀面逐渐增加的缘故 3 在靠近前刀面的切屑底层上 温度梯度很大 4 刀面的接触长度较小 因此工件加工表面上温度的升降是在极短的时间内完成的 刀具通过时加工表面受到一次热冲击 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 1 工件的材料工件材料的强度 硬度越高 总切削力越大 单位时间内产生的热量越多 切削温度也就越高 工件材料的导热性好 从切屑和工件传出的切削热相应增多 切削区的平均温度降低 2 刀具磨损的影响刀具后刀面磨损量增大 切削温度升高 磨损量达到一定值后 对切削温度的影响加剧 切削速度愈高 刀具磨损对切削温度的影响就愈显著 3 浇注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 切削液的热导率 比热容和流量愈大 切削温度愈低 切削液本身温度愈低 其冷却效果愈显著 4 切削用量的影响1 切削速度vc对切削温度 的影响最大 但随着进给量f的增大 切削速度vc对切削温度的影响程度减小 2 进给量f对切削温度 的影响比切削速度vc小 3 背吃刀量ap对切削温度 的影响很小 5 刀具几何参数的影响1 前角的影响前角 0增大 使切屑变形程度减小 产生的切削热减少 因而切削温度下降 但前角大于18 20 时 对切削温度的影响减小 2 主偏角的影响主偏角kr减小 使切削宽度bD增大 散热面积增加 切削温度下降 3 负倒棱及刀尖圆弧半径的影响负倒棱及刀尖圆弧半径的增大 使切屑变形程度增大产生的切削热增加 但同时也使散热条件改善 两者趋于平衡 因而负倒棱和刀尖圆弧半径对切削温度影响很小 金属切削刀具基础知识 刀具的类型 刀具的常用的种类很多 根据用途和加工方法的不同可分为如下 切刀 车 铣 刨 插 镗 拉 滚等孔加工用的刀 各种钻头 绞刀 丝锥等还有螺纹刀 齿轮刀 磨具刀等等 1 端面车刀 2 仿形车刀 3 车槽刀 4 外圆车刀 5 螺纹车刀 切削刀具的种类很多 形状各异 但它们切削部分的几何形状与几何参数具有共同的特征 切削部分的基本形状为楔形 车刀是最典型的代表 其它刀具可以视为由车刀演变或组合而成 多刃刀具的每个刀齿都相当于一把车刀 见图a 车刀由刀体和刀柄两部分组成 刀体即为切削部分 具有下列各要素 如下图所示 三面两刃一尖 1 前刀面A 切屑流过的刀面 2 副切削刃S 前面与副后面在空间的交线 假定运动条件 首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运动方向 其次假定进给速度值很小 可以用主运动向量近似代替合成速度向量 然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系 假定安装条件 假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具便于制造 刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线 如车刀底面 车刀刀杆轴线 铣刀 钻头的轴线等 反之也可以说 假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直 简单理解为1 主切削刃处在水平面上 刀尖恰在工件中心高度上 2 刀柄中心线垂直于工件轴线 假定进给方向 3 主运动方向与刀具底面垂直 不考虑进给运动 4 工件已加工表面的形状为圆柱面 车刀主剖面 正交平面 坐标系 在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度 称为刀具标注角度 刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所需要的 并在刀具设计图上予以标注的角度 刀具的标注角度主要有五个 以车刀为例 表示了几个角度的定义 在切削刃是曲线或前 后刀面是曲面的情况下 定义刀具的角度时 应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲刃或曲面 主剖面参考系里的标注角度的名称 符号与定义如图 前角 0 前刀面与基面间的夹角 在主剖面中测量 前角的作用 影响刃口的锋利程度 切削力的大小与切屑变形的大小及刀头强度等 后角 0 后刀面与切削平面间的夹角 在主剖面中测量 减少后刀面与工件表面之间的摩擦 也影响车刀强度和锋利程度等 主要影响车刀的散热条件 切削分力的大小和方向的变化等 刃倾角 s 切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角 同理 副切削刃及其相关的前刀面 后刀面在空间的定位也需要四个角度 即副偏角 r 副刃倾角 s 副前角 0 副后角 0 它们的定义与主切削刃上的四种角度类似 主要是控制排屑方向和影响刀头的强度 由于正交平面图所示车刀副切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上 因此 当 0 s两者确定后 前刀面的方位已经确定 0 s两个角度可由 0 s r r等角度换算出来 称为派生角度 由上分析可知 外圆车刀有三个刀面 两个切削刃 所需标注的独立角度只有六个 此外 根据分析刀具的需要还要给定几个派生角度 它们的名称与定义如下 楔角 0 主剖面中测量的前 后刀面间夹角 0 90 0 0 刀尖角 r 基面中测量的主 副切削刃间夹角 r 180 r r 1 工作切削平面Pse 通过切削刃某选定点 与工件加工表面相切的平面 2 工作基面Pre 通过切削刃某选定点 垂直于合成切削速度向量Ve的平面3 工作正交平面Poe 垂直于工作基面与工作切削平面 刀具工作角度参考系与刀具标注角度参考系的唯一区别是 用合成切削方向ve取代主运动切削方向vc 用实际进给运动方向取代假定进给运动方向 1 横车以切断车刀为例 在不考虑进给运动时 车刀主切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一圆周 切削平面Ps为通过切削刃上该点切于圆周的平面 基面Pr的平面 0 0为标注前角和后角 当考虑横向进给运动之后 切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一平面阿基米德螺旋线 切削平面变为通过切削刃切于螺旋面的平面Pse 基面也相应倾斜为Pre 角度变化值为 工作主剖面P0e仍为平面 此时在工作参考系 Pre Pse P0e 内的工作角度 0e和 0e为 0e 0 0e 0 角称为合成切削速度角 它是主运动方向与合成运动切削速度方向之间的夹角 由 角定义可知 tan 1 横车 式中d为随着车刀进给而不断变化着的切削刃选定点处工件的旋转直径 值是随着切削刃趋近工件中心而增大的 再靠近中心 值急剧增大 工作后角变为负值 2 纵车 同理 也是由于工作中基面和切削平面发生了变化 形成了一个合成切削速度角 引起了工作角度的变化 如图1 16所示 假定车刀 s 0 在不考虑进给运动时 切削平面Ps垂直于刀杆底面 基面Pr平行于刀杆底面 正交平面Po中标注角度有 o及 o 在进给剖面中分别为 f及 f 考虑进给运动进给运动后 工作切削平面Pse为切于螺旋面的平面 刀具工作角度的参考系 Pse Pre 倾斜一个角 则工作进给剖面 仍为原进给剖面 内的工作角度为 fe f fe f 由合成切削速度角 的定义可知 tan 式中f 进给量dw 切削刃选定在A点时的工件待加工表面直径 上述角度变化可以换算至主剖面内 tan 0 tan sinkr 0e 0 0由上式可知 值不仅与进给量f有关 也同工件直径dw有关 dw越小 角度变化值越大 1 刀尖安装对工作角度的影响当刀尖安装得高于工件中心线时 工作切削平面将变为Pse 工作基面变为Pre 工作角度 pe增大 pe减小 在背平面 P P 仍为标注背平面 内角度变化值为 p tan p 式中h 刀尖高于工件中心线的数值 mm dw 工件直径 则工作角度为 pe p p或 pe p p 上述都是在刀具的背平面 Pp Pp 内的角度变化 还需要换算到工作主剖面内 tan 0 或 2 刀杆安装倾斜对工作角度的影响 车刀刀杆与进给方向不垂直时 工作主偏角kre和工作副偏角k re将发生变化 式中G 假定进给剖面与工作进给剖面之间的夹角 在基面内测量 也就是进给运动方向的垂线和刀杆中心线间的夹角 常用刀具材料的分类 性能及应用范围 刀具材料应具备的性能在切削加工过程中 刀具切削部分直接与切屑 工件相互接触 工作表面上承受很大的压力和强烈的磨擦 刀具切削区产生很高的温度 受到很大的应力 在加工余量不均匀的工件或断续加工时 刀具还受到强烈的冲击和振动 因此刀具材料应具有以下基本要求 1 高的硬度和耐磨性2 足够的强度和韧性3 高耐热性4 良好的工艺性5 经济性 常用高速钢牌号及其应用范围 2 硬质合金硬质合金是用高硬度 高熔点的金属碳化物 如WC TiC TaC NbC等 粉末和金属粘结剂 如Co Ni Mo等 经高压成型后 再经高温烧结而成的粉末冶金制品 3 新型刀具材料 涂层刀具材料 陶瓷刀具材料 超硬刀具材料 刀具的磨损和耐用度 切削用量的制订 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 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 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 刀具磨损过程曲线 刀具的磨钝标准 1 直观判断法在生产实际中 常常根据切削中发生的一些现象 如出现火花 振动 啸音 或加工表面粗糙度恶化等 来判断刀具是否已经磨钝 2 ISO标准ISO标准统一规定以1 2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准 3 自动化作业标准自动化生产中的精加工刀具 则常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为刀具的磨钝标准 称为径向磨损量NB 表2 8为车刀的磨钝标准 供选用时参考 表2 8磨钝标准VB值 mm 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 刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间 其间包括多次重磨 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 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 复杂的 高精度的 多刃的刀具耐用度应选得比简单的 低精度的 单刃的刀具高 对于机夹可转位刀具 由于换刀时间短 为使切削刃始终处于锋利状态 刀具耐用度可选得低些 对于换刀 调刀比较复杂的数控刀具 自动线刀具以及多刀加工时 刀具耐用度应选得高些 以减少换刀次数 保证整机和整线的可靠工作 精加工刀具切削负荷小 刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些 大件加工时 为避免一次进给中中途换刀 刀具耐用度应选得高些 生产中一般根据最低加工成本的原则来确定耐用度 而在紧急时可根据最高生产率原则来确定耐用度 切削用量的合理选择 切削用量的选择原则选择切削用量的原则就是在保证加工质量 降低成本和提高生产效率的前提下 使ap f vc的乘积最大 当ap f vc的乘积最大时 工序的切削时间最短 因此 确定切削用量时 应尽可能选择较大的ap 其次按工艺装备与技术条件的允许选择最大的f 最后再根据刀具使用寿命确定vc 这样可在保证一定刀具使用寿命的前提下 使ap f vc的乘积最大 背吃刀量的选择 1 根据加工余量确定粗加工时 除留下精加工的余量外 应尽可能一次走刀切除全部粗加工的余量 这样不仅能在保证一定刀具使用寿命的前提下使ap f vc的乘积大 而且可以减少走刀次数 2 中等功率机床情况1 粗车时背吃刀量最大可达8 10mm 2 半精车 表面粗糙度值一般是Ra10 5mm 时 背吃刀量可取为0 5 2mm 3 精车 表面粗糙度值一般是Ra2 5 1 25mm 时 背吃刀量可取为0 1 0 4mm 3 加工余量过大或工艺系统刚度不足等情况在此情况下 可分几次走刀完成 如分两次走刀将第一次走刀的背吃刀量取大些 可占全部余量的2 3 3 4 而使第二次走刀的切削深度小些 以使精加工工序获得较小的表面粗糙度及较高的加工精度 4 切削特殊材料情况切削零件表层有硬皮的铸 锻件或不锈钢等冷硬较严重的材料时 应使背吃刀量超过硬皮或冷硬层 以避免使切削刃在硬皮或冷硬层上切削 进给量的选择 1 一般原则背吃刀量选定以后 应进一步尽量选择较大的进给量f 其合理数值应当保证机床 刀具不致因切削力太大而损坏 切削力所造成的工件绕度不致超出工件精度允许的数值 表面粗糙度不致太大 2 粗加工情况根据经验主要考虑工艺系统刚度 切削力大小和刀具的尺寸等 但还需进行一些验算 3 半精加工和精加工情况应按粗糙度要求 根据工件材料 刀尖圆弧半径 刀具副偏角 切削速度等选择进给量 1 当刀尖圆弧半径增大 副偏角减小时 已加工表面粗糙度较小 可选较大的进给量 2 当切削速度较高时 切削力降低 可适当增大进给量 3 当加工脆性材料时 得到崩碎切屑 已加工表面不平整 表面粗糙度较大 应选较小的进给量 在选择切削速度时 还应考虑以下几点 1 精加工时 应尽量避开积屑瘤易于产生的速度范围 2 断续切削时 宜适当降低切削速度 以减少冲击和热应力 3 加工大型 细长 薄壁工件时 应选用较低的切削速度 端面车削应比外圆车削的速度高些 以获得较高的平均切削速度 提高生产率 4 在易发生振动的情况下 切削速度应避开自激振动的临界速度 在ap f值选定后 根据合理的刀具耐用度或查表来选定车削速度 金属切削机床基础知识 机床的分类和型号编制方法 机床的分类按加工方法和刀具分12大类 车床 钻床 镗床 磨床 齿轮加工机床 螺纹加工机床 特种加工机床 铣床 刨插床 拉床 锯床和其他机床 按万能性程度 通用机床 专门化机床 专用机床 按精度 普通精度机床 精密机床 高精度机床 还有按照重量和尺寸 自动化程度等等分类方法 机床型号表示方法 机床型号用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合而成 型号中包含 机床的类别代号 机床的特性代号 包括通用特性代号和结构特性代号 机床的组和型别代号 主要性能参数代号 机床重大改进序号等 通用机床的型号表示方法如图所示 注 1 有 符号者 为大写的汉语拼音字母 2 有 符号者 为阿拉伯数字 3 有 的代号或数字 当无内容时则不表示 若有内容时应去掉括号 表机床的类别代号 1 机床的类别代号用该类机床名称汉语拼音的第一个字母表示 如 表通用特性代号 2 机床的特性代号 结构特性代号用汉语拼音字母表示 如 3 机床的组别 系别代号用两位阿拉伯数字表示 前一位表示组别 后一位表示系别 每类机床划分为10个组 用数字0 9表示 每个组又可分为若干个系 4 机床主参数 设计顺序号和第二主参数主参数和第二主参数用阿拉伯数字给出主参数的折算值 1 10或1 100 5 机床的重大改进顺序号序号按A B C 等字母的顺序选用 例如CA6140型卧式车床的代号意义为 CA6140 典型机床的加工工艺范围 1 车床车削的加工范围有车外圆及台阶 车端面 镗孔 车锥面 车螺纹 车成形面 切槽及切断等 2 铣床在铣床上利用铣刀的旋转和工件的移动来完成零件切削加工的方法称为铣削加工 用多刃回转体刀具在铣床上对平面 台阶面 沟槽 成形表面 形腔表面 螺旋表面进行加工的一种切削加工方法 3 其它机床的应用加工范围钻床是用钻头在工件上加工孔的机床 主要用于加工外形复杂 没有对称回转轴线工件上的孔 如箱体 支架 杠杆等零件上的单个孔或孔系 镗床是一种主要用镗刀在工件上加工孔的机床 通常用于加工尺寸较大 精度要求较高的孔 特别是分布在不同表面上 孔距和位置精度要求较高的孔 如各种箱体 汽车发动机缸体等零件上的孔 除镗孔外 还可以进行铣削 钻孔 扩孔 铰孔 锪平面等工作 磨床是以磨料或磨具 如砂轮 砂带 油石 研磨料 为工具进行切削加工的机床 简易车床的传动系统 传动系统是一台机床运动的核心 它决定着机床的运动和功能 机床的每一个运动都由运动源 执行件和联系两者的一系列传动装置完成 这些传动装置和运动源 执行件一起构成了机床这一运动的传动链 机床的传动系统就是各种运动的传动链的综合 根据传动联系的性质 可将传动链分为以下两类 1 外联系传动链外联系传动链是联系运动源和执行件之间的传动链 使执行件得到运动 而且能改变运动速度和方向 但不要求运动源和执行件之间有严格的传动比关系 2 内联系传动链当表面成形运动为复合运动的成形运动时 它是由同保持严格的相对运动关系 如严格的传动比 的几个单元运动 旋转或直线运动 所组成的 车圆柱螺纹时 从电动机传到车床主轴的传动链 1 2 uv 3 4 就是外联系传动链 它只决定车螺纹速度的快慢 而不影响螺纹表面的形成 车削圆柱螺纹时需要工件旋转B11和车刀直线移动A12组成的复合运动 这两个运动应保持严格的运动关系 工件每转一转 车刀应准确的移动一个螺旋线导程 为实现这一运动 需用传动链 4 5 ux 6 7 将两个执行件 主轴和刀架 联系起来 并且传动链的传动比必须准确地满足上述传动比关系