生产管理知识_工业生产过程刀具几何参数与切削用量选择概述

2014 10 18 工业生产过程刀具几何参数与切削用量选择 ZZQ 本节课内容 刀具几何参数的相关问题工件材料切削加工性切削用量选择高速加工概述 2014 10 18 今天的课程学完后 预期学习结果 熟悉刀具各几何参数的意义及其选择方法 掌握工件材料切削加工性的概念 了解衡量工件材料切削加工性的指标 熟悉影响工件材料切削加工性的因素 了解切削用量的选择方法 了解高速加工的发展 2014 10 18 CDIO相关能力在今天课程中的培养 应用基础科学知识与工程基础知识 实行工程推理并解决问题 通过工件材料切削加工性问题和刀具合理几何参数 切削用量的选择方法 提高在企业和社会环境中 完成设计实施过程和零件制造过程的各种具体能力 通过对高速加工发展过程的思考 提高批评性思维能力 对各项学习任务进行合理的时间安排 有效高质量地完成 2014 10 18 刀具几何参数的选择 刀具几何参数可分为两类 一类是刀具角度参数 另一类是刀具刃型尺寸参数 各参数之间存在着相互依赖 相互制约的作用 因此应综合考虑各种参数 以便进行合理的选择 虽然刀具材料的优选对于切削过程的优化具有关键作用 但是 如果刀具几何参数的选择不合理也会使刀具材料的切削性能得不到充分发挥 在保证加工质量的前提下 能够满足刀具使用寿命长 生产效率高 加工成本低的刀具几何参数 称为刀具的合理几何参数 2014 10 18 选择刀具几何参数应考虑的因素 工件材料要考虑工件材料的化学成分 制造方法 热处理状态 物理和机械性能 包括硬度 抗拉强度 延伸率 冲击韧性 导热系数等 还有毛坯表层情况 工件的形状 尺寸 精度和表面质量要求等 刀具材料和刀具结构考虑刀具材料的化学成分 物理和机械性能 包括硬度 抗弯强度 冲击值 耐磨性 热硬性和导热系数 还要考虑刀具的结构形式 如整体式 还是焊接式或机夹式 具体的加工条件考虑机床 夹具的情况 工艺系统刚性及功率大小 切削用量和切削液性能等 2014 10 18 前面的选择 前刀面型式 有平面型 曲面型和带倒棱型三种 如下页图 平面型前刀面 制造容易 重磨方便 刀具廓形精度高 曲面型前刀面 起卷刃作用 并有助于断屑和排屑 故主要用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具 如丝锥 钻头 带倒棱型前刀面 是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施 2014 10 18 前刀面型式 2014 10 18 后面的型式 双重后面为保证刃口强度 减少刃磨后面的工作量 常在车刀后面磨出双重后角 如下页图a所示 消振棱为了增加后面与过渡表面之间的接触面积 增加阻尼作用 消除振动 可在后面上刃磨出一条有负后角的倒棱 称为消振棱 下页图b 其参数为倒棱 0 1 0 3mm 负后角 5 20 刃带对一些定尺寸刀具 如钻头 绞刀等 为便于控制刀具尺寸 避免重磨后尺寸精度的变化 常在后面上刃磨出后角为0 的小棱边 称为刃带 下页图c 2014 10 18 后面型式 2014 10 18 过渡刃的型式 在主切削刃与副切削刃之间有一条过渡刃 如图所示 过渡刃有直线过渡刃和圆弧过渡刃两种 过渡刃的作用是提高刀具强度 延长刀具耐用度 降低表面粗糙度 a 直线刃 b 圆弧刃 c 平行刃 d 大圆弧刃 2014 10 18 思考 教科书P106习题2 18 2014 10 18 前角的选择 前角的功用 前角影响切削过程中的变形和摩擦 同时还影响刀具的强度前角的选用原则 在刀具强度许可条件下 尽可能选用大的前角 下表为硬质合金车刀前角的合理值 2014 10 18 前角的选择 2014 10 18 思考 最大的前角可选到多大 2014 10 18 后角 副后角 的选择 后角的功用 后角 o的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损 其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响 后角同时还影响刀具的强度 后角的选用原则 增大后角 副后角 可减轻刀具后面与过渡表面之间的摩擦 使刀具磨损减小 寿命提高 故后角不能取负值 增大后角 还可使切削刃更锋利 有利于改善加工表面质量 但后角过大 刀具的楔角会太小 刃区强度降低 散热效果减小 刀具磨损加快 反而会使刀具耐用度降低 因此 后角也存在一个合理值 粗加工以确保刀具强度为主 可在4o 6o范围内选取 精加工以加工表面质量为主 常取8o 12o 下页表为硬质合金车刀后角的合理值 2014 10 18 硬质合金车刀后角的合理值 2014 10 18 后角 副后角 的选择 2014 10 18 思考 安装后角为零的车刀时 若刀刃高于车床中心高 会有什么问题 2014 10 18 主偏角和副偏角的功用 影响已加工表面的残留面积高度减小主偏角和副偏角 可以减小已加工表面粗糙度 特别是副偏角对已加工表面粗糙度影响更大 影响切削层形状主偏角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 在切削深度和进给量一定的情况下 增大主偏角 切削宽度减小 切削厚度增大 切削刃单位长度上的负荷随之增大 影响切削分力的大小和比例关系增大主偏角可减小背向力Fp 但增大了进给力Ff 影响刀尖角的大小主偏角和副偏角共同决定了刀尖角 r 故直接影响刀尖强度 导热面积和容热体积 影响断屑效果和排屑方向增大主偏角 切屑变厚变窄 容易折断 2014 10 18 主偏角 副偏角的选择 主偏角的选择在工艺系统刚性很好时 减小主偏角可提高刀具耐用度 减小已加工表面粗糙度 所以 r宜取小值 在工件刚性较差时 为避免工件的变形和振动 应选用较大的主偏角 副偏角的选择一般情况下 选取较小的副偏角 以减小副切削刃和副后刀面与工件已加工表面之间的摩擦和防止切削振动 2014 10 18 思考 在车床上加工细长轴 应选用什么样的车刀 2014 10 18 主偏角的选择 2014 10 18 副偏角及过渡刃的选择 2014 10 18 刃倾角的功用 2014 10 18 刃倾角的功用 2014 10 18 刃倾角的功用 2014 10 18 刃倾角 s选用 刃倾角 s主要影响刀头的强度和切屑流动的方向 见图 刃倾角 s选用原则 主要根据刀具强度 流屑方向和加工条件而定 粗加工时 为提高刀具强度 s取负值 精加工时 为不使切屑划伤已加工表面 s常取正值或0 2014 10 18 思考 刀具刃倾角是否为零与齿轮传动中的直齿轮 斜齿轮传动有没有可相互比对之处 2014 10 18 刀具几何参数的选择实训 题目在普通卧式车床上用反向进给法车削45钢细长轴 刀具牌号为YT15 加工时使用跟刀架和弹性顶尖 试确定刀具的几何参数 实训过程分析加工特点 根据加工特点选择合理的刀具几何参数 工件材料为45钢 加工性能好 细长轴的加工特点是刚性差 加工过程易产生弯曲和振动 因此要尽量减小背向力 2014 10 18 具体分析和选择 取 o 28 30 r 75 减小背向力 由于前角较大 为增加刃口的强度 应修磨出负倒棱 取br1 0 5 1 0mm o1 10 后角和刃倾角不能太大取 o 6 s 3 由于主偏角较大 为增强刀尖的强度 采用修圆刀尖 取r 1 5 2mm 为保证断屑可靠 前刀面应磨出宽LBn 4 6mm 圆弧半径rBn 2 5mm的卷屑槽 2014 10 18 衡量工件材料切削加工性的指标 2014 10 18 2014 10 18 2014 10 18 思考 教科书P105习题2 15 2014 10 18 影响材料的切削加工性的因素 2014 10 18 影响材料的切削加工性的因素 2014 10 18 影响材料的切削加工性的因素 2014 10 18 改善工件材料切削加工性的途径 要改善工件材料的切削加工性 可通过热处理方法 改变材料的金相组织和物理力学性能 也可通过调整材料的化学成分等途径 还可以通过使用配伍的刀具 生产实际中 热处理是常用的处理方法 2014 10 18 切削用量的选择 切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数 而且其数值合理与否对加工质量 加工效率 生产成本等有着非常重要的影响 所谓 合理的 切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能 功率 扭矩 在保证质量的前提下 获得高的生产率和低的加工成本的切削用量 切削用量选择原则 能达到零件的质量要求 主要指表面粗糙度和加工精度 并在工艺系统强度和刚性允许下及充分利用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下选取一组最大的切削用量 2014 10 18 确定切削用量时考虑的因素 1 生产率2 机床功率3 刀具寿命 刀具耐用度T 4 加工表面粗糙度 2014 10 18 制订切削用量的原则 粗加工时 一般以提高生产效率为主 但也应考虑经济性和加工成本 半精加工和精加工时 则以保证加工质量为前提 并兼顾切削效率 经济性和加工成本 下页表为在上述限制条件下制订的粗车进给量 2014 10 18 2014 10 18 在半精加工和精加工时 进给量主要受到表面粗糙度的限制 下表为按照表面粗糙度制订的进给量 2014 10 18 提高切削用量的途径 采用切削性能更好的新型刀具材料 在保证工件机械性能的前提下 改善工件材料的加工性 改善冷却润滑条件 改进刀具结构 提高刀具制造质量 2014 10 18 切削用量的选择实训题目 有一轴 加工精度要求为9级 表面粗糙度为Ra3 2 m 材料为45号热轧钢 b 0 637GPa 毛坯尺寸为 50mm 350mm 加工尺寸为 44mm 300mm 在普通卧式车床CA6140上加工 使用焊接式硬质合金YT15车刀 刀杆截面尺寸为16 25mm 几何参数 o 15 o 8 r 75 r 10 s 6 r 1mm br1 0 3mm o1 10 其加工方案为 粗车 半精车 试确定1 粗车和半精车时合理的切削用量 2 若要磨削外圆 试确定磨削加工时的砂轮和切削液 2014 10 18 切削用量的选择实训过程 根据加工要求 选择切削用量 参考有关工艺手册 解 1粗车 1 确定背吃刀量 毛坯余量单边为3mm 粗车取 2 5mm 2 确定进给量f根据工件材料 刀杆截面尺寸 工件直径及背吃刀量 从上面表中查得f 0 4 0 5mm r 按机床说明书中实有的进给量 取f 0 51mm r 2014 10 18 切削用量的选择实训过程 3 校验进给机构强度查有关工艺手册得单位切削力kc 1962N mm2 进给量对单位切削力的影响修正系数kfkc 0 925 求得切削力为Fc kc fkfkc 1962 2 5 0 51 0 925N 2314N查有关手册得 当r 1mm时 kr Ff 0 81 当 r 75 时 Ff Fc 0 5 故进给力为Ff Ff Fc Fckr Ff 0 5 2341 0 81 N 948 1 N 从机床说明书中查得机床进给机构允许的进给抗力为Ffmax 3528N 故机床进给机构强度足够 所选进给量 f 0 51mm r 可以使用 2014 10 18 切削用量的选择实训过程 4 确定切削速度查上面表得vc 90m min 计算机床主轴的转速为 按机床说明书选取实际的机床转速为560r min 此时的实际切削速度为 2014 10 18 切削用量的选择实训过程 5 校验机床功率从说明书上可知 该机床电机的功率为7 8kW 取机床效率 0 8 则此时该机床允许的最大切削速度 按前述公式 为 2014 10 18 切削用量的选择实训过程 半精车 1 确定背吃刀量ap 0 5mm 2 确定进给量精加工和半精加工应根据表面粗糙度值来选 由于要求的表面粗糙度为Ra3 2um 1mm 查表2 6 预估切削速度vc 50m min 得f 0 3 0 35mm r 按机床说明书中实有的进给量 取f 0 3mm r 3 确定切削速度根据已知条件和已确定的ap和f值 查上面表得vc 130m min 算出机床转速 2014 10 18 切削用量的选择实训过程 按机床说明书选取机床实际转速为900r min 此时的实际切削速度为 本题的结果为 粗车切削用量ap 2 5mm f 0 51mm r vc 87 9m min半精车切削用量ap 0 5mm f 0 3mm r vc 127 2m min解2若要磨削外圆 砂轮可用 400 100 127 60J5V35 切削液可选普通乳化液 2014 10 18 高速加工概述 高速加工技术使生产效率大大提高 生产成本显著降低 研究表明 当切削速度超过某一数值时 切削速度再增大 切削温度反而会降低 切削力会急剧下降 切屑渐渐变得不连续 高速加工后工件表面质量很好 高速加工的发展过程 得益于先驱研究者的批评性思维能力 2014 10 18 圆锯片实验 1931年德国发明家Salomon对不同材料进行高速切削实验 实验结果表明 当切削速度超过某一数值时 切削速度再增大 切削温度反而会降低 下页图 Salomon是用圆锯片来做实验研究的 这主要是因为当时还没有高速旋转的电机 因而只能通过加大圆锯片的直径来得到较高的切削速度 2014 10 18 2014 10 18 高速加工基本理论 Salomon的基础研究表明 在一定的速度范围内 由于过高的温度导制加工无法进行 这在美国被称为 死区 正是因为这个原因 高速加工也可被定义为切削速度超过那个速度范围的加工 2014 10 18 弹射实验 大约20年后 也就是1950年初 更加集中的高速切削研究在世界范围内展开 从那时起仍然不可能达到高旋转转速加工 于是就采用了弹射实验方法 这些实验 一部分是通过快速滑动使刀具通过工件加工表面 另一部分则是通过弹射工件使它通过静止的切削刃 从这些实验中发现 高速切削下切屑形状与常规切削条件下不同 2014 10 18 弹射实验 研究科学的证实了在低速切削区 切削力随切削速度的提高而增大 但当切削速度大到一定程度后 切削力会急剧下降 此外 研究表明 随着切削速度的提高 切屑渐渐变得不连续 在用枪将工件沿固定的切削刃弹射出的实验中 发现材料超出了塑性特性区 切屑由于脆性断裂而成形 2014 10 18 20世纪60年代早期的研究 美国的大量研究表明 只要解决切削过程中严重的刀具磨损和机床振动 生产效率会大大提高 生产成本也会显著降低 在一项研究中还发现 切削铝时切削速度超过6500m min很有研究价值 2014 10 18 高速主轴的应用 到80年代早期 高速主轴用于加工中心之后 高速加工的理论不仅得到进一步发展 而且也能用于实际生产中 1977年 美国第一次通过铣削速度高达1980m min的铣床证实了射击试验的结果与理论分析结论 同时试验结果也表明 切削表面质量明显提高 2014 10 18 高速主轴的应用 这些试验中的另一重大发现是高速切削过程中产生的切削热大部分被切屑带走了 1979年 美国空军和通用电气公司 GE 合作研究高速切削各因素之间的关系以及如何将高速切削用于生产 研究表明 切削铝合金的最佳切削速度范围是1500 4500m min 美国所开展的这些研究主要集中在对轻金属的高速加工 仅有少数几项试验用来研究钢及铸铁的高速加工 2014 10 18 欧洲的高速加工技术研究 欧洲的Darmstadt工业大学1979年开展一合作研究项目 高速铣削过程特点研究 研究重点是磁悬浮轴承对高速转轴发展的技术支持 并在机床上进行实际测试 通过使用这一由磁悬浮轴承支承的转轴 1980年终于实现了可用切削速度的重大突破 这一突破使得早期由射击试验得出的理论得到证实 2014 10 18 高速加工机床 零传动的数控机床 超高速大功率的主运动系统采用电主轴 超高速的进给运动系统采用直线电机 采用新颖的非金属大阻尼材料作支承件 具有防弹效果的防护体系等 高速主轴 电主轴 采用陶瓷轴承或磁悬浮轴承支承 2014 10 18 陶瓷轴承高速主轴结构 2014 10 18 磁浮轴承主轴结构 2014 10 18 直线电机原理 2014 10 18 高速加工技术的优点 切削温度降低 随着切削速度的提高 切削速度高于塑性变形速度 切削产生的切削热绝大部分被切屑带走 切削温度反而会降低 切削力下降 随着切削速度的提高 切削力会急剧下降 切屑可控制 随着切削速度的提高 切屑渐渐变得不连续 高塑性材料 如铝等 断屑难问题得到有效解决 2014 10 18 高速加工技术的优缺点 表面质量提高 高速加工后工件表面质量很好 通常情况下可以不需要进一步精加工或只在部分场合下需要进一步精加工 效率提高 高速加工使生产效率大大提高 生产成本显著降低 缺点 随着切削速度的提高 刀具寿命会下降 2014 10 18 高速加工的应用场合 高速加工技术得以应用的主要原因是这一技术自身具有很多优点 高速加工的应用场合主要包括 模具制造业 飞机制造工业 光学和精密仪器加工 汽车制造工业以及家用设施生产 尽管高速加工不是制造精密零件必需的加工方法 但它在精密加工领域取得了长足的进步 采用高速切削技术 表面加工质量可达 a 0 2 m和 z 3 m 2014 10 18 安全处理 高速加工过程中的潜在危险包括 飞溅的切屑和崩刃以及变松的刀具夹紧系统都具有很高的动能 另外加工过程中还存在轴向动态力 这意味着高标准的主动和被动的防护措施是必需的 比如不可缺少的部分除了电子监测系统外 还应当有适合吸收能量的空腔 2014 10 18 高速加工的经济性 对生产过程加工链全面考虑表明 由于高速加工后工件表面质量很好 通常情况下可以不需要精加工或只在部分