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金属热处理残余应金属热处理残余应力与开裂失效关系的探讨陈再良, 吕东显, , 明宇, 付海峰北京机电研究所, 北京摘要分析金属热处理中的热应力和相变引起的组织应力产生原因, 认为金属残余应力内应力存在是材料不稳定状态, 随着材料的加工和使用条件特别是温度和环境变化, 这种应力状态会发生改变。论文结合钢铁和铝合金热处理中的开裂问题, 提出了金属残余应力与开裂失效的判据一一即当材料中的内应力或应力强度因子大于该材料局部区域的失效抗力时就出现开裂失效最后提出一些减少金属开裂和裂纹愈合的可能途径。关健词金属热处理热应收稿日期:2004 - 12 - 24作者简介:杨光(1968 ) ,男,四川郫县人,兰州师范高等专科学校物理工学系讲师。数控加工中刀具的选择和切削用量的确定杨光(兰州师范高等专科学校,甘肃兰州730070)摘要:从加工零件的形状入手讨论了数控加工中刀具的选择,从加工质量和刀具的耐用度入手讨论了切削用量的选择。关键词:数控加工;刀具;切削用量;确定中图分类号: TH164 文献标识码:A 文章编号:1008 - 9020 (2005) 02 - 031 - 02刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容, 它不仅影响数控机床的加工效率, 而且直接影响加工质量。CAD/ CAM 技术的发展, 使得在数控加工中直接利用CAD 的设计数据成为可能, 特别是微机与数控机床的联接, 使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部在计算机上完成成为可能。现在, 许多CAD/ CAM 软件包都提供自动编程功能,这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题,比如, 刀具选择、加工路径、切削用量设定等, 编程人员只要设置了有关的参数, 就可以自动生成NC 程序并传输至数控机床完成加工。因此, 数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的, 这与普通机床加工形成鲜明的对比, 同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则, 在编程时充分考虑数控加工的特点。本文对数控编程中必须面对的刀具选择和切削用量确定问题进行了探讨。一、数控加工常用刀具的种类及性能数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点, 一般应包括通用刀具、通用连接刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上, 因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法。根据刀具结构可分为: 整体式; 镶嵌式。根据制造刀具所用的材料可分为: 高速钢刀具; 硬质合金刀具; 金刚石刀具; 陶瓷刀具等。从切削工艺上可分为: 车削刀具; 钻削刀具; 镗削刀具; 铣削刀具等。刀具材料应具备的性能:(1) 高硬度刀具材料的硬度应高于工件的硬度, 常温硬度应在HRC68 以上;(2) 足够的韧性承受切削力、振动和冲击;(3) 高耐磨性耐磨性是材料抵抗磨损的能力;(4) 高耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力;(5) 良好的工艺性。二、数控加工刀具的选择刀具的选择应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是: 安装调整方便, 刚性好, 耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下, 尽量选择较短的刀柄, 以提高刀具加工的刚性。选取刀具时, 要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中, 平面轮廓的加工, 常采用立铣刀; 铣削平面时, 应选镶硬质合金刀片面铣刀; 加工毛坯表面或粗加工孔时, 可选取镶硬质合金刀片的铣刀; 对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工, 常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和梯形铣刀等。在进行曲面加工时, 应选用球头刀具, 并且球头刀具半径应小于曲面的最小曲率半径。由于球头刀具的端部切削速度为零, 因此, 为保证加工精度, 切削行距一般取得很密, 而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀, 因此, 只要在保证精度的前提下, 无论是曲面的粗加工还是精加工, 都应优先选择平头刀。在数控加工中, 由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行, 占用辅助时间较长, 因此, 必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下原则: 尽量减少刀具数量; 一把刀具装夹后, 应完成其所能进行的所有加工部位; 粗精加工的刀具应分开使用, 即使是相同尺寸规格的刀具; 先面后孔; 先进行曲面精加工, 后进行二维轮廓精加工; 在可能的情况下, 应尽可能利用数控机床的自动换刀功能, 以提高生产效率等。三、数控加工切削用量的确定合理选择切削用量的原则是, 粗加工时, 一般以提高生产率为主, 但也应考虑经济性和加工成本; 半精加工和精加工时, 应在保证加工质量的前提下, 兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床性能、切削用量手册, 并结合经验而定。同时, 使主轴转速、切削深度及进给速度三者相互适应, 以形成最佳切削用量。切削用量 1 3 的选择可参考表1表1 切削用量的选取(高速钢立铣刀)工件材料铸铁铝钢刀具直径(mm)刀刃数切削速度(m/ min)进给速度(mm/ min)切削速度(m/ min)进给速度(mm/ min)切削速度(m/ min)进给速度(mm/ min)8 2 28 115 126 500 25 10010 2 28 110 129 490 26 8212 2 29 105 130 470 26 8414 2 29 100 132 440 26 8016 2 30 94 133 420 27 76(1) 背吃刀量Ap 。在机床、工件和刀具的刚度允许的情况下, 应尽可能使背吃刀量等于加工余量, 这样可以减少走刀次数, 提高生产效率。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度, 应留少量精加工余量, 一般留0. 2 - 0.5mm。(2) 切削宽度L 。一般L 与刀具直径d 成正比, 与切削深度成反比。数控加工中, 一般L 的取值范围为: L =(0. 6 - 0. 9) d。(3) 切削速度Vc。Vc 也是提高生产率的一个措施, 但Vc 与刀具耐用度的关系比较密切。随着Vc 的增大, 刀具耐用度急剧下降, 故Vc 的选择主要取决于刀具耐用度。另外, 切削速度与加工材料也有很大关系, 例如用立铣刀铣削合金刚30CrNi2MoVA 时, Vc 可采用8m/ min 左右; 而用同样的立铣刀铣削铝合金时, Vc 可选200m/ min 以上。(4) 主轴转速n (r/ min) 。主轴转速一般根据切削速度Vc 来选定。计算公式为: n = 1000Vc /d , 式中d 为刀具或工件直径(mm) 。数控机床的控制面板上一般配有主轴转速修调(倍率)开关, 可在加工过程中对主轴转速进行倍率调整。(5) 进给速度F。F 应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。确定进给速度的原则:第一、当工件的质量要求能够保证时, 为提高生产效率, 可选择较高的进给速度。一般在100 - 200mm/ min 范围内选取。第二、在刀断、加工深孔或用高速钢刀具加工时, 宜选择较低的进给速度, 一般在20 - 50mm/ min 范围内选取。第三、当加工精度、表面粗糙度要求高时, 进给速度应选小些, 一般在20 - 50mm/ min 范围内选取。在数控加工过程中, F 也可通过机床控制面板上的进给倍率修调开关进行人工调整, 但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。在切削深度及进给量选定后, 合理地选择切削速度对切削效率和加工成本有很大的影响。下图所示为切削速度、进给量对工序成本的影响。分析图可知: 当进给量一定,切削速度适中时, 对应成本最低, 该速度即为对应于刀具经济使用寿命的最佳切削速度; 增大进给量, 工序成本随之降低, 且与刀具经济使用寿命对应的最佳切削速度随进给量的增大而降低。图示切削速度和进给量对工序成本的影响(由上到下4 条曲线分别由小到大的4 种进给量)随着数控机床在生产实际中的广泛应用, 数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。在数控程序的编制过程中, 要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。因此, 编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则, 从而保证零件的加工质量和加工效率, 充分发挥数控机床的优点, 提高企业的经济效益和生产水平。参考文献:1 陈洪涛, 数控加工工艺与编程, 高等教育出版社,2003.2 吴林禅, 金属切削原理与刀具, 机械工业出版社,1999.3 杨伟群, 数控工艺培训教程, 清华大学出版社,2002.4 中国就业技术培训指导中心, 数控加工中心操作工, 中国劳动社会保障部出版社, 2001.责任编辑: 谢继国 2 3 第10 卷第2 期(2005) 杨光:数控加工中刀具的选择和切削用量的确定Vol110No. 2 (2005)力残余应力开裂失效愈合Experiences & Skills经验与技巧计算机辅助设计与制造2000年第11期3 3刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容它不仅影响数控机床的加工效率而且直接影响加工质量CAD/CAM 技术的发展使得在数控加工中直接利用CAD 的设计数据成为可能特别是微机与数控机床的联接使得设计工艺规划及编程的整个过程全部在计算机上完成一般不需要输出专门的工艺文件现在许多C A D / C A M 软件包都提供自动编程功能这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题比如刀具选择加工路径规划切削用量设定等编程人员只要设置了有关的参数就可以自动生成NC 程序并传输至数控机床完成加工因此数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的这与普通机床加工形成鲜明的对比同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则在编程时充分考虑数控加工的特点本文对数控编程中必须面对的刀具选择和切削用量确定问题进行了探讨给出了若干原则和建议并对应该注意的问题进行了讨论一数控加工常用刀具的种类及特点数控加工刀具必须适应数控机床高速高效和自动化程度高的特点一般应包括通用刀具通用连接刀柄及少量专用刀柄刀柄要联接刀具并装在机床动力头上因此已逐渐标准化和系列化数控刀具的分类有多种方法根据刀具结构可分为整体式镶嵌式采用焊接或机夹式连接机夹式又可分为不转位和可转位两种特殊型式如复合式刀具减震式刀具等根据制造刀具所用的材料可分为高速钢刀具硬质合金刀具金刚石刀具其他材料刀具如立方氮化硼刀具陶瓷刀具等从切削工艺上可分为车削刀具分外圆内孔螺纹切割刀具等多种钻削刀具包括钻头铰刀丝锥等镗削刀具铣削刀具等为了适应数控机床对刀具耐用稳定易调可换等的要求近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用在数量上达到整个数控刀具的30 40%金属切除量占总数的80 90%数控刀具与普通机床上所用的刀具相比有许多不同的要求主要有以下特点刚性好尤其是粗加工刀具精度高抗振及热变形小互换性好便于快速换刀寿命高切削性能稳定可靠刀具的尺寸便于调整以减少换刀调整时间刀具应能可靠地断屑或卷屑以利于切屑的排除系列化标准化以利于编程和刀具管理二数控加工刀具的选择刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的应根据机床的加工能力工件材料的性能加工工序切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄刀具选择总的原则是安装调整方便刚性好耐用度和精度高在满足加工要求的前提下尽量选择较短的刀柄以提高刀具加工的刚性选取刀具时要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应生产中平面零件周边轮廓的加切削用量的确定赵葛霄刀具的选择与数控加工中经验与技巧Experiences & SkillsNO.11, 2000 CAD/CAM 3 4 工常采用立铣刀铣削平面时应选硬质合金刀片铣刀加工凸台凹槽时选高速钢立铣刀加工毛坯表面或粗加工孔时可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工常采用球头铣刀环形铣刀锥形铣刀和盘形铣刀在进行自由曲面加工时由于球头刀具的端部切削速度为零因此为保证加工精度切削行距一般取得很密故球头刀具常用于曲面的精加工而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀因此只要在保证不过切的前提下无论是曲面的粗加工还是精加工都应优先选择平头刀另外刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大必须引起注意的是在大多数情况下选择好的刀具虽然增加了刀具成本但由此带来的加工质量和加工效率的提高则可以使整个加工成本大大降低在加工中心上各种刀具分别装在刀库上按程序规定随时进行选刀和换刀动作因此必须采用标准刀柄以便使钻镗扩铣削等工序用的标准刀具迅速准确地装到机床主轴或刀库上去编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸调整方法以及调整范围以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸目前我国的加工中心采用TSG 工具系统其刀柄有直柄三种规格和锥柄四种规格两种共包括16 种不同用途的刀柄在经济型数控加工中由于刀具的刃磨测量和更换多为人工手动进行占用辅助时间较长因此必须合理安排刀具的排列顺序一般应遵循以下原则尽量减少刀具数量一把刀具装夹后应完成其所能进行的所有加工部位粗精加工的刀具应分开使用即使是相同尺寸规格的刀具先铣后钻先进行曲面精加工后进行二维轮廓精加工在可能的情况下应尽可能利用数控机床的自动换刀功能以提高生产效率三数控加工切削用量的确定合理选择切削用量的原则是粗加工时一般以提高生产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应在保证加工质量的前提下兼顾切削效率经济性和加工成本具体数值应根据机床说明书切削用量手册并结合经验而定1. 切削深度t 在机床工件和刀具刚度允许的情况下t 就等于加工余量这是提高生产率的一个有效措施为了保证零件的加工精度和表面粗糙度一般