第五章 金属切削原理.ppt

第五章金属切削原理 第一节切削要素和切屑的形成切削金属时 刀具前刀面的推挤与切削刃的切割 使切削层变成切屑并与工件分离而形成了已加工表面 这个过程叫作切削过程 在切削过程中会出现一系列的物理现象 如变形 切削力 切削热和刀具的磨损等 一 切削要素切削要素可分为工艺性切削要素和物理性切削要素两类 一 工艺性切削要素工艺性切削要素又称切削用量三要素 其中包括有切削速度v 进给量f和背吃刀量aP 二 物理性切削要素物理性切削要素又称切削横截面参数 切削层是指工件每转一转 正被切削刃切削的那一层 而切削层横截面是指被工件的轴向截面所截的截面 如图5 1所示 它表明切削过程中的物理性质 包括有切削厚度hD 切削宽度bD和切削面积AD 1 切削厚度 hD 表示被切下来的切削层的厚度 当车外圆 刃倾角入S 0 时 hD fsinkr hD的大小反映出切削刃单位长度上的工作量 对切削层的变形 切削的形成 切削力 刀具的磨损及工件的已加工表面粗糙度等的影响极大 圆弧刃切削时 切削层各点的切削厚度不等 见图5 2b 2 切削宽度bD表示切削表面沿主切削刃方向上的长度 它直接表示出主切削刃的工作长度 在一定的条件下增大主切削刃工作长度能提高生产率 使切屑变薄 同时又改善了散热条件 bD ap sInKr3 切削面积是切削层在基面Pr内的面积 它分为名义切削面积 AD 实际切削面积 ADE 和剩余切削面积 AD 1 名义切削面积 AD 图5 3中ABCD的面积 2 实际切削面积 ADE 等于名义切削面积AD减去剩余切削面积 AD所得之差 即 ADE AD AD 3 剩余切削面积 AD 如图5 3的ABE是指当刀具副偏角不为0时 切削刃从位置I移至位置 后 残留在已加工表面上的不平部分的截面面积 图5 3中的ABE 因为剩余切削面积 AC 的值极小 所以通常在计算实际而切削面积时 还是以名义明面AD来计算 AD可略去不计 但是 它却是影响工件表面粗糙度的主要因素之一 4 作用切削刃长度lsa当刃倾角入s 0时 主切削刃的实际工作刃段长度就等于切削宽度bD 三 切削机动时间的计算 二 切屑的形成过程与变形规律及其影响因素 一 切屑的形成过程金属切削层变为切屑的过程分为四个阶段 1 挤压阶段 当车刀接触工件后 使金属受到挤压力而局部发生弹性变形 2 滑移阶段 当刀具继续前进 使工件材料受到更大的挤压力切削层发生塑性变形 金属晶体沿一定方向产生滑移 但尚未分离 3 挤裂阶段 刀具连续前进 工件材料内应力和应变不断增大 金属在某一界面上产生裂痕 称挤裂线 由于应力达到材料的极限强度并形成切屑 当应力达到断裂点时金属晶体开始分离 4 切离阶段 工件材料出现裂痕后 继续受到挤压 使其与工件表面分离 在刀具前刀面上形成切屑流出 二 切屑的种类按金属材料的切削加工性质 可将其分为塑性材料与脆性材料 塑性好的较软材料比硬而脆的材料变形大 非常脆硬的材料变形极小或几乎不变形 因此 形成的切屑形状一般有四种 见图5 6 1 带状切屑在终滑移面上滑移还没达到破裂程度 即塑性变形还不充分 就形成了连续不断的切屑 故称为带状切屑 它的背面是毛茸状 而底面很光滑 产生带状切屑时 其形成的过程平稳 切削力变化小 工件表面粗糙度值较小 刀具磨损较慢 是一种较理想的切屑 切屑连绵不断 必须采取断屑措施 2 节状切屑在终滑移面上滑移比较充分 即塑性变形比较充分 已达到破裂程度 但在挤裂面上尚不很充分 切屑是不完全破裂的金属 称为节状切屑 也叫挤裂切屑 一般粗车中等硬度的材料 采取较低的切削速度和较大的进给量时 容易形成节状切屑 它形成时的变形较大 切削力较大 且有波动 工件已加工表面比较粗糙 3 粒状切屑当发生裂缝贯穿切屑而成颗粒状时 称为粒状切屑或单元切屑 也叫破裂切屑 它的塑性变形极为充分 这时切削力的波动较大 减少前角 降低切削速度 加大切削厚度会形成粒状切屑 4 崩碎切屑切削脆性材料如铸铁 青铜等 切屑层一般经过弹性变形而未经塑性变形就会突然崩裂 成为崩碎切屑切屑的压力集中在刃口附近 对刀尖的冲击较大 切削热集中在刀尖附近 使其容易磨损 工件加工表面粗糙 三 切屑收缩在切削过程中 被切金属层经过滑移变形而出现的切屑长度缩短 厚度增加的现象 称为切屑收缩 四 影响切屑变形的各种因素1 工件材料的影响切削塑性大的材料时 切屑变形大 材料的强度越低 一般硬度较低 塑性越大 软钢就比硬钢变形大 2 刀具几何形状的影响刀具的角度对切屑变形都有影响 而前角的影响较大 增大前角 会使切屑流出方向跟切削速度方向之间的夹角减小 切屑的变形就小 从而也就使切屑收缩减少 除前角外 刀具的主偏角的大小影响切屑的宽 窄 厚 薄 刀尖圆弧半径 刃口圆弧半径r等影响摩擦和切削力及切削温度 而对切屑的收缩和变形也都有一些影响 3 切削速度的影响高速切削时 切屑底层与刀具前刀面摩擦产生的温度增高 使这一薄层金属变软 甚至已呈微熔状态 形成润滑膜 起到一种特殊的润滑作用 反而切屑变形减小 因此 提高切削速度可以收到变形小 切削力小和表面粗糙度值小的效果 4 进给量的影响增大进给量 使切屑厚度增加 由于在切削层中应力和变形分布不均匀 靠近刀具前刀面的金属层较大些 因此 厚切屑就比薄切屑平均变形要小些 5 切削液的影响切削时渗人切削刃与切削层之间的液体能降低切削温度 使切屑的收缩率减小 同时能起到润滑作用 减少了摩擦 切屑流出顺利 变形减小 第二节积屑瘤当刀具切完工件退出后 有时会发现在刀尖上面有一块象焊上去的坚硬而脆的楔形金属它就是积屑瘤 也叫切屑瘤或刀瘤 一 积屑瘤的形成过程当切削塑性金属时 切屑经过第二变形区 与较粗糙的刀具前刀面产生剧烈的摩擦 使切屑底层与刀具前刀面接触处产生滑移变形 并降低了流速 形成了流速较低的金属层 称为滞流层 这些滞流层金属受到摩擦产生的很大切削热及分子之间接触具有的结合力等高温高压作用下 当与切屑主体发生滑移分离时又受到刀具前刀面的阻碍而暂时停留在刀具前刀面并形成一个楔块粘在切削刃上 达到原来材料硬度的2 3 5倍 当外摩擦大于内摩擦时就会形积屑瘤 二 影响积屑瘤的各种因素1 切削速度的影响如图5 10所示 当切削速度较高对 70m min以上 温度很高 与刀具前刀面接触部分的金属已呈微熔状态 对于刀具还起到润滑作用 摩擦因数明显下降 不会产生积屑瘤 当切削速度中等时 15 20m min 切削温度约为300 左右 这时的摩擦最大 最容易产生积屑瘤且生长得最大 2 工件材料的影响切削塑性高的材料时 因塑性变形大且有一定的粘结性 切成的带状切屑与刀具的摩擦大 接触区又长 最易产生积屑瘤 3 刀具前角的影响采用较小的前角时 因切削层厚变形剧烈 与前刀面的摩擦较大 不易滑移 切削时的温度高 易产生积屑瘤 反之 前角大 切屑对前刀面的压力要小 切削力和切削变形小 切屑易排出 不宜产生积屑瘤 4 切削液的影响切削液中的活性物质能减少刀具与工件间的摩擦 并能降低切削温度 不宜产生积屑瘤 5 进给量的影响进给量大 切削厚度大 切削力和摩擦也大 容易产生积屑瘤 二积屑瘤对加工的影响1影响工件的表面质量和尺寸精度积屑瘤的底部较上部稳定 但是基本上是不稳定的 时有事无 在切削过程中 一部分积屑瘤被切屑带走 一部分嵌入工件的已加工表面 使工件表面形成硬点和毛刺 当积屑瘤的增大到切削刃之外时 改变了实际加工中的吃刀量 会严重影响工件的尺寸精度 一般粗加工时允许积屑瘤的存在 精加工时避免产生积屑瘤 2 保护刀具积屑瘤的硬度为工件材料的2 3倍 好象是一个刃口圆弧半径比较大的楔块 能代替切削刃进行切削 保护了刀具的切削刃和前刀面 能减少刀具的磨损 3 增大实际前角 减少了切削变形 降低了切削力 三 加工硬化切削中刀具的切削刃口与后刀面对工件的摩擦挤压变形 脆性增加 塑性及韧性降低的现象 称为加工硬化或叫冷硬现象 由于切削刃不可能是绝对锋利的 总有刃口圆弧 如图5 12所示 切削时 切削层内一层很薄的金属切除不了 而受刃口圆弧的挤压 发生剧烈的变形 一方面 已加工表面产生弹性复原 图5 12中的 h为复原高度 另一方面 这一部分金属与后刀面发生强烈的摩擦和经过挤压变形后使已加工表面硬度提高 硬化层的硬度可达工件硬度的1 2 2倍 深度可达0 07 0 5mm 加工硬化会使下道工序的刀具加快磨损 甚至难以切削 因此 应尽量减小刃口圆弧半径 使切削刃锋利 避免或减轻硬化现象 第三节切削力一 切削力的概念和产生的原因一个切削部分切削工件时所产生的全部切削力称总切削力用F表示 切削加工时 工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力 它大小相等 方向相反地同时作用在刀具 工件 夹具刀架和机床上 使整个工艺系统承受载荷 同时又消耗了很大的机床功率热而磨损刀具 一 切削力的产生和分解切削时 切削层与工件表面发生弹性变形和塑性变形 于是就有一个金属层的变形阻抗力作用在刀具上 又有因刀具与工件之间的相对运动而产生一种摩擦阻力作用在刀具上 他们分别是 垂直作用在刀具前刀面和后刀面上的弹性变形阻抗力和塑性变形阻抗力 分别作用在刀具前刀面和后刀面上的摩擦阻力 见图5 13总切削力是个空间力 一般把他分解成三个彼此垂直的分力 二 切削力的实用意义1 主切削力Fc在切削过程中 Fc是三个分力中最大的一个 所消耗的功率也最多 是计算机床动力消耗 刀杆及刀片强度 夹具设计和选择切削用量的主要依据 2 背向分力FP FP不消耗功 确是影响工件加工形状 尺寸精度和表面粗糙度以及引起振动的主要原因 3 轴向分力Ff 是在水平进给方向上给刀具刀架 向机床尾座方向 和机床主轴进给方向上以压力 是设计进给机构和校核进给机构强度的理论依据 车削端面时 是使工件产生凸凹不平的原因 二影响切削力的因素影响切削力的因素主要有工件的材料 刀具角度和切削用量三个方面 1 工件材料的影响工件材料的影响较大 其强度和硬度越高 变形阻力越大 切削力也就越大 2 切削用量的影响1 背吃力量 与进给量了的影响aP与f的乘积是切削横截面积 当aP增加一倍时 切割推挤用力都将增加一倍 故FC增加一倍 成倍增加 当f增大一倍时 切削力增加不大 只增加70 左右 2 切削速度的影响用高速钢刀具切削时 切削速度因受刀具材料的限制而变动范围不大 故对切削力变化的影响也不大 使用硬质合金刀具切削时 切削速度变化范围扩大了15 20倍 对切削力的变化有很大的影响 1 在切削塑性材料时 切削力随着切削速度的大小而增减 2 切削脆性材料时 切削力随着切削速度的增加而减小 3 刀具的影响1 前角的影响前角增大时切削层容易从前刀面流出 切屑变形小 使切削力下降 反之 使切削力上升 2 主偏角的影响主偏角对FP Ff的影响主要是通过改变前刀面上水平分力FD方向而起作用的 见图5 17 FP FDcoskr Ff FDsInkr 3 刀尖圆弧半径的影响当半径增加时 使切削层横截面内的曲线增加 图5 18中的AB 这就产生了两种作用 一是因曲线截面的切削层不易流出成为切屑 使变形增加 Ff FP和Fc都增加 另外是切削层截面内的曲线增加会使主偏角的平均值减小 Fc和FP增加而Ff减小 在一般条件下 当刀尖圆弧半径增大时 Fc略有增加 FP增加较多 而Ff几乎不变 用此 刀尖圆弧不能太大 否则径向切削力会剧烈增大 使工件容易弯曲变形 4 刃倾角的影响当刃倾角在土5 范围内变化时对切削力影响不大 但沿负方向再增大 将使Fc FP增加而Ff减小 尤其对FP影响最大 图5 19 这主要因为作用在前刀面上的变形抗力垂直于前刀面 当刃倾角值改变后 就改变了变形抗力的方向 5 后角的影响切削力随着后角的增大而减小 刀具磨损后 后角减小 切屑变形加剧 刀具与工件摩擦剧烈增加 使切削力增大 尤其是Fc和Ff增加最多 第四节切削热与切削温度一 切削热的来源和传散切削热来源于切削层金属发生弹性变形和塑性变形产生的热量以及切屑与前刀面 工件与后刀面摩擦产生的热量 切削过程中上述变形与摩擦消耗的功绝大部分转化为热能 切削热通过切屑 工件 刀具和周围介质传散 切削热的产生和传散可用平衡式表示 二 影响切削温度的主要因素1 刀具角度前角影响切削变形和摩擦 对切削温度的影响较明显 前角增大 变形和摩擦减小 产生热量少 切削温度下降 但前角过大 由于楔角减小后使刀具散热条件变差 切削温度反而略为上升 在相同的吃刀量下加大主偏角 主切削刃参加切削的长度l缩短 使切削热相对集中 并由于刀尖角减小 使散热条件变差 切削温度将升高 2 刀削用量切削用量v f aP增大 切削温度升高 其中切削速度v的影响最大 进给量f次之 背吃刀量的影响最小 当v f和aP增大时 变形和摩擦加剧 切削温度升高 但aP增大后 主切削刃参加切削的长度以相同比例增加 显著改善了散热条件 f增大 切屑与前刀面接触长度增加 散热条件有所改善 v增高 虽然使切削力略为减小 但切屑与前刀面接触长度减短 散热条件较差 3 工件材料工件材料是通过其强度 硬度和导热系数等性能不同而影响切削温度的 切削强度和硬度较高的材料 消耗的功与产生的热量较多 切削温度较高 4 切削液使用切削液能起冷却和润滑作用 可减少切削热的产生 并降低切削温度 三 切削热对加工的影响l 切削热直接影响着刀具寿命和磨损 限制切削速度的提高 切削热对传导刀具上的热量若冷却不充分而超过一定限度时 使刀具切削部分软化或产生局部 退火 降低硬度 并迅速磨损 特别是高速钢车刀 成形刀 因此切削热限制了切削速度的提高 2 切削热使工件变形 降低加工精度在车刀刀头部分温度可达700 1000 一部分热传给刀具和工件 使之产生显著热变形 由于热膨胀和冷收缩 使加工尺寸超差 产生废品 3 高速切削时更要重视切削热的影响 应将切削温度控制在最佳范围内 使切削用量选取合理化 第五节刀具的磨损与寿命由于切削时要产生很大的切削力 刀具前刀面与切屑之间 后刀面与工件之间的相对运动又发生有剧烈地摩擦与粘结现象 在切屑被切下的同时 会把刀具材料的微小颗粒和工件切屑一起带走 更重要的是当切削热很高时 在高温高压下 刀具硬度下降 金相组织改变 合金元素扩散 使刀具在很短时间内就被磨损 在切削过程中 刀具磨损到一定程度 失去切削性能的现象叫做钝化 钝化的方式有卷刃 崩刃和磨损三种 卷刃是刃口受挤压后发生塑性变形 崩刃是刀削刃的脆性破裂 磨损是刀具与工件或切屑的接触表面上因受摩擦作用 刀具材料微粒被工件和切屑带走而损坏的现象 一 刀具磨损的原因 形式与过程 一 刀具磨损的原因刀具磨损可分为机械磨损 相变磨损和化学磨损三种主要原因 其次还有冲击和热电偶作用引起的磨损 1 机械磨损由于摩擦面的高低不平 使相互啮合处在磨损初期就被磨平 当使用耐热性高的刀具或切削脆性材料时 容易发生机械磨损 2 相变磨损由于切削温度高 刀头的工作部分受热而软化 也称热效应 故刀具材料的金相组织发生相变 使硬度降低而造成的磨损 3 化学磨损在切削温度很高的情况下 如达900 以上时 工件与刀具材料中的某些元素 如铁 钛 碳 钴 钨等 互相扩散到对方中去 改变了化学成份 使刀具材料变软 变脆而造成的磨损 二 刀具磨损的形式和过程1 磨损形式由于切削条件的不同 刀具的磨损形式也不相同 基本上有三种 见图5 21 1 后刀面的磨损刀具磨损的部位发生在后刀面上 后刀面被磨损后形成一段后角为0 的棱面 后刀面的磨损量用VB表示 2 前刀面的磨损磨损的部位主要发生在前刀面上 磨损后在刃口后方出现月牙洼 并逐渐地加深加宽而接近刃口 致使刃口突然崩烈 这种磨损一般是在用较大的切削厚度 0 5mm 来切削塑性金属时发生的 3 前 后刀面同时磨损 前刀面的月牙洼和后刀面的棱面同时产生 介于前两种情况之间的一种磨损形式 当月牙洼与后刀面棱面联接在一起时 磨损严重 刀具不能再进行切削工作 以上三种磨损情况是互相连续转变的 当切削厚度大时 压力中心后移 前刀面压力大 则使后刀面的磨损变为前 后刀面同时磨损 由于大多数情况是后刀面总是会发生磨损的 后刀面磨损量VB的大小对加工精度及表面粗糙度的影响较大 测量VB也比较方便 故一般都用VB表示刀具的磨损程度 除上述几种正常磨损形式外 还有非正常的磨损或损坏 如突然崩刃 碎裂 剥落和卷刃现象等 2 刀具磨损过程分为三个阶段 1 初期磨损阶段 2 正常磨损阶段 3 急剧磨损阶段 二 刀具磨钝的标准和磨损限度 一 刀具磨钝的标准刀具已经磨钝的标志称为钝化标准 制订合理的钝化标准是十分重要的 刀具磨损到一定程度时 切削力 切削热会剧烈地增加 在工件 切屑和刀具外观上也会出现一些特征 根据这些特征来规定钝化标准 一般有以下几种 1 工件和刀具上的温度升高很快 刀尖部分发黑或白点面积增大 刀头产生振动 刀刃有缺口 2 切屑的颜色或卷曲变形有显著变化3 工件表面粗糙度显著恶化 或工件精度超过公差范围 或因后刀面被磨平 在加工表面出现一些亮点 或在切削铸铁时出现暗点 4 切削力增大 出现一些不正常的振动或响声等现象 5 由于后刀面磨损量vB易于掌握 故常用它的大小来作为刀具的钝化标准 它是指后刀面磨损带中间平均磨损允许达到的最大值 精车时的钝化标准为0 1 0 3mm 硬质合金刀粗车刚性较差的工件时为0 4 0 5mm 碳素钢刀具粗车时为0 6 0 8mm 低速粗车钢或铸铁大工件时为0 8 1 2mm 钻头直径d0 10mm 钻钢时的钝化标准为0 4 0 7mm 在10 20mm时 为0 7 1 0mm 当d0 20mm时 为1 0 1 4mm 二 刀具的磨损限度刀具的磨损限度即刀具从开始工作磨损到一定程度而不能继续使用为止的那段磨损量 磨损限度有两种 1 合理磨损限度 VBpt 这是根据刀具寿命最长来制订的 从图5 22的磨损过程曲线可以看出 若刀具用到急剧磨损阶段 重磨时必须磨去很多刀具材料 则重磨次数必然很少 若只用到正常磨损阶段结束之前 那么每次刃磨后的切削时间很短 这两种情况都不能使刀具寿命最长 所以VBpt大致取在急剧磨损阶段的起始点 VBPt是从生产率角度来考虑制订的 一般在粗加工时多采用它 2 工艺磨损限度 VB 这是根据工件的技术要求来制订的 当工件已加工表面粗糙度 况寸精度 形位公差等开始不符合技术要求时的后刀面磨损量即为VB 因是从工艺角度来考虑制订的 一般在精加工时多采用它 显然比VBPt值小一些 第六节切削时的振动在车削加工时 车床 工件 刀具和夹具工艺系统发生周期性的振动 可分为强近振动和自激振动两种 一 振动对切削过程的影响在切削过程中 如果产生振动翻所示 使表面质量显著降低 工件已加工表面上就会出现条痕或布纹状痕迹 如图5 24同时还会使车床和夹具中的联接件振动而缩短了使用寿命 要被迫降低切削速度 从而影响了生产率的提高 同时还会引起噪声 造成机床和运动件的损坏 二 强迫振动发生的原因与消除方法强迫振动是物体受到振动的外力作用而产生的 一 产生的原因基本上是由下列情况引起的 1 由于不均匀的转动质量 如卡盘 带轮等离的惯性力而产生了振动 2 冲击力引起的振动 由于机床部件的转动或传动钧脚工作表面制造不良 安装不准 诸如刀架 主轴轴承 滑板镶条的磨损和振动等原因 使间隙过大 齿轮制造不精确 平带的接头突然地接人运动或转换运动方向和液动脉冲等情况所引起的振动 此外 还有因粗加工留下的振纹引起切削状态的波动 断续车削 如车削多角形 表面不平或带凹槽的工件 以及传动件自身缺陷 使运转不平衡 产生冲击而引起振动 3 有单元或崩碎切屑的切在 4 由于机床邻近设备的振动经地基传导引起振动 二 消除的方法1 消除和减小刀架 轴承及其它结合件之间的空隙 以提高机床工艺系统的刚度 2 高速转动的机件 必须平衡且表面光滑 尽量使被加工表面的余量均匀 以保持运转平稳 3 尽量将机床安装在刚性的基础上 使其牢固可靠 改进安装基础 使其能防振和隔振 如在基础上加有隔振填料层物质 把电动机装在远离机床主轴的地方 4 提高机床自身的抗振能力 在结构中采用各种消振器或阻尼器 三 自激振动产生的原因与消除方法自激振动亦称颤振 是物体没有受到振动的外力作用 而是因为自身的阻力或内应力发生变化所产生的振动 故有人也称之为自发或自持振动 一 产生的原因 1 排出切屑时 切屑与刀具 刀具与工件之间的摩擦力发生变动 2 切屑层沿其厚度方向的硬化不均和工件材料本身的软硬不均 3 切削液性能不好 切削用量不当 刀具角度不合适 与工件接触的切削刃过长 刀尖圆弧半径太大 积屑瘤时生时灭 引起刀具前角的切屑横截面积的改变而导致切削力的波动 二 消除的方法1 增大刀具前角 使用切削性能好的切削液 减小切屑与刀具的摩擦 2 增大刀具的主偏角 减小FP切削分力和刀尖圆弧半径 3 尽量避免将车刀刀杆装得悬伸过长 车孔时 在孔径和孔深尺寸允许的条件下 车调刀要尽可能选用短而粗的刀杆 以提高刀具 机床工艺系统的刚性 4 尽量避免刀具产生积屑瘤 当车出的切屑宽而薄易引起振动时 可以减小切削宽度而同时增大切削厚度来减小或消除振动 切断刀的刀头不宜太宽 进给量也不宜太小 否则容易振动 5 改进刀具结构 采用消振刀具 如采用弹性刀杆或在车刀前刀面上做出宽0 25 0 3mm 50 60 的负倒棱 和消振器 如用液压或摩擦式 冲击式消振器 或阻尼动力与阻尼吸振器 6 改善工件材料的切削加工性能 第七节工件材料的切削加工性一 切削加工性及其影响因素 一 切削加工性对材料进行切削加工的难易程度或可能性好坏 称为材料的切削加工性 所谓切削容易是指切削时 刀具磨损小 寿命高 切削力小 切削动力消耗少 已加工表面质量好 材料切削加工性的好坏 一般是以保证加工质量为前提 在一定刀具寿命条件下的切削速度来衡量 二 影响工件材料切削加工性的各种因素影响工件材料的切削加工性有化学成分 金相组织 力学与物理性能 冶炼过程及轧制方法 表面状况和热处理过程与方法等诸种因素 1 化学成分的影响以含有各种合金元素的合金钢和碳钢为例 其化学成分都影响力学性质 1 碳的影响碳钢的强度和硬度随碳的含量的增加而提高 塑性和韧性降低 低碳钢的塑性及韧性高 高碳钢的强度及硬度高 中碳钢处于两者之间 碳的含量过高或过低 对切削加工都不利 一般在0 25 0 3 为最好 2 其它合金元素的影响一般加人合金元素可提高材料的力学性能 改变材料的物理性能 使切削加工性变差 铬 Cr 能提高硬度 强度 耐磨性和降低已加工表面的表面粗糙度值 含量低于26 时 韧性随质量分数增加而增高 但低于0 5 以下无多大影响 高于26 时 韧性就急剧下降 镍 Ni 能提高硬度 韧性及热强度 导热性明显下降 对切削加工很不利 含量招过8 就成了奥氏体不锈钢 切削起来就更困难 钒 v 能细化钢的晶粒度 在低碳钢中含有钒时 其强度和硬度无明显提高 若在中 高碳钢中含有钒时 则其强度和硬度均有较明显的提高 此外 还可改善钢的塑性和韧性 钼 Mo 与锰类似 但比锰的影响程度较弱 能提高强度和韧性 明显地提高热强度 但降低了导热性 含量在0 15 0 4 范围内时 对切削加工性有利 尤其对淬火钢影响较显著 故在淬火硬度较大的钢中增加钼 可提高钢的切削加工性 硫 s 是对切削加工性影响最大的元素之一 在不影响力学性能的前提下 可增加硫的质量分数至0 07 一般都大于0 05 以改善加工性 使之成为易切钢 磷 P 对加工性有利 若铁素体中夹杂有磷化铁 塑性下降 若含量为0 3 表面粗糙度值降低 如同时又加人硫 切射性能显著提高 以上各种合金元素含量愈高 则钢的导热性愈差 切削温度将愈高 因而对加工性不利 金相组织中各相的分布 球状和大小不同对工件材料的切削加工性有影响 硬质点多 分布广 形状尖锐 非金属夹杂物多 易磨损刀具 故加工性差 如珠光体有片状 球状 片状加球状 细片状 针状等存在状态 针状最硬而球状硬度最低 片状越细 硬度越高 对刀具的磨损也越大 故高碳钢可通过球化退火处理改变金相组织 提高切削加工性 对于硬度本来不高的钢 以断续细网状的片状珠光体组织加工性为最好 晶粒的大小对加工性也有影响 粗晶粒的中 高碳钢硬度较低 塑性较大 一般比较容易切削 但对低碳钢则应为细晶粒 可改善加工性而降低已加工表面粗糙度值 2 热处理过程及方法的影响经退火后能消除内应力及降低硬度 回火后可以把片状珠光体转变为细晶粒 有利于切削加工 低碳钢可通过正火 调质 淬火后提高硬度 改善其切削加工性 3 材料力学性质的影响力学性质是指硬度 强度 塑性 韧性 弹性模量等 1 硬度材料的硬度是影响加工性的重要因素 它可分在常温 高温 显微和加工硬化后几种情况时的硬度 硬度越高 加工性越差 2 强度通常指拉伸强度 包括高温强度 高 切削力大 切削温度高 摩擦大 振动也大 材料的加工性就差 3 塑性一般纯金属比合金的塑性大 随着含碳量的增高而降低 塑性大 切削时变形大 摩擦大 切削力和切削热就大 又容易产生积屑瘤和加工硬化现象而且不易断屑 故加工性差 但塑性太小的材料 使切削热容易集中于切削刃附近 尤其是刀尖附近 加工性也差 4 韧性韧性高 切削力就大 切削强度高 容易发生硬化 并且切屑容易与刀助结 难加工 难断屑 表面粗糙度不好 加工性差 5 物理性能的影响它主要指热导率和线膨胀率 三轴承钢的切削加工性能轴承钢的硬度 耐磨性 抗压强度和抗接触疲劳强度都比较高 韧性和弹性极限也比较大 尺寸稳定性和抗腐蚀性能好 合金元素含量高 淬透性好 组织均匀稳定 热处理稳定性好 根据轴承钢的化学成分及含量以及它的物理化学性能 它的导热性 强度 加工硬化率都比普通碳素钢提高 韧性 伸长率降低 因此其切削加工性差 在一定的刀具寿命的条件下 其切削速度比同类型等级的钢材要低10 15 为提高其切削加工性 除需经球化退火外 还加人易切削元素 特大型轴承常用的材料是工具钢5CrMnMo 低合金钢50Mn 碳素结构钢60和铸钢 轧辊轴承采用渗碳钢20cr2Ni4A 这类渗碳轴承钢主要是低碳钢和低碳合金钢经表面渗碳 淬火 回火热处理 达到表面强度 硬度要求 而心部保持一定的韧性 不锈钢的切削加工性由于合金元素的加人 使不锈钢的拉伸屈服强度 塑性和韧性都增高 切削加工性变差 不锈钢的强度 特别是高温强度和硬度高 塑性和韧性大 切削时的变形大 切削力及切削热亦大 消耗功率也就大 比一般钢耗能要高50 导热性差 热导率只有碳素钢的1 3至1 4 切削带走热量小 都集中于切削刃附近 刀具易发热和产生塑性变形 降低了刀具的切削能力 金相组织中分散的碳化物夹杂质及硬质点多 腐蚀性大 即影响刀具磨损的热效应显著加大 使刀具的磨损加剧 有较高的粘结凝焊性而产生积屑瘤 第八节已加工表面质量一 已加工表面的表面粗糙度切削加工后的工件 表面微观的几何形状误差的程度叫表面粗糙度 按表面微观平均高度偏差值 分算术平均偏差Ra和平均偏差RZ 其大小以微米计 各种切削加工后的表面粗糙度 见表5 2 工件表面粗糙程度是经过多道工序加工逐渐降低的 有些工件的前道工序加工表面是作为后道工序的定位基准 表面粗糙度值小 定位精度高 基准能保持长久的准确度 二 已加工表面缺陷的类型及其成因1残留面积当车削加工时 由于刀具的主 副切削刃在已加工表面上留下的痕迹 这些未被切削后的金属层表面上的残留面积又称刀花残留面积 其高度直对表面粗糙度的影响最大 见图5 26 可以通过减少进给量f 同时提高背吃力量ap 减少主 副偏角和增大刀尖圆弧半径及采用修光刃的方法减小残留高度 2 犁沟与积屑瘤刺痕切削过程中出现积屑瘤后 它的形状不规则 时大时小 时生时灭 致使切屑时厚时薄 加工表面出现犁沟和毛刺 有时积屑瘤折断嵌人已加工面上形成硬点 使表面粗糙度恶化 即形成所谓积屑瘤刺痕 如图5 27 3 振纹机床 刀 夹具 工件周期性出现横向或纵向振动 使工件表面出现条痕或布纹状痕变 见图5 284 鳞刺在较低或中速切削塑性材料时 已加工表面上出现鱼鳞状带裂口的毛刺和鳞刺 如图5 29所示 鳞刺是一种严重缺陷 可使表面粗糙度值升高很大 产生的原因是严重的塑性变形 5 麻点和划伤由于工件材料塑性变形大 表面残留面积被刀尖左右先后挤歪而不易车光 车削脆性材料时往往出现微粒和崩碎现象 使已加工表面留下许多麻点 图5 30a 或因切削拉应力及其表层残留应力而产生微裂纹 使得表面划伤 图5 30b 必须用提高材料硬度 降低塑性和加削液的方法来解决 6 切屑将加工表面拉毛或划伤切屑缠绕在已加工表面上 将已加工表面拉毛或划伤 三 减小表面粗糙度值的方法生产中若发现工件表面粗糙度达不到技术要求 应首先观察和分析表面粗糙度值大的现象和原因 找出影响表面粗糙度的主要因素 才能提出解决方法 下面介绍几种常见的表面粗糙度值大的现象和解决方法 1 残留面积高度高 图5 26 车削时 如果工件表面残留面积轮廓清楚 这说明其他切削条件正常 若要减小表面粗糙度 可从以下几方面着手 1 减小主偏角和副偏角一般减小副偏角对减小表面粗糙度效果较明显 减小主偏角使切深抗力Fp 增大 若工艺系统刚性差 会引起振动 2 增大刀尖圆弧半径 但如果机床刚性不足 刀尖圆弧半径过大会使切深抗力FP增大而产生振动 反而使表面粗糙度值变大 3 减小进给量2 工件表面产生毛刺 图5 27 工件表面上产生毛刺一般是因为积屑瘤引起的 这时可用改变切削速度的方法来抑制积屑瘤的产生和增大 如果用高速钢车刀时应降低切削速度 5m min 精车 并加注切削液 用硬质合金车刀时应提高切削速度 避开最易产生积屑瘤的中速范围15 30m min 精车 另外 刀具严重磨损和切削刃表面粗糙度值大都会使工件表面产生毛刺 因此 应尽量减小前 后刀面的表面粗糙度值 经常保持刀具锋利 3 磨损亮斑工件表面产生亮斑或亮点 切削时又有噪声 说明刀具严重磨损 磨钝的切削刃将工件表面挤压出发亮的痕迹 使表面粗糙度值变大 这时应及时重磨或换刀 4 切屑拉毛 图5 30 被切屑拉毛的工件表面一般是无规则的很浅的划痕 这时应选用正值的刃倾角车刀 使切屑流向工件待加工表面 并采用卷屑或断屑措施 5 振纹 图5 28 切削时产生的振动会使工件表面出现周期性的横向或纵向振纹 防止和消除振动可从以下几方面着手 1 机床方面调整主轴间隙 提高轴承精高 调整滑板镶条 使间隙小于0 04mm 并使移动平稳轻便 2 刀具方面合理选择刀具几何参数 经常保持切削刃光洁和锋利 增加刀具的装夹刚性 3 工件方面增加工件的装夹刚性 例如装夹时不宜悬伸太长 第九节切削用量的合理选择正确选择切削用量 对提高切削效率 降低生产成本 保证刀具寿命和工件的加工质量具有重要意义 一 合理选择切削用量合理的选择切削用量 是指在刀具角度选好之后 根据具体的切削条件和加工要求 确醉合理的背吃力量 进给量和切削速度 确定主轴转速以便调整机床 车削时应理选取切削用量 以便充分挥机床和刀具的效能 确保加工质量 在大批量生产中 更是提高生产率的重要途径 二 合理选择切削用量原则1 合理选择切削用量的原则1 在保证工件加工质量的前提下 保证刀具的寿命2 不超过机床允许的动力和扭矩 不超过工艺系统的强度和刚度所允许的变形和振动 保证工件精度和已加工表面粗糙度值小 3 要保证人身 设备安全 不致发生事故 4 尽量增大切削用量 减少切削机动时间 提高生产率 降低成本 现在 比较新的理论是根据最佳切削温度的原则来选择切削用量的 2 粗车时切削用量的选择粗车时的切削用量 一般是以提高生产率为主 但也应考虑经济性和加工成本 提高切削速度 加大进给量和背吃刀量都能提高生产率 但对刀具寿命影响最小的是ap 其次是f 影响最大的是v 这是因为切削速度对切削温度的影响最大 温度升高 刀具磨损加快 刀具寿命下降 所以合理选择粗车切削用量是应该首先选择一个尽量大的ap 其次选择一个较大的进给量f 最后根据已选定的ap和f 并在刀具寿命和机床功率许可的条件下选择一个合理的切削速率v 3 半精车 精车时切削用量的选择1 半精车 精车时的切削用量 应以保证加工质量为主 并兼顾生产率和必要的刀具寿命 2 半精车 精车时的背吃刀量是根据加工精度和表面粗糙度要求由粗车后留下的余量确定的 原则上取一次切除的余量数 3 半精车 精车的背吃刀量较小 产生的切削力不大 主要受表面粗糙度的限制 为了抑制积屑瘤的产生 提高工件表面质量 用硬质合金车刀精车时 一般多采用较高的切削速度 80m min 第十节断屑一 各种切屑形状随着工件的材料 刀具几何角度及切削用量的不同 车削时的切屑形状也各不相同 最常见的切屑如图5一31所示 有带状形切屑 C形屑 崩碎屑 螺卷屑 长紧卷屑 发条状卷屑和宝塔形切屑等 二 断屑的原因和影响因素 一 断屑原因切屑沿刀具前刀面流出时 其底层长度大于外层长度 会发生卷曲现象 当切削厚度hD很小时 切屑卷曲地离开前刀面 若增大hD时 则切屑变厚 在车刀前刀面上滑动的距离增长 如图5 32所示 当切屑继续向前滑动 碰到断屑槽的台阶时 在反作用力的作用下 使切屑产生弯曲变形 于是剧烈地卷曲而改变流向 进而折断 图5 33a 如果卷曲变形的程度不能使切屑折断 就改变方向继续卷曲 作螺旋回转运动 当碰到刀具 工件等仲碍物时 受到较大的另一个作用力而使它折断 二 影响断屑的因素切屑变形越大 或材料的脆性较大 就越容易折断 如当切削强度高 塑性和韧性大的金属材料时 必须采取增大切屑变形 降低韧性和塑性 提高脆性等措施来达到断屑的目的 而在切削过程中 影响切削变形的因素很多 其中最显著的是刀具的前角 主偏角 负倒棱和切削用量等 其次是在切削用量方面 影响最大的是进给量f 再次是背吃刀量ap 切削速度影响较小 当进给量f增大时 切屑厚度增大 弯曲应力增大 较易断屑 因此 增大进给量是断屑的有效措施之一 切削深度主要是通过对流屑角的影响而影响断屑的 切屑流出方向偏离主切削刃的垂线所形成的角度成为对流屑角 1 当ap较大时 流屑角适中 切屑翻倒至车刀后刀面碰到工件而折断 图5 34d 2 当ap减小时 流屑角增大 易产生螺旋屑或带状屑易断屑 见图5 34b ap较小时 流屑角也较大而不易断屑见图5 34c 3 当ap很小时 流屑角很小 易产生圆卷形切屑 则更易折断 见图5 34a 流屑角为负时 易擦伤已加工表面 一般借助于比值f ap来分析f对断屑的影响 1 当f ap较小时 f也很小 切屑宽而薄 不易断屑 2 当f ap较大时 f也较大时