第2章切屑加工工艺理论基础.ppt

第二章切削加工工艺理论基础 2 1切削加工概述 2 2金属切削过程的基本规律 2 3金属切削过程的基本规律的应用 重点 工件加工所需的运动 切削用量和切削层参数刀具金属切削过程的基本规律及其应用 第二章切削加工工艺理论基础 2 1切削加工概述2 1 1切削加工的地位和种类切削加工 利用切削刀具从工件 毛坯 上切去多余的材料 使零件具有符合图样规定的几何形状 尺寸和表面粗糙度等方面要求的加工过程 1 切削加工的地位2 切削加工的分类切削加工可分为钳工和机械加工 简称机工 两部分 第二章切削加工工艺理论基础 1 钳工钳工主要是在钳工台上以手持工具为主 对工件进行加工的切削加工方法 主要工作内容有划线 用手锯锯削 用錾子錾削 用锉刀锉削 用刮刀刮削 用钻头钻孔 用扩孔钻扩孔 用铰刀铰孔 此外 还有攻螺纹 套螺纹 手工研磨 抛光 机械装配和设备修理等 2 机械加工机械加工是在机床上利用机械力对工件进行加工的切削加工方法 主要方法有车 钻 镗 铣 刨 拉 插 磨 珩磨 超精加工和抛光等 第二章切削加工工艺理论基础 2 1 2切削加工的特点和发展方向1 切削加工的主要特点 1 切削加工获得零件的几何精度变化范围广泛 2 切削加工零件的材料 形状 尺寸和重量的适应范围很大 3 切削加工的生产率较高 一般高于其他加工方法 第二章切削加工工艺理论基础 2 切削加工的发展方向切削加工正朝着高精度 高效率 自动化 柔性化和智能化方向发展 1 加工设备朝着高精度 高速度 自动化 柔性化和智能化方向发展 2 刀具材料朝着超硬方向发展 3 生产规模由目前的小批量和单品种大批量向多品种变批量方向发展 4 切削加工将被融合到计算机辅助设计 CAD 与计算机辅助制造 CAM 计算机集成制造系统 CIMS 等高新技术和理论中 第二章切削加工工艺理论基础 2 1 3工件加工所需的运动和切削用量1 工件加工所需的运动在金属切削加工中 获得所需表面形状 并达到工件的尺寸要求 是通过切除工件上多余的金属材料来实现的 切除多余金属材料时工件和刀具之间的相对运动 称为切削运动 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 主运动是刀具与工件之间的相对运动 它使刀具的前刀面能够接近工件 切除工件上的被切削层 使之转变为切屑 从而完成切屑加工 一般 主运动速度最高 消耗功率最大 机床通常只有一个主运动 例如 车削加工时 工件的回转运动是主运动 进给运动是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动 进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工 根据工件表面形状成形的需要 进给运动可以是多个 也可以是一个 可以是连续的 也可以是间歇的 第二章切削加工工艺理论基础 当主运动和进给运动同时进行时 刀具切削刃上某一点相对于工件的运动称为合成切削运动 其大小和方向用合成速度向量ve表示 ve vc vf 合成切削运动方向 就是切削刃选定点相对于工件的瞬时合成切削运动的方向 合成切削速度ve 就是切削刃选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度 第二章切削加工工艺理论基础 机床中除切削运动外 为完成机床工作循环 有时还需调整刀具切削刃与工件相对位置的运动和其他辅助动作 称为辅助运动 如 刀架 工作台的快速接近或退出工件 工件或刀具回转的分度运动 刀具的快速移动及变速 换向 启停等操纵及控制运动等等 第二章切削加工工艺理论基础 2 切削用量和切削层参数 1 切削过程中的工件表面被加工的工件上有三个依次变化着的表面 待加工表面 工件上即将被切除的表面 已加工表面 工件上已切去切削层而形成的新表面 过渡表面 加工表面 工件上正被刀具切削着的表面 介于已加工表面和待加工表面之间 以车削外圆为例 如下图 第二章切削加工工艺理论基础 2 切削用量三要素切削速度vc进给速度vf 进给量f切削深度 背吃刀量ap 第二章切削加工工艺理论基础 切削速度切削刃相对于工件的主运动速度 称为切削速度 单位为m s或m min 当主运动为旋转运动时 切削速度计算公式为 第二章切削加工工艺理论基础 d 切削刃上选定点处工件或刀具的最大直径 mm n 工件或刀具的转速 r s或r min 当主运动为直线往复运动 如刨削加工 时 其平均速度可用公式计算 第二章切削加工工艺理论基础 式中L 行程长度 mm nr 冲程次数 r mm 进给量刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量称进给量 当主运动是回转运动时 如车削 钻削 磨削等 进给量指工件或刀具每转一周 两者沿进给方向的相对位移量 单位为mm r 当主运动为往复直线运动时 如刨削 进给量指刀具或工件每往复一次 两者沿进给方向的相对位移量 单位是mm 每双行程 或mm 每单行程 铣削 绞削时 用每齿进给量表示 单位是mm 每齿 它与进给量的关系为 第二章切削加工工艺理论基础 背吃刀量 切削深度 背吃刀量是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上测量的工件上已加工表面和待加工表面间的距离 单位为mm 外圆车削的背吃刀量是工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离 参见图2 6 单位为mm 主运动是回转运动时 式中 工件上待加工表面直径 mm 工件上已加工表面直径 r mm 主运动是直线运动时 式中 工件上待加工表面厚度 mm 工件上已加工表面厚度 mm 第二章切削加工工艺理论基础 外圆车削时的切削用量 第二章切削加工工艺理论基础 3 切削层参数以车削加工为例 如下图所示 工件每转一转 车刀沿工件轴线移动一段距离 即进给量 单位为mm r 这时 切削刃从加工表面 的位置移至相邻的加工表面 的位置上 之间由车刀切削刃切下的一层金属称为切削层 在与切削速度方向相垂直的切削层截面内度量的切削层的尺寸称为切削层参数 第二章切削加工工艺理论基础 切削层的公称厚度过切削刃上选定点 在基面内测量的垂直于加工表面的切削层尺寸 单位为mm 例纵车外圆时 第二章切削加工工艺理论基础 切削宽度 过切削刃上选定点 在基面内测量的平行于加工表面的切削层尺寸 单位为mm 例纵车外圆时 切削面积过切削刃上选定点 在基面内测量的切削层的横截面面积 单位为mm2 对于车削 不论切削刃形状如何 切削面积均为 第二章切削加工工艺理论基础 2 1 4金属切削刀具基础1 刀具的组成 普通外圆车刀 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 A 前刀面 刀具上切屑流经的表面 B 主后刀面 刀具上与切削过程中产生的工件过渡表面相对的表面 C 副后刀面 刀具上与工件已加工表面相对的表面 D 主切削刃 前刀面与主后刀面相交而得到的交线 用于切出工件上的过渡表面 完成主要的金属切除工作 E 副切削刃 前刀面与副后刀面的交线 它配合主切削刃完成金属切除工作 负责最终形成工件已加工表面 第二章切削加工工艺理论基础 F 刀尖 主切削刃与副切削刃相连接处的一段切削刃 可以是点 圆弧 倒角 第二章切削加工工艺理论基础 度量刀具几何参数的参考系度量刀具几何参数的参考系分为两类 刀具的标注角度参考系和刀具的工作角度参考系1 刀具的静止参考系 刀具的标注角度参考系 用于定义刀具的设计 制造 刃磨和测量时几何参数的参考系静止参考系的确定有两个假设条件 假定运动条件不考虑进给运动的大小 只考虑其方向 假定安装条件刀具的安装定位基准与主运动方向平行或垂直 刀柄的轴线与进给运动方向平行或垂直 第二章切削加工工艺理论基础 2 刀具的工作参考系 规定刀具切削加工时的几何参数的参考系 它与刀具安装情况情况 切削运动大小和方向等有关 a 正交平面参考系 由基面Pr 切削平面Ps 正交平面Po组成的直角坐标系 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 基面Pr 通过切削刃上选定点 垂直于切削运动方向的平面 切削平面Ps 通过切削刃上的选定点 与切削刃相切并垂直于基面的平面 正交平面Po 通过切削刃上选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面 第二章切削加工工艺理论基础 b 法平面参考系 由基面Pr 切削平面Ps 法平面Pn组成的非正交坐标系 法平面Pn 通过切削刃上的选定点与切削刃在该点的切线相垂直的平面 第二章切削加工工艺理论基础 正交平面坐标内标注角度 A 主偏角 在过切削刃上选定点的基面内 主切削刃与进给运动方向的夹角 B 副偏角 在过副切削刃上选定点的基面内 副切削刃与进给运动方向的夹角 第二章切削加工工艺理论基础 C 前角 o 在过切削刃上选定点的正交平面内前刀面与基面之间的夹角 D 后角 o 在过切削刃上选定点的正交平面内 后刀面与切削平面之间的夹角 第二章切削加工工艺理论基础 E 刃倾角 s 在过切削刃上选定点的切削平面内 主切削刃与基面的夹角 F 副后角 o 在过副切削刃上选定点的副正交平面内 副后刀面与副切削刃之间的夹角 s的正负值判别方法 第二章切削加工工艺理论基础 工作参考系及几何角度 第二章切削加工工艺理论基础 工作状态下刀具起作用的角度 称为工件角度 第二章切削加工工艺理论基础 工作基面Pre 过切削刃上选定点并与合成切削运动方向垂直的平面 工作切削平面Pse 通过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于工件基面的平面 工作前角 oe 工作后角 oe 第二章切削加工工艺理论基础 2 1 4进给运动对工件角度的影响 A 横向进给的影响 横向进给切削时 由于进给运动影响 刀具的作用前角增大 工作后角减小 随着进给量增大和刀具向工件中心接近 值在增大 在横向车削时 应适当增大 o 以补偿进给运动的影响 第二章切削加工工艺理论基础 B 纵向进给的影响 第二章切削加工工艺理论基础 刀具安装位置的影响 A 刀具安装高低的影响 第二章切削加工工艺理论基础 B 刀杆轴线与进给运动方向不垂直的影响 第二章切削加工工艺理论基础 刀具材料应具备的性能 1硬度和耐磨性 62HRC 抗摩擦和磨损 抵抗切削力和抗冲击 振动 3耐热性 红硬性 高温下的强度 硬度 韧性等 4传导性 耐热冲击性 传热性和抗热冲击 2强度和韧性 第二章切削加工工艺理论基础 高温高压下不互相吸附产生粘合 6化学稳定性 7加工工艺性和经济性 制造刀具的难易程度 刀具材料的就地取材 5抗粘合性 第二章切削加工工艺理论基础 1高速钢 含有较多的钨 W 铬 Cr 钼 Mo 钒 V 等合金元素的高合金工具钢 适合于各类刀具的要求 可加工材料的范围广泛 目前使用量最大的刀具材料 高的强度和韧性 一定的硬度和耐磨性 63 70HRC 较高的耐热性 制造工艺简单 常用刀具材料 通用型高速钢 钨钢 W18Cr4V W18钨系 不适于做大截面刀具 质量分数为W12 或W18 钨钼钢 W6Mo5Cr4V2 M2钼系 适于做尺寸较大 需要抗冲击的刀具 质量分数为W6 或8 高性能高速钢 典型牌号 高碳高速钢 9W18Cr4V 9W6Mo5Cr4V2 高钒高速钢 W6Mo5Cr4V3 钴高速钢 W6Mo5Cr4V2Co8 超硬高速钢 W6Mo5Cr4V2Al 普通型高速钢的基础上 通过增加碳 钒的含量或添加钴 铝等合金元素而得到耐热性 耐磨性更高的新钢种 粉末冶金高速钢 用高压氩气或纯氮气使熔融的高速钢钢水老化雾化 直接得到细微的高速钢粉末 再在高温下压制成致密的钢坯 最后将钢坯锻轧而成的高速钢材料 制造切削难加工材料的刀具和大尺寸刀具 如滚刀 插齿刀等 精密刀具 复杂刀具等 第二章切削加工工艺理论基础 2硬质合金由难熔的金属碳化物 WC TiC TaC NbC等 和金属粘结剂 等Co Ni 经粉末冶金工艺烧结而成 金属碳化物具有硬度高 熔点高 化学稳定性好的特点 硬质合金具有硬度高 耐磨性好 耐热性好的优点 切削速度比高速钢高4 10倍 刀具耐用度可提高几倍到几十倍 硬质合金抗弯强度比HSS要低得多 韧性也较差 脆性大 承受冲击和振动的能力低 硬质合金刀具性能决定于金属粘结剂和金属碳化物的含量 第二章切削加工工艺理论基础 常用硬质合金分类 A WC Co类硬质合金 YG类 较好的强度 但硬度耐磨性较差 主要加工铸铁 有色金属 非金属材料 B TiC WC Co类硬质合金 YT类 硬度 耐磨性明显提高 但强度韧性下降 主要用于加工钢料 第二章切削加工工艺理论基础 硬质合金选用 A YG类 粗加工时 宜选用含Co多的牌号 精加工则反之 B YT类应用于钢料 低速切削钢料选用YG类 粗加工选用TiC少的牌号 精加工则反之 C 加工含钛的不锈钢和钛合金宜选用YG类 2 2金属切削过程的基本规律金属切削过程 是指在机床上通过刀具与工件的相对运动 从工件上切下多余的金属层 从而形成切屑和已加工表面的过程 现象 切削变形 切削力 切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具耐用度 卷屑与断屑 在这一过程中 出现一系列的物理现象 其中最根本的就是切削过程中的变形 它直接影响切削力 切削热 刀具磨损等的大小 是研究切削过程的基础 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 1 切削变形及变形区的划分 塑性金属材料的剪切破坏 沿AB或CD破坏 最大剪应力破坏 第二章切削加工工艺理论基础 不同之处是 由于受下层金属的阻碍 只能沿AB线产生滑移 第二章切削加工工艺理论基础 2 2切削变形区的划分 第 变形区 从OA线开始发生剪切滑移塑性变形 到OM线剪切滑移基本完成 主变形区 第 变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦 使切屑底层靠近前刀面处金属纤维化 其方向基本上和前刀面相平行 前刀面变形区 第 变形区 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压 摩擦和回弹作用 造成纤维化与加工硬化 第二章切削加工工艺理论基础 2 3第 变形区 点P向刀尖接近 到1点 到3点 到4点 到2点 滑移量2 2 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 变形程度的表示 A 变形系数 在金属切削加工中 刀具切下的切屑厚度 ach 通常都大于工件上切削层的厚度 ac 而切削的长度 lch 却小于切削层的长度 lc 在一般切削速度范围内 第一变形区的宽度仅为0 02 0 2mm 用一剪切面表示 剪切面与切削速度方向的夹角称为剪切角 切屑厚度ach与切削层厚度ac之比称为厚度变形系数 a 切削层长度lch与切削长度lc之比称为长度变形系数 l a l 1 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 切出的切屑越厚越短 变形越大 B 相对滑移 切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移 采用 相对滑移 指标来衡量变形程度比较合理 平行四边形OHKM发生剪切滑移变形后 变为OGPM 其相对滑移为 第二章切削加工工艺理论基础 第 变形区 切削层经过第一变形区剪切变形后 形成切屑 切屑沿前刀面排出过程中 克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力 切屑在受前刀面的挤压 摩擦过程中一步变形 变形主要集中在和前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属内 表现为该处晶粒与前刀面平行的方向纤维化 第二章切削加工工艺理论基础 切屑与前刀面间的摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同 粘结区 近切削刃lfi长度内 由于高温 可达900 高压 可达3 5GPa 的作用使切屑底层材料产生软化 从而粘结在前刀面上高低不平的凹坑中形成结区 滑动区 切屑即将脱离前刀面的长度内 切屑与前刀面只是突出的金属点接触 实际接触面远小于名义接触面积 滑动区的摩擦为外摩擦 切屑与前刀面以内摩擦为主 约占85 只有温度低 压力小时 才考虑外摩擦的影响 在粘结区内 切应力 f基本上是不变的 它等于较软金属的剪切屈服强度 在滑动区内 切应力是变化的 离切削刃越远 越小 在粘结 滑动区内正应力是变化的 近切削刃处正压力 f最大 故正应力最大 离切削刃越远 正应力越小 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 粘结区的摩擦系数 摩擦角 Ffi Fni 分别为粘结区的摩擦力和正应力 Ari 粘结区面积 fav 粘结区内平均正应力 第二章切削加工工艺理论基础 积屑瘤 1 切削钢 球墨铸铁 铝合金等金属时 在切削速度不高 又能形成带状切屑的情况下 常常在前刀面上粘结或冷焊有一层层金属 形成硬度很高的楔块 它能代替刀面和切削刃进行切削 这一小楔块称为积屑瘤 2 积屑瘤的形成 切屑摩擦前刀面 带走氧化膜 吸附膜 接触面积 压力 温度 切屑底层粘结前刀面 形成积屑瘤 外力 振动 局部断裂或脱落 第二章切削加工工艺理论基础 3 积屑瘤在切削过程中的作用 A 增大前角 切削变形 切削力 B 增大切屑厚度ac 积屑瘤前端伸出切削刃之外 影响加工尺寸 C 增大已加工表面粗糙度值 D 影响刀具耐用度 代替刀具切削 硬质合金刀具颗粒可能被剥落 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 生产中对积屑瘤的应用 粗加工 对表面质量要求不高 生成积屑瘤可减小切削力 降低能耗 同时积屑瘤可保护刀具 减少磨损 精加工 对工件尺寸精度和表面质量要求较高 必须设法避免和抑制积屑瘤产生 4 影响积屑瘤的因素 切削温度 接触面积 粗糙程度 粘结程度 A 工件材料 塑性越好 易产生积屑瘤 B 前角 越大 不易产生积屑瘤 C 切削速度 中速 20m min 积屑瘤高度最大 D 进给量 进给量f 切削厚度ac 不易产生积屑瘤 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 防止积屑瘤的主要方法 正确选用切削速度 使切削速度避开产生积屑瘤的区域 使用润滑性能好的切削液 目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦 增大刀具前角 减小刀具前刀面与切屑之间的压力 适当提高工件材料硬度 减小加工硬化倾向 第 变形区 已加工表面在形成过程中 受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压 摩擦和回弹作用 表层金属组织晶粒被拉长 沿与表层平行的方向纤维化 形成硬化层 硬化层表面 塑性变形严重 产生残余应力 已加工表面的变形区 第 变形区的变形直接影响已加工表面的物理力学性能 第二章切削加工工艺理论基础 3 影响切削变形的因素 切削变形程度主要决定于剪切角 和摩擦系数 A 前角 o 切削变形 B 切削速度 通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数改变而影响切削变形 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 切削速度对切削变形的影响 第二章切削加工工艺理论基础 C 进给量 f f ac 正应力Fn fav 第二章切削加工工艺理论基础 D 工件材料 强度硬度 正压力Fn和平均正应力 fav 摩擦系数 剪切角 切削变形小 第二章切削加工工艺理论基础 2 2 2切削力和切削功率 1 切削力 切削过程中由工件作用在刀具上的切削抗力 1 切削力的来源 合力及其分力 A 来源 三个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 B 合力 作用在前刀面上的弹 塑性变形抗力Fn 和摩擦力Ff 作用在后刀面上的弹 塑性变形抗力Fn 和摩擦力Ff 第二章切削加工工艺理论基础 C 分力 主切削力Fc 主运动切削速度方向的分力 垂直于基面 与主切削速度方向一致的分力 最大的分力 是设计及使用刀具 计算机床功率和设计主传动系统的主要依据 也是夹具设计及切削用量选择的依据 切向分力 第二章切削加工工艺理论基础 吃刀抗力Fp 吃刀方向的分力 在基面内 与进给运动方向相垂直 影响工艺系统的变形 会引起工艺系统的振动 影响加工表面质量 径向分力 第二章切削加工工艺理论基础 C 进给抗力Ff 进给方向的抗力 在基面内 与进给运动方向平行 是验算机床进给系统零件强度的依据 轴向分力 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 切削力的经验公式 A 单位切削力p 切除单位切削层面积所产生的主切削力 第二章切削加工工艺理论基础 切削功率和单位切削功率 A 切削功率Pc 在切削过程中消耗的功率 是主切削力和进给抗力消耗的功率之和 由于进给抗力所消耗的功率所占比例很小 1 5 通常略去不计 机床电动机消耗功率PE 应为 KW 机床传动效率 machinetransmissionefficiency 一般取0 75 0 85 第二章切削加工工艺理论基础 B 单位切削功率pc 单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率 KW mm3 s 单位时间内切除的金属量 单位mm3 s 第二章切削加工工艺理论基础 影响切削力的因素 工件材料 工件材料是通过材料的剪切屈服强度 s 塑性变形 切屑与刀具间的摩擦系数 等条件影响切削力的 塑性材料 硬度 强度 s 切削力 塑性 韧性 切削力 脆性材料 塑性变形小 切削力 第二章切削加工工艺理论基础 切削用量 A 背吃刀量 背吃刀量 背吃刀量ap增加一倍 切削宽度aw 切削面积Ac也增加一倍 使变形抗力和摩擦力也成倍增加 B 进给量 进给量f增加 切削面积Ac增加一倍 也使切削厚度ac成倍增加 但由于切削变形减小 故使主切削力Fc增大不到一倍 约增大70 90 背吃刀量和进给量对F的影响规律指导生产实际具有重要意义 需切除的金属层一定时 为提高生产效率 采用大进给切削比大背吃刀量切削省力又省功率 或 在同样的切削力和切削功率下 采用更大的进给量切削 能达到切除更多金属层的目的 C 切削速度 加工塑性材料时 切削速度对切削力的影响规律如同对变形系数 的影响规律 都通过积屑瘤和摩擦的作用造成 加工脆性材料时 由于变形和摩擦均较小 故速度改变时切削力变化不大 低速阶段 切削力先增大后减小 由于积屑瘤生长 脱落的影响 第二章切削加工工艺理论基础 刀具几何参数 A 前角 o Frf F 一般 加工塑性较大金属时 前角对切削力的影响比加工塑性较小的金属时更显著 第二章切削加工工艺理论基础 B 主偏角 ac 切削层变形 F 增大后 刀尖圆弧在切削刃上占的比例增大 使变形和挤压摩擦加剧 从而使主切削力又增大 一般情况下 主偏角 60 75 时 主切削力最小 影响更为突出 故切削力Fc增大 主偏角在30 60 范围内增大 由于ac的影响起主要作用 故主切削力Fc减小 主偏角在60 90 范围内增大 刀尖圆弧的 第二章切削加工工艺理论基础 C 刃倾角 刃倾角 s在很大范围内变化对主切削力没有影响 对Fp和Ff的影响很大 从切削的观点 切削时不宜选用过大的负刃倾角 尤其在加工工艺系统刚性较差时 往往负刃倾角 增大了Fp 而产生振动 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 D 刀尖圆弧半径r 刀尖圆弧半径r 圆弧工作刃 变形 摩擦 切削力 主要影响Fp Ff 对Fc影响较小 E 其他因素 刀具材料 刀具材料不同 切屑与刀具的摩擦状态不同 从而影响切削力 如 在同样的切削条件下 陶瓷刀具的切削力最小 硬质合金次之 高速钢的切削力最大 切削液与刀具的磨损 使用的适宜的切削液 可减小摩擦 减小变形 从而可降低切削力 刀具磨损越大 切削时摩擦越大 切削力越大 第二章切削加工工艺理论基础 2 2 3切削热与切削温度 切削热和由此产生的切削温度直接影响刀具的磨损和耐用度 并影响工件的加工精度和表面质量 第二章切削加工工艺理论基础 1切削热的产生 一是切削层发生的弹 塑性变形功 二是切屑与前刀面 工件与后刀面间消耗的摩擦功 包括 剪切区的变形功转变的热Qp 切屑与前刀面的摩擦功转变的热Qrf 已加工表面与后刀面的摩擦功转变的热Qaf 第二章切削加工工艺理论基础 切削热的传出 切削热由切屑 刀具 工件和周围介质传出 其分别为Qch Qc Qw Qf 切削热产生和传出的关系 Q Qp Qrf Qaf Qch Qc Qw Qf 切削热传出的大致比例 1 车削加工 Qch 50 86 Qc 40 10 Qw 9 3 Qf 1 2 钻削加工 Qch 28 Qc 14 5 Qw 52 5 Qf 5 第二章切削加工工艺理论基础 切削温度 刀具上温度最高点是前刀面近切削处 这是由于剪切热及连续摩擦作用 以及刀楔处热量集中不易散发所致 切削温度一般指切屑与前刀面接触区域的平均温度 是切削热在工件和刀具上作用的结果 切削温度的高低 决定于切削热产生的多少和传散的快慢 第二章切削加工工艺理论基础 影响切削温度的因素 切削用量 A 背吃刀量 影响很小 背吃刀量ap增加 产生的热量按比例增加 同时切削宽度aw也按比例增加 刀具的传热面积也增加 因此 背吃刀量ap对切削温度的影响很小 B 进给量 影响较大 进给量f Q ac aw 刀具的传热面积未按比例增加 第二章切削加工工艺理论基础 C 切削速度 影响最大 c Q 散热未变 刀具几何参数 A 主偏角 ac Q 刀尖角 aw 散热 T B 前角 o Q o 楔角 散热 T 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 C 刀尖圆角半径 刀尖圆弧半径 刀具切削刃的平均主偏角 切削宽度ac 刀具散热能力 切削温度 2 4 3工件材料 强度 硬度 导热系数等 2 4 4其他因素 A 刀具磨损 B 切削液 C 刀具材料 三 刀具磨损和耐用度 1刀具磨损形式 刀具磨损分正常磨损和非正常磨损 正常磨损 前刀面磨损 后刀面磨损 前后刀面同时磨损 前刀面磨损 切削速度较高 切削厚度大的情况下加工塑性材料时产生 后刀面磨损 切削速度低 切削厚度较小时 切削塑性金属或脆性材料时产生 前后刀面同时磨损 中等切削速度和进给量下切削塑性金属时产生 刀具在设计与使用合理制造 刃磨质量符合要求的情况下 在切削过程中逐渐产生的磨损 刀具在切削过程中突然或过早产生的损坏现象 破损 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 由于过渡表面和刀具后刀面间存在强烈的挤压 摩擦 在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面 这是后刀面磨损 非正常磨损 脆性破损 塑性破损 在切削刃或刀面上产生的裂纹 崩刃 碎裂或剥落 硬质合金和陶瓷刀具易产生此破损 切削时 由于高温 高压作用 有时在切削刃或刀面上产生塌陷或隆起的塑性变形现象 如卷刃等 高速钢刀具易产生 刀具磨损的原因 自学 第二章切削加工工艺理论基础 正常磨损原因 磨粒磨损 粘结磨损 扩散磨损 相变磨损 氧化磨损 非正常磨损主要原因 机械冲击力或热效应作用造成 刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面作用造成的 在不同的条件下 刀具磨损原因不同 在低 中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是主要原因 如拉削 铰孔 攻螺纹等加工时刀具磨损主要属于此类磨损 在中等以上切削速度加工时 热效应使高速钢刀具易产生相变磨损 使硬质合金刀具产生粘结 扩散和氧化磨损 第二章切削加工工艺理论基础 3刀具破损原因 4刀具磨损过程 后刀面正常磨损分为三个阶段 A 初期磨损阶段由于刀具表面粗糙不平或表面组织不耐磨引起的磨损较快较短的一段时间 原因后刀面与工件表面实际接触面很小 故磨损快 第二章切削加工工艺理论基础 经过初期的磨损 后刀面被磨出一条狭窄的棱面 压强减小 故磨损量的增加缓慢下来 并且比较稳定 这一阶段是刀具正常工作的有效阶段 B 正常磨损阶段磨损量达到一定值后 切削刃变钝 切削力增大 切削温度升高 刀具强度 硬度降低 此时 刀具如果继续工作 则不但不能保证加工质量 刀具材料消耗多 成本会增加 故应当使刀具发生急剧磨损 C 急剧磨损阶段 第二章切削加工工艺理论基础 第二章切削加工工艺理论基础 刀具磨钝标准 在使用刀具时 控制刀具产生急剧磨损前必须重磨或更换新刀 此时刀具的磨损量称为磨钝标准或磨损限度 加工对象特点和具体加工条件决定磨钝标准 工艺系统刚性差 加工难切削材料 加工精度及表面质量要求高时 采用较小的磨钝标准 加工大型工件 采用大磨钝标准 第二章切削加工工艺理论基础 2 2 4刀具磨损和刀具耐用度 A 定义 刃磨后的刀具 自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间T B 刀具寿命 一把新刀从投入使用到报废为止总的切削时间 等于耐用度乘以刃磨次数 C 刀具耐用度合理数值确定两种方法 最高生产率耐用度Tp 最低生产成本耐用度Tc Tp 根据单件工序工时最短原则确定 Tc 根据单件工序成本最低原则确定 第二章切削加工工艺理论基础 影响刀具耐用度的因素 A 切削用量 刀具耐用度实验公式 切削用量增加 刀具耐用度下降 且 c影响最大 f次之 ap最小 在优先切削用量以提高生产率时 其选择先后顺序 首先选择一个尽量大的ap 其次根据加工条件和要求选取允许的最大进给量f 最后在刀具耐用度和机床功率允许的情况下选取最大的切削速度 c 第二章切削加工工艺理论基础 B 刀具几何角度 前角 o 切削温度T 刀具耐用度T 前角 o 切削刃强度 散热 且易破损 刀具耐用度T 主偏角 r 刀尖圆弧半径 刀具强度 散热 刀具耐用度T 第二章切削加工工艺理论基础 C 工件材料 工件材料强度 硬度 切削温度 刀具耐用度T 工件材料伸长率 热导率 切削温度 刀具耐用度T D 刀具材料 刀具材料的高温硬度 耐磨性 刀具耐用度 有冲击切削 重型切削和难加工材料切削时 影响刀具耐用度的主要因素是冲击韧度和抗弯强度 韧性 抗弯强度 刀具耐用度 第二章切削加工工艺理论基础 2 3金属切削过程基本规律的应用主要从改善材料的切削加工性 合理选择切削液 合理选择刀具几何参数和切削用量等四个方面问题 来达到保证加工质量 降低生产成本和提高生产效率的目的 第二章切削加工工艺理论基础 2 3 1工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 是指工件材料被切削成合格零件的难易程度 研究材料的加工性的目的是为了寻找改善材料切削加工性的途径 1 评定切削加工性的主要指标 1 刀具耐用度指标 2 切削力 切削温度指标 3 加工表面质量指标 4 断屑难易程度指标 第二章切削加工工艺理论基础 2 影响材料切削加工性的主要因素工件材料的切削加工性能主要受其本身的物理力学性能的影响 1 材料的强度和硬度 2 塑性和韧性 3 材料的热导率 4 弹性模量3 改善材料切削加工性的措施 1 调整化学成分 2 进行适当的热处理 3 选加工性好的材料状态 4 其他措施采用合适的刀具材料 选择合理的刀具几何参数 合理地制订切削用量与选用切削液等 第二章切削加工工艺理论基础 2 3 2刀具几何参数的合理选择刀具切削部分几何参数的选择 对切削变形 切削力 切削温度和刀具耐用度及加工质量等均有重要影响 为充分发挥刀具的切削性能 必须合理选择刀具的几何参数 1 前角的选择应考虑以下几个方面 1 工件材料 2 刀具材料 3 可加工性 2 后角的选择具体选择时应考虑以下几个方面 1 工件材料 2 切削厚度 3 可加工性 4 工艺系统刚性 3 主偏角 副偏角的选择主偏角较小 则刀头强度高 散热条件好 已加工表面的表面粗糙度值小 其负面影响为背向力大 易引起工件变形和振动 较大时 所产生的影响与上述相反 第二章切削加工工艺理论基础 主偏角的选用原则 通常粗加工时 选大些 以利于减振 防止崩刃 精加工时 选小些 以减小已加工表面的表面粗糙度值 工件材料强度 硬度较高时 应取小些 以改善散热条件 提高刀具耐用度 工艺系统刚性好 取小些 反之 取大些 例如车削细长轴时 常取 90 以减小背向力 副偏角减小 可减小已加工表面的表面粗糙度值 提高刀具强度和改善散热条件 但将增加副后刀面与已加工表面间的摩擦 且易引起振动 副偏角的选用原则 的大小主要根据表面粗糙度的要求选取 通常在不产生摩擦和振动条件下 应选较小的 工艺系统刚性好时 常取 5 10 最大不超过15 精加工 刀具应更小 必要时可磨出 0 的修光刃 切断刀 槽铣刀等 为保证刀头强度和刃磨后刀头宽度尺寸变化较小 取 1 2 第二章切削加工工艺理论基础 4 刃倾角的选择刃倾角主要影响切削刃受力状况 切屑流向 图2 25 和刀头强度 当 0 时 刀尖和主切削刃同时切入工件 切屑垂直于主切削刃方向流出 当 0 时 主切削刃先切入工件 有利于保护刀尖 切屑流向已加工表面 易擦伤已加工表面 适用于粗加工和有冲击的断续切削 当 0 时 刀尖先切入工件 刀尖受冲击 切屑流向待加工表面 适用于精加工 第二章切削加工工艺理论基础 2 3 3切削用量的选择选择切削用量时 应在保证加工质量和刀具耐用度的前提下 充分发挥机床潜力和刀具切削性能 使切削效率最高 加工成本最低 1 切削用量选择原则 1 粗加工时切削用量的选择原则一般以提高生产效率为主 但也应考虑经济性和加工成本 首先选取尽可能大的背吃刀量 其次要根据机床功率和刚性的限制条件等 选取尽可能大的进给量 最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度 2 精加工时切削用量的选择原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 首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量 其次根据已加工表面确定表面粗糙度要求 选取较小的进给量 最后在保证刀具耐用度的前提下尽可能选用较高的切削速度 第二章切削加工工艺理论基础 2 切削用量的选择 1 切削用量与切削加工生产效率 刀具耐用度的关系在切削加工中 金属切除率 单位时间内切除的材料体积表示 单位为mm min 与切削用量三要素 均保持线性关系 即其中任一参数增大一倍 都可使生产效率提高一倍 但提高一倍 与提高 一倍对于刀具耐用度带来的影响却是完全不相同的 切削用量三要素对刀具耐用度影响最大的是 其次是 再次是 因此 在保持刀具耐用度一定的条