17切削加工基础00

第5篇金属切削加工 金属切削加工是用刀具从金属材料 毛坯 上切除多余的部分 使获得的零件符合要求的几何形状 尺寸及表面粗糙度的加工过程 金属切削加工按动力来源不同可分为钳工和机械加工两种 第17章金属切削加工基础知识 17 1切削运动及切削要素17 1 1切削运动机器零件的形状虽多 但都不外乎是平面 外圆面 包括圆锥面 内圆面 即孔 及成形面所组成的 17 1 2切削要素 1 工件上的加工表面 待加工表面 工件上待切除的表面 过渡表面 工件上由切削刃形成的 正在被切除的表面 已加工表面 工件上经刀具切削后成形的表面 2 切削用量所谓切削用量是指切削速度 进给量和背吃刀量三者的总称 1 切削速度Vc主运动的线速度称为切削速度 指在单位时间内 工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离 当主运动为旋转运动时 则若主运动为往复直线运动 如刨 插等 则以平均速度为切削速度 其计算公式为 2 进给量刀具在进给运动方向上相对工件的位移量称为进给量 每转进给量f 在主运动一个循环内 刀具与工件沿进给运动方向的相对位移 mm r或mm str 每分进给量 进给速度 Vf 进给运动的瞬时速度 即在单位时间内 刀具与工件沿进给运动方向的相对位移 mm s或mm min 每齿进给量fz 刀具每转或每行程中每齿相对工件在进给运动方向上的位移量 mm z 显然3 背吃刀量ap待加工表面与已加工表面的垂直距离称为背吃刀量 车外圆时 3 切削层几何参数切削层是指刀刃正在切削的金属层 1 切削层公称厚度 简称切削厚度 hD 是垂直于工件过渡表面测量的切削层横截面尺寸 2 切削层公称宽度 简称切削宽度 bD 是平行于工件过渡表面测量的切削层横截面尺寸 3 切削层公称横截面积 简称切削面积 AD 工件被切下的金属层沿垂直于主运动方向所截取的横截面积 17 2刀具材料与刀具几何形状17 2 1刀具材料刀具材料一般是指刀具切削部分的材料 1 对刀具材料的基本要求 高的硬度和耐磨性 足够的强度和韧性 以承受切削力 冲击和振动 高的耐热性和化学稳定性 良好的工艺性和经济性 2 常用刀具材料1 高速钢高速钢是含有较多的钨 铬 钼 钒等合金元素的高合金工具钢 它又称为白钢 供应时四周磨得洁白光亮 锋钢 刀刃可磨得锋利 风钢 在空气中也能淬硬 通用型高速钢通用型高速钢具有一定的硬度 62 65HRC 和耐磨性 高的强度和韧性 切削速度 加工钢料 一般不高于50 60m min 不适合高速切削和硬的材料切削 高性能高速钢高性能高速钢是在通用型高速钢的基础上 通过增加碳 钒的含量或添加钴 铝等合金元素而得到的耐热性 耐磨性更高的新钢种 2 硬质合金硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物 WC TiC TaC NbC等 做基体 用Co Mo Ni做黏结剂所制成的粉末冶金制品 钨钴类硬质合金 YG 由碳化钨和钴组成 钨钛钴类硬质合金 YT 由碳化钨 碳化钛和钴组成 钨钛钽 铌 类硬质合金 YW 由在钨钛钴类硬质合金中加入少量的碳化钽 TaC 或碳化铌 NbC 组成 3 陶瓷材料陶瓷材料的其主要成分是Al2O3 其硬度 耐磨性和化学稳定性均优于硬质合金 刀片硬度可达78HRC以上 能耐1200 1450 高温 故能承受较高的切削速度 4 超硬材料 人造金刚石目前主要用于磨料 磨削硬质合金 也可用于有色金属及其合金的高速精细车和镗削 立方氮化硼 CBN 它适于精加工淬硬钢 冷硬铸铁 高温合金 热喷涂材料 硬质合金及其他难加工材料 3 新型刀具材料的发展方向 开发加入增强纤维的陶瓷材料 进一步提高陶瓷刀具材料的性能 改进碳化钛 氮化钛基质合金材料 提高其韧性及刃口的可靠性 使其能用于半精加工或粗加工 开发应用新的涂层材料 目前涂层硬质合金已普遍用于车铣刀具 进一步改进粉末冶金高速钢的制造工艺 扩大其应用范围 开发挤压复合材料 推广应用金刚石涂层刀具 扩大超硬刀具材料在机械制造业中应用 17 2 2刀具角度 1 车刀的组成车刀由刀头和刀体两部分组成 刀体用于夹持和安装刀具 即为夹持部分 而刀头担任切削工作 故又称为切削部分 2 刀具静止参考系 基面过切削刃选定点 垂直于该点假定主运动方向的平面 切削平面过切削刃上选定点 与切削刃相切 并垂直于基面的平面 正交平面过切削刃选定点 并同时垂直于基面和切削平面的平面 假定工作平面过切削刃上选定点 垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面 3 车刀的标注角度1 前角 在正交平面内测量的前刀面与基面的夹角 影响切屑的变形程度 影响刀刃强度 2 后角 在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角 影响主后刀面与工件过渡表面的摩擦 配合前角改变切削刃的锋利与强度 3 主偏角 影响切削条件和刀具寿命 影响切削分力的大小 4 副偏角 影响已加工表面的粗糙度 影响副刀刃和副后刀面与工件已加工表面的摩擦 5 刃倾角在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角 影响切屑流出方向 影响刀头强度负 4 车刀的工作角度1 刀具安装高低对工作角度的影响 2 刀柄轴线与进给运动方向不垂直时对工作角度的影响 5 刀具结构车刀的结构形式 整体式 焊接式 机夹重磨式和机夹可转位式等几种 17 3金属切削过程的一般规律17 3 1切屑形成过程及切屑种类1 切屑形成过程第 变形区 滑移变形区 也称基本变形区 第 变形区 切屑底面与前刀面摩擦的区域 第 变形区 后刀面与已加工面摩擦的区域 2 切屑种类 节状切屑 切削速度低 切削厚度大 刀具前角小 硬度中等的塑性材料 切削力波动 切削表面质量不高 带状切屑 切削速度高 切削厚度小 刀具前角较大 塑性材料 切削力均衡 切削表面质量高 应采取断屑措施 崩碎切屑 切削脆性材料 切削力不均衡 切削表面质量不高 17 3 2积屑瘤在一定范围的切削速度下加工塑性材料时 在刀具的前刀面上靠近刀刃的部位 常发现黏附着一小块很硬的金属 这块金属称为积屑瘤 或称为刀瘤 1 积屑瘤的形成2 积屑瘤对切削加工的影响 起到保护刀刃 减少刀具磨损的作用 增大前角 影响工件的尺寸精度和表面粗糙度 3 影响积屑瘤的因素 工件材料 塑性材料易产生积屑瘤 切削速度 中等切削速度易产生积屑瘤 此外 增大前角 减小进给量 减少刀具前刀面粗糙度和合理采用切削液 都有助于抑制积屑瘤的产生 17 3 3切削力和切削功率 1 切削力的产生与分解刀具在切削工件时 必须克服材料的变形抗力 克服刀具与工件及刀具与切屑之间的摩擦力 才能切下切屑 这些抗力就构成了实际的切削力 总切削力F分解为以下三个互相垂直的分力 主切削力 切向分力 Fc 进给力 轴向分力 Ff 背向力 径向分力 Fp 车削时总切削力F的分解 2 影响切削力的因素 工件材料 材料的强度 硬度越高 变形断裂越困难 需要的切削力越大 刀具角度 刀具前角越大 需要的切削力越小 刀具主偏角则影响进给力 轴向分力 Ff 背向力 径向分力 Fp的分配 切削用量 进给量f和背吃刀量ap越大 需要的切削力越大 3 切削功率切削过程中消耗的总功率为各分力所消耗功率的总和 称为切削功率 记为Pm 机床电动机的功率PE可用下式计算 17 3 4切削热 切削温度及切削液 1 切削热切削热是由切削功转变而来的 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 2 切削温度及其影响因素切削温度一般是指切削区的平均温度 切削用量 切削速度增加时 单位时间产生的切削热随之增加 对温度的影响最大 工件材料 工件材料的强度及硬度愈高 切削中消耗的功愈大 产生的切削热愈多 刀具材料 导热性好的刀具 热量通过刀具传导越快 刀具角度 主偏角既影响刀刃的切削长度 也影响切削中的变形与摩擦 3 切削液切削液的四个作用 冷却作用 润滑作用 排屑作用 清洗和防锈作用 常用的切削液有以下两大类 水类 水溶液 肥皂水 苏打水 或乳化液 冷却效果好 润滑作用弱 多用于粗加工 油类 矿物油或植物油等 润滑作用强 冷却作用一般 多用于精加工 17 3 5刀具磨损和刀具耐用度在切削过程中 刀具一方面从工件上切下切屑 另一方面 刀具本身也逐渐被工件和切屑磨损 1 刀具磨损形式刀具磨损是指在刀具与工件或切屑的接触面上 刀具材料的微粒被切屑或工件带走的现象 这种现象称为正常磨损 若由于冲击 振动 热效应等原因致使刀具崩刃 碎裂而损坏 称为非正常磨损 刀具的磨损形式 2 刀具磨损原因 机械摩擦 刀具表面因摩擦而带走了微粒 这是低速切削刀具磨损的主要原因 热效应 高速钢因受热变软使磨损加剧 硬质合金因受热黏结使磨损加剧 这是高速切削磨损的主要原因 3 刀具磨损过程刀具后刀面磨损量VB与切削时间的关系 分成初期磨损 正常磨损和急剧磨损三个阶段 在刀具正常磨损阶段的后期 急剧磨损阶段之前 换刀重磨为宜 这样既可保证加工质量又能充分利用刀具材料 4 刀具耐用度刀具容许的磨损限度 通常用后刀面的磨损程度作为标准 刀具耐用度是指两次刃磨之间刀具实际参加切削时间的总和 用T min 表示 如焊接硬质合金车刀耐用度为60min 高速钢钻头耐用度为120 180min 等等 刀具寿命是指刀具从开始切削到完全报废实际切削时间的总和 故刀具寿命 T 刃磨次数 包括第一次刃磨 17 4切削加工技术经济简析17 4 1切削加工主要技术经济指标 1 产品质量1 精度 包括尺寸精度 形状精度 位置精度等 2 表面质量 零件的表面质量包括表面粗糙度 表面层加工硬化的程度及表面残余应力的性质和大小 2 生产率切削加工的生产率是指单位时间内生产零件的数量 即车外圆时 基本工艺时间可用下式计算 L是车刀行程 包括切入和切出行程 mm h是工件半径方向的切削量 mm dw是工件待加工表面半径 mm n是工件转速 r s f是进给量 mm ap是背吃刀量 mm Vc是切削速度 m s 提高生产率的主要途径 在可能的条件下 采用先进的毛坯制造工艺和方法 减小加工余量 合理地选择切削用量 粗加工时可采用强力切削 f和ap较大 精加工时可采用高速切削 在可能的条件下 采用先进的和自动化程度较高的工 夹 量具 在可能的条件下 采用先进的机床设备及自动化控制系统 例如在大批量生产中采用自动化机床 多品种 小批量生产中采用数控机床 计算机辅助制造等 3 经济性切削加工最优的技术经济效果 是指在可能的条件下 以最低的成本高效率地加工出质量合格的零件 17 4 2切削用量的合理选择 1 粗车应先选一个尽量大的背吃刀量ap 然后选一个比较大的进给量f 最后再根据刀具寿命的允许 选一个合适的切削速度Vc 这样才能使生产率最高 同时也能充分发挥刀具的寿命 具体要求是 背吃刀量的选取是和工件的加工余量有关 在加工余量确定的条件下 尽可能一次切完 以减少走刀次数 如粗加工余量过大 无法一次切完 可以采用几次走刀 但前几次的背吃刀量要大些 机床和工件刚性好的背吃刀量可选得大些 背吃刀量选定后 就可根据机床 工件 刀具的具体条件选择尽可能大的进给量 机床 工件和刀具刚性好的可选大些 否则可选小些 进给量对进给力的影响较大 进给力应小于机床说明书上规定的最大允许值 然后再根据刀具耐用度的要求 针对不同的刀具材料和工件材料 选用合适的切削速度 2 精车为了减小切削力以及由此引起的工艺系统的弹性变形 减小已加工表面的残留面积和残余应力 减少径向切削力Fp 避免振动 以提高工件的加工精度和表面质量 精车时应选用较小的背吃刀量ap和较小的进给量f 总之 安排切削加工工艺时要记住 影响刀具耐用度最大的是切削速度 粗加工时背吃刀量越大越好 粗加工时 进给量受机床 刀具 工件所能承受切削力的限制 精加工时受工件表面粗糙度的限制 17 4 3材料的切削加工性 1 切削加工性的概念和衡量指标切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度 常用评定切削加工性能的指标有 刀具寿命