1.1金属切削加工概述VIP

任务1 1金属切削加工概述 切削加工的概念 切削加工是利用刀具和工件的相对运动 刀具从毛坯或型材上切除多余的材料 以便获得精度和表面粗糙度均符合要求的零件的加工过程 1 1 1切削运动和切削用量 切削加工分类 分为钳工和机械加工 钳工 通过工人手持工具进行切削加工 机械加工 采用不同的机床 如车床 铣床 刨床 磨床 钻床等 对工件进行切削加工 机械加工 利用刀具进行加工 利用磨料进行加工 车削 铣削 刨削 钻削 插削 铰削 镗削 拉削 锪削 磨削 研磨 珩磨 超精加工 机器零件的基本表面包括 外圆 内圆 孔 平面和成形面 基本表面主要由各种切削加工方法获得 要完成零件表面的切削加工 刀具和工件应具备形成表面的相对运动 即切削运动 切削运动 是指刀具和工件的相对运动切削运动分为主运动和进给运动 主运动主运动是切削时的主要运动 主运动可以由刀具完成 也可以由工件完成 其运动形式通常为旋转运动或直线运动 如车削时工件的旋转运动 铣削时铣刀的旋转运动 钻削时钻头的旋转运动 主运动特点 速度最高 消耗的功率也最大 主运动只有一个 进给运动进给运动是将被切削金属层不断地投入切削 以切除工件表面上全部余量的运动 进给运动由刀具或工件完成 如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动 进给运动特点 其运动形式一般有直线 旋转或两者的合成运动 它可以是连续的或断续的 消耗的功率也比主运动要小得多 进给运动可以有一个或几个 工件表面切削加工过程中 工件上有三个不断变化着的表面 如外圆车削时 工件做旋转运动 刀具作纵向直线运动 形成了工件的外圆表面 已加工表面 工件上经刀具切削后产生的表面 待加工表面 工件上有待切除切削层的表面 过渡表面 主切削刃正在加工的表面称为过渡表面 它是待加工表面与已加工表面的连接表面 如图 试说明下列加工方法的主运动和进给运动 1 车端面 2 在车床上钻孔 3 在钻床上钻孔 三 切削用量切削用量包括切削速度 进给量和背吃刀量 切削深度 三个要素 1 切削速度切削速度是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度 切削刃上各点的切削速度可能是不同的 计算时通常取最大值 切削速度的单位是米 秒当主运动为旋转运动时 刀具或工件最大直径处的切削速度 由下式确定式中v 切削速度 d 完成主运动的刀具或工件的最大直径 n 主运动的转速 2 进给量进给量是工件或刀具的主运动每转或每一行程时 刀具切削刃相对工件在进给运动方向上的移动量 车削时的进给量是工件每转一转 切削刃沿进给方向的移动量 对于铣刀 铰刀等多齿刀具 还规定每齿进给量 即多齿刀具每转或每行程中每齿相对于工件在进给运动方向上的相对位移 背吃刀量 已加工表面和待加工表面之间的垂直距离 对于车削和刨削加工来说 背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离 单位为mm 外圆柱表面车削的深度可用下式计算 ap dw dm 2mm对于钻孔工作 ap dm 2mm上两式中 dm 已加工表面直径 mm dw 待加工表面直径 mm 试说明车削的切削用量三要素 车外圆时工件加工前直径为62mm 加工后直径为56mm 工件转速为4r s 刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm 工件加工长度为110mm 切入长度为3mm 求v f ap 解 1 1 2加工刀具 1 刀具切削部分的几何形状 1 刀具切削部分的几何形状 刀具 夹持部分 切削部分 前刀面 1 刀具切削部分的组成 主后面 副后面 主切削刃 副切削刃 刀尖 1 基面Pr 过主切削刃选定点 并垂直于该点切削速度方向的平面 车刀的基面可理解为平行刀具底面的平面 2 切削平面Ps 过主切削刃选定点 与主切削刃相切 并垂直于该点基面的平面 3 正交平面Po 过主切削刃选定点 同时垂直于基面与切削平面的 2 参考系 2 参考系 前角 正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角 后角 正交平面中测量的后刀面与切削平面之间的夹角 主偏角 基面中测量的主切削刃与假定进给运动方向之间的夹角 余偏角 和主偏角互余 副偏角 基面中测量的副切削刃与假定进给运动方向之间的夹角 3 刀具切削部分的主要角度 4 刀具切削部分的主要角度的影响 主偏角的影响 进给量相同时 余偏角大 刀片与切屑接触的长度增加 切削厚度变薄 使切削力分散作用在长的刀刃上 刀具耐用度得以提高 主偏角小 分力也随之增加 加工细长轴时 易发生挠曲 主偏角小 切削厚度变薄 切削宽度增加 将使切屑难以碎断 小主偏角用于工件硬度高 切削温度大时大直径零件的粗加工时机床刚性高时 大主偏角用于切深小的精加工切削细而长的工件机床刚性差时 背吃刀量和进给量一定时 主偏角越小 切削层公称宽度越大而公称厚度越小 即切下宽而薄的切屑 副偏角的影响副偏角小 切削刃强度增加 但刀尖易发热副偏角小 背向力增加 切削时易产生振动粗加工时副偏角易小些 而精加工时副偏角则易大些 副偏角具有减少已加工表面与刀具摩擦的功能 一般为5 15 主 副偏角小时 已加工表面残留面积的高度hc亦小 因而可减小表面粗糙度的值 并且刀尖强度和散热条件较好 有利于提高刀具寿命 前角的影响正前角大 切削刃锋利前角每增加1 切削功率减少1 正前角大 刀刃强度下降 负前角过大 切削力增加 被切削对象塑性越大 前角越大 刀具切削部分的材料高速钢前角可大于硬质合金钢 粗加工前角应取小些 精加工时前角应取大些 后角的影响后角大 后刀面磨损小后角大 刀尖强度下降 后角选择原则 在粗加工时以确保刀具强度为主 在精加工时以保证加工表面质量为主 在实际生产中有时在后面磨出倒棱面 负后角 目的是为了在切削加工时产生支承作用 增加系统刚性 并起到消振阻尼作用 2 刀具材料 1 刀具材料应具备的性能 较高的硬度和耐磨性 足够的强度和韧度 较高的耐热性 良好的工艺性和经济性 一般机加工使用最多的是高速钢和硬质合金 硬度高可允许的切削速度高 而韧性高可承受的切削力大 工具钢耐热性差 但抗弯强度高 价格便宜 故广泛用于中 低速切削的成型刀具 不宜高速切削 硬质合金耐热性好 切削效率高 但刀片强度 韧性不及工具钢 焊接刃磨工艺性差 多用于制作车刀 铣刀及各种高效切削刀具 高速钢 含W Cr V等合金元素较多的合金工具钢 高速钢仍是世界各国制造复杂 精密和成形刀具的基本材料 是应用最广泛的刀具材料之一 硬质合金 钨钴类 YG类 类硬质合金 适合加工形成短切屑的铸铁 有色金属及非金属等脆性材料 钨钴钛类 YT类 类硬质合金 适合加工形成长屑的钢材等塑性材料含添加剂的 YW类 硬质合金 适合用于钢料和难加工材料的半精加工和精加工 1 钨钴类硬质合金 YG代表钨钴类硬质合金 后面数字表示Co的含量 细颗粒的硬质合金有较高的抗弯强度和耐磨性 如YG3 YG6和YG8等 应用 加工形成短切屑的铸铁 有色金属及非金属等脆性材料 加工铸铁等脆性材料时 切屑呈崩碎状 对切削刃的冲击较大 切削力与切削热都集中在刀尖附近 而YG类硬质合金抗弯强度和韧性及导热性较高 故可满足要求 2 钨钴钛类硬质合金 YT表示钨钴钛类硬质合金 数字表示TiC的含量 如YT5 YT14 YT15 YT30等 与YG类硬质合金相比 YT类硬质合金中由于含有硬度较高的TiC 故该类硬质合金的硬度 耐磨性和抗氧化能力较高 但其导热性能 抗弯强度和韧性 可磨削性和可焊性却有所降低 应用 加工形成长屑的钢材等塑性材料 注意 当加工淬硬钢 高强度钢和奥氏体不锈钢等难加工材料时 由于切削力大 且集中在切削刃附近 如选用YT类硬质合金易造成崩刃 故选用YG类硬质合金更为合适 3 含添加剂的硬质合金 含添加剂的硬质合金是在YG类 YT类硬质合金的基础上加入适当的添加剂 合金碳化物TaC NbC 所形成的硬质合金新品种 如 YA6 YW1和YW2等几种 其中YW类又称为通用硬质合金 特点 有更高的硬度 高温硬度 韧性和耐磨性 应用 用于钢料和难加工材料的半精加工和精加工 陶瓷材料 陶瓷材料是以氧化铝为主要成分在高温下烧结而成的 如 纯Al2O3陶瓷和TiC Al2O3混合陶瓷两种 优点 有很高的硬度和耐磨性 有很好的耐热性 在1200 高温下仍能进行切削 有很好的化学稳定性和较低的摩擦因数 抗扩散和抗黏结能力强 缺点 强度低 韧性差 抗弯强度仅为硬质合金的1 3 1 2 导热系数低 仅为硬质合金的1 5 1 2 应用 钢 铸铁及塑性大的材料 如紫铜 的半精加工和精加工 对于冷硬铸铁 淬硬钢等高硬度材料加工特别有效 但不适于机械冲击和热冲击大的加工场合 新型刀具材料 通过气相沉积或其它技术方法 在硬质合金或高速钢的基体上涂覆一薄层高硬度 高耐磨性的难熔金属或非金属化合物而构成刀具材料 涂层刀具材料 包括天然金刚石和聚晶立方氮化硼种 超硬刀具材料 涂层刀片是在韧性和强度较高的硬质合金或高速钢的基体上 采用化学气相沉积 CVD 物理化学气相沉积 PVD 真空溅射等方法 涂覆一薄层 5 12 颗粒极细的耐磨 难熔 耐氧化的硬化物 TiC TiN TiC Al2O3 后获得的新型刀片 具有较高的综合切削性能 能够适应多种材料的加工 高速钢基体涂层刀具耐用度可提高2 10倍 硬质合金基体刀具提高1 3倍 加工材料硬度愈高 涂层效果愈好 在刀具寿命相同的前提下 可提高切削速度25 30 涂层刀片 有三种 天然单晶金刚石刀具 人造聚晶金刚石刀具和金刚石复合刀具 金刚石复合刀片是在硬质合金基体上烧结上一层厚度约0 5mm的金刚石 形成了金刚石与硬质合金的复合刀片 金刚石 特点 很好的耐磨性 用于加工硬质合金 陶瓷和高铝硅合金等高硬度 高耐磨材料 刀具耐用度比硬质合金提高几倍甚至几百倍 金刚石有非常锋利的切削刃 能切下极薄的切屑 加工冷硬现象较少 金刚石抗黏结能力强 不产生积屑瘤 很适于精密加工 但其耐热性差 切削温度不得超过700 800 强度低 脆性大 对振动很敏感 只宜微量切削 与铁的亲合力很强 不适于加工黑色金属材料 应用 用于磨具及磨料 作为刀具多在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削 立方氮化硼 CBN 是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的 是20世纪70年代出现的新材料 硬度高达8000HV 9000HV 仅次于金刚石 耐热性却比金刚石好得多 在高于1300 时仍可切削 且立方氮化硼的化学惰性大 与铁系材料在1200 1300 高温下也不易起化学作用 立方氮化硼 CBN 应用 立方氮化硼作为一种新型超硬磨料和刀具材料 用于加工钢铁等黑色金属 特别是加工高温合金 淬火钢和冷硬铸铁等难加工材料 具有非常广阔得发展前途 上述五大类刀具材料 从总体上分析 材料的硬度 耐磨性 金刚石最高 递次降低到高速钢 而材料的韧性则是高速钢最高 金刚石最低 4 常用刀具 车刀 铣刀 钻头 铰刀 拉刀 五 模块化刀具的特点 定义 刀具可以由2件或2件以上的模块按一定的连接方式组合成一套能完成一定的切削功能的刀具 刀具供应商已将模块标准化 系列化 用户可根据不同的要求在一定的范围内变换组合 获得不同的尺寸与规格 结构特点 结构简单 制造方便 成本低 定心精度优于圆柱芯轴定位 键传递扭矩模块系统 因为在拧紧力的作用下孔会微量变形 这样既消除配合间隙又实现自定心 由于此模块系统拉紧受锥面配合在扭矩作用下产生的两模块拉紧的附加轴向力 同时此结构为前部安装 拆装方便 但此结构拉紧调整的规律不易掌握 平衡性稍差 由于零件较多且两侧均为螺纹配合件 松动倾向明显 特别在断续切削情况下更是如此 滑动销与拧紧螺钉为易损零件 应时常检查并对磨损或变形的零件及时更换 当该零件出现问题时刀柄会丧失其应有的刚性和精度 若刀柄意外损伤可能出现不易拆卸的情况 优点 1 在库房刀具的管理中 由于模块化刀柄的标准化 系列化 使得刀具的存放及管理大大简化 刀具计算机管理方便易行 刀具便于查找 提高了配刀效率 2 由于模块刀柄的通用性强 故可以按常用的规格范围提前储备或完善刀柄系列 使得新产品刀具准备周期大大缩短 新产品的生产周期得到提前 提前投放市场的效益是无法用金钱来衡量的 3 模块刀柄性能稳定 工艺及操作人员易了解掌握其特点 避免了刀具调试周期长的弊端 4 模块化刀柄给用户提供了一个扩展接口 在现有刀具无法满足使用要求的情况下用户可以自行设计简易模块 来扩展其性能或范围 5 刀具寿命长 有些刀柄已使用10年左右 仍性能良好 应用效果 任意组合 随着我们库存模块刀具品种的不断完善 很好的解决了新产品试制中的孔加工刀具短缺问题 既减少了刀具成本又缩短了产品生产周期 对于超长的凸轮轴孔和曲轴孔 长径比超过7倍 通常采用掉头镗削利用机床精度保证孔的同轴度控制在0 03mm以内 以镗代铰 有了模块式镗刀后 我们在铰孔中以镗代铰 特别是孔表面精度要求低于Ra0 8 尺寸精度低于6级的孔 完全达到精度要求 又提高了孔的位置度与直线度 还不牺牲加工效率 因为涂层刀片 其切削速度是铰削的3倍以上 代替复合刀具 对于阶梯孔及倒角等需要复合刀具的场合 如气门导管孔加工 采用镗削加工分步进行 虽然效率较低 但避免了非标刀具制造周期长 通常国内产品为4 6周 国外产品为6 8周 而致使无法按时完成生产任务的情况 为新产品投放市场赢得宝贵的时间 1 1 3金属切削过程的基本规律 切屑的形成及类型 切削力 切削温度 切削液 金属切削过程是指将工件上多余的金属层 通过切削加工切除成为切削从而得到所得的零件几何形状的过程 金属切削过程与金属受压缩 拉伸 过程比较 a 压缩 b 切削 塑性金属受压缩时 随着外力的增加 金属先后产生弹性变形 塑性变形 并使金属晶格产生滑移 而后断裂 以直角自由切削为例 如果忽略了摩擦 温度 和应变速度的影响 金属切削过程如同压缩过程 切削层受刀具挤压后也产生塑性变形 图1金属的压缩与切削 一 切屑的形成及类型 1 带状切屑 外形呈带状 由于工件材料不同 切削条件不同 切削过程的变形也不同 所形成的切屑多种多样 通常将切屑分为四类 切屑的类型 2 挤裂切屑 切屑上与前刀面接触的一面较光洁 其背面局部开裂成节状 3 单元切屑切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状 4 崩碎切屑切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂 得到的切屑呈不规则的细粒状 切屑的类型是由材料的应力 应变特性和塑性变形程度决定的 一 切屑的形成及类型 一 切屑的形成及类型 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑 一 切屑的形成及类型 1 切削力的来源 来源 切削时作用在刀具上的力 由下列两个方面组成 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 a 直角自由切削 图2合力及其分力 作用在前刀面的弹 塑性变形抗力Fny 作用在前刀面的摩擦力Ffy 合力Fr 作用在后刀面的弹 塑性变形抗力Fna 作用在后刀面的摩擦力Ffa 二 切削力 图3合力及其分力 b 非自由切削 在铣削平面时 上述分力亦称为 Fz 切向力 Fy 径向力 Fx 轴向力 为了便于分析切削力的作用和测量 计算切削力的大小 通常将合力Fr在按主运动速度方向 切深方向进给方向作的空间直角坐标轴z y x上分解成三个分力 它们是 主切削力Fz主运动切削速度方向的分力 切深抗力Fy切深方向的分力 进给抗力Fx进给方向的分力 二 切削力 主切削力Fz是最大的一个分力 它消耗了切削总功率的95 左右 是设计与使用刀具的主要依据 并用于验算机床 夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率 切深抗力Fy不消耗功率 但在机床 工件 夹具 刀具所组成的工艺系统刚性不足时 是造成振动的主要因素 进给抗力Fx消耗了总功率5 左右 它是验算机床进给系统主要零 部件强度和刚性的依据 二 切削力 切削力的变化规律 影响切削力的因素主要有四个方面 工件材料 切削用量 刀具几何参数及其它方面的因素 1 工件材料的影响工件材料是通过材料的剪切屈极强度 s 塑性变形 切屑与刀具间摩擦系数 等条件影响切削力的 从表1 1中可以反映出不同材料对切削力的影响程度 二 切削力 表1 1硬质合金外圆车刀切削常用金属时单位切削力和单位切削功率 f 0 3mm r 二 切削力 背吃刀量和进给量背吃刀量ap和进给量f增大 分别使切削宽度bD 切削厚度hD增大因而切削层面积AD增大 故变形抗力和摩擦增加 而引起切削力增大 但是ap和f增大后 它们分别使变形和摩擦增加的程度不同 2 切削用量的影响 切削速度加工塑性金属时 切削速度vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样 它们都是积屑瘤与摩擦的作用造成的 二 切削力 在低速到中速范围内 5 20m rain 随着速度vc的提高 切削变形减小 故主切削力Fz逐渐减小 中速时 20m min左右 变形值最小 Fz减至最小值 超过中速 随着速度vc的提高 切削变形增大 故Fz逐渐增大 在更高速度范围内 vc 35m min 切削变形随着速度增加而减小 故切削力Fz逐渐减小而后达到稳定 以车削45钢为例 由图可知 图4切削速度vc对切削力Fz影响 二 切削力 表1 3切削速度vc改变时切削力Fz影响的修正系数KvFz 前角前角 0增大 切削变形减小 切削力减小 但增大前角 0 使三个分力Fz Fy和Fx减小的程度不同 表1 4为用kr 75 外圆车刀车削45号钢和灰铸铁时前角 0对切削力的修正系数 表1 3为车削钢时切削速度vc对切削力Fz影响的修正系数 3 刀具几何角度的影响 二 切削力 表1 4前角改变时切削力的修正系数K 0F 二 切削力 主偏角kr改变使切削面积的形状和切削分力Fxy的作用方向改变 因而使切削力也随之变化 由实验得到的图1 22中表明 主偏角kr在30 60 范围内增大 由切削厚度hD的影响起主要作用 促使主切削Fz减小 主偏角约在60 90 范围内增大 刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出 故主切削力Fz增大 图5主偏角kr对切削力影响 主偏角 二 切削力 表1 5主偏角kr对切削力的修正系数KkrF 表1 5为主偏角kr对切削力的修正系数 二 切削力 切削热的来源与传导 来源 切削是由切削功转变而来的 如图所示 其中包括 剪切区变形功形成的热Qp 切屑与前刀面摩擦功形成的热Q f 已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Q f 产生总的切削热Q 分别传人切屑Qch 刀具Qc 工件Qw和周围介质Qf 切削热的形成及传导关系为 Qp Q f Q f Qch Qw Qc Qf 三 切削温度 切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成 切削脆性金属时则后刀面摩擦热占的比例较多 切削热传至各部分比例 一般情况是切屑带走的热量多 由于第 变形区塑性变形 摩擦产生热及其传导的影响 致使刀具中次之 工件中热量最少 切削热由切削 工件 刀具及周围的介质向外传导 影响散热的主要因素 1 工件材料的导热系数2 刀具材料的导热系数3 周围介质 三 切削温度 测量切削温度的方法有 热电偶法 热辐射法 涂色法和红外线法等 其中热电偶法测温虽较近似 但装置简单 测量方便 是较为常用的测温方法 自然热电偶法 人工热电偶法 2 切削温度的测定 三 切削温度 影响切削温度的因素 切削温度与变形功 摩擦功和热传导有关 也就是说 切削温度的高低是由产生的热和传走的热两方面综合影响的结果 做功越多 生热越多 散热越少时 切削温度越高 影响生热和散热的因素有 切削用量 刀具几何参数 工件材料和切削液等 三 切削温度 1 切削用量的影响切削用量是影响切削温度的主要因素 通过测温实验可能找出切削用量对切削温度的影响规律 通常在车床上利用测温装置求出切削用量ap f和vc对切削温度的影响关系 并可整理成下列一般公式 C apx fyv vcz k 式中x y z 分别表示切削用量ap f和vc对切削温度的影响程度的指数 C 与实验条件有关的影响系数 K 切削条件改变后的修正系数 当用高速钢和硬质合金刀具车削中碳钢时 公式中系数 指数为 z C x y 高速钢刀具140 1700 08 0 10 2 0 30 35 0 45硬质合金钢3200 050 150 26 0 41 三 切削温度 切削用量ap f和vc增大 切削温度增加 其中切削速度vc对切削温度影响最大 进给量f次之 切削深度ap影响最小 从影响指数z y x 中也可以反映出该规律 当切削用量ap f和vc增大时 变形和摩擦加剧 切削功增大 故切削温度升高 但背吃刀量ap增大后 切屑与刀具接触面积以相同比例增大 散热条件显著改善 进给量f增大 切屑与前刀面接触长度增加 散热条件有所改善 切削速度增高 虽切削力减少 但切屑与前刀面接触长度减短 故散热较差 切削用量对切削温度的影响 就是由生热与散热两方面作用的结果 由此可见 在金属切除率相同的条件下 为了减少切削温度影响 防止刀具迅速磨损 保持刀具耐用度 增大切削深度ap或给进量f比增大切削速度vc更有利 三 切削温度 2 刀具几何参数影响 前角前角 o增大 切削变形和摩擦减少 因此产生的热量少 切削温度下降 但前角 o继续增大至15 左右 由于楔角减少使刀具散热变差 切削温度略上升 从前角 o对切削温度 的影响曲线可知 在一定的加工条件下 能够找出对切削温度影响最少的合理前角 o 三 切削温度 主偏角主偏角kr减少 使切削宽度bD增大 切削厚度hD减少 因此 切削变形和摩擦增大 切削温度升高 但当切削宽度bD增大后 散热条件改善 由于散热起主要作用 故随着主偏角kr减少 切削温度下降 三 切削温度 三 切削温度 3 工件材料影响工件材料是通过强度