切削用量对切屑变形的影响.doc

切削用量对切屑变形的影响： 切削速度：切削塑性金属材料时，切削速度对切削变形的影响呈波浪形； 进给量：进给量增大，则切削厚度增大，切削变形减小，变形因数减小；背吃刀量：对切屑变形的影响较小。切屑卷曲和折断机理： 切屑沿刀具前面流出的过程中，受到前面的挤压和摩擦而进一步变形，使得切屑底部被挤而伸长，切屑背面相对缩短，切屑就自然会逆时针卷曲。 如果刀具的前角较小，则切屑流出过程中受到的挤压和摩擦变大，切屑就会卷得更紧。切屑卷曲过程中，若切屑中的弯曲应力达到材料的弯曲强度极限，则切屑就会自行折断。切屑卷曲与折断的机理解释自由切屑的卷曲机理 由于前刀面和剪切面上对切屑的作用力大小相等，方向相反，但是不共线，因而产生了弯矩，导致切屑卷曲。（刘培德） 受控切屑的卷曲机理 图1-12a为带倒棱的全圆弧形卷屑槽的卷屑机理，图1-12b为直线形卷屑槽的卷屑机理。都采用卷屑槽的方式实现切屑卷曲的控制。切屑折断的机理 图1-13分别为螺卷屑、发条状屑和C形屑折断的机理，其主要原因是由于切屑环的内侧拉应力大于切屑材料的弯曲应力极限。影响切屑卷曲和折断的主要因素：工件材料性能：工件材料的屈服极限、弹性模量越小，塑性越低，越易折断；切削用量：切削厚度小，背吃刀量大，切削速度高，断屑难；刀具前角：前角小，变形大，易折。影响切削力的因素：工件材料的影响（系数CF 或单位切削力kc体现） 工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。（二）切削用量的影响 背吃刀量apAc成正比， kc不变， ap的 指数约等于1，因而切削力成正比增加； 进给量fAc成正比，但 kc略减小， f 的 指数小于1，因而切削力增加但与f 不成正比。 速度v 对F 的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况，在无积屑瘤阶段， v 变形程度切削力减小切削温度的分布规律： 1.剪切面上各点的温度基本一致; 2.前、后刀面上的最高温度都处于离刀刃一定距离的地方；后刀面的温度降低和升高在极短时间内完成； 3.在剪切区域内，垂直于剪切方向上的温度梯度较大；垂直于前刀面的切屑底层的温度梯度较大；4.工件材料塑性越大，前刀面与切屑的接触长度越长，温度分布越均匀；工件材料脆性越大，最高温度所在的点离刀刃越近；工件材料导热系数越低，前、后刀面上的温度越高。刀具磨损机理：前刀面磨损 产生机理：切塑性材料，v 和ac较大时，切屑与前刀面完全是新鲜的表面接触和摩擦，化学反应强烈；高温高压下，切削液难以进入刀屑接触区，产生前刀面磨损。后刀面磨损（磨损带磨损）产生机理：切铸铁或v 和ac较小切塑性材料时，由于刀具后刀面与工件已加工表面接触区的挤压和摩擦而造成后刀面磨损。边界磨损 产生机理：边界处的加工硬化层、硬质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。 刀具破损的形态及原因：一、刀具脆性破损崩刃：在切削刃上产生小缺口，是一种早期破损的形式碎断：在切削刃上发生小块碎裂和大块断裂。剥落：在前后刀面几乎平行于切削刃而剥下的一层碎片。裂纹破损：刀具在较长时间断续切削后，由于疲劳而引起裂纹的磨损。二、刀具塑性破损 切削时，由于高温高压的作用，在前后刀面和茄屑的接触层上，刀具表面材料发生塑性流动而丧失切削能力。三、刀具脆性破损的原因 发生破损的原因主要有：冲击、机械疲劳和热疲劳。 1.引起早期破损的原因主要是机械冲击造成的结果。 2.刀具后期疲劳破损的原因是在机械与热冲击作用下，刀具内裂纹失稳扩展所致。加工硬化产生的原因 一方面，已加工表面的形成过程中，表面金属层经受了复杂的塑性变形。 另一方面，低于相变温度的切削温度使金属弱化，更高的切削温度使金属发生相变。 已加工表面就是上述两个方面的综合结果。 如果是塑性变形占主导地位，产生加工硬化，即强化作用；如果是切削温度占主导地位，当切削温度引起退火时，产生弱化作用；当切削温度引起淬火时，产生强化作用。切削条件的合理选择刀具材料：要求耐磨、强度高、耐热冲击。如YW类和YN类硬质合金。选用高温高硬度的高钒高钻高速钢；或选用碳化物细小均匀的钼系高速钢以避免崩刃；切削用量：为普通结构钢的1/81/2左右，当材料强度b=1.471.666Gpa时，切削速度v=4065m/min，材料强度增大时，切削速度按反比于其强度的平方进行修正；用高速钢刀具时，切削速度很低，一般v=310m/min。进给量一般要大于0.05 mm / r ；刀具参数：为了防止崩刃，增强刀刃，前角应选小值或选负值，刀刃的粗糙度应该很小，刀刃刃形上不应有尖角，尖角必须用圆弧代替，刀尖圆弧半径在0.8mm以上；切削液：充分冷却，使用硬质合金刀具时不宜使用水溶性切削液，以免刀刃承受较大的热冲击，引起崩刃；切削加工性改善：荒车及粗车一般应在退火或退火状态下进行，同时要注意断屑问题。切削条件的合理选择1、刀具的选择 刀具的刀刃应该始终保持锋利。前角应为正值，但不能过大，后角一般应稍大一些。 2、切削用量的合理选择很重要，一般是低切削速度，中 等偏小的进给量，较大的背吃刀量。应该使刀刃在冷硬层以下进行切削。镍含量对镍基高温合金的切削速度影响很大。镍含量较低时，切削速度可稍高一些。例如含镍 60 时， v = 13m 八 11in ；含镍 50 时， v = 20m / n lin ；含镍 45 时， v = 26m 】 min 。 3、应该选择合适的切削液。对于镍基高温合金应避免使用含硫的切削液，否则会对工件造成应力腐蚀，影咆零件的疲劳强度。4、工艺系统刚性要高，机床功率应足够大。 结构分类一、焊接式硬质合金车刀具有以下特点： （1）结构简单、制造方便、使用灵活； （2）切削性能主要取决于工人刃磨的技术水平。 （3）刀杆不能重复使用。（4）硬质合金与刀杆的线膨胀系数不同，易出现裂纹二、机夹可重磨式车刀：用机械夹固的方法将刀片固定在刀杆上，由刀片、刀垫、刀杆和夹紧机构组成。 机夹可重磨式车刀具有以下特点： （1）不产生焊接应力和裂纹； （2）刀杆可以重复使用； （3）刀片可以多次刃磨； （4）切削性能取决于工人的技术水平； （5）刀杆制造复杂。三、可转位机夹车刀：把可转位刀片用机械夹固的的方法安装在特制的刀杆上使用的刀具。机夹可转位车刀的组成与机夹可重磨式车刀的相似，具有以下优点： （1）切削和断屑性能稳定； （2）换刀时间短； （3）避免了焊接和刃磨热应力和热裂纹； （4）有利于硬质合金等新型材料的合理地使用和刀杆刀片专业化生产。可转位车刀刀片的夹紧应满足的要求（1）定位精度高：转位或换刀后刀尖位置的变化在允许的工作精度范围。（2）夹紧可靠：夹紧力指向定位面，刀片、刀垫、刀杆接触面紧密贴合。（3）排屑流畅：刀具前面无阻碍，切削顺畅排出。（4）结构简单、使用方便：转位和换刀方便、迅速。（5）夹紧元件应满足标准化、系列化、通用化要求。麻花钻的结构缺陷与刃磨1.麻花钻结构的缺陷切削刃上各点前角和后角各不相同，切削能力悬殊；刃倾角和切削速度方向不一致，因而各点的切屑流出方向不同，不利于卷屑。主切削刃全部参与切削，切削宽度大，刀刃上各点切削不等，易形成螺旋形切屑，排屑困难。钻头刚度低、孔的轴线易偏斜、易摆动，形位公差大。刀尖处摩擦大，发热量大，散热条件差，磨损快。2.麻花钻的刃磨刃磨过渡刃：将主副切削刃的交界处磨成双重顶角或多重顶角。修磨横刃：将横刃修短，并修处前角。修磨前刀面：修磨分屑槽：修磨刃带：群钻把主切削刃修磨成折线刃或圆弧刃，增大刀尖角，改善散热条件；把横刃修磨短，减小轴向力，增大横刃前角；修磨前刀面，增大钻心出的前角；修磨后刀面，减小其与已加工孔壁的摩擦；在切削刃上开分屑槽，方便排屑。枪钻（单刃外排屑深孔钻）：多用于加工直径较小（3mm13mm）、长径较大（100250mm）的深孔。枪钻的结构：钻头、钻杆、钻柄。无横刃，钻尖相对于钻头轴线偏心e,形成外刃和内刃。枪钻的工作原理：工作时高压切削液从钻柄后部注入，经过钻杆由钻头前面的口喷向切削区。切削液对切削区实现冷却润滑作用，同时以高压力经钻头的V型槽强制排除。枪钻的特点：（1）导向好，消振好；（2）冷却润滑好；（3）排屑性能好。铰削特点与铰刀的合理使用（一）铰削的特点1.铰削过程是复杂的切削和挤压摩擦过程；2.铰削精度高；3.铰削效率高：4.适应性差；（二）铰刀的合理使用1.合理选择铰刀的直径；2.铰刀的装夹要合理；3.铰削用量要适中；4.选择合理的切削用量和切削液；5.合理刃磨；6.根据加工对象正确选择铰刀的类型。铣刀几何角度的特点及选择（1）前角的选择根据刀具和工件的材料确定。一般小于车刀；高速钢比硬质合金刀具要大；塑性材料前角；脆性材料前角；强度、硬度负前角。（2） 后角的选择在铣削过程中，铣刀的磨损主要发生在后刀面上，采用较大的后角可以减少磨损；当采用较大的负前角时，可适当增加后角。（3） 刃倾角的选择立铣刀和圆柱铣刀的外圆螺旋角就是刃倾角s。，实际前角，切削刃锋利，切屑易于排出。铣削宽度较窄的铣刀，增大的意义不大，故一般取=0或较小的值。依据铣刀与工件加工面的相对位置（吃刀关系）分三种：1）对称铣：切入、切出时切削厚度相同。2）不对称逆铣：切入时切削厚度小于切出时切削厚度。3）不对称顺铣：切入时切削厚度大于切出时切削厚度。端铣的特点：（1）对称铣削时，每个刀齿切入切出时的切削厚度相等，平均切削厚度大，用于加工具有冷硬层的淬硬钢；（2）不对称逆铣的切入冲击较小，用于加工普通碳钢和低碳合金钢；（3）不对称顺铣在铣削不锈钢和耐热合金时，可以减少硬质合金的剥落磨损。圆周铣削根据切削层参数变化的不同分为：1）逆铣：铣削时，铣刀切入工件时的切削速度方向与工件的进给方向相反。刀齿的切削厚度从零逐渐增大，由于切削刃钝圆半径的影响使得切削开始时，刀齿在工作表面上打滑、产生挤压和摩擦，直到切削厚度大于切削刃钝圆半径时刀齿才切入工件，切削力有将工件抬起的趋势，容易引起振动。2）顺铣：铣削时，铣刀切入工件时的切削速度方向与工件的进给方向相同。刀齿的切削厚度从最大逐渐减小刀零，避免了切入时的挤压、滑擦和啃刮现象。刀齿切削距离短，铣刀寿命长，已加工表面质量好，特别适合加工硬化性强的难加工材料，避免了振动，安全可靠。当逆铣时，纵向铣削分力与驱动工作台的纵向力方向相反，丝杠与螺母间的传动始终保持紧贴，不产生窜动，切削平稳。顺铣时，纵向铣削分力与驱动工作台的纵向力方向相同，由于进给力的变化，会使工作台带动丝杠出现窜动，造成振动、进给不均匀，严重时会出现打刀。高速切削加工理论在常规切削速度范围内，切小温度随切削速度的提高而升高，但当切削速度达到一定值时，切削温度会随切削速度的提高而降低，且该临界切削速度与工件材料有关。在该临界值的一段范围内，由于切削温度过高，一般刀具材料无法承受，如果能够越过这个范围，就可能应用常规的刀具进行高速切削，这就是高速切削的基本思想。高速切削技术的特点（1）切削力随着切削速度的提高而下降，加工表面质量提高：由于切削力可减少30%以上，工件的加工变形减小，切削热还来不及传给工件，因而基本保持冷态，热变形小，有利于加工精度的提高。（2）生产效率高：由于主轴转速和进给的高速化，加速时间少了50%，大大简化了机床的结构。（3）能获得较好的表面完整性：在保证生产率的同时，采用较小的进给量，减小加工表面的的粗糙度值；（4）加工能耗低，节省制造资源：高速切削时，单位功率的金属切除率显著增大，能耗低，工件在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率。机床进给及其驱动系统的要求1.进给速度应相应的提高，保证刀具的每齿进给量基本不变；2.加速度要大，在很高的进给速度下，只有瞬间达到高速和高速行程中瞬间准停，高速直线运动才有意义。3.进给系统的动态性能要好，能实现快速的伺服控制和误差补偿，达到加高的定位精度和刚度。切削力变化 a. 切削速度的影响用硬质合金车刀进行精密切削时，切削速度对切削力的影响不明显。 用天然金刚石车刀进行精密切削时，切削力随切削速度的增加而下降。 b. 进给量的影响进给量对切削力有明显的影响，进给量对Fz的影响比Fy及Fx的影响大。在硬质合金刀具切削时，当进给量小于一定值时，FyFz。 c. 切削深度的影响切削深度对切削力有明显的影响，使用天然金刚石，FzFy；在硬质合金刀具切削时，当切削深度小于一定值时，FyFz。精密切削加工的关键技术：1、精密加工机床2、稳定的加工环境3、紧密测量技术和误差补偿绿色加工的定义绿色加工是指在不牺牲产品的质量、成本、可靠性、功能和能量利用率的前提下，充分利用资源，尽量减轻加工过程对环境产生有害影响的程度，其内涵是指在加工过程中实现优质、低耗、高效和清洁化。干式切削技术的概念干式切削技术就是在切削或磨削过程中少用或不用切削液的新兴工艺技术，以适应清洁生产和降低成本的绿色制造技术。干式切削技术的特点 1.形成的的切屑干净清洁无污染，易于回收和处理； 2.省去了与切削液有关的传输、回收、过滤等装置及相应的费用，简化了生产系统，降低了生产成本。 3.省去了切削液与切屑的分离装置及相应的电气设备，机床结构紧凑，减少了占地面积； 4.对环境的污染减少。干式切削技术的关键技术1.干式切削的刀具技术（1）刀具应具有优异的耐热性能（高温硬度）与耐磨性能：刀具能承受干式切削时的高温是实现干式切削的关键；（2）尽量减少刀具与切屑间的摩擦系数：方法是对刀具进行涂层，一类是硬涂层，在刀具表面涂上TiN、TiC或Al2O3；一类是软涂层，在刀具表面涂上硫化物MnS2或WS2 等减摩涂层，这种涂层刀具称为自润滑刀具。（3）切屑的排除技术：a. 重力排屑法，传统的立式钻削方式是从上向下进给，切屑向上返回；干式切削采用钻头向上进给；b.虹吸原理排泄法，用干燥空气将切屑从孔中吸出；c.利用真空或喷气系统改善排屑条件；d.用复杂的刀具的几何结构解决封闭空间的排屑条件。2.干式切削的机床技术机床技术要解决的技术问题：（1）切削热的传出：设置内循环冷气系统提高机床工艺系统的热稳定性。（2）切屑的排除：一方面在切削机床设计时，采用立式主轴和倾斜床身；另一方面，采用特殊的排屑措施，可采用吸气系统将工作台和其他支承部件上的热切屑带走以防止切屑的堆积，也可以采用过滤系统将干式切削产生的尘埃颗粒并由吸气系统及时吸走。3.干式切削的工艺技术（1）较小的背吃刀量和较高的切削速度；（2）“红月牙”干切工艺：在高速切削的条件下，切削热聚集于刀具前刀面附近，切削区的工件材料达到红热状态，屈服强度降低，提高金属切除率。（3）刀具材料与工件材料性质的匹配性：准（亚）干式切削的概念 准（亚）干式切削是一个介于纯干式切削和湿式切削之间的最小润滑技术（MQL），原理是将压缩空气与少量的切削液混合气化后，再喷射到工件的加工部位，使刀屑接触区得到冷却和润滑，减少摩擦防止切屑粘在刀具上，同时冷却切削区，有利于排屑。准（亚）干式切削的特点（1）MQL润滑使用了对人体健康无害的植物油和油脂，且用量极少。（2）加工后刀具、工件和切屑保持干燥，切屑易于回收。（3）刀具磨损大大降低。水射流加工原理水射流加工是以一束从小口径孔中射出的告高速水射流作用在材料上，通过将水射流的动能变成去除材料的机械能，对材料进行清洗、剥层、切割的加工技术。水射流加工的机理是由射流液滴与材料的相互作用过程和材料的实效机理决定的。材料的失效机理高压水射流作用于物体表面，会引起材料结构的破坏，主要是由于以下作用造成的：射流的打击力作用、水楔作用、射流脉冲负荷引起的疲劳破坏作用、气蚀破坏作用等。振动切削的概念：振动切削是一种脉冲切削，是在传统切削过程中给刀具（或刀具）施以某种参数可控制的有规律的振动。在振动切削过程中，刀具与工件周期性地接触与离开，切削速度的大小和方向不断地变化。振动切削原理1.低频振动切削原理（图3.3.1）低频振动切削的振动主要依靠机械装置实现，装置结构简单、维护方便，振动参数受负载影响小2.超声波振动切削原理（图3.3.2）1）超声波发生器：将50Hz交流电转变成有一定功率输出的超声波频电振荡，提高机械往复振动的机械能2）换能器：把高频电振荡变为高频机械振动，采用压电效应和磁致伸缩。3）变幅杆：将换能器得到伸缩微小变形量放大。振动切削机理1.摩擦系数减小1）振动使相互接触的材料间的静、动摩擦系数减小；2）超声振动使切削液产生空化，充分发挥切削液的作用；在无切削液的瞬间，前刀面生成氧化膜。 2.剪切角增大振动切削时，刀具冲击被切材料产生的裂纹深度比实际切削长度大得多，在刀具前方产生裂纹形成一个附加的剪切角。3.工件刚性化振动切削的效果同加工大直径刚性好的工件一样。3.应力和能量集中超声振动使得切削力和能量集中在切削刃前方工件很小的范围内，工件材料的原始晶格结构变化微小，因此加工表面质量好，加工硬化和加工变质层很小。5.相对净切削时间短超声振动时，在每个振动周期内，只有少量时间在切削，其余时间刀具与工件是分离的。 超声波振动切削机理1、利用刀具或工件的高频振动使一段连续的切削过程转化为分段的间断的高速切削过程。2、超声波振动切削的平均切削力和切削温度远远低于普通切削力和切削温度。低温切削加工采用有效的冷却技术，使切削过程在低温条件下进行，使得加工过程中，切削力、切削温度减小，而刀具寿命、加工表面质量大大提高的加工方法。低温切削的应用：难加工材料的低温切削黑色金属的超精密切削能实现冷风干切削实现对高弹性材料的切削实现对薄壁零件的精密切削磨削加工的定义 磨削加工是磨粒加工方法的一种，广义的磨削加工是指采用固定磨粒工具进行的加工，狭义的切削加工是指使用高速旋转的平行砂轮，以微小的切削厚度进行精加工的一种方法。磨削烧伤：磨削时磨削热引起工件表面温度过高，使加工表面组织（金相组织）发生变化，从而使加工表面的硬度和塑性发生变化，在加工表层瞬间发生的氧化变色现象。即工件表层产生氧化膜的回火颜色。影响磨削烧伤的因素：不同的变质层厚度，呈现不同的烧伤颜色。工件速度增加，工件产生烧伤较晚，砂轮耐用度高。磨粒颗粒较细，工件产生烧伤较早，砂轮耐用度低；反之。磨削钢料时，烧伤产生于磨粒磨损达到一定限度时，研究表明，砂轮上磨损面积超过总工作面积的4%时，就会出现烧伤。减少磨削烧伤的主要途径：减小磨削深度选用较软砂轮减小砂轮与工件的接触面积与时间选用大气孔砂轮和开槽砂轮，便于冷却液的渗入。高速磨削加工是通过提高砂轮的线速度达到提高磨削效率和磨削质量的工艺方法。精密磨削是指在精密磨床上，选择细粒度砂轮，并通过对砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高性，磨削后，使被磨削表面所留下的磨削痕迹极其微细、残留高度极小，再加上无火花磨削阶段的作用，获得加工精度为10.1mm和表面粗糙度Ra为0.20.025mm的表面磨削方法。精密磨削机理精密磨削主要是靠砂轮具有的微刃性和等高性磨粒来实现的。精密磨削机理如下： （1）微刃的微切削作用应用较小的修整导程（纵向进给量）和修整深度（横向进给量），对砂轮实施精细修整，使砂轮具有微刃，砂轮的粒度变细，减小工件表面粗糙度