金属切削条件的合理选择

金属切削及机床基本知识,2.3切削条件的合理选择,重庆大学,第三节选择合理的切削条件,刀具材料刀具几何参数切削用量切削液,切削条件:,2.3.1工件材料的切削加工性,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。,2.3.1工件材料的切削加工性,1.切削加工性的概念和衡量指标标准一用刀具寿命来衡量在相同的切削条件下，使用同一型号（最好是同一把）刀具，在同一磨钝标准（例如VB=0.3mm）下，切削两种不同的工件材料，刀具寿命高的比寿命低的切削加工性好。,2.3.1工件材料的切削加工性,1.切削加工性的概念和衡量指标标准二用切削速度来衡量在刀具寿命相同的条件下，允许切削速度高的工件材料，其切削加工性能好。,2.3.1工件材料的切削加工性,标准二用切削速度来衡量为了统一标准，取正火状态下的45钢作基准材料，刀具寿命为60min，这时的切削速度为基准（写作(Vc60)j），而将其它材料的(Vc60)与其相比，这个比值Kr称为相对加工性：,请看表2-8,2.3.1工件材料的切削加工性,标准三用已加工表面的表面质量来衡量精加工时，常以已加工表面质量作为衡量切削加工性的指标，容易获得良好已加工表面质量的，其加工性就好，反之就差。,2.工件材料的物理机械性能对切削加工性的影响,1)硬度和强度,Kr,VB,b、HB,Fc,2.工件材料的物理机械性能对切削加工性的影响,1)硬度和强度2)塑性和韧性,h,塑性,刀具与切屑越容易产生粘结,Ra,Kr,VB,Fc,同时,韧性,Kr,Fc,2.工件材料的物理机械性能对切削加工性的影响,1)硬度和强度2)塑性和韧性3)导热系数,工件材料的导热性,Q散失,Kr,VB,3.改善切削加工性的途径,1）热处理方法例如：高碳钢低碳钢,3.改善切削加工性的途径,1)热处理方法2)调整材料的化学成分适当加入：硫S、磷P、铅Pb、钙Ca,2.3.2刀具材料,1.对刀具材料的要求(1)高的硬度和耐磨性；(2)足够的强度和韧性；(3)高的耐热性（指高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能)(4)良好的冷加工工艺性、热加工（热处理、表面处理、锻造、铸造等）工艺性；(5)经济性。,2.3.2刀具材料,常用的刀具材料有：碳素工具钢切削金属的性能较差，切削刃合金工具钢锋利，可加工木材、橡胶、塑料。高速钢生产中用的最多、硬质合金最广。陶瓷强度低、脆性大，成本高，金刚石仅用于某些有限的场合。立方氮化硼,2.3.2刀具材料,2.高速钢高速钢是一种合金工具钢，具有一定的硬度（63HRC70HRC）和耐磨性，有较高的耐热性，在切削温度高达500600时尚能切削。,1.高速钢,高速钢是强度和韧性最好的刀具材料：抗拉强度：为一般硬质合金的23倍，为陶瓷的56倍；冲击韧性：较硬质合金和陶瓷高几十倍；适于加工从有色金属到高温合金的范围广泛的金属材料。,1.高速钢,高速钢的冷加工工艺性特别好，在热处理前，高速钢可以象一般中碳钢一样的进行各种加工；热处理后，高速钢刀具可以磨出锋利的切削刃。在钻头、丝锥、拉刀、齿轮刀具、成形刀具等复杂刀具制造中，高速钢仍占主导地位。,1）,2）,3）粉末冶金高速钢：,4）高速钢涂层：,2.硬质合金,金属碳化物WC、TiC、+TaCNbC,金属粘结剂Co、Ni,粉末冶金,硬质合金,2.硬质合金,硬度硬质合金的硬度为89HRA93HRA;高速钢的硬度为83HRA86.6HRA;耐热性硬质合金在80010000C时仍能切削;高速钢在5006000C时能切削;,2.硬质合金,切削速度在刀具寿命相同的条件下，硬质合金的切削速度比高速钢的可提高210倍，可达100m/min以上。,2.硬质合金,强度和韧性抗弯强度冲击韧度硬质合金1500Mpa30KJ/m2高速钢4000Mpa350KJ/m2,2.硬质合金,冷加工性和热加工性较差主要用于制造如车刀、刨刀、铣刀、深孔钻、铰刀等简单刀具。,2.硬质合金,硬质合金由于具有高硬度、高耐热性和高耐磨性，加工性能优良，而且生产成本较低，所以，使用极其广泛。,P50表2-10,2.硬质合金,1)钨钴类硬质合金（Wc+Co）国标代号YG，ISO标准代号K类。,2.硬质合金,1)钨钴类硬质合金YG类具有较高的抗弯强度和韧性，所以适用于加工铸铁，也适用于加工有色金属和非金属材料。此外，K类硬质合金还适用于加工钛合金和不锈钢。,2.硬质合金,1)钨钴类硬质合金（Wc+Co）国标代号YG，ISO标准代号K类。粗加工宜选用：YG8(K30)精加工宜选用：YG3(K01),2.硬质合金,2)钨钛钴类硬质合金（WCTiC+Co）国标代号YT，ISO标准代号P类。YT类硬质合金适用于在中高切削速度下加工钢料。,2.硬质合金,2)钨钛钴类硬质合金（注意）不能加工含钛的不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）和钛合金；不能加工加工淬火钢、高强度钢和高温合金；不能在低速下切削钢。宜采用韧性较好的YG类合金。,2.硬质合金,2)钨钛钴类硬质合金（WCTiC+Co）国标代号YT，ISO标准代号P类。粗加工选用：YT5(P30)精加工选用：YT30(P01),2.硬质合金,3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金（WCTiC+TaC(NbC)+Co）国标代号YW，ISO标准代号M类。,2.硬质合金,3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金YW类硬质合金兼有YG类和YT类的优点，具有硬度高、耐热性好和强度高、韧性好的特点，既可加工钢材，也可加工铸铁和有色金属，故被称为通用硬质合金。,2.硬质合金,3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金YW类硬质合金成本高，使用受限。YW类硬质合金主要用于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。,2.硬质合金,3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金（WCTiC+TaC(NbC)+Co）国标代号YW，ISO标准代号M类。YW2(M20)适用于：粗加工YW1(M10)适用于：精加工,2.硬质合金,4)碳化钛基硬质合金TiC（主要成分）+Ni、Mo国标代号YN，ISO标准代号P类,2.硬质合金,4)碳化钛基硬质合金特点：硬度更高。TiC基硬质合金的硬度已经达到93HRA，接近陶瓷的水平。因此，TiC基硬质合金的刀具寿命比WC基硬质合金高。,2.硬质合金,4)碳化钛基硬质合金TiC基硬质合金可加工钢，也可加工铸铁。但是，TiC基硬质合金的抗弯强度和韧性不如WC基硬质合金，因此不适于重载荷切削及断续切削，只适用于精加工。,2.硬质合金,5)涂层硬质合金,3.其他刀具材料,1)陶瓷陶瓷的主要特点:有很高的硬度（91HRA95HRA）和耐磨性，因而刀具寿命高；有很高的耐热性（1200）；有良好的抗粘结性和化学稳定性，陶瓷刀具抗粘结、抗扩散、抗氧化磨损的能力强；有较低的摩擦系数，不易产生积屑瘤，故加工表面粗糙度小；主要用于加工高硬度材料（冷硬铸铁和淬硬钢）。,3.其他刀具材料,2)金刚石金刚石刀具的特点:有极高的硬度（10000HV）和耐磨性，是目前已知的最硬物质；刀具切削刃非常锋利，适合于极精密的加工；具有很高的导热系数和很低的线膨胀系数，故加工质量好；主要用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等。,3.其他刀具材料,3)立方氮化硼立方氮化硼刀具的特点:有很高的硬度（8000HV9000HV）和耐磨性，因而刀具寿命很高；有很高的耐热性，耐热温度可达14001500有良好的化学稳定性；有良好的导热性和较低的摩擦系数；主要用于加工淬硬钢、硬铸铁，高温合金及各种表面喷涂材料。,2.3.3刀具几何参数的合理选择,1.前角的选择,1)前角的功用,刀刃锋利,前角ro,变形抗力,Fc,T,刀刃强度,同时,崩刃,Q散,T,1.前角的选择,2)合理前角的选择,塑性材料:宜选择较大的前角;脆性材料:宜选择较小前角。,取决于工件和刀具的材料,1.前角的选择,2)合理前角的选择,工件材料的强度或硬度较小时，宜选较大前角;工件材料的硬度或强度较高时，宜选较小前角。工件材料的强度或硬度特别大时，甚至可采用负前角。,高速钢刀具的前角可比硬质合金刀具选得大一些。,粗加工时，宜选用较小前角；精加工时，宜选用较大前角。,2.后角的选择,1)后角的功用,摩擦,后角ao,T,刀刃强度,同时,崩刃,Q散,T,2.后角的选择,2）后角的选择,当hD很小时，宜选用较大后角；当hD很大时，后角宜小。,工件材料强度或硬度较高时，宜取较小后角；工件塑性较大时，宜取较大后角。,工艺系统刚性差，应适当减小后角。对于尺寸精度要求高的刀具，宜取较小后角。,取决于切削层厚度hD,3.主偏角的选择,1)主偏角功用,r,kr,Q散热面积,Ra,同时,振动,T,3.主偏角的选择,2)主偏角的选择,3.主偏角的选择,2)主偏角的选择,4.刃倾角的选择,1)刃倾角功用,控制切屑流出的方向,问精加工时,刃倾角取正还是负?,4.刃倾角的选择,1)刃倾角功用,控制切屑流出的方向,影响刀头的强度,图2-56刃倾角对切削刃冲击位置的影响,4.刃倾角的选择,1)刃倾角功用,控制切屑流出的方向,影响刀头的强度,影响刀刃的锋利程度,刀刃锋利,s,4.刃倾角的选择,1)刃倾角功用,控制切屑流出的方向,影响刀头的强度,影响刀刃的锋利程度,影响轴向力和径向力的大小,4.刃倾角的选择,1)刃倾角功用,控制切屑流出的方向,影响刀头的强度,影响刀刃的锋利程度,影响轴向力和径向力的大小,刃倾角ls对切削力的影响,ls,s,背前角gp,侧前角,gf,Fp,Ff,4.刃倾角的选择,2)刃倾角的选择,P115,在加工一般钢料和铸铁时：在无冲击的情况下粗车，s取值为0-5；精车时，s取值为0+5；在有冲击负荷时，s可取为-5-15；冲击特别大时，s可取-30-45。,2.3.4切削液的作用和选择,1.切削液的作用1)冷却作用2)润滑作用3)清洗作用,1)水溶液水+防锈剂+油性剂2)乳化液乳化油+水（90%95%）3)切削油矿物油（或动、植物油）,2.切削液的种类,冷却作用润滑作用1)水溶液强弱2)乳化液3)切削油弱强,2.切削液的种类,3.切削液的选用,(1)按加工性质选用：1)粗加工时，应选用以冷却为主的水溶液或乳化液；2)精加工时，应选用润滑为主的极压切削油或高浓度的极压乳化液。3)钻削、铰削、拉削和深孔加工时，应选用粘度较小的极压水溶液、极压乳化液和极压切削油，并应加大流量和压力。,3.切削液的选用,(2)按刀具材料选用：1)高速钢刀具粗加工用极压水溶液或极压乳化液;精加工用极压乳化液或极压切削油。2)硬质合金刀具切削，一般不使用切削液；3)使用立方氮化硼刀具或砂轮时，不宜使用水质切削液。,3.切削液的选用,(3)按工件材料选用：1)铸铁、黄铜及硬铝等脆性材料一般不加切削液。2)切削有色金属和铜合金时，不宜采用含硫的切削液，以免腐蚀工件。3)切削镁合金时，不能用油质切削液，以免燃烧起火。,2.3.5切削用量的合理选择,什么是合理的切削用量？在保证加工质量的前提下，充分利用刀具和机床的性能，能获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。,1.切削用量选择的原则,(1)asp、f、vc对切削生产率的影响,材料切除率Q=1000vcaspf（mm3/s）,(2)asp、f、vc对表面粗糙度（加工质量）的影响,表面粗糙度1)进给量f影响最大,f对表面粗糙度的影响,r=0,r很大,(2)asp、f、vc对表面粗糙度的影响,表面粗糙度1)进给量f影响最大2)切削速度vc次之,(2)asp、f、vc对表面粗糙度的影响,表面粗糙度1)进给量f影响最大2)切削速度vc次之3)被吃刀量asp影响最小,(3)asp、f、vc对刀具寿命的影响,刀具寿命：,在机床、刀具、工件的强度以及工艺系统刚性允许的条件下：1）首先选择尽可能大的背吃刀量asp;2）其次选择在加工条件和加工要求限制下允许的进给量f;3）最后再按刀具寿命的要求确定一个合适的切削速度vc。,切削用量选择的原则,(1)刀具的经济寿命TC（min）：按工序加工成本最低的原则确定的刀具寿命。(2)刀具的最高生产率寿命TP（min）：按工序加工时间最少的原则确定的刀具寿命。,2.刀具寿命的确定,2.刀具寿命的确定,tct换刀一次所需要的时间，单位：min；M单位时间内的全厂费用分摊，包括所有人员的工资、厂房与设备的折旧、动力消耗等各项费用，但有关刀具刃磨的费用计入刀具费用Ct中，不计入M，单位：元/min；Ct刀具费用,包括刃磨费用在内的，刀具寿命期间与刀具有关的费用，单位：元。,2.刀具寿命的确定,(3)刀具寿命的合理选择：,在制定工艺规程时，一般情况下，宜采用刀具的经济寿命TC及其所允许的切削速度，只有在紧急的单件生产、市场紧缺或批量生产中出现薄弱环节时，才采用最高生产率寿命TP及其所允许的较高的切削速度。,3.切削用量的合理制定(重点）,(1)背吃刀量asp和走刀次数的选择1)粗加工时，首先应将精加工的和半精加工的余量留下来，剩下的余量尽可能在一次走刀下切除。,3.切削用量的合理制定,在下列情况下，粗车一般要分两次或几次走刀，且每次走刀的背吃刀量应逐渐递减：加工余量太大，一次走刀会使切削力过大，导致机床功率不足或刀具强度不够；工艺系统刚性不足，或加工余量极不均匀，一次走刀会引起系统较大的振动；断续切削，刀具受到很大冲击，以至容易造成打刀。,3.切削用量的合理制定,(1)背吃刀量asp和走刀次数的选择,最常用的是两次走刀，第一次走刀切去余量的，第二次走刀切去剩下余量的。,3.切削用量的合理制定,(1)背吃刀量asp和走刀次数的选择：2)精加工时的最小背吃刀量的确定取决于刀具刃口的锋利程度：aspminrn对于刃口较锋利的高速钢刀具不应小于0.005mm；对于刃口不太锋利的硬质合金刀具，背吃刀量要略大一点。,3.切削用量的合理制定,(2)进给量f的选择：1)粗加工时，主要考虑工艺系统的承受能力。选择进给量的限制条件有：机床进给机构的强度;车刀刀杆强度、刚度;刀片强度；工件装夹刚度等。每个限制条件给出一个允许的进给量，在这几个允许的进给量中选取最小的一个。,3.切削用量的合理制定,2)半精加工和精加工时，最大进给量主要受加工精度和表面粗糙度的限制。当车刀的刀尖圆弧半径r较大时，进给量可以选得大一些；,3.切削用量的合理制定,2)半精加工和精加工时，最大进给量主要受加工精度和表面粗糙度的限制。当车刀具有副偏角很小的修光刃时，进给量可以选得大一些；,3.切削用量的合理制定,2)半精加工和精加工时，最大进给量主要受加工精度和表面粗糙度的限制。当切削速度较高时，进给量可以选得大一些。,3.切削用量的合理制定,(3)切削速度vc的选择：1)根据已确定的背吃刀量asp、进给量f以及刀具寿命T，再按刀具寿命与切削用量关系式计算，得出的计算值。注意：所选定的这个刀具寿命T，一般都在刀具的经济寿命Tc和最高生产率寿命Tp之间。,3.切削用量的合理制定,(3)切削速度vc的选择：2)计算vc后，