机械制造技术基础-第二章VIP

第二章切削过程控制及其刀具,金属切削过程是用刀具从工件上切去多余的金属，形成已加工表面的过程，也是工件的切削层金属在刀具前刀面挤压下产生变形，形成切屑而被切除的过程。,第一节切削过程及切屑类型第二节切削力第三节切削热与切削温度第四节刀具磨损和刀具寿命第五节切削用量的选择第六节磨削过程和磨削机理,第一节切削过程及切屑类型,切屑,刀具,切屑的形成过程,挤压与切削,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45,偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移,切削：与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,变形区的划分第一变形区(图1)第二变形区第三变形区,一、金属切削变形过程概述（例）,切削变形程度有三种不同的表示方法剪切角剪应变变形系数h,二、变形程度的表示方法,剪切角,在剪切面上金属产生了滑移变形，最大剪应力在剪切面上。根据直角自由切削状态下的作用力分析（图2），在垂直于切削合力F方向的平面内剪应力为零，切削合力F的方向就是主应力的方向。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45，即Fs与F的夹角应为45，故有,李和谢弗公式,从上述分析可以得到：前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。,剪应变,由于切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，因此采用剪应变这一指标来衡量变形程度。（图3）=由上式可以看出：前角增大，剪应变减小,变形系数h,在切削过程中，刀具切下的切屑厚度hch通常都大于工件切削层厚度hD，而切屑长度lch却小于切削层长度lc。切屑厚度hch与切削层厚度hD之比称为厚度变形系数ha；而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数hl。（图4）,由于工件上切削层变成切屑后宽度的变化很小，根据体积不变原理ha=hl=h,当0=030，h1.5时，h与相近主要反映第变形区的变形，h还包含了第变形区的影响。,三、前刀面对切屑的挤压与摩擦,在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。,粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。,滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。,16,已加工表面的变形,切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。,A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。,A点前方正应力最大，剪应力为0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。,研究前刀面上的摩擦对切屑变形的影响先要分析作用在切屑上的力以直角自由切削时力与角度的关系图为对象：（图5）,切削层截面积,说明了摩擦角对切削分力的影响,在切削过程中，在刀-屑接触界面存在着很大的压力（可达23Gpa），而高压、高温易使刀-屑接触面间产生粘结。切屑与前刀面之间是切屑和刀具粘结层与其上层金属之间的内摩擦，即金属内部的剪切滑移，它与材料的剪切屈服强度和接触面的大小有关。,积屑瘤的成因及其对切削过程的影响,用中等切削速度加工钢材等塑性金属时，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，其硬度通常是工件材料的23.5倍，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属堆积物，称为积屑瘤。(积屑瘤剖面的金相图片)。,钢、球墨铸铁、铝合金,积屑瘤的成因,刀屑间的冷焊是积屑瘤的成因。积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；在背吃刀量和进给量f保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。(图6）,积屑瘤对切削过程的影响,、使刀具前角变大（图7）、使切削厚度变化、使加工表面粗糙度增大、对刀具寿命的影响,积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：,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。,积屑瘤的动态演示1积屑瘤的动态演示2积屑瘤的动态演示3,问题,某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为能用哪些方法。,四.切屑类型与控制,1、切屑的分类（演示）由于工件材料不同，切削条件不同，切削变形的程度也不同，因而所产生的切屑形态也多种多样。分为以下四种类型：带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑,28,29,带状切屑,挤裂切屑,节状切屑,崩碎切屑,切屑形态照片,2、切屑的控制,切屑经第1、第11变形区的剧烈变形后，硬度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排出过程中，当碰到刀具后刀面、工件上过渡表面或待加工表面等障碍时，如某一部位的应变超过了切屑材料的断裂应变值，切屑就会折断，图示为切屑碰到工件或刀具后刀面折断的情况。（图8）,31,切屑类型与变形系数,为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果,切屑的卷曲,断屑的产生,断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）,研究表明，工件材料脆性越大（断裂应变值小）、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越小，切屑就越容易折断。可采取以下措施对切屑实施控制。,（1）采用断屑槽通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。（图9）,（2）改变刀具角度增大刀具主偏角，切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角可以控制切屑的流向，为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑。为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑。（图例）,（3）调整切削用量提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。,刀具加工工件时产生的切屑被卷曲:,刀具切削工件时产生断屑,第二节切削力,切削力是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力它是影响工艺系统刚度、强度和加工质量的重要因素是设计机床、刀具、夹具和计算切削动力的主要依据并被利用来检测和监控被加工表面质量、加工精度和刀具工作状态,一、切削力、切削合力与分力,1、切削力切削力来源于以下两个方面：l）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。2）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。,、切削合力及分解,Fc切削力（主切削力或切向分力，以前用Fz表示）。它切于加工表面，并与基面垂直。Fc用于计算刀具强度，设计机床零件，确定机床功率等。Fp背向力（切深分力或径向分力，以前用Fy表示）。它处于基面内并垂直于进给方向。Fp用于计算与加工精度有关的工件挠度和刀具、机床零件的强度等。它也是使工件在切削过程中产生振动的主要作用力。Ff进给力（轴向分力或走刀分力，以前用Fx表示）。它处于基面内与进给方向相同。Ff用于计算进给功率和设计机床进给机构等,二、切削功率,消耗在切削过程中的功率称为切削功率：,根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传动效率。机床电动机的功率应为,三、单位切削力的概念,单位切削面积上的切削力称为单位切削力，用Kc(N/mm2)表示:,式中，Fc切削力（N），AD切削面积（2），ap背吃刀量()，f进给量（/r）。Kc可以查表。,四、切削力的测量及切削力计算经验公式,用测力仪测出切削力，再通过对实验数据的处理，可求得计算切削力的经验公式。在生产实际中，一般都用经验公式来计算切削力。,切削力计算的经验公式,切削力的经验公式通常是以切削深度和进给量为变量的幂函数,生产实际中应用比较广泛的切削力经验公式为:,五、影响切削力的因素,1、工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，切削力越大。切削脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。(45钢的切削力高于A3钢,调质钢和淬火钢高于正火钢,铸铁和铜、铝合金低于钢料,紫铜高于黄铜.),48,2.切削用量,背吃刀量ap与进给量f影响背吃刀量ap与进给量f的增大，切削力也将增大，但两者对切削力影响不同。切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；在生产中，如机床消耗功率相等，为提高生产效率，一般采用提高进给量而不是背吃刀量的措施。,49,切削速度对切削力的影响,切削速度对切削力影响复杂积屑瘤产生阶段，由于刀具实际前角增大，切削力减小。在积屑瘤消失阶段，切削力逐渐增大积屑瘤消失时，切削力Fc达到最大，以后又开始减小。,3.刀具几何参数,前角：对切削力影响最大。切削力随着前角的增大而减小。这是因为前角的增大，切削变形与摩擦力减小，切削力相应减小。刀具主偏角：对切削力的影响不大，r6075时，Fc最小，因此，主偏角r75的车刀在生产中应用较多。背向力随主偏角r的增大而减小。进给力随主偏角r的增大而增大。刀尖圆弧半径增大，切削变形增大，切削力也增大。,50,51,4.刀具材料与切削液,刀具材料影响到它与被加工材料摩擦力的变化，因此影响切削力的变化。同样的切削条件，陶瓷刀切削力最小，硬质合金次之，高速钢刀具切削力最大。切削液的正确应用，可以降低摩擦力，减小切削力。,第三节切削热与切削温度,一、切削热的产生与传导切削热来源于两个方面：一是切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量；二是切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。,图13,切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质（空气，切削液）向外传导。影响散热的主要因素是：,（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,图14,切削温度的分布,红外胶片法测得切钢料的温度场，分析归纳切削温度分布规律：剪切区等温线与滑移线相近剪切滑移相等的地方温度相等，剪切变形是切削热的第一来源,2.前后刀面最高温度点不在刀刃上切屑上最高温度比剪切区温度高切屑底层温度比上层温度高摩擦是切削热的又一来源,二、切削温度的测量,测量切削温度的方法很多；有热电偶法、辐射热计法、热敏电阻法等。目前常用的是热电偶法，它简单、可靠、使用方便。用热电偶法测量切削温度有自然热电偶和人工热电偶两种方法：,自然热电偶法,57,金属切削层的塑性变形产生的热量最大，即主要在剪切面区产生。切削热量的近似计算公式：QFcc（J/s）实际上是切削力所做的功。,三、影响切削温度的主要因素,1、切削用量对切削温度的影响式中:刀具与切屑接触平均温度()C切削温度系数Vc切削速度(m/min)f进给量(mm/r)ap背吃刀量(mm),用高速钢或硬质合金刀具切削中碳钢时,60,切削产生的热量在各种介质中传送的比例,切削产生的热量主要由切屑、刀具、工件和周围介质（空气或切削液）传出，如不考虑切削液，则各种介质的比例参考如下：（1）车削加工切屑，5086；刀具，1040；工件，39；空气，1。切削速度越高，切削厚度越大，切屑传出的热量越多。（2）钻削加工切屑，28；刀具，14.5；工件，52.5；空气5。,2切削温度的影响因素,（1）前角(图15)（2）主偏角(图16)（3）工件材料（4）刀具磨损（5）切削液（6）切削量中影响最大的是切削速度c，其次是f，ap影响最小,第四节刀具磨损和刀具寿命,刀具的磨损、破损及其使用寿命关系到切削加工的效率、质量和成本,因此它是切削加工中极为重要的问题之一.,一、刀具磨损形态和磨损机制,刀具失效的形式分为磨损和破损两类。,1.刀具磨损的形态,（1）前刀面磨损（月牙洼磨损）,形成条件：加工塑性材料，大，大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量。,（2）后刀面磨损,特点：在刀具后刀面上出现与加工表面基本平行的磨损带。、C、B、N三个区C区是刀尖区，由于散热差，强度低，磨损严重，最大值VC；B区处于磨损带中间，磨损均匀，最大磨损量VBmax；N区处于切削刃与待加工表面的相交处，磨损严重，磨损量以VN表示，此区域的磨损也叫边界磨损，加工铸件、锻件等外皮粗糙的工件时，N区区域容易磨损。,65,2、刀具磨损机制,切削过程中刀具磨损具有下列特点：刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。接触温度很高,硬质合金刀具,高速钢刀具,（）磨料磨损（硬质点磨损）,切屑、工件含有一些硬度极高的微小硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。硬质点碳化物：C、TiC、VC等，氮化物：Ti、Si3N4等，氧化物：2、Al23等，同时还有一些金属间化合物。磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切削的刀具（如拉刀），磨料磨损是磨损的主要原因。,（2）冷焊磨损,切削时切屑、工件与前、后刀面之间存在的压力和强烈摩擦，使它们之间发生冷焊。摩擦副的相对运动，冷焊结将产生破裂被一方带走，造成冷焊磨损。虽然破裂往往发生在工件或切屑一方，但由于交变应力、接触疲劳、热应力及刀具表层结构缺陷等原因，也有可能发生在刀具一方，造成刀具磨损。,（3）扩散磨损,切削过程中，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了材料原来的成分与结构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。除了刀具、工件材料自身的性质外，温度是影响扩散的最主要因素。往往与冷焊、磨料磨损同时产生，此时磨损率很高。,硬质合金中，钛元素的扩散率远低于钴、钨，碳化钛又不易分解，故在切钢时YT类合金的抗扩散磨损能力优于YG类合金。高速钢刀具工作温度较低，与切屑、工件之间的扩散作用进行得比较缓慢，故其扩散磨损所占的比重远小于硬质合金刀具。金刚石刀具切削钢、铁材料，当切削温度高于700时，金刚石中的碳原子将以很大的扩散强度转移到工件表面层形成新的铁碳合金，而刀具表面石墨化，形成严重的扩散磨损。,（4）氧化磨损,当切削温度达到一定值时，空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物被切屑或工件擦掉而形成磨损，这就是氧化磨损。最容易在主、副切削刃的工作边界处形成。是造成边界磨损的原因之一。,（5）热电磨损,工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。若在刀-工接触处通过与热电势相反的电动势，可减少热电势磨损。,结论：,在不同切削速度（切削温度）下各类磨损所占的比重:对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。高温时扩散和氧化磨损强度高；在中低温时，冷焊磨损占主导地位；磨料磨损则在不同的切削温度下都存在。,二、刀具磨损过程及磨钝标准1、刀具磨损过程,2、刀具的磨钝标准,刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。ISO标准规定以1/2ap处的VB值作为刀具的磨钝标准；在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。粗车碳素钢0.60.8粗车铸铁0.81.2粗车合金钢0.40.5精车碳钢0.10.3系统刚性大、HSS，VB值较大；系统刚性小、Y合金，VB值较小,例如,工艺系统刚性差时应规定较小的磨钝标准。车削一般控制在VB=0.3左右。在切削难加工材料时，一般应选用较小的磨钝标准；加工一般材料，磨钝标准可以大一些。加工精度及表面质量要求高时，应当减小磨钝标准，以保证加工质量。加工大型工件，可适当加大磨钝标准。自动化生产中使用的精加工刀具，以刀具径向磨损量为标准。,三、刀具寿命及其经验公式,1、刀具寿命的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所经历的总切削时间，称为刀具寿命，用T表示。一把新刀往往要经过多次重磨，才会报废，刀具寿命指的是两次刃磨之间所经历的切削时间。如果用刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是刀具总寿命。,2、经验公式（图17图18）,T=C/Vc1/m,T=B/fg,T=A/ap1/h,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,四、刀具合理使用寿命的选择,刀具使用寿命的确定原则：根据单件工序工时最短的原则来确定刀具使用寿命最大生产率使用寿命；根据单件工序成本最低的原则来制订刀具使用寿命经济使用寿命。,1、刀具最大生产率使用寿命,完成一个工序所需要的工时：tw=tm+tct（tm/T）+t0t,工序切削时间,换一次刀所耗时间,刀具使用寿命,除换刀外的辅助时间,根据生产率原则所得到的使用寿命：,2、刀具经济使用寿命,每个工件的工序成本为：,工序生产成本,该工序单位时间内的机床折旧费及所分担的全厂开支,刀具成本,所求的的刀具经济使用寿命为：,从上述所得的两种使用寿命可以看出：,当完成紧急任务或生产中出现不平衡环节时，采用最大生产率刀具使用寿命。刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时，刀具寿命应规定得高些。多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥和铣刀，自动机及自动线上的刀具，因为调整复杂，刀具寿命应规定得高些。,复杂刀具的刀具成本较简单刀具为高,某工序的生产成为生产线上的瓶颈时，刀具寿命应定得低些，这样可以选用较大的切削用量，以加快该工序生产节拍；某工序单位时间的生产成本较高时刀具寿命应规定得低些，这样可以选用较大的切削用量，缩短加工时间。精加工大型工件时，刀具寿命应规定得高些，至少保证在一次走刀中不换刀。对于价格昂贵的现代化机床，刀具寿命应定得低些。,五、刀具的破损（例1、2、3）,在切削加工中，刀具有时没有经过正常磨损阶段，而在很短时间内突然损坏，这种情况称为刀具破损。破损也是刀具损坏的主要形式之一。破损是相对于磨损而言的。刀具的破损形式分为脆性破损和塑性破损。,1、脆性破损,硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时，在机械应力和热应力冲击作用下，经常发生以下几种形态的破损：（1）崩刃切削刃产生小的缺口。在继续切削中，缺口会不断扩大，导致更大的破损。用陶瓷刀具切削及用硬质合金刀具作断续切削时，常发生这种破损。,（2）碎断切削刃发生小块碎裂或大块断裂，不能继续进行切削。用硬质合金刀具和陶瓷刀具作断续切削时，常发生这种破损。（3）剥落在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片，经常与切削刃一起剥落，有时也在离切削刃一小段距离处剥落陶瓷刀具端铣时常发生这种破损。,（4）裂纹破损长时间进行断续切削后，因疲劳而引起裂纹的一种破损。热冲击和机械冲击均会引发裂纹，裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断裂。,2、塑性破损,在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件接触面上，由于过高的温度和压力的作用，刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力，这就是刀具的塑性破损。抗塑性破损能力取决于刀具材料的硬度和耐热性。硬质合金和陶瓷的耐热性好，一般不易发生这种破损。相比之下，高速钢耐热性较差，较易发生塑性破损。,1.以刀具使用寿命T或切削速度vT来衡量相同切削条件比T；T一定，比速度vT或切除材料体积,第五节工件材料的切削加工性,工件材料切削加工性指材料被加工成合格零件的难易程度，是一个相对的概念,衡量材料切削加工性的指标,2.以切削力或切削温度来衡量粗加工、机床刚性或功率不足用力或功率;导热差用温度,3.以已加工表面质量来衡量一般精加工，用Ra；精密零件，用加工硬化、残余应力,4.以断屑性能来衡量自动机床、数控机床、自动线等，断屑性能是主要指标,1.切削速度vT的含义：当刀具使用寿命为T(min)时切削某种材料所允许的切削速度。vT越高，材料的切削加工性越好。通常取T=60minvT写作v60；难加工材料，vT为v15或v30。,2.相对加工性Kr：以b=0.637GPa的45钢的v60作为基准，写作(v60)j，将某种材料的v60与其相比的比值，即Krv60/(v60)j,Kr仅反映不同材料对刀具使用寿命的影响程度，并未反映表面粗糙度和断屑问题，仅对选择切削速度有指导意义。若以某材料的Kr乘以45钢的切削速度即得该材料的许用切削速度。,96,常用金属材料的切削加工性,有色金属普通铝及铝合金、铜及铜合金，强度硬度低，导热性好，易切削。,铸铁白口铸铁硬度高（HBS600)，难切削；灰口铸铁硬度适中，强度塑性小，切削力较小，但高硬度碳化物对刀具有擦伤，崩碎切屑，切削力热集中刀刃上且有波动，刀具磨损率并不低，应采用低于加工钢的切削速度。球墨铸铁、可锻铸铁的强度塑性比灰铁高，切削性良好工件表面若有硬皮应进行退火处理。,97,（三）结构钢碳素结构钢切削加工性取决于含碳量。低碳钢（小于0.25%C）硬度低，塑韧性高，变形大，断屑难，粘屑，加工表面粗糙，加工性较差；高碳钢（大于0.6%C）硬度高，塑性低，切削力大，温度高，刀具耐用度低，加工性差；中碳钢（0.250.60%C）性能适中，加工性良好。合金结构钢强度硬度提高，切削加工性变差。,（四）难加工材料高强度硬度，高塑性韧性或高脆性，耐高温，导热性差。切削力大，温度高，刀具磨损快，断屑难，加工性差。,常用金属材料的切削加工性,98,改善切削加工性的途径,改善材料切削加工性的途径1.调整材料的化学成分钢中加硫、铅等元素；铸铁中增加石墨成分,2.进行适当的热处理低、中碳钢宜选正火处理，均匀组织，调整硬度塑性；高碳钢宜用球化退火,降低硬度,均匀组织,改善加工性；中碳以上的合金钢硬度较高，需退火以降低硬度；不锈钢常要进行调质处理，降低塑性，以便加工；铸铁需进行退火处理，降低表皮硬度，消除内应力,99,改善切削加工条件1.选择合适的刀具材料和切削用量难加工材料，导热性差，选YG、YW合金或涂层刀片；刀具合理几何参数，断屑槽、卷屑槽，控制排屑；选择合理切削用量等。,2.选用合适的设备和加工方法难加工材料加工，机床要有足够的功率和刚性；选择合适的切削液，供给充足；高硬度材料加工采用磨削加工更容易；,3.选择切削加工性好的材料状态低碳钢选冷拔状态；中碳钢选热轧状态,100,切削条件的合理选择,刀具几何参数的合理选择,刀具几何参数包含四方面内容：几何角度、刃形、刃面、刃口型式及参数,101,对于不同的刀具材料和工件材料，T随0的变化趋势为驼峰形。高速钢的合理前角比Y合金的大。加工塑材的合理前角比脆材的大,2.合理前角的选择原则粗加工、断续切削、刀材强度韧性低工材强度硬度高，选较小的前角；工材塑韧性大、系统刚性差，易振动或机床功率不足，选较大的前角；成形刀具、自动线刀具取小前角；,切削条件的合理选择,102,后角的选择1.后角的作用0锋利、后刀面摩擦质量VB一定，磨损体积T但NB刀头强度散热体积重磨体积在一定的条件下，存在一个合理值,2.合理后角的选择原则粗加工、断续切削、工材强度硬度高，选较小后角,已用大负前角应0；精加工取较大后角，保证表面质量；成形、复杂、尺寸刀具取小后角；系统刚性差，易振动，取较小后角；工材塑性大取较大后角，脆材0,103,主偏角的选择1.主偏角的作用r单位刃长负荷T刀尖强度散热体积，RaFp变形加工精度，易振动Ra，T在一定的条件下，存在一个合理值,2.合理主偏角的选择原则主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，r取较小值；若刚性差（细长轴），r取较大值；考虑工件形状、切屑控制、减小冲击等，车台阶轴，取90；镗盲孔90；r小切屑成长螺旋屑不易断；较小r，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。,104,副偏角的选择,105,刃倾角的选择1.刃倾角的作用改变切屑的流出方向,控制排屑方向负刃倾角刀头强度散热体积负刃倾角Fp变形，易振动Ra正s切屑流向待加工表面，负s切屑流向已加工表面,在一定条件下，存在一合理值,106,2.刃倾角的选择原则粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，s取负值；精加工、系统刚性差（细长轴），s取正值；微量极薄切削，取大正刃倾角。,刃倾角的选择,切削用量的选择原则,切削用量的选择，对生产率、加工成本和加工质量均有重要影响。约束切削用量选择的主要条件有：工件的加工要求，包括加工质量要求和生产效率要求；刀具材料的切削性能；机床性能，包括动力特性（功率、扭矩）和运动特性；刀具寿命要求。,1、机械加工工时与生产率,一次切削行程的机械加工工时计算公式为：=L总的进给行程，L=lw+yLw：工件长度：车刀切入长度y:车刀切出长度,设工件直径为D，加工余量为h，则多次进给的加工工时为：,=切削加工生产率，用单位时间内加工的工件数表示：=,取整数,令：=,则：=另：也可用单位时间金属切除量表示生产率：=,由公式可知：切削用量三要素同生产率均保持线形关系，即提高切削速度、增大进给量和切削深度，都能提高劳动生产率。,2、切削用量同生产率的关系,在常用切削用量变化范围内,切削用量与刀具使用寿命的关系可表示为：,结论：为保持刀具的合理使用寿命，增大切削深度或进给量时，必须相应地降低切削速度。（例）同样的：提高切削速度反而会使生产率降低。,115,切削用量的选择原则粗加工时，应在保证必要的刀具使用寿命的前提下，以尽可能提高生产率和降低成本为目的。根据刀具使用寿命与切削用量的关系式，切削用量，T，其中速度v对T影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小。,粗加工中选择切削用量时，应首先选择尽可能大的背吃刀量ap，其次在工艺条件允许下选择较大的进给量f，最后根据合理的刀具使用寿命，用计算法或查表法确定切削速度v。这样使v、f、ap的乘积最大，以获得最大的生产率,精加工时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。,116,选择切削用量的传统选择方法,1.确定切削深度ap,尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分2次走刀，第一次走刀的切削深度取单边余量的2/33/4。,2.确定进给量f,粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表）精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）,3.确定切削速度v,根据规定的刀具耐用度确定切削速度v（计算或查表）,4.校验机床功率(仅对粗加工),式中P机床电机功率（KW）；机床传动效率；Fc主切削力（N）。,由：,，可导出：,117,切削液的合理选用1.切削液的分类水溶液水添加剂冷却粗加工乳化液乳化油水切削油矿物油添加剂润滑精加工,2.切削液的作用机理冷却摩擦热的产生；将热量带走。本身导热系数、比热、汽化热及流量、流速、冷却方式等。润滑切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强度排屑、清洗防锈防锈添加剂,118,3.切削液的合理选用（1）从加工要求考虑粗加工，选用水溶液或低浓度乳化液；精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液；（2）从刀具材料考虑高速钢，需用切削液；Y合金等,可不用或充分连续用；,（3）从工件材料考虑钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用；高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液（4）从加工方法考虑钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，宜用极压乳化液或切削油；成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。,119,提高加工质量,降低加工成本,提高生产率,切削加工,提高柔性提高切削速度提高精度扩大加工材料范围减少消耗,柔性制造系统高速切削精密与超精密加工高硬材料切削（HRC60以上）干切削与微切削,目标,手段,切削技术的发展,120,切削技术的发展,高速切削,干切削,硬切削,条件机床与装备机床新概念驱动系统控制系统夹紧系统刀具刀具材料刀具涂层标准化与多功能化刀具,121,高速切削定义,高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的510倍。高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关。,术语：HSCHigh-Speed-CuttingHSMHigh-Speed-MachiningHSMHigh-Speed-MillingHSDHigh-Speed-DrillingHSTHigh-Speed-TurningHSTMHigh-Speed-Turn-Milling,122,20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon提出高速加工的理论,高速切削定义,123,高速切削的定义,高速范围与加工材料密切相关,来源：PTW,124,高速切削的定义,高速范围与加工方法密切相关,车削：7007000m/min；铣削：3006000m/min；钻削：2001100m/min；磨削：150m/s以上。,例如：在切削灰铸铁时，1000m/min以上才是高速车削，而400m/min就定义为高速钻削。,125,高速切削的定义,20世纪80年代以来，新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件。,126,高速切削的特征,来源：PTW,127,高速切削的特征,工件材料：X100CrMoV51(2363)，60HRC刀具：球头刀：d=6mm刀刃数：2（CBN时1）刀具材料：HM：硬质合金，TiN涂层CBN：立方氮化錋Cermet：金属陶瓷,（切削速度）,（刀具寿命）,切削速度对刀具寿命的影响,来源：PTW,128,高速切削的特征,提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间,（常规铣削）,（高速铣削）,后续工作精加工半精加工粗加工加工准备设计,来源：BMW,129,高速切削的特征,降低切削力,（切削速度）,（主切削力）,（用PCD刀具材料车削铝合金）,来源：PTW,130,高速切削的特征,减少传递给工件的热量,切屑和接触面之间的接触区域产生的高温会导致温度效应并降低工件材料变形的阻力剪切角增大切削热大部分由切屑快速带走避免积屑瘤的产生,工件,后刀面,刀具,前刀面,接触区,高速切削的剪切角,常规切削的剪切角,131,高速切削的优点,高单位时间切除率，进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍高加工表面质量，精度，刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量低切削力，较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件切削热由切屑带走，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件减少后续工序，降低加工成本,132,高速切削的应用领域,航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大（一般在70以上），采用高速切削可以大大缩短切削时间。模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。（过去多用组合机加工，柔性差）难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金）纤维增强复合材料加工精密零件加工薄壁易变形零件的加工,133,高速切削的应用领域,例：高精度铝质模具型腔加工：在传统铣削加工中，由于铝熔点低，铝屑容易粘附在刀具上，虽经后续的铲刮、抛光工序，型腔也很难达到精度要求，在制时间达60小时。高速铣削分粗、精两道工序：n精20000r/min，ap=0.2mm，vf=5m/min；加工周期仅为6小时，完全达到精度要求。例：塑料的轮胎型芯加工：用传统方法(手工)需十几道工序，在制时间20天以上，也很难达到复杂轮胎花纹的技术要求。采用高速铣削，n18000r/min，ap=2mm，vf=10m/min，在制时间仅24小时就完全达到了工艺要求。,134,例：传统高速两种模具加工过程比较,135,与高速加工密切相关的技术主要有,高速切削机理及工艺高性能刀具材料及刀具设计制造技术高性能机床及其附件,机床结构及材料机床设计制造技术高速主轴系统快速进给系统高性能CNC系统高性能刀具及工件夹紧系统高效高精度测量测试技术安全防护技术,136,高速切削刀具,特点：“三高一专”，即高效率、高精度、高可靠性和专用化,在基体上焊接刀片（材料CBN，PCD）的HSC刀具,以高强度铝合金做基体的HSC端面铣刀,带内部冷却的钻头,137,高速切削刀具装卡系统,最小的动不平衡量最小的径向偏差高刚性传递高扭矩高精度换刀时的高重复精度高转速下的安全性,要求,方案,用空心短锥柄（HSK系列）取代快换锥柄（SK系列）通过主轴端面进行轴向定位主轴和空心锥柄的胀塞配合,HSK,138,高速切削机床要求,床身等固定部件的高刚度和高抗振性主轴的高转速和高加速度进给系统的高进给速度和高加速度主轴轴承的高刚度和高抗振性优化的切屑下落及运送系统可靠的安全防护系统,139,高速电机主轴,直线电机（Z轴）,混凝土聚合物床身框架,焊接结构横梁,焊接结构XY工作台直线电机驱动,高速切削机床特征,140,高速电机主轴,驱动电机与主轴的一体化转速至80,000r/min，用于小直径刀具的高速切削大转速范围内的高扭矩输出首选球轴承、液压轴承、气压轴承或磁轴承,141,陶瓷轴承高速主轴结构,142,高速切削机床进给系统,高进给速度：20m/min高进给加速度：0.5g,143,高速切削的切削机床,高速铣床,焊接的钢机架直线电机进给驱动Z滑台：钢CFK三明治体箱中箱结构全封闭结构刀卡：HSK63最大进给：100m/min主轴转速：24,000r/min加速度：20m/s2,第六节磨削过程和磨削机理（例）,磨削加工在当前工业生产中已获得迅速的发展和广泛的应用。磨削不仅用于精加工，而且用于粗加工毛坯去皮加工，能获得较高的生产率和良好的经济性。,磨削特点：,1、加工范围大；(例1、2、3)2、加工精度高；3、金属损耗小；4、生产效率高。,一、砂轮特性,砂轮是用结合剂把磨粒粘结起来，经压坯、干燥、焙烧及车整而成。它由磨料，结合剂，气孔三元素组成。特性决定于磨料、粒度、结合剂、硬度、组织及形状尺寸等。,1、磨料（表）,磨料是制造砂轮的主要材料，直接担负切削工作。常用的磨料有：氧化物系、碳化物系和高硬磨料系三类。氧化物系磨料主要成分是三氧化二铝；碳化物系磨料通常以碳化硅、碳化硼等为肌体；高硬磨料系中主要有人造金刚石和立方氮化硼(CBN)。,2、粒度（表）,粒度表示磨粒的大小程度。以磨粒刚能通过的那一号筛网的网号来表示磨粒的粒度。粒度对生产率和加工表面粗糙度影响很大，粗磨用颗粒较粗的磨粒，精磨用颗粒较细的磨粒。,当磨粒的直径小于40微米时，称为微粉。,当工件材料软、塑性大和磨削面积大时，为避免堵塞砂轮，也可采用较粗的磨粒。,例：,60号粒度表示磨粒能通过每英寸（25.4mm）长度上有60个孔眼的筛网。微粉的粒度以该颗粒最大尺寸的微米数表示。如尺寸为20m的微粉，其粒度号为W20。,3、硬度（表）,砂轮的硬度是反映磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。砂轮硬，则表面磨粒难以脱落；砂轮软，表示磨粒容易脱落。,砂轮硬度的选择原则：,（1）工件硬度工件材料越硬，砂轮硬度应选得软些，使磨钝了的磨粒快点脱落，以便砂轮经常保持有锐利的磨粒在工作，避免工件因磨削温度过高而烧伤。工件材料越软，砂轮的硬度应选得硬些，使磨粒脱落得慢些，以便充分发挥磨粒的切削作用。,（2）加工接触面,砂轮与工件的接触面大时，应选用软砂轮，使磨粒脱落快些，以免工件因磨屑堵塞砂轮表面而引起表面烧伤。内圆磨削和端面磨削时，砂轮的硬度应比外圆磨削的砂轮硬度低。磨削薄壁零件及导热性差的工件时，砂轮硬度也应选得低些。,（3）精磨和成形磨削,精磨和成形磨削时，应选用硬一些的砂轮，以保持砂轮必要的形状精度。,（4）砂轮粒度大小,砂轮的粒度号越大时，其硬度应选低一些的，以避免砂轮表面组织被磨屑堵塞。,（5）工件材料,磨削有色金属、橡胶、树脂等软材料，应选用较软的砂轮，以免砂轮表面被磨屑堵塞。在机械加工中，常用的砂轮硬度是软2至中2。,4、结合剂（表）,结合剂作用是将磨粒粘合在一起，使砂轮具有必要的形状和一定的强度、气孔、硬度和抗腐蚀、抗潮湿等性能。,常用的结合剂有四种：,陶瓷结合剂（代号V）树脂结合剂（代号B）橡胶结合剂（代号R）金属结合剂（代号M）,陶瓷结合剂,由粘土、长石、滑石、硼玻璃和硅石等材料配制而成。其特点是化学性质稳定，耐水、耐酸、耐热和成本低，但其性脆，韧性及弹性较差，不能承受侧面弯扭力，不宜于制造切断砂轮，故大多数砂轮均采用陶瓷结合剂。其砂轮线速度一般为35m/s。,树脂结合剂,其成分主要为酚醛树脂，少数也有采用环氧树脂的。树脂结合剂特点是强度高，弹性好，砂轮切削速度可达45m/s左右，多用于高速磨削、切断和开槽等工序。耐热性差，当磨削温度达到200300时，其结合力大大下降。利用它强度的下降时磨粒易于脱落而自励的特点，可在一些对磨削烧伤和磨削裂纹特别敏感的工序（如磨薄壁件、超精磨或刃磨硬质合金等）中采用。气孔率小，易堵塞。磨损快，易失去廓形。耐腐蚀性差，不宜和碱性切削液一起使用。,橡胶结合剂,多数采用人造橡胶。橡胶结合剂比树脂结合剂弹性更好，使砂轮具有良好的抛光作用。多用于制造无心磨床的导轮和切断、开槽及抛光砂轮。但耐热性差，气孔小，砂轮组织较紧密，磨削生产率低，不宜用于粗加工。,金属结合剂,常用的是青铜结合剂，主要用于制作金刚石砂轮。其特点是形面成型性好，抗张强度高，有一定韧性。缺点是自励性较差。主要用于粗磨，精磨硬质合金以及磨削与切断光学玻璃，陶瓷，半导体等。,5、组织（表）,砂轮组织表示磨粒、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨粒在砂轮总体积中所占比例越大，砂轮组织越紧密，气孔越小。砂轮组织级别分为紧密、中等、疏松三大类。,1）紧密组织砂轮适于重压下的磨削。2）中等组织砂轮适于一般磨削。3）疏松组织砂轮不易堵塞，适于平面磨、内圆磨等磨削接触面大的工序，以及磨削热敏性强的材料或薄壁工件。,一般砂轮若未标明组织号，即为中等组织。,6、砂轮形状（表）,在砂轮的端面上一般都印有标志，例如A60SV6P300*30*75，即代表该砂轮的磨料是棕刚玉，60号粒度，硬度为硬1，陶瓷结合剂，6号组织，平型砂轮，外径为300mm，厚度为30mm，内径为75mm。,二、磨削加工类型、磨削运动和磨除率,1、磨削加工类型（1）外圆磨削，包括外圆纵磨、外圆横磨和大切深缓进给磨削；(示例)（2）内圆磨削；(示例)（3）平面磨削；(示例)（4）成形磨削，包括螺纹磨削；（5）砂带磨削；（6）无心磨削，包括内圆无心磨削；（7）砂轮切断；（8）超精磨削加工，包括珩磨、抛光、研磨和液体抛光。,WF-003型数控立式深孔磨床,备注,MK53120B数控定梁龙门式平面磨床,备注,2、磨削运动,(1)主运动：砂轮的旋转运动磨削速度：砂轮的线速度。,(2)径向进给量fr工作台每双（单）行程内工件相对砂轮径向移动的距离。,(3)轴向进给量fa工件相对砂轮沿轴向的进给运动。,砂轮宽度,(4)工件速度,外圆磨削：平面磨削：,工作台往复频率,3、磨削时金属切除率,磨削时，每秒钟金属切除量：,三、磨削过程,磨削加工是靠砂轮表面随机排列的大量磨粒完成的。每一个磨粒均可近似地看做是一把微小的切刀，砂轮则可以看做是极大量微小切刀构成的铣刀。这些切刀的几何形状和标注角度又有很大的差异，各自的工作情况亦相去甚远。,1、磨粒的模型,磨粒是天然的或人造矿物结晶块的碎粒，其形状具有随机的性质。通常在磨削加工中采用的是两种磨粒模型，通常情况下简化成顶角为120的圆锥；钝化情况下简化为半球形。,磨削与通常切削加工相比，砂轮表面的微小磨粒切削刃的几何形状是不确定的（负前角为-60-85，刃口楔角为80145，刃端钝圆半径为328m），而且切削刃的排列（凹凸、刃距）是随机分布的，磨削厚度非常薄，在几个微米以下；磨削速度高达10007000m/min，磨削点的瞬时温度可达1000以上，结果去除相同体积的材料所消耗的能量达到车削时的30倍。,2、磨削过程,磨削过程中磨粒对工件的作用包括滑擦、耕犁和形成切屑三个阶段。,磨削中的隆起现象:,在砂轮表面上有些磨粒较钝，或虽然是新磨粒，但切削深度太小，在磨削过程中，磨粒的切削厚度未能达到临界值，因此不能形成切屑。磨粒只是在工件表面上刻划出痕迹来，而工件材料则被挤向磨粒的两旁而隆起。,四、单个磨粒的切削厚度,单颗磨粒的最大切削厚度可用下式表示：,.m,图中面积BCD可近似看成一直角三角形，由此知：,整理后得：,所以,磨粒切削厚度的影响因素：,（1）工件