《金属切削与机床》课件第4章

第4章提高金属切削效益的途径4.1工件材料的切削加工性

4.2刀具几何参数的选择

4.3切削用量的选择

4.4合理选择切削液

4.1工件材料的切削加工性

4.1.1切削加工性指标

1.相对加工性指标

某种材料切削加工性的好坏是相对另一种材料而言的。在讨论钢材的切削加工性时,一般以45钢为基准,与其他材料相比较,用相对加工性指标Kr表示:

式中:v60———某种材料在刀具耐用度为60min时的切削速度;

vB60———切削45钢(σb=0.735GPa),耐用度为60min时的切削速度。

当Kr>1时,表明该材料比45钢容易切削,当Kr<1表明该材料比45钢难加工。

2.刀具寿命指标

刀具寿命指标是指用刀具寿命的高低来衡量被加工材料切削加工难易程度。

在切削普通金属材料时,取刀具寿命为60min时允许的切削速度v60的高低;切削难加工材料时,用v20的高低来评定相应材料切削加工性的好坏。在相同条件下,v60或v20的值越高,则表示材料的加工性越好。

根据不同的加工条件与要求,还可用切削力、表面粗糙度、断屑的难易程度等指标来衡量切削加工性的好坏。

4.1.2改善切削加工性的途径

1.调整材料的化学成分

金属材料中的含碳量、材料中加入锰、铬、钼、硫、磷、铅等元素时,都会不同程度地影响材料的硬度、强度、韧性，进而影响材料的切削加工性。

2.适当的热处理

对材料进行适当热处理可改善其切削加工性。

3.选择良好的材料状态

低碳钢塑性大,加工性不好,经过冷拔之后,塑性降低,加工性变好;锻件毛坯因余量不均匀,且会有硬皮,若改热轧钢,则加工性可得以改善。

4.2刀具几何参数的选择

4.2.1前角和前刀面的选择

1.前角的功用

刀具前角的主要功用是在满足切削刃强度的前提下,使切削刃锋利。

2.前角的选择

前角的选择原则是:在保证刀具寿命的提前下,应选取较大的前角。具体考虑因素:

(1)工件材料的性质。

工件材料的强度、硬度低,塑性大,前角取大值;材料强度、硬度高,前角取较小值。

(2)刀具材料。

刀具材料强度、韧性高,前角可取大值,反之则取小值,如高速钢刀具一般取较大的前角,而硬质合金刀具的前角一般取小值。

(3)加工形式。

粗加工时前角应取较小值,精加工时前角应取较大值。图41前刀面形式(a)正前角平面型;(b)正前角平面带倒棱型;(c)正前角曲面带倒棱型;(d)负前角单面型;(e)负前角双面型(1)图4-1(a)所示为正前角平面型,制造简单,能获得较锋利的刃口,但切削刃强度较低,传热能力较差。

(2)图4-1(b)所示为正前角平面带倒棱型,提高了切削刃口的强度,增加了散热能力,从而提高刀具耐用度。

(3)图4-1(c)所示为正前角曲面带倒棱型,可增大前角并起卷屑作用。

(4)图4-1(d)所示为负前角单面型,可承受压应力,具有较高的切削刃强度,但负前角会增大切削力和功率消耗。

(5)图4-1(e)所示为负前角双面型,使刀片的重磨次数增加,适用于磨损同时发生在前、后刀面的场合。4.2.2后角和后刀面的选择

1.后角的功用

减小与切削表面的摩擦,同时也影响刃口的锋利和强度。

2.后角的选择

选择原则是,在不产生摩擦的条件下,适当选取小的后角。

具体考虑因素:

(1)切削厚度hD。切削厚度薄,后角应取大值;反之,取小值。

(2)刀具形式。对于定尺寸刀具(如拉刀等),为延长刀具寿命,后角取小值。

3.后刀面的形式

图42后刀面形式(a)刃带、双重后角;(b)消振棱(1)双重后角能保证刃口强度,减少刃磨工作量,如图4-2(a)所示。

(2)在后刀面磨出一条负后角的棱边,可增大阻尼,起消振作用,如图4-2(b)所示。

(3)刃带是指在后刀面上磨出后角为零的小棱边。对于定尺寸刀具(拉刀、铰刀等),为了控制外径尺寸常需磨出刃带,可避免重磨后尺寸精度变化,但也会增大摩擦,如图4-2(a)中的

4.2.3主偏角、副偏角及刀尖的选择

1.主偏角的功用及选择

1)主偏角的功用

主偏角主要影响各切削分力的比值,同时也影响切削层截面形状及工件表面形状。

2)主偏角的选择

主偏角的选择原则是,在工艺系统刚度允许的前提下,应选择较小的主偏角。

2.副偏角的功用和选择

1)副偏角的功用

副偏角主要影响已加工表面的粗糙度,同时也影响切削分力的比值。副偏角减小,表面粗糙度值小,但会增大背向力

。

2)副偏角的选择

副偏角主要按加工性质选择,一般取10°~15°,为保证切断刀刀尖强度,可取1°~2°

图4-3倒角刀尖与刀尖圆弧半径(a)直线型;(b)圆弧型(刀尖圆弧半径);(c)平行型(水平修光刀);(d)大圆弧型

3.刀尖形式及选择

(1)图4-3(a)所示为直线型倒角刀尖(称过渡刃)。

(2)图4-3(b)所示为圆弧刃刀尖。刀尖圆弧半径rε

增大,平均主偏角减小,表面粗糙度值减小,刀具耐用度提高,但Fp

力增大,切削中会产生振动。

(3)图4-3(c)所示为平行刃(修光刃)。

(4)图4-3(d)所示为大圆弧刀尖。这时,平均主偏角和副偏角较小,刀具强度和耐用度较高,表面粗糙度值较小。

4.2.4刃倾角的功用及选择

1.刃倾角的功用

控制切屑流向,使刀刃锋利,同时改变切削刃的工作状态。

(1)图44(a)所示为,当λs=0°时,切屑近似地沿切削刃的法线方向流出;

(2)图44(b)所示为,当λs<0°时,切屑流向已加工表面,会划伤已加工表面;

(3)图44(c)所示为,当λs>0°时,切屑流向改变,使前角增大,增加切削刃的锋利程度。

图4-4刃倾角对切屑流向的影响(a)λs=0°;(b)λs<0°;(c)λs>0

在断续切削的条件下,斜角切削可使切削刃平稳地切入或切出;但当λs>0°时,刀尖先接触工件,容易崩刃;当λs<0°时,远离刀尖的切削刃先接触工件,保护了刀尖,提高了承受冲击的能力,如图45所示。但负的刃倾角会使背向力Fp增大,导致工件变形及切削时产生振动。

2.刃倾角的选择

刃倾角的选择应根据生产条件具体分析,一般情况下可按加工性质选取;精车λs=0°~5°;粗车λs=0°~-5°;断续车削λs=-30°~-45°;工艺系统刚性较差时不宜选负的刃

倾角。表4-5所列为刃倾角选用时的参考值。

图4-5刃倾角对切削刃接触工件的影响

表4-5刃倾角λs

数值的选用表

4.3切削用量的选择

4.3.1合理切削用量及选择原则

粗加工时毛坯余量大,工件几何精度和表面粗糙度等技术要求低,应以发挥机床和刀具的切削性能,减少机动和辅助时间,以提高生产率和刀具耐用度,作为选择切削用量的

主要依据。

精加工时加工余量不大,加工精度高,表面粗糙度值小,应以提高加工质量作为选择

切削用量的主要依据。4.3.2切削用量的选择方法

在切削用量三要素中,选择的顺序是先确定背吃刀量ap、再确定进给量f、最后确定切削速度vc。

1.背吃刀量的选择

选择尽量大的背吃刀量,一次走刀中最好把本工序应切除的加工余量切除掉。在粗加工时,如果加工余量过大或工艺系统刚性较差时,也可分二次进刀。

第一次进刀:ap1=(2/3~3/4)A

第二次进刀:ap2=(1/3~1/4)A

2.进给量f的选择

限制粗加工最大进给量的主要因素是刀杆和刀片强度、进给机构强度及工艺系统刚性。表4-6是硬质合金及高速钢车刀粗车外圆和端面时的进给量。表4-7为硬质合金刀片强度所允许的进给量。表4-8为硬质合金外圆车刀半精加工时的进给量。表4-6硬质合金及高速钢车刀粗车外圆和端面时的进给量

表4-7硬质合金刀片强度允许的进给量/(mm/r)

表4-8硬质合金外圆车刀半精车时的进给量3.切削速度vc的选择

粗加工时限制切削速度的主要因素是刀具耐用度和机床功率。精加工时限制切削速度的主要因素是刀具耐用度。因为精加工时切削力较小，机床功率一般都能满足。

当确定了背吃刀量和进给量后，根据合理刀具耐用度T求切削速度vc时，可用下列公式:

式中:vc——切削速度(m/min)；

T——合理刀具耐用度（min）；

m——刀具耐用度指数（查表3-6）；

Cv——切削速度系数（查表4-9）；

xv、yv——分别为背吃刀量ap、进给量f对vc的影响指数(查表4-9)；

kv——切削速度修正系数,kv=kmv·ksv·ktv·kκrv（查表4－10～表4-13）。

切削速度vc求出后，可根据vc=πdwn/1000计算工件转速n:

式中:n——工件转速（r/mim）；

vc——切削速度（m/min）；

dw——工件待加工表面直径（mm）。表4-9切削速度公式中的系数及指数

表4-10钢和铸铁的强度与硬度改变时切削速度的修正系数Kmv表4-11毛坯表面状态改变时切削速度的修正系数ksv

表4-12刀具材料改变时切削速度的修正系数ktv表4-13车刀主偏角改变时切削速度的修正系数kκrv

4.3.3切削用量的选择举例

例41在CA6140卧式车床精车外圆。已知工件为调质45钢,σb=0.735GPa,毛坯尺寸ϕ68×350(mm),精车直径余量为1.5mm,如图46所示。要求加工精度达到h11级,表面粗糙度为Ra3.2μm。试选择切削用量。

图4-6工件加工示意图

1.选择刀具几何参数

1)确定粗加工刀具

选择YT15硬质合金焊接车刀,刀具耐用度T=60min;按表414选择刀杆尺寸为16mm×25mm,刀片厚度6mm。根据刀具几何参数的选择原则,确定粗加工车刀几何为:γo=10°,

γo1=-5°,κr=75°,κ'r=15°,λs=0°,αo=α'o=6°,rε=1.0mm。

2)确定精加工刀具

选择YT15硬质合金刀片,刀杆尺寸16mm×25mm,刀具耐用度T=60min。根据刀具几何参数选择原则,确定精加工车刀几何角度:γo=20°,γo1=-3°、κr=60°,κ‘r=10°,

λs=+3°,αo=α’o=6°。

2.确定粗车切削用量

1)背吃刀量ap

单边余量A=(68—61.5)/2=3.25mm,所以选取ap=3.25mm。

2)进给量f

由表4-6查得f=0.4~0.6mm/r,根据机床说明书f=0.51mm/r。

3)切削速度vc

由表49查得cv=242,xv=0.15,yv=0.35,m=0.20。

由式（4-4）得

由式（4-5）得

查机床说明书得n=320r/min，求得实际切削速度:

4)校验机床功率由切削力计算公式及有关表格，求得主切削力Fc:计算切削功率:验算机床功率，CA6140车床额定功率PEe=7.5kW(取机床效率ηm=0.8),由此可知，

机床功率足够。

3.确定精车时的切削用量1）

背吃刀量

2）进给量按表4-8预先估计vc＞80m/min，查得f=0.3～0.35mm/r，再按说明书选f=0.3mm/r。

3）切削速度vc

查表4-9得cv=291,xv=0.15，yv=0.2，m=0.2；kv=0.67（同粗加工）。

由式（4-4）得查机床说明书得n=560r/min，则符合预先估计的vc＞80m/min的设定。

4.4合理选择切削液4.4.1切削液的作用

1.冷却作用通过切削液带走大量的切削热而降低切削区的温度。冷却效果取决于冷却液本身的导热率、比热、

汽化热以及浇注方法等。

2.润滑作用通过切削液渗透到切屑、工件、刀具接触面之间形成润滑膜。其润滑性能的好坏，主要取决于切削液的渗透性和表面间形成的润滑膜的强度。图4-7为切削加工时表面间的边界润滑摩擦，高温高压下的边界润滑也称为极压润滑。

图

4-7边界润滑摩擦

3.清洗和防锈作用切削液可以冲洗粘附在机床、刀具和工件上的切屑，防止划伤机床工作面、破坏已加工表面，并减少刀具磨损。在切削液中加入防锈剂，可避免工件、刀具、机床发生腐蚀，起到防锈作用。

4.4.2切削液的种类1.水溶性切削液(1)水溶液:是指以软水为主要成分,