切削基本规律的应用.ppt

第四章切削基本规律的应用 机械工程系秦春霞 第四章切削基本规律的应用 应用性课题 断屑切削液材料加工性表面粗糙度刀具几何参数及切削用量 第四章切削基本规律的应用 本章主要介绍切削基本规律在生产中的应用 深入了解与掌握本章内容为分析解决切削加工中一些实际问题 打下初步基础 本章内容例举的实际问题有 断屑 切削冷却 材料切削加工性 表面粗糙度等 本章重点是 在掌握切削规律的成因 作用及切削因素对它们影响基础上 根据切削中产生的实际问题 在达到切削加工技术要求的条件下进行切削用量参数 刀具几何参数的合理选择 此外 对于目前切削加工中的一些新技术作了简单介绍 第四章切削基本规律的应用 第一节断屑第二节工件材料切削加工性第三节切削液第四节已加工表面粗糙度第五节刀具几何参数选择第六节切削用量选择第七节切削新技术简介 第一节断屑 切削塑性材料带状切屑断屑一 断屑原因与屑形断屑原因 1 切屑在流出过程中受阻碍物相碰 使切屑弯曲后产生的弯曲应力超过材料强度极限而折断 2 切屑流出过程中靠自身重量而甩断 理想屑形 C 6 50mm左右长的 螺旋状 切屑 图4 1呈带状流出的切屑 第一节断屑 图4 2切屑受撞击折断的几种形式a 切屑与工件待加工表面撞击b 切屑与工件切削表面撞击c 切屑与车刀后面撞击d 切屑卷曲流出后甩断 第一节断屑 二 断屑措施1 磨制断屑槽前面上磨制断屑台 图4 3断屑槽断屑及其参数 结论 切屑厚度hch大 小 切屑较易折断即 增大 减小 第一节断屑 断屑槽形式折线型直线圆弧型全圆弧型 适用于加工碳钢 合金钢 工具钢和不锈钢 槽底前角大 适用于加工塑性高的金属材料和重型刀具 例 龙门刨床刨刀 图4 4断屑槽形式a 折线型b 直线圆弧型c 全圆弧型 第一节断屑 影响断屑效果的主要参数是 槽宽 槽深槽宽大小要保证一定厚度的切屑在流出时碰到断屑台 如若进给量f大 切削厚度hch大 切屑不易卷曲 则应使槽宽相应增大 所以根据进给量f 背吃刀量ap来确定槽宽 见表4 1P47 第一节断屑 2 可转位刀片的断屑范围P47图4 5 4 63 改变刀具角度 图4 5国产刀片断屑槽的断屑切削用量范围 图4 6Sandvik刀片断屑槽的断屑切削用量范围 第一节断屑 3 改变刀具角度主偏角Kr增大 切削厚度增大 受外力作用后变形剧烈易折断 选取较大的主偏角 Kr 60 90 刃倾角正 负及其大小改变切屑的流向及屑形 切屑碰撞待加工表面形成 C 形 6 形屑 切屑碰撞后面形成 C 形屑或甩断形成段螺旋切屑 图4 7刃倾角 s对断屑影响a s0 第二节工件材料切削加工性 概念 工件材料切削加工性是指工件材料被切削的难易程度 其难易程度 一般与材料的化学成份 热处理状态 金相组织 物理力学性能以及切削条件有关 第二节工件材料切削加工性 一 难加工材料切削加工性特点化学成份 碳化物 氧化物 氮化物热处理状态 淬火金相组织 奥氏体 马氏体及铁素体物理力学性能 高硬度 强度 塑性 热导率低切削条件 存在硬质点 断屑困难以上均可能使切削困难 材料加工性差 例如出现切削力大 切削温度高 刀具磨损及破损严重 刀具寿命低 并不易获得低的表面粗糙度和搞得加工精度等 第二节工件材料切削加工性 二 切削加工性指标1 加工材料性能指标 物理 化学 力学性能硬度 抗拉强度 伸长率 冲击韧度 热导率正火45钢 4 3 2 2 4较易切削奥氏体不锈钢 5 2 6 9 8高锰钢 4 5 9 9 8 第二节工件材料切削加工性 2 相对加工性指标以45钢T 60min为例 当Kr 1时 说明该材料比45 钢难切削 切削加工性好 当Kr 1时 该材料比45 钢难切削 切削加工性能差 第二节工件材料切削加工性 三 改善材料切削加工性途径1 进行适当热处理塑性大的材料如低碳钢 能过正火调质 可降低塑性 提高硬度 容易切削 脆性材料如高碳钢 白口铸铁 经过退火处理 可以降低硬度 改善切削性能 低碳钢根据泠作硬化 采用泠拔使塑性降低 提高硬度 改善其切削功工性 第二节工件材料切削加工性 三 改善材料切削加工性途径2 合理选用刀具材料P503 合理选择刀具几何参数bz切削硬度高 硬化严重或带冲击性工件用的刀具 提高强度 则选择较小前角 主偏角 刃倾角 较大的刀尖圆弧半径和磨制刃口负倒棱 第二节工件材料切削加工性 改善材料的化学成份 1 在黄铜中加入1 的铅 在钢中加入 的铅 铅可以球状粒子存在于材料的金相组织中 切削时能起很好润滑作用 减少摩擦 使刀具耐用度和表面质量得提高 2 在碳钢中加入Mn Mn分布于珠光体中 起润滑作用 使刀具耐用度和切切削后的表面质量提高 增大脆性 切屑易断 第三节切削液 在金属切削中 正确选用切削液 对降低切削温度和切削力 减小刀具磨损 提高刀具耐用度 改善表面质量 提高生产率 都有非常重要的作用 一 切削液的作用1 冷却作用2 润滑作用定义 润滑作用是指切削液具有减少前刀面 后刀面与已加工表面间摩擦的能力 第三节切削液 机理 利用渗透作用摩擦分类 干摩擦 流体润滑摩擦 边界摩擦若加入切削液条件理想 则运动着的金属表面间 有时被连续的润滑油膜完全隔开 即流体润滑摩擦 又由于载荷增大 油膜局部被破坏 两金表面间发生局部接触 即边界润滑摩擦 切削过程中的润滑大都属于边界润滑 泵吸原理 速度越高润滑越差 第三节切削液 3 清洗与排屑作用清洗作用是切削液粘结附在机床 夹具 刀具上的细碎切屑和糜料细粉洁除 以减小刀具磨损 防止划伤已民加工表面和机床导轨 清洗性能的好坏 取决于切削液的油性 流动性和使用压力 第三节切削液 4 防绣作用是为保护工件 机床刀具不周围介质 空气等 的影响腐蚀 防绣作用的强弱 取决于切削液本身和添加剂的作用 第三节切削液 二 切削液的和类与选用金属切削时使用的切削液分为水基 油基切削液 水基 水溶液 乳化液 合成切削液 1 水溶液水溶液主要成分是软水 加入防锈 电介水溶液 主要用于磨削 粗车 表面活性水溶液 用于精车 精铰 2 乳化液乳化液具有良好的泠却作用 若再加入一定比例的油性剂和防锈剂 则可成为即能润滑又可防锈的乳化剂 第三节切削液 油基切削液 切削油 极压切削油1 切削油切削油的主要成分有矿物油 动物油 复合油 矿物油性差 不能形成牢固的吸附膜 润滑能力差 在低速时 可加入油性剂 在高速或重切削时可再加入极压添砖加剂 2 极压切削油 复习 理想屑形断屑措施磨制断屑槽 参数 改变刀具角度工件材料切削加工性切削液的作用 第四节已加工表面粗糙度 已加工表面质量包括零件表面的 微观几何形状 表面层材质的变化两个方面 一般以表面粗糙度 表面层加工硬化及表面层残余应力来衡量 表面质量对零件的使用性能有着很大的影响 第四节已加工表面粗糙度 1 表面粗糙度对耐磨性的影响由于两相互摩擦零件配合时 不是全部表面接触 只是一些凸峰相接触 其实际接触面小 导致单位面积上压力增大 磨损加快 这些凸峰很快压扁磨平 使零件从而失去了原有的精度 表面粗糙度并不是越小越好 若表面粗糙度太小 不利于润滑油储存 致使接面形成干摩擦 在一定条件下 摩擦表面有一个最佳表面粗糙度值 一般为0 4 0 8 m 第四节已加工表面粗糙度 2 表面粗糙度对零件疲劳强度的影响零件表面越粗糙 在交变载荷的作用下容易引起应力集中 其应力超过疲劳极限 就会产生疲劳裂纹 3 表面粗糙度对耐腐蚀性的影响表面粗糙度值大 腐蚀物质易积于坑凹中腐蚀金属表面 降低工件的表面质量 第四节已加工表面粗糙度 4 表面粗糙度对配合性质的影响表面粗糙度太粗 对于间隙配合的表面 会因峰尖在工作过程中很快磨掉而使问隙增大 降低配合精度 对于过盈配合 则因装配时表面的峰顶被挤平 使有效实际过盈量减小 同样降低配合的连接强度 第四节已加工表面粗糙度 5 加工硬化的影响加工硬化在某些情况下可提高工件的耐磨性和疲劳强度 但常伴随大量细微裂纹出现 降低抗冲击能力 另外 加工硬化也能使后道工序切削加工困难 使刀具磨损严重 第四节已加工表面粗糙度 6 残余应力的影响残余应力的存在使工件逐渐变形 影响工件形状 尺寸精度 另外 残余应力易使零件产生裂纹而降低耐磨性 疲劳强度和耐腐蚀性 实践证明 许多零件的报废往往起源于零件的表面缺陷 第四节已加工表面粗糙度 已加工表面粗糙度概念 表面粗糙度是一种微观几何形状误差 又称微观不平度 表面粗糙度是以已加工表面微观不平度来衡量 第四节已加工表面粗糙度 一 影响表面粗糙度的因素1 残留面积由于刀具上有主偏角Kr和副偏角k r 使工件的被切削层材料不能完全被切除 而在工件已加工表面上形成间距等于进给量f的螺旋状条纹 残留面积高度愈大 表面光洁度愈差 图4 8已加工表面上理论粗糙度a r 0b r 0 第四节已加工表面粗糙度 残留面积是形成表面粗糙度的主要组成部分 残留面积亦称为理论粗糙度 常用它的高度Rmax表示 图4 8a中由形成残留面积高度Rmax 第四节已加工表面粗糙度 图4 8b中由 0形成残留面积高度Rmax 残留面积高度 随着进给量f的减小及主 副偏角的减小或刀尖圆弧半径的增大而减小 第四节已加工表面粗糙度 2 积屑瘤的影响bz不利方面 A 其增大背吃刀量 造成过切现象 而影响加工的尺寸精度 B 高低不平 会在工件表面造成犁沟现象 影响表面粗糙度 C 脱落的碎片会粘附或嵌入工作表面上 而影响表面加工质量 精加工必须抑制积屑瘤 图4 9积削瘤对表面粗糙度影响 32x a 积削瘤掉落时的照片b 积削瘤影响表面粗糙度 第四节已加工表面粗糙度 3 鳞刺的影响鳞刺是在已加工表面的速度方向上残留着突出的鳞片状毛刺 它是经常产生在对塑性材料的车 拉 攻丝和滚齿等加工中 鳞刺是在使用中 低速及较大进给量 并在严重摩擦和挤压条件下切削使切削层导裂而形成的 由于鳞刺的影响促使已加工表面更为粗糙不平 图4 10在已加工表面上突出的鳞刺 第四节已加工表面粗糙度 4 刀具磨损的影响刀具的后角过小或后面出现严重磨损 使刀具后面与加工表面间产生挤压和摩擦 形成了理论粗糙度高度被挤平和划伤 图4 11刀具后面磨损对已加工表面粗糙度的影响 第四节已加工表面粗糙度 5 刀具刃磨质量的影响刀具刃磨或使用不当 使刀尖和刀刃上产生微小崩刃和缺口等 切削时这些细微缺陷会复映在已加工表面上形成明显的划痕 6 振动的影响切削过程中发生振动表面变得粗糙 降低了表面质量 严重时会影响机床精度和损坏刀具 图4 12在已加工表面上复映的划痕及振纹a 复映刻痕b 振纹 第四节已加工表面粗糙度 二 减小已加工表面粗糙度值的措施1 工件材料工件材料的塑性愈大 愈易生成积屑瘤 鳞刺 已加工表面粗糙度也愈大 生产中可通过对工件材料进行热处理改善切削加工性能 如 对低碳钢 低碳合金钢加工前进行调质处理以降低塑性 从而减小已加工表面粗糙度 第四节已加工表面粗糙度 2 切削用量 1 切削速度 重要因素 切削塑性材料时 在中 低速情况下 易产生积屑瘤及鳞刺 提高切削速度 能使积屑瘤及鳞刺减小甚至消失 并可减小工件的塑性变形 从而减小表面粗糙度 图4 13切削速度对表面粗糙度Ra的影响a 切削速度对粗糙度影响加工条件 工件材料易切钢 刀具高速钢 ap 1 2mmb 不同切削速度时的粗糙度波形加工条件 工件材料45钢 刀具P10 YT15 0 15 r 45 f 0 1mm r ap 0 5mm 第四节已加工表面粗糙度 2 进给量f由式 4 2 可知 减小进给量f 能有效减小表面残留面积的高度 并起到抑制积屑瘤及鳞刺的作用 从而减小已加表面粗糙度值 但进给量f下降到某一范围 0 18 0 05mm r 以后 切削刃钝圆部分对加工表面的挤压作用加剧 不利于表面粗糙度值的减小 甚至会引起振动使表面粗糙度值增大 所以 在生产中使用硬质合金刀具切削时进给量不宜小于0 05mm r 图4 15前角 0对表面粗糙度Ra的影响 第四节已加工表面粗糙度 3 刀具几何参数 1 增大刀具前角a能减小切削变形 并能有效地抑制积屑瘤和鳞刺 b切削刃锋利 能切下较薄的切屑 有助于减小已加工表面粗糙度值 但前角不能太 why 注 为提高加工表面质量 首先在刀具强度和寿命允许条件下 尽量选用大的前角 图4 14副偏角 r 和刀尖圆弧半径r 对表面粗糙度Ra影响a r 影响b r 影响 第四节已加工表面粗糙度 2 稍微增大刀具后角能减小后刀面与加工表面的摩擦 对减小表面粗糙度值有利 3 减小刀具副偏角另 增大刀尖圆弧半径以及采用修光刃是减小表面粗糙度值最有效的措施 第四节已加工表面粗糙度 4 刀具材料选择合适的刀具材料 提高刀具刃磨质量能减小表面粗糙度 刀具材料对加工表面质量的影响 主要决定于 材料的摩擦系数抗粘结能力耐磨性刃磨质量 第五节刀具几何参数选择 刀具几何参数主要包括 刀具角度 刀刃的刃形 刃口形状 前刀面与后刀面型式等 所谓 合理的刀具几何参数 是指在保证加工质量和刀具寿命的前提下 能满足生产效率高 加工成本低的几何参数 刀具几何参数的合理选择必须首先考虑一定的切削条件 做到 物尽其用 第五节刀具几何参数选择 注意 刀具的锋利性与坚固性既是刀具工作的必要条件 又是一对尖锐的矛盾 两者不可偏废 正确处理它们的关系对选择几何参数也非常重要 另外 刀具几何参数是个统一体 各参数相互联系并相互影响 选择时不能孤立的考虑任一参数 而应综合分析它们的整体作用与影响 协调平衡好各参数 同时还要通过实践使之不断完善 使刀具具有更好的切削性能 前课复习 表面粗糙度的形成影响表面粗糙度因素 残留面积高度p53积屑瘤鳞刺刀具磨损刀具刃磨质量振动 工件材料切削用量刀具角度刀具材料 已加工表面粗糙度 切削速度进给量 前角主副偏角 第五节刀具几何参数选择 一 前角的功用及选择1 前角的功用前角影响切削过程中变形和摩擦 又影响刀具的强度 它的作用主要有以下几方面 影响切削区的变形程度 增大前角能减小切削变形 从而减小切削力及切削功率消耗 影响刀具寿命 增大前角 可以减小切削力及切削热 使寿命提高 第五节刀具几何参数选择 但是 如前角过大 会使刀头部分体积减少 强度降低 易使刀具崩刃 反而使寿命降低 影响切屑形态和断屑效果 减小前角 切屑变形程度增大 也就是说切屑变得更短 影响已加工表面质量 增大前角 使切削刃钝圆半径减小 切削刃锋利 可以减少已加工表面硬化程度 也可以抑制积屑瘤和减小振动 使已加工表面质量提高 第五节刀具几何参数选择 2 前角的合理选择前角有正负之分 a 取正前角的目的 是为了减小切屑被切下时的弹塑性变形和切屑流出时与前刀面的摩擦阻力 从而减小切削力和切削热 使切削轻快 提高刀具寿命及加工表面质量 所以刀具应尽可能采用正前角 第五节刀具几何参数选择 注意 前角过大时 楔角过小 会削弱切削部分的强度并降低散热能力 反而会使刀具寿命降低 合理前角可能是正前角 也可能是负前角 b 取负前角的目的 是改善刃部受力状况和散热条件 提高刀刃强度和耐冲击能力 综上所述 选择前角是首先保证刀刃锋利 同时又要兼顾足够的刀刃强度 第五节刀具几何参数选择 前角的选择原则是 在刀具材料韧性好时 可选用大的前角 如高速钢刀具比硬质合金刀具的前角大5 10 对于成形刀具来说 为减少刀具截形误差 常用较小前角 甚至取前角为零度 加工塑性材料时 尤其是加工硬化严重的材料 应选用较大的前角 加工脆性材料时用较小前角 加工特硬材料时 可取负前角 第五节刀具几何参数选择 前角也可以归纳为尽量大 刀具材料 脆性 高速钢 硬质合金 陶瓷 工件材料 塑性材料 脆性材料 强度 硬度 加工要求 粗加工 断续切削 精加工 机床功率和系统刚度 功率大刚度高 数控机床 自动线 前角的经验参考数值 表列硬质合金车刀的前角数值是指刃口磨有倒棱的情况 第五节刀具几何参数选择 二 后角功用及选择1 后角的功用 影响表面质量增大后角在切削过程中可以减少主后面与过渡表面的弹性恢复层之间摩擦 减少刀具磨损 提高已加工表面质量和刀具寿命 还可减小刃口钝圆半径 使刃口锋利 从而进一步减小摩擦 改善加工质量 第五节刀具几何参数选择 提高刀具寿命 在同样磨钝标准VB下 从新用到磨钝 后角大的刀具磨去的金属体积较多 即刀具投入切削的时间长 影响刀头强度 增大后角会使楔角减小 降低刃口强度 同时 散热体积变小 切削温度升高 所以 过大的后角反而会使刀具寿命降低 第五节刀具几何参数选择 2 后角的合理选择后角的选择原则为 根据加工精度选择 精加工为减小摩擦 后角较大 8 12 粗加工为提高强度 后角较小 6 8 第五节刀具几何参数选择 根据加工材料选择 P57加工塑性材料 尤其是硬化现象严重的材料 应取大后角以减小摩擦 提高表面质量 加工脆性材料时 为增强切削刃 应取小后角 加工硬度 强度高的材料 应取小后角 根据刀具类型选择 定尺寸刀具 如圆孔拉刀 铰刀 应取小后角以增加重磨次数 延长刀具使用寿命 第五节刀具几何参数选择 后角归纳为尽量小 粗加工 o 精加工 o 塑性材料 o 脆性材料 o 硬度高 o 强度高 o 工艺系统 刚度高 o 归纳总结前角大 刀锋利 强度差 适于精加工 前角小 强度好 散热佳 适于粗加工 后角大 刀锋利 摩擦小 适于精加工 后角小 强度好 散热佳 适于粗加工 第五节刀具几何参数选择 三 主偏角的功用及选择功能 1 影响已加表面残留面积的高度 减小主偏角可以降低残留面积高度 改善已加工表面粗糙度 2 影响主切削刃单位长度上的负荷 刀尖强度及散热条件 第五节刀具几何参数选择 3 影响切削分力的比例关系 减小主偏角会使进给力Ff减小 背向力Fp增大 4 影响断屑效果 当进给量不变时 增大主偏角 会使切削厚度增大 切屑变得更短更厚 有利于断屑 第五节刀具几何参数选择 主偏角选择的主要原则 1 工艺系统刚度较好时 可以取得小些 特别当加工冷硬铸铁 高锰钢等高硬度 高强度材料时 为减轻刀刃负荷 增加刀尖强度 常取更小数值 10 30 的主偏角 2 工艺系统刚度不足 如车薄壁筒 细长轴 或刀具材料对振动敏感时 宜取较大主偏角 常取 75 甚至 75 以减小背向力Fp 避免振动和变形 P58 第五节刀具几何参数选择 3 单件小批生产或加工带台阶和倒角的工件时 常选取通用性较好的45 车刀或与直角台阶相适应的90 车刀 需要时加强散热时 Kr取小值 第五节刀具几何参数选择 四 副偏角的功用及选择1 副偏角的作用是 减小副切削刃及副后刀面与加工表面之间的摩擦 副偏角影响已加工表面粗糙度和刀尖强度 减小副偏角 可减小残留面积高度 减小理论粗糙度值 并能增大刀尖角 改善刀尖强度和散热条件 第五节刀具几何参数选择 副偏角过小时 会因增大摩擦和背向力Fp而引起振动 2 选择原则 一般在不引起振动的情况下宜选取小值 精加工时应取得更小 如精加工时可取 5 甚至可取副偏角为O 的修光刃 考虑对Ra的影响 一般尽量取小值 第五节刀具几何参数选择 五 刃倾角的功用与选择1 功用 控制切屑流向负刃倾角已加工面 正刃倾角待加工表面 影响切削刃锋利程度 影响刀尖强度和散热条件 图4 16正 负刃倾角的作用a s刀尖受力 s刀刃受力b s排屑向外 s排屑向内 第五节刀具几何参数选择 2 刃倾角的选择1 粗加工 S0 使FP小些 2 断续切削 S0 使FP小些 5 微量切削 S取大值 使刀具实际刃口半径 第五节刀具几何参数选择 六 刀尖修磨形状及参数主副切削刃之间的刀尖修磨形状有 修圆刀尖 倒角刀尖 倒角带修光刃刀尖修磨的作用 提高刀尖处强度有利于热量传散减少残留面积提高进给量 图4 17刀尖修磨a 修圆刀尖b 倒角刀尖c 倒角带修光刃 第五节刀具几何参数选择 修圆刀尖 用在精加工和半精加工高速钢 mm硬质合金 mm倒角刀尖 在车刀 面铣刀 钻头 切槽刀倒角带修光刃 增强刀尖处强度 并在大进给时利用修光刃切除残留面积 起到半精加工作用 图4 18刀尖修磨后的刀具a 倒角刀尖 切槽刀 钻头 b 倒角刀尖带修光刃 可转位面铣刀 第五节刀具几何参数选择 七 刃口修磨形状及参数主切削刃的刃口修磨形状 锋刃 修圆刃口 负倒棱刃口 平棱刃口 后角倒棱刃口 图4 19刃口修磨a 锋刃b 修圆刃口c 负倒棱刃口d 平棱刃口e 后面倒棱刃口 第五节刀具几何参数选择 锋刃 在精加工 精密加工 薄切削刀具上和加工非铁材料 韧性高易粘屑材料 修圆刃口 可转位刀片平棱刃口和副倒棱刃口 结合较大前角在可转位刀片上达到减小切削力 提高加工表面质量和提高生产效率作用 后面倒棱 在切削时起阻尼作用 能抑制振动 图4 20可转位刀具上刃口修磨a 平棱刃口b 负倒棱刃口 第六节切削用量选择 所谓 合理 的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能 功率 扭矩 在保证质量的前提下 获得高的生产率和低的加工成本的切削用量 选择切削用量就是要确定具体切削工序的背吃刀量ap 进给量f 和切削速度Vc 第六节切削用量选择 切削用量的选择原则是 首先选取尽可能大的背吃刀量 其次要根据机床动力和刚性的限制条件 粗加工 或已加工表面的粗糙度的限制条件 精加工 选取尽可能大的进给量 最后确定最佳的切削速度 第六节切削用量选择 一 选择背吃刀量ap粗加工 背吃刀量 根据工序来确定 除留给以后工序的余量外 其余的粗加工余量尽可能一次切除 以便减少走刀次数 即 ap A 第六节切削用量选择 若余量多 表面粗糙度不平 有硬皮等 可将加工余量分二次切除 即 第六节切削用量选择 二 选择进给量f粗加工 在加工工艺系统刚性和强度 机床进给系统强度允许下确定f值 尽可能大 精加工 根据表面粗糙度要求选择f值 见表4 8三 选择切削速度Vc根据刀具寿命确定 第六节切削用量选择