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呆板成立本事根基-3切削与磨削道理-2014-04-30[

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  机械制造技术基础-3切削与磨削原理-2014-04-30[PPT课件]

  第第33章章切削原理 切削原理 本章要点 本章要点 切屑过程 切削力 切削热与切削温度 刀具磨损与刀具寿命 金属切削条件的合理选择 磨削原理 高速切削与磨削 3.13.1 Process ChipForming Process ChipForming 33 Cutting Theory Cutting Theory 3.1.13.1.1 切削的形成过程 切削的形成过程 直角切削 直角切削 没有副刃参加切削,且λ 图3-1直角、斜角自由切削与不自由切削 a)直角切削 b)斜角切削 c)不自由切削 切屑的形成与切离过程切屑的形成与切离过程,,是切削 是切削 层受到刀具前刀面的挤压而产生以 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 滑移为主的塑性变形过程。 45a)正挤压 45b)偏挤压 正挤压:正挤压:金属材料受挤压时 金属材料受挤压时,,最大 最大 剪应力方向与作用力方向约成 剪应力方向与作用力方向约成45 45 偏挤压:偏挤压:金属材料一部分受挤压时 金属材料一部分受挤压时 ,,OB OB线以下金属由于母体阻碍 线以下金属由于母体阻碍,,不不 能沿ABAB线滑移 线滑移, ,而只能沿 而只能沿OM OM线滑移 线滑移 切削:切削:与偏挤压情况类似 与偏挤压情况类似。。弹性变 弹性变 形形剪切应力增大 剪切应力增大,,达到屈服点 达到屈服点产 生塑性变形生塑性变形,,沿沿OM OM线滑移 线滑移剪切应 剪切应 力与滑移量继续增大 力与滑移量继续增大,,达到断裂强度 达到断裂强度 切屑与母体脱离 切屑与母体脱离。 图3-2金属挤压与切削比较 3.1.1 3.1.1 切削的形成过程 切削的形成过程 挤压与切削 挤压与切削 图3-3切屑根部金相照片 刀具切屑 终滑移线 切削的形成过程 切削的形成过程 金属切削变形过程 金属切削变形过程 切削层经塑性变形后,厚度增加,长度缩小,宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。 3.1.23.1.2 切屑变形程度的表示方法 切屑变形程度的表示方法 图3-9切屑与切削层尺寸 厚度变形系数(3-1) 长度变形系数ch (3-2)变形系数 变形系数 0~~3030,,ΛΛ hh 1.5 1.5时, hh与与ε ε相近 相近 εε主要反映第主要反映第变形区 变形区 的变形 的变形,,ΛΛ hh 还包含了第 还包含了第 变形区的影响 变形区的影响。。 图3-10相对滑移系数 cos(sin cos (3-3)相对滑移系数 相对滑移系数 3.1.2 3.1.2 切屑变形程度的表示方法 切屑变形程度的表示方法 10 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l fi 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(积屑瘤) 3.1.3 3.1.3 前刀面上刀 前刀面上刀--削的摩擦与积屑瘤 图3-11切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下,切屑底层与前刀面发生沾接,切屑 与前刀面之间既有外摩擦,也有内摩擦。 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。 fi特点 特点 两个摩擦区 两个摩擦区 11 积屑瘤成因 积屑瘤成因 一定温度、压力作用下,切屑底层与前刀面发生粘接 粘接金属严重塑性变形,产生加工硬化 增大前角,保护刀刃 影响加工精度和表面 粗糙度 滞留—粘接—长大 积屑瘤形成过程 积屑瘤形成过程 积屑瘤影响 积屑瘤影响 切屑 刀具 图3-10 3.1.33.1.3 前刀面上刀 前刀面上刀--削的摩擦与积屑瘤 123.1.4 3.1.4 已加工表面的变形 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。 图3-12已加工表面变形 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。 变形原因 变形原因 变形情况 变形情况 应力分布 应力分布 133.1.5 3.1.5 切屑类型与切屑控制 切屑类型与切屑控制 形成 条件 影响 名称 简图 形态 变形 带状,底面光滑 ,背面呈毛茸状 节状,底面光滑有裂 纹,背面呈锯齿状 粒状 不规则块状颗粒 剪切滑移尚未达 到断裂程度 局部剪切应力达到断 裂强度 剪切应力完全达 到断裂强度 未经塑性变形即 加工塑性材料,切削速度较高, 进给量较小, 刀具前角较大 加工塑性材料, 切削速度较低, 进给量较大, 刀具前角较小 工件材料硬度较 高,韧性较低, 切削速度较低 加工硬脆材料, 刀具前角较小 切削过程平稳, 表面粗糙度小, 妨碍切削工作, 应设法断屑 切削过程欠平稳, 表面粗糙度欠佳 切削力波动较大, 切削过程不平稳, 表面粗糙度不佳 切削力波动大,有 冲击,表面粗糙度 恶劣,易崩刀 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑 表3-1 切屑类型及形成条件 14 切屑类型 切屑类型 带状切屑 挤裂切屑 节状切屑 崩碎切屑 图3-6 切屑形态照片 3.1.5 3.1.5 切屑类型与切屑控制 切屑类型与切屑控制 15 切屑控制 切屑控制 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(图3-7) 图3-7 切屑的卷曲 图3-8 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, 图3-8) 3.1.5 3.1.5 切屑类型与切屑控制 切屑类型与切屑控制 16 3.1.6 3.1.6 硬脆非金属材料切屑形成机理 硬脆非金属材料切屑形成机理 脆性材料切削过程 脆性材料切削过程 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行(图3-13) 图3-13硬脆材料切削过程 a)大规模挤裂(大块破碎切除) c)小规模挤裂(小块破碎切除)d)小规模挤裂(次小块破碎切除) e)重复大规模挤裂(大块破碎切除) 17 3.2 3.2 Cutting Force Cutting Force 33 Cutting Theory Cutting Theory 18 图3-15切削力的分解 3.2.1 3.2.1 切削力的产生与分解 切削力的产生与分解 切削力来源 切削力来源 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力 进给抗力切削力分解 切削力分解 19 3.2.2 3.2.2 切削力与切削功率的计算 切削力与切削功率的计算 切削力经验公式 切削力经验公式 Ff——与工件、刀具材料有关系数; Ff——切削深度a Ff——进给量f 对切削力影响指数; Ff——切削速度Vc 对切削力影响指数; Ff——考虑切削速度、刀具几何参数、 刀具磨损等因素影响的修正系数。 20 FcFc afaf (3-7)单位切削力 单位切削力 切除单位切削层面积的主切削力(令修正系数K Fc ——主运动速度(m/s)。(3-8) PFvKW 切削功率切削功率 3.2.2 3.2.2 切削力与切削功率的计算 切削力与切削功率的计算 21 机床电机功率 机床电机功率 单位切削功率 单位切削功率 ——机床传动效率,通常η=0.75~0.85 (3-10) (3-9)指单位时间切除单位体积V 材料所消耗的功率3.2.2 3.2.2 切削力与切削功率的计算 切削力与切削功率的计算 22 3.2.3 3.2.3 影响切削力的因素 影响切削力的因素 工件材料 工件材料 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; 切削速度对切削 力影响复杂(图3- 16) 强度高 加工硬化倾向大 切削力大 1928 35 55 100 130 切削速度 v(m/min) 981 784 588 图3-16切削速度对切削力的影响 切削用量 切削用量 23 3.2.3 3.2.3 影响切削力的因素 影响切削力的因素 对主切削力影响不大,对吃刀抗力和进给抗力影响显著(κ ,图3-18)图3-17 图3-18主偏角κ 对切削力的影响主偏角κ 3045 60 75 90 200600 1000 1400 1800 2200 刀具几何角度影响 刀具几何角度影响 24 3.2.3 3.2.3 影响切削力的因素 影响切削力的因素 刀具几何角度影响 刀具几何角度影响 对主切削力影响不大,对吃刀抗力和进给抗力影响显著(λ 对主切削力影响不大,对吃刀抗力和进给抗力影响显著(r 其他因素影响其他因素影响 刀具材料:与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦,而影响切削力; 切削液:有润滑作用,使切削力降低; 的影响最为显著 2533 Cutting Theory Cutting Theory 3.3 3.3 Cutting Heat CuttingCutting Heat CuttingTemperature Temperature 26 3.3.1 3.3.1 切削热的产生与传出 切削热的产生与传出 切削热来源 切削热来源 切削过程变形和摩擦所消耗功,绝大部分转变为切削热 切削热由切屑、工件、刀具和 周围介质(切削液、空气)等 传散出去 工件 切屑 刀具 图3-19 切削热的来源与传出 切削热传出 切削热传出 FR(3-12) FR分别为切 削层变形、前刀面摩擦、后刀 面摩擦产生的热量 27 3.3.2 3.3.2 切削温度及分布 切削温度及分布 TJ University 切削温度分布 切削温度分布 切削塑性材料—— 前刀面靠近刀尖处温 度最高。 切削脆性材料—— 后刀面靠近刀尖处温 度最高。 750 刀具 图3-24 二维切削中的温 度分布 工件材料:低碳易切钢; 刀具: =0.38m/s;切削条件:干切削, 预热611C 28 3.3.3 3.3.3 影响切削温度的主要因素 影响切削温度的主要因素 切削用量的影响 的指数。经验公式 (3-12)刀具材料 加工方法 高速钢车削 140~170 0.35~0.45 0.2~0.3 0.08~0.10 铣削 80 150硬质合金 车削 320 (mm/r)0.1 0.41 0.15 0.05 0.2 0.31 0.3 0.26 表3-2 切削温度的系数及指数 29 刀具几何参数的影响 切削温度切削温度 主偏角 主偏角 rr 切削温度切削温度 刀尖圆弧半径对切削温度 刀尖圆弧半径对切削温度 影响很小 影响很小 工件材料的影响 工件材料机械性能工件材料机械性能 切削温度切削温度 工件材料工件材料导热性 导热性 切切 削温度 削温度 (m/min)图3-25 切削速度、工件材料对切削温 度的影响 1—GH131 2—1Cr18Ni9Ti 3—45钢(正火) 4—HT200 刀具材料:YT15;YG8 刀具几何参数: =0.2mm切削用量:a 1030 50 70 90 110 130 400 600 800 1000 刀具磨损的影响切削液的影响 3.3.3 3.3.3 影响切削温度的主要因素 影响切削温度的主要因素 30 33 Cutting Theory Cutting Theory 3.4 3.4 Cutter Wear LifeCutter Wear Life31 3.4.1 3.4.1 刀具磨损形态 刀具磨损形态 正常磨损 前刀面磨损 前刀面磨损 形式:月牙洼 形成条件:加工塑性材 影响:削弱刀刃强度,降低加工质量 后刀面磨损 后刀面磨损 形式:后角=0的磨损面(参数——VB,VB max 较小;VB max 图3-25刀具磨损形态 边界磨损 边界磨损 32 磨粒磨损 ——各种切速下均存在 ——低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损(冷焊) ——刀具材料与工件材料亲和力大 ——刀具材料与工件材料硬度比小 ——中等偏低切速 粘结磨损加剧 扩散磨损 ——高温下发生 化学磨损 ——高温情况下,在切削刃工作边界发生 3.4.2 3.4.2 刀具磨损原因 刀具磨损原因 33 3.4.3 3.4.3 图3-28 刀具磨损过程 初期磨损 正常磨损急剧磨损 切削时间 刀具磨损过程 3个阶段(图3-28) 常取后刀面最大允许磨损量VB 磨钝标准 非正常磨损 破损(裂纹、崩刃、破碎等),卷刃(刀刃塑性变形) 34 3.4.4 3.4.4 刀具使用寿命及其与切削用量的关系 刀具使用寿命及其与切削用量的关系 刀具寿命 刀具寿命((耐用度 耐用度))概念 概念 刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间,用T 表示。 刀具总寿命——一把新刀从投入切削开始至报废为止 的总切削时间,其间包括多次重磨。 2.250.75 (3-15)可见v 的影响最显著;f 次之;a 影响最小。用硬质合金刀具切削碳钢(σ 刀具寿命刀具寿命((耐用度 耐用度))经验公式 经验公式 35 图3-29 不同刀具材料的耐用度比较 硬质合金 (VB=0.4mm) 陶瓷刀具 (VB=0.4mm) 高速钢 刀具耐用度T(min) 1020 30 40 60 800 600 500 400 300 200 100 80 60 50 不同刀具材料寿命不同刀具材料寿命((耐用度 耐用度))比较 比较 3.4.4 3.4.4 刀具使用寿命及其与切削用量的关系 刀具使用寿命及其与切削用量的关系 刀具的破损 刀具的破损 在切削加工中,刀具有时没有经过正常磨损阶段,而 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 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。 是刀具损坏的主要形式之一。 破损是相对于磨损而言的。 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。 刀具的破损形式分为脆性破损和塑性破损。 3.4.5 3.4.5 刀具的破损 刀具的破损 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: 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。 3.4.5 3.4.5 刀具的破损 刀具的破损 1.脆性破损 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。 3.4.5 3.4.5 刀具的破损 刀具的破损 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。 3.4.5 3.4.5 刀具的破损 刀具的破损 可采取以下相应措施防止刀具破损: 可采取以下相应措施防止刀具破损: (2)合理选择刀具几何参数通过选择合适的几何参数,使 切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刃 的有效措施。 (1)合理选择刀具材料用作断续切削的刀具,刀具材料应 具有一定的韧性。 (3)保证刀具的刃磨质量切削刃应平直光滑,不得有缺口 ,刃日与刀尖部位不允许烧伤。 (4)合理选择切削用量防止出现切削力过大和切削温度过高 的情况。 (5)工艺系统应有较好的刚性防止因为振动而损坏刀具。 3.4.5 3.4.5 刀具的破损 刀具的破损 41 规定刀具切削时间,离线检测 常规方法 常规方法 3.4.6 3.4.6 刀具磨损、破损的检测与监控 刀具磨损、破损的检测与监控 通过切削力 通过切削力((切削功率 切削功率))变化幅值 变化幅值,,判断刀具的磨损程 判断刀具的磨损程 度;当切削力突然增大或突然下降很大幅值时 度;当切削力突然增大或突然下降很大幅值时,,则表明 则表明 刀具发生了破损 刀具发生了破损 通过实验确定刀具磨损与破损的 通过实验确定刀具磨损与破损的““阈值 阈值”” 切削力与切削功率检测方法 切削力与切削功率检测方法 切削加工时,切屑剥离,工件塑性变形,刀具与工件之间 摩擦以及刀具破损等,都会产生声发射。正常切削时,声 发射信号小而连续,刀具严重磨损后声发射信号会增大, 而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多,达到正常切 声发射检测方法声发射检测方法 42 3.4.6 3.4.6 刀具磨损、破损的检测与监控 刀具磨损、破损的检测与监控 钻头破损 检测器 图3-30 声发射钻头破损检测装置系统图 交换 机床 控制器 工件 折断 工作台 声发射 传感器 破损信号 43 33 Cutting Theory Cutting Theory 3.5 3.5 Determine CuttingDetermine CuttingParameters Parameters 44 金属切削条件合理选择,主要是根据工件的材料和要 求选择合理的刀具材料、刀具几何参数、切削用量和切削 液,以保证加工精度和表面质量,提高切削生产率,降低 生产成本。 3.5.1 3.5.1 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性:是指工件材料被切削成合格 零件的难易程度。其研究的目的是为了寻找改善材料切削 加工性的途径。 45 衡量工件材料加工性的主要指标 衡量工件材料加工性的主要指标 工件材料切削加工性的好坏,可以用下列的一个或几个指 标衡量。主要指标包括:刀具耐用度T、材料的相对切削加工性 、切削力、切削温度、已加工表面质量、切屑控制和断屑难易 程度。 3.5.1 3.5.1 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性 46 影响工件切削加工性的因素 影响工件切削加工性的因素 (1)金属材料的物理机械性能的影响 材料的硬度高,切削时刀屑接触长度小,切削力和切削 热集中在刀刃附近,刀具易磨损,刀具耐用度低,所以切削 加工性差。材料的强度高,切削时切削力大,切削温度高, 刀具易磨损,切削加工性差。 材料的塑性大,切削中塑性变形和摩擦大,故切削力大 ,切削温度高,刀具容易磨损,切削加工性差。 材料的热导率通过对切削温度的影响而影响材料的加工 性,热导率大的材料,由切屑带走和工件传出的热量多,有 利于降低切削温度,使刀具磨损率减小,故切削加工性好。 3.5.1 3.5.1 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性 47 (2)金属材料化学成分的影响 材料的化学成分影响其切削 加工性,如钢中碳成分影响钢的 机械性能而影响其切削加工性, 此外,钢中的其他合金元素Cr、 Ni、Mo、W、Mn等虽能提高钢的 强度和硬度,但却使钢的切削加 工性降低,在钢中添加少量的S、 P、Pb等,能改善钢的切削加工性 。不同元素对结构钢切削加工性 的影响如右图所示。 3.5.1 3.5.1 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性 48 (3)金属材料热处理和金相组织的影响 金属材料采用不同的热处理,就有不同的金相组织和力学性能,其切削 加工性也就不同。 低碳钢中含的铁素体组织多,其塑性和韧性高,切削时与刀具粘结容易 产生积屑瘤,影响已加工表面质量,故切削加工性差。 中碳钢的金相组织是珠光体和铁素体,材料具有中等强度、硬度和中等 塑性,切削时刀具不易磨损,也容易获得高的表面质量,故切削加工性 淬火钢中的金相组织主要是马氏体,材料的强度硬度都很高,马氏体在钢中呈针状分布,切削时刀具受到剧烈磨损,故切削加工性较差。 灰铸铁中,含有较多的片状石墨,硬度很低,切削时,石墨还能起到润 滑的作用,使切削力减小。 冷硬铸铁中表层材料的金相组织多为渗碳体,具有很高的硬度,很难切 3.5.13.5.1 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性 49 (1)调整化学成分 在不影响工件材料性能的条件下,适当调整化学成分 ,以改善其加工性。如在钢中加入少量的硫、硒、铅、磷 等,虽略降低钢的强度,但也同时降低钢的塑性,对加工 性有利。 (2)材料加工前进行合适的热处理 如低碳钢通过正火处理后,细化晶粒,硬度提高,塑 性降低,有利于减小刀具的粘结磨损,减小积屑瘤,改善 工件表面粗糙度;高碳钢球化退火后,硬度下降,可减小 刀具磨损; 改善材料切削加工性的措施 改善材料切削加工性的措施 3.5.1 3.5.1 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性 50 不锈钢以调质到HRC28为宜,硬度过低,塑性大,工件表面 粗糙度差,硬度高则刀具易磨损;白口铸铁可在950~1000 C范围内长时间退火而成可锻铸铁,切削就较容易。 (3)选加工性好的材料状态 低碳钢经冷拉后,塑性大为下降,加工性好;锻造的坯件 余量不均,且有硬皮,加工性很差,改为热轧后加工性得以 改善。 (4)其它 采用合适的刀具材料,选择合理的刀具几何参数,合理地 制订切削用量与选用切削液等。 3.5.1 3.5.1 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性 改善材料切削加工性的措施 改善材料切削加工性的措施 51 刀具合理几何参数是在保证加工质量的前提下,能使刀 具寿命长、生产效率高、加工成本低的几何参数称刀具合理 几何参数。 刀具几何参数包括刀具角度、刃形、刃区剖面型式和 刀面型式等。 3.5.2 3.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 52 工件材料的强度、硬度低时,可以取较大的甚至很大的前角; 工件材料的强度、硬度高时,应取较小的前角;加工特别硬的 工件(如淬硬钢)时,前角应很小甚至取负值。 加工塑性材料时,易加工硬化,应取较大的前角; 加工脆性材料时,应取较小的前角。 粗加工,特别是断续切削,承受冲击性载荷,尤其对有硬皮的 铸、锻件粗加工时,为保证刀具有足够的强度,应选择较小的 3.5.23.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 增大前角能减小切削变形、切削力,降低切削温度、抑制积屑瘤和鳞刺的生成,改善加工表面质量,但如果前角太大, 则降低刀刃强度和散热条件,加剧刀具磨损。根据下列情况选 择合理的刀具前角。 53 前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。 前角的选用原则: 在刀具强度许可条件下,尽可能选用大前角。 工件材料的强度、硬度低,前角应选得大些,反之小些(如有 色金属加工时,选前角较大); 刀具材料韧性好(如高速钢),前角可选得大些,反之应选得 小些(如硬质合金); 精加工时,前角可选得大些。粗加工时应选得小些。 3.5.2 3.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 54 ((22)后角 后角的主要功用是减小切削过程中刀具后刀面与工件之间的摩擦。 增大后角能减小后刀面与切削表面之间的摩擦,切削刃钝 圆半径rn值越小,切削刃越锋利。后角过大会削弱刀刃的 强度和散热能力。 3.5.2 3.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 55 后角的选用原则: 粗加工以确保刀具强度为主,可在4度-6度范围内选取; 加工以加工表面质量为主,可在αo=8度-12度;工件材料硬度、强度较高时,取较小的后角;工件材质较软 、塑性较大或易加工硬化时,取较大的后角;加工脆性材料 ,切削力集中在刃区附近,宜取较小的后角;但加工特别硬 而脆的材料(如铸造碳化钨、淬硬钢等),在采用负前角的 情况下,必须加大后角。 工艺系统刚性差,容易出现振动时,应适当减小后角;有尺 寸精度要求的刀具,取较小的后角。 3.5.2 3.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 56 (33)主偏角)主偏角 主偏角κr:主偏角的大小影响切削条件(切削宽度和切 削厚度的比例)和刀具寿命。 在工艺系统刚性很好时,减小主偏角可提高刀具耐用度 、减小已加工表面粗糙度,所以κr宜取小值;在工件刚性 较差时,为避免工件的变形和振动,应选用较大的主偏角 粗加工和半精加工,硬质合金车刀一般选用较大的主偏角;加工很硬的材料,如冷硬铸铁和淬硬钢,为减轻单 位长度切削刃上的负荷,改善刀头导热和容热条件,延长 刀具使用寿命,宜取较小的主偏角。 单件小批生产,希望一两把刀具加工出工件上所有的表面 ,一般选用45或90偏刀。 3.5.2 3.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 57 (44)副偏角)副偏角 副偏角κr 影响加工表面粗糙度和刀具强度。其作用是可 减小副切削刃和副后刀面与工件已加工表面之间的摩擦, 防止切削振动。 κr的大小主要根据表面粗糙度的要求选取。通常在不产生 摩擦和振动条件下,应选较小的κr。如车刀、端铣刀、刨 刀,均可选取Κ′=5~10。精加工刀具的副偏角应取得更 小一些,必要时,可磨出一段Κr′=0的修光刃,加工高 强度硬度材料或断续切削时,应取较小的副偏角(Κr′=4 ~6),以提高刀尖强度。切断刀、锯片铣刀和槽铣刀 等,为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小,只能 取很小的副偏角,即Κr′=1~2。 3.5.2 3.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 影响切削力的大小与方向:刃倾角对径向力和轴向力的影响较大。当负刃倾角绝对值增大 时,径向力会显著增大,将导致工件变形和工艺系统振动。 影响刀尖强度和散热条件:负刃倾角可以增强刀尖强度,进而改善散热条件,提高刀具使 用寿命。 ((55)刃倾角 )刃倾角 3.5.2 3.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 影响切屑的流出方向下图所示为外圆车刀主切削刃刃倾 角对切屑流向的影响。当λs=0时,切屑沿主切削刃方向流 出;当λs>0时,切屑流向待加工表面;当λs<0时,切 屑流向已加工表面,容易划伤工件表面。 图4-12 刃倾角对切屑流向的影响 3.5.2 3.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 影响切削刃的锋利程度当45 λs15时,刀具的工作前角和工作后角都随λs的增大而增大,刃倾角λs对实际工作前角的影响如下图所 图4-13刃倾角对实际工作前角的影响 因此,在加工钢件 或铸铁件时,粗车取λs λs=0~5;有冲击负荷或断续切削取λs= -15~-5。加工高 强度钢、淬硬钢或强力 切削时,为提高刀头强 =-30~-10。当工艺系统刚度 较差时,一般不宜采用 负刃倾角,以避免径向 力的增加。 3.5.2 3.5.2 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数的合理选择 最高生产率刀具使用寿命 最高生产率刀具使用寿命 以单位时间生产最多 数量产品或加工单个 产品所消耗的时间最 少来衡量。 换刀时间 ctct 经济刀具使用寿命经济刀具使用寿命 根据每件产品的加工费 为最低的原则制定。 的全厂开支。 单位时间内 磨刀成本, ctct 3.5.33.5.3 刀具使用寿命的选择 刀具使用寿命的选择 最高生产率刀具使用寿命比最低成本耐用度低,一般多 采用经济刀具使用寿命,只有当生产任务紧迫或生产中出现 不平衡的薄弱环节时,才采用最高生产率刀具使用寿命。 选择刀具使用寿命时应该注意几点: 制造刃磨方面:刀具越简单,T取小 装夹调整方面:越复杂,T取大 大型工件:T取大 3.5.3 3.5.3 刀具使用寿命的选择 刀具使用寿命的选择 制订切削用量的就是确定工序中的背吃刀量ap、进给量f、切削速度v以及刀具耐用度的大小。 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,使得切削效 率最高和加工成本最低的切削用量。 制订合理的切削用量,要综合考虑生产率、加工质量和加工成本。 制订切削用量的原则 制订切削用量的原则 3.5.4 3.5.4 切削用量的选择及优化 切削用量的选择及优化 粗加工(Ra=12.5~50μm)时,应尽量用一次走刀就切除全部加工余量。若加工余量太大、工艺系统刚性不足、或 者加工余量极不均匀,可分几次走刀,若二次走刀或多次 走刀时,应将第一次走刀的背吃刀量取大些,一般为总加 工余量的2/3~3/4。而且最后一次走刀的背吃刀量取的 要小一点。 在加工铸、锻件等加工硬化严重的材料时,应尽量使背吃刀量大于硬皮层或冷硬层的厚度,以保护刀尖,避免过早 磨损。 精加工时,背吃刀量的选取应该根据表面质量的要求来选择,尽量取较小值。 3.5.43.5.4 切削用量的选择及优化 切削用量的选择及优化 进给量的选择 进给量的选择 粗加工时,由于工件的表面质量要求不高,合理的进给量应该是工艺系统所能承受的最大进给量。 在半精加工和精加工时,因背吃刀量较小,切削力不大,进给量的选择主要考虑加工质量和已加工表面粗糙度 值,一般取的值较小。 3.5.4 3.5.4 切削用量的选择及优化 切削用量的选择及优化 切削速度的选择 切削速度的选择 粗加工时,在保证一定刀具耐用度的前提下,按背吃刀量-进给量-切削速度顺序选择最佳值。精加工时,采用 专门的精加工刀具,选用微小的进给量和背吃刀量将工 件加工到最终质量要求,为避免积屑瘤,硬质合金刀具 切削速度较高,而高速钢刀具切削速度较低。 3.5.4 3.5.4 切削用量的选择 切削用量的选择 1.从工件材料方面考虑从工件材料方面考虑 切削普通结构钢等塑性材料时,可采用切削液,加工铸 铁等脆性材料时,可以不用切削液。切削加工铜、铝及其合 金不能用含硫的切削液。 2.从刀具材料方面考虑从刀具材料方面考虑 高速钢刀具粗加工时,应选用以冷却作用为主的切削液, 主要目的是降低切削温度;硬质合金刀具粗加工时,可以不用 切削液,必要时也可以来用低浓度的乳化液或水溶液,但必须 连续地、充分地浇注,否则刀片会因冷热不均而产生裂纹。 3.5.5 3.5.5 切削液的合理选用 切削液的合理选用 从加工要求方面考虑从加工要求方面考虑 粗加工时,要求降低切削温度,应选用冷却性能为主的切削 精加工时,切削液的主要作用是减小工件表面粗糙度和提高加工精度。对一般钢件加工时,切削液应具有良好的渗透性 、润滑性和一定的冷却性,宜选用切削油或10%~12%极压 乳化液。 低速切削时,刀具以机械磨损为主,宜选用以润滑性能为主 的切削油; 在较高速度切削时,刀具主要是热磨损,要求切削液有良好 的冷却性能。 3.5.5 3.5.5 切削液的合理选用 切削液的合理选用 从加工方法方面考虑从加工方法方面考虑 铰削、拉削、螺纹加工、剃齿、滚齿、插齿等工序的 加工刀具与已加工表面摩擦严重,刀具价格昂贵,要求刀 具使用寿命长,可选用润滑性能好的极压切削油。 磨削加工钢材时,温度较高,工件容易烧伤,还会产 生大量的碎屑。这些碎屑连同脱落的砂粒会已加工表面, 因此要求切削液应具有良好的冷却和清洗作用,常用乳化 液或水溶液切削液。 3.5.5 3.5.5 切削液的合理选用 切削液的合理选用 70 33 Cutting Theory Cutting Theory 3.6 3.6 High Speed Theory High Speed Theory 砂轮工作表面的形貌特征 砂轮工作表面的形貌特征 1)磨粒在砂轮工作表面上是随机分布的; 2)每一颗磨粒的形状和大小都是不规则的。 3.6.1 3.6.1 磨削过程切屑形成机理 磨削过程切屑形成机理 砂轮工作表面的形貌特征 砂轮工作表面的形貌特征 3.6.1 3.6.1 磨削过程切屑形成机理 磨削过程切屑形成机理 73 磨屑形成过程 磨屑形成过程 弹性变形:磨粒在工件表面滑擦而过,不能切入 工件 塑性变形:磨粒切入工件,材料向两边隆起,工 件表面出现刻痕(犁沟) ,但无磨屑产生 切削:磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数 具体到每个磨粒,不一定三个阶段均有 图3-40 磨屑形成过程 a)平面示意图 b)截面示意图 3.6.1 3.6.1 磨削过程切屑形成机理 磨削过程切屑形成机理 外圆纵磨时,磨削力F可分为相互垂直的三个分力:主磨削力Fc(沿砂轮切向的切向磨削力)、背向力Fp(沿砂轮 径向的径向磨削力)和进给力F (沿砂轮回转轴线 磨削力及磨削功率 磨削力及磨削功率 由于磨料几何形状的随机性和几何参数的不合理,单位磨削力值Kc可达7-20KN/mm 以上,远远高于其他切削加工的单位切削力。 在磨削力的构成中,材料剪切所占的比重较小,而摩擦所占的比重较大,可达70%~80%。 3.6.2 3.6.2 磨削力及磨削功率 磨削力及磨削功率 砂轮速度Vc——增大,磨粒数量增大,切削厚度减小,磨削力减小 工件速度Vw和轴向进给量——增大,磨去金属量增大,磨削力增大 砂轮——磨损,磨削力增大3.6.2 3.6.2 磨削力及磨削功率 磨削力及磨削功率 影响磨削力的因素 影响磨削力的因素 磨削的三个阶段: 磨削的三个阶段: 光磨阶段: 进给停止,由于工艺系 统弹性恢复,实际磨削 深度并不为零,增加磨 削次数,磨削深度逐渐 趋于零,工件的精度和 表面质量逐渐提高。 稳磨阶段:实际磨削深度等于进给量。 初磨阶段: 由于工艺系统弹性变形,实际磨削深度小于进给量。 3.6.2 3.6.2 磨削力及磨削功率 磨削力及磨削功率 磨削功率 磨削功率 磨削时,砂轮速度很高,所以功率消耗很大。主运动所消耗的功率Pm为: 75KW 3.6.23.6.2 磨削力及磨削功率 磨削力及磨削功率 磨粒磨削点温度θdot——1000C左右3.6.3 3.6.3 磨削温度 磨削温度 –磨粒磨削点温度:指磨粒切削刃与切屑接触部分的温度 ,是磨削中温度最高的部位,其值可达1000左右,是 研究磨削刃的热损伤、砂轮的磨损、破碎和粘附等现象 的重要因素。 –砂轮磨削区的温度:是砂轮与工件接触区的平均温度, 一般约有500~800,它与磨削烧伤和磨削裂纹的产生 有密切关系。 –工件平均温度:指磨削热传入工件而引起的工件温升, 它影响工件的形状和尺寸精度。在精密磨削时,为获得 高的尺寸精度,要尽可能降低工件的平均温度并防止局 部温度不均。 磨削温度分类 磨削温度分类 3.6.3 3.6.3 磨削温度 磨削温度 1)磨削用量对磨削温度的影响 随着径向进给量的增大,单颗磨料的切削深度增大,产生的热量增多,磨削温度升高; 随着工件速度V的增大,单位时间内进入磨削区的工件材料增加,单颗磨料的切削深度增大,磨削温度升高;但从热量传递的 方面分析,工件表面被磨削点与砂轮的接触时间缩短,工件上受 热影响区的深度较浅,可以有效防止工件表面层产生磨削烧伤和

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