工业生产过程8刀具几何参数与切削用量选择

2014-10-18工业生产过程刀具几何参数与切削用量选择ZZQ2014-10-18本节课内容：刀具几何参数的相关问题工件材料切削加工性切削用量选择高速加工概述2014-10-18今天的课程学完后，预期学习结果：熟悉刀具各几何参数的意义及其选择方法；掌握工件材料切削加工性的概念；了解衡量工件材料切削加工性的指标；熟悉影响工件材料切削加工性的因素；了解切削用量的选择方法；了解高速加工的发展。2014-10-18CDIO相关能力在今天课程中的培养：应用基础科学知识与工程基础知识，实行工程推理并解决问题；通过工件材料切削加工性问题和刀具合理几何参数、切削用量的选择方法，提高在企业和社会环境中，完成设计实施过程和零件制造过程的各种具体能力；通过对高速加工发展过程的思考，提高批评性思维能力；对各项学习任务进行合理的时间安排，有效高质量地完成。2014-10-18刀具几何参数的选择刀具几何参数可分为两类，一类是刀具角度参数，另一类是刀具刃型尺寸参数。各参数之间存在着相互依赖、相互制约的作用，因此应综合考虑各种参数，以便进行合理的选择。虽然刀具材料的优选对于切削过程的优化具有关键作用，但是，如果刀具几何参数的选择不合理也会使刀具材料的切削性能得不到充分发挥。在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几何参数。2014-10-18选择刀具几何参数应考虑的因素工件材料要考虑工件材料的化学成分、制造方法、热处理状态、物理和机械性能(包括硬度、抗拉强度、延伸率、冲击韧性、导热系数等)，还有毛坯表层情况、工件的形状、尺寸、精度和表面质量要求等。刀具材料和刀具结构考虑刀具材料的化学成分、物理和机械性能(包括硬度、抗弯强度、冲击值、耐磨性、热硬性和导热系数)，还要考虑刀具的结构形式，如整体式，还是焊接式或机夹式。具体的加工条件考虑机床、夹具的情况，工艺系统刚性及功率大小，切削用量和切削液性能等。2014-10-18前面的选择前刀面型式：有平面型、曲面型和带倒棱型三种(如下页图)。平面型前刀面：制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高。曲面型前刀面：起卷刃作用，并有助于断屑和排屑。故主要用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具。如丝锥、钻头。带倒棱型前刀面：是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施。2014-10-18前刀面型式2014-10-18后面的型式双重后面为保证刃口强度，减少刃磨后面的工作量，常在车刀后面磨出双重后角，如下页图a所示。消振棱为了增加后面与过渡表面之间的接触面积，增加阻尼作用，消除振动，可在后面上刃磨出一条有负后角的倒棱，称为消振棱（下页图b）。其参数为倒棱=0.1～0.3mm，负后角=－5°～－20°。刃带对一些定尺寸刀具（如钻头、绞刀等），为便于控制刀具尺寸，避免重磨后尺寸精度的变化，常在后面上刃磨出后角为0°的小棱边，称为刃带(下页图c)。2014-10-18后面型式2014-10-18过渡刃的型式在主切削刃与副切削刃之间有一条过渡刃，如图所示。过渡刃有直线过渡刃和圆弧过渡刃两种。过渡刃的作用是提高刀具强度、延长刀具耐用度，降低表面粗糙度。(a)直线刃(b)圆弧刃(c)平行刃(d)大圆弧刃2014-10-18思考教科书P106习题2-18：2014-10-18前角的选择前角的功用：前角影响切削过程中的变形和摩擦，同时还影响刀具的强度前角的选用原则：在刀具强度许可条件下，尽可能选用大的前角。下表为硬质合金车刀前角的合理值。2014-10-18前角的选择2014-10-18思考最大的前角可选到多大？2014-10-18后角（副后角）的选择后角的功用：后角αo的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。后角同时还影响刀具的强度。后角的选用原则：增大后角(副后角)，可减轻刀具后面与过渡表面之间的摩擦，使刀具磨损减小，寿命提高。故后角不能取负值。增大后角，还可使切削刃更锋利，有利于改善加工表面质量。但后角过大，刀具的楔角会太小，刃区强度降低，散热效果减小，刀具磨损加快，反而会使刀具耐用度降低。因此，后角也存在一个合理值。粗加工以确保刀具强度为主，可在4o～6o范围内选取；精加工以加工表面质量为主，常取8o～12o。下页表为硬质合金车刀后角的合理值。2014-10-18硬质合金车刀后角的合理值2014-10-18后角（副后角）的选择2014-10-18思考安装后角为零的车刀时，若刀刃高于车床中心高，会有什么问题？2014-10-18主偏角和副偏角的功用影响已加工表面的残留面积高度减小主偏角和副偏角，可以减小已加工表面粗糙度，特别是副偏角对已加工表面粗糙度影响更大。影响切削层形状主偏角直接影响切削刃工作长度和单位长度切削刃上的切削负荷。在切削深度和进给量一定的情况下，增大主偏角，切削宽度减小，切削厚度增大，切削刃单位长度上的负荷随之增大。影响切削分力的大小和比例关系增大主偏角可减小背向力Fp，但增大了进给力Ff。影响刀尖角的大小主偏角和副偏角共同决定了刀尖角εr，故直接影响刀尖强度、导热面积和容热体积。影响断屑效果和排屑方向增大主偏角，切屑变厚变窄，容易折断。2014-10-18主偏角、副偏角的选择主偏角的选择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。副偏角的选择一般情况下，选取较小的副偏角，以减小副切削刃和副后刀面与工件已加工表面之间的摩擦和防止切削振动。2014-10-18思考在车床上加工细长轴，应选用什么样的车刀？2014-10-18主偏角的选择2014-10-18副偏角及过渡刃的选择2014-10-18刃倾角的功用2014-10-18刃倾角的功用2014-10-18刃倾角的功用2014-10-18刃倾角λs选用刃倾角λs主要影响刀头的强度和切屑流动的方向（见图）。刃倾角λs选用原则：主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。粗加工时，为提高刀具强度，λs取负值；精加工时，为不使切屑划伤已加工表面，λs常取正值或0。2014-10-18思考刀具刃倾角是否为零与齿轮传动中的直齿轮、斜齿轮传动有没有可相互比对之处？2014-10-18刀具几何参数的选择实训题目在普通卧式车床上用反向进给法车削45钢细长轴，刀具牌号为YT15，加工时使用跟刀架和弹性顶尖，试确定刀具的几何参数。实训过程分析加工特点，根据加工特点选择合理的刀具几何参数。工件材料为45钢，加工性能好，细长轴的加工特点是刚性差，加工过程易产生弯曲和振动，因此要尽量减小背向力。2014-10-18具体分析和选择取γo=28°～30°，κr＝75°减小背向力；由于前角较大，为增加刃口的强度，应修磨出负倒棱，取br1=0.5～1.0mm,γo1=-10°。后角和刃倾角不能太大取αo＝6°、λs=3°。由于主偏角较大，为增强刀尖的强度，采用修圆刀尖，取rε＝1.5～2mm。为保证断屑可靠，前刀面应磨出宽LBn=4～6mm，圆弧半径rBn=2.5mm的卷屑槽。2014-10-18衡量工件材料切削加工性的指标2014-10-182014-10-182014-10-18思考教科书P105习题2-15:2014-10-18影响材料的切削加工性的因素2014-10-18影响材料的切削加工性的因素2014-10-18影响材料的切削加工性的因素2014-10-18改善工件材料切削加工性的途径要改善工件材料的切削加工性，可通过热处理方法，改变材料的金相组织和物理力学性能；也可通过调整材料的化学成分等途径；还可以通过使用配伍的刀具。生产实际中，热处理是常用的处理方法。2014-10-18切削用量的选择切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能（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。切削用量选择原则：能达到零件的质量要求（主要指表面粗糙度和加工精度）并在工艺系统强度和刚性允许下及充分利用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下选取一组最大的切削用量。2014-10-18确定切削用量时考虑的因素1）生产率2）机床功率3）刀具寿命（刀具耐用度T）4）加工表面粗糙度2014-10-18制订切削用量的原则粗加工时，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，则以保证加工质量为前提，并兼顾切削效率、经济性和加工成本。下页表为在上述限制条件下制订的粗车进给量。2014-10-182014-10-18在半精加工和精加工时，进给量主要受到表面粗糙度的限制，下表为按照表面粗糙度制订的进给量。2014-10-18提高切削用量的途径采用切削性能更好的新型刀具材料；在保证工件机械性能的前提下，改善工件材料的加工性；改善冷却润滑条件；改进刀具结构，提高刀具制造质量。2014-10-18切削用量的选择实训题目有一轴，加工精度要求为9级；表面粗糙度为Ra3.2μm，材料为45号热轧钢，σb＝0.637GPa,毛坯尺寸为Φ50mm×350mm,加工尺寸为Φ44mm×300mm。在普通卧式车床CA6140上加工，使用焊接式硬质合金YT15车刀，刀杆截面尺寸为16×25mm；几何参数：γo=15°,αo＝8°,κr＝75°,κr′＝10°,λs=6°,rε＝1mm,br1=0.3mm,γo1=-10°。其加工方案为：粗车－半精车。试确定1.粗车和半精车时合理的切削用量；2.若要磨削外圆，试确定磨削加工时的砂轮和切削液。2014-10-18切削用量的选择实训过程根据加工要求，选择切削用量（参考有关工艺手册）。解：1粗车(1)确定背吃刀量ａｐ毛坯余量单边为3mm，粗车取ａｐ＝2.5mm。(2)确定进给量f根据工件材料、刀杆截面尺寸、工件直径及背吃刀量，从上面表中查得f＝0.4～0.5mm/r。按机床说明书中实有的进给量，取f＝0.51mm/r。2014-10-18切削用量的选择实训过程(3)校验进给机构强度查有关工艺手册得单位切削力kc=1962N/mm2,进给量对单位切削力的影响修正系数kfkc=0.925,求得切削力为Fc=kcａｐfkfkc=1962×2.5×0.51×0.925N=2314N查有关手册得,当rε＝1mm时,krεFf=0.81;当κr＝75°时，Ff/Fc=0.5，故进给力为Ff=(Ff/Fc)FckrεFf=0.5×2341×0.81(N)=948.1(N)从机床说明书中查得机床进给机构允许的进给抗力为Ffmax=3528N。故机床进给机构强度足够，所选进给量（f＝0.51mm/r）可以使用。2014-10-18切削用量的选择实训过程(4)确定切削速度查上面表得vc=90m/min。计算机床主轴的转速为：按机床说明书选取实际的机床转速为560r/min，此时的实际切削速度为2014-10-18切削用量的选择实训过程(5)校验机床功率从说明书上可知,该机床电机的功率为7.8kW，取机床效率＝0.8，则此时该机床允许的最大切削速度(按前述公式)为：2014-10-18切削用量的选择实训过程半精车(1)确定背吃刀量ap=0.5mm。(2)确定进给量精加工和半精加工应根据表面粗糙度值来选，由于要求的表面粗糙度为Ra3.2um，＝1mm，查表2.6（预估切削速度vc＞50m/min）得f＝0.3～0.35mm/r。按机床说明书中实有的进给量，取f＝0.3mm/r。(3)确定切削速度根据已知条件和已确定的ap和f值，查上面表得vc=130m/min。算出机床转速：2014-10-18切削用量的选择实训过程按机床说明书选取机床实际转速