第四章切削基本理论的应用

第四章切削基本理论的应用第四章切削基本理论的应用第一节切屑控制一、切屑形状的分类二、切屑的流向和折断1．切屑的流向A点：主切削刃切削的终了点B点：副切削刃切削的终了点vch：切屑流速，方向垂直A、B点的连线流屑角ηc：vch流向与正交平面夹角影响流屑方向的主要参数：刀具刃倾角λs-λs：切屑流向已加工表面+λs：切屑流向待加工表面主偏角κrκr=90°时，切屑流向是偏向已加工表面前角γo-γo切屑易流向加工工件一侧2．切屑的折断有利于断屑的因素：切屑厚度hch↑,切屑卷曲半径ρ↓及切屑材料的极限应变值εb↓如：断屑槽宽度LBn↓，刀-屑接触长度l↑和断屑台高度hBn↑都可ρ↓，并有利断屑三、断屑措施1．作出断屑槽1）断屑槽的型式影响断屑效果的主要参数是：槽宽LBn和槽深hBn2）断屑槽的位置及刃倾角的作用：外倾式：-λs,切屑易折小段，并流向已加工表面平行式：λs=0,切屑呈较短盘螺旋状，并碰在加工表面上折断内斜式：+λs,使切屑流向刀具后刀面而折断2．改变切削用量f↑，使切屑厚度hch↑，在切屑较易折断。ap↑对断屑作用不大，只有当同时↑f时，才能有效地断屑。切削速度对断屑影响较小3．其它断屑方法(1)固定附加断屑挡块(2)采用间断切削(3)切削刃上开分屑槽第二节工件材料的切削加工性工件材料切削加工性:是指在一定的加工条件下工件材料被切削的难易程度一、切削加工性指标1．加工材料的性能指标材料加工性能难易程度主要决定于材料结构和金相组织，及具有的物理和力学性能例45钢1Cr18Ni9Ti3．刀具寿命指标用刀具寿命高低来衡量被加工材料切削的难易程度。V60,V20来表示2．相对加工性指标以切削45钢，刀具寿命T=60分钟的切削速度作为标准，将某种材料的v60与其相比的比值，即60060vvKr（4-1）600v二、常用材料切削加工性简述（一）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，但其切削性比灰铸铁要好工件表面若有硬皮应进行退火处理（二）碳素结构钢碳素结构钢切削加工性取决于含碳量。低碳钢硬度低，塑韧性高，变形大，断屑难，粘屑，加工表面粗糙，加工性较差；高碳钢硬度高，塑性低及热导率低，切削力大，温度高，刀具耐用度低，加工性差；中碳钢性能适中，加工性良好。(三)合金结构钢在碳素结构钢中加入合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，提高了结构钢的性能，其加工性也随着变化。(四)难加工材料1．高强度合金钢高强度合金钢是含合金的结构钢，经过热处理均有较好综合性能金相组织多为马氏体，通常应在退火状态下切削切削高强度钢应选用高的耐热性、耐磨性和耐冲击的刀具材料2．不锈钢切削时的塑性变形大，故切削力大，切削温度高，加工硬化程度高，易与刀具中合金元素亲合，产生粘屑并易形成积屑瘤。断屑困难。刀具上温度高、导热差，使刀具产生粘结磨损和扩散磨损。切削不锈钢应选用高的耐热性、强度和耐磨的刀具材料。3．高锰钢高锰钢的锰质量分数高达(11％～14％)强度和硬度均较高，在切削时晶格滑移和晶粒扭曲及伸长变形严重，故加工硬化很严重韧性和伸长率均很高，故切削力大，切屑不易折断热导率小，切削温度高切削高锰钢可选用耐磨性和韧性较高的硬质合金刀具4．钛合金具有高的硬度和强度，导热性差；是高度活泼的金属塑性变形小,屑与刀面间接触长度短，刀尖处受力大、温度集中；弹性复原大，后刀面上粘屑严重刀具易产生粘结磨损和破损刀具易产生粘结磨损和扩散磨损，刀尖又易破损切削钛合金刀具应选用亲合力小、导热性好、强度高的含钴量多、细晶粒和含稀有金属的硬质合金材料5．其它难加工材料加工性特点简介镍基高温合金----热导率低，切削力大，切削温度高，加工硬化严重，切削时刀具上粘屑严重。淬火钢和硬质合金----硬度高、塑性低、热导率小，切削时冲击力大，切削温度集中刀尖区域，刀具磨损快、破损严重。冷硬铸铁和高硅铝合金----硬度均很高、性脆，材料中分布着硬质点，耐磨性高，切屑呈崩碎状，刀刃刀尖处受冲击力大，刀具产生磨粒磨损和破损。工程陶瓷----具有高的硬度2500～3000HV、很高耐磨性和耐热性，性脆。三、改善材料切削加工性途径(一)调剂工件材料中化学元素和进行热处理1.调整材料的化学成分钢中加硫、铅等元素；铸铁中加入铝、铜合金元素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，降低硬度,降低表皮硬度，消除内应力(二)合理选用刀具材料•高强度、超高强度钢，益选用耐磨性强的刀具材料•高锰钢，应选用硬度高、有一定韧性、导热系数较大、高温性能好的刀具材料•冷硬铸铁，应选用硬度、强度都好的刀具材料•纯金属，可以用高速钢刀具，也可以用硬质合金刀具•不锈钢和高温合金，一般宜采用YG类硬质合金•钛合金，宜采用YG类合金(三)其它措施1．合理选择刀具几何参数2．保持切削系统的足够刚性3．选用高效切削液及有效浇注方式4．采用新的切削加工技术第三节切削液的选用一、切削液作用1．冷却作用↓热的产生；将热量带走。冷却性能的好坏取决于本身导热系数、比热、汽化热及流量、流速、冷却方式等。2．润滑作用摩擦干摩擦流体润滑摩擦边界润滑摩擦低温低压边界润滑高温边界润滑高压边界润滑高温高压边界润滑即极压润滑4．防锈作用3．排屑和洗涤作用物理吸附膜，化学吸附膜排屑和洗涤性能的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关切削液中加入防锈添加剂，使与金属表面起化学反应形成保护膜，起到防锈、防蚀作用。当金属切削中产生碎屑(如切铸铁)或磨粉(如磨削)时，要求切削液具有良好的清洗作用及排屑和洗涤作用二、切削液种类及其应用以冷却为主的水溶性切削液和以润滑为主的油溶性切削液(一)水溶性切削液1．水溶液以软水为主加入，各种添加剂，具有较好的冷却效果。常用于粗加工和普通磨削加工中2．乳化液是水和乳化油混合后再经搅拌，形成的乳白色液体。根据配制比的不同，可适合于各种加工方式3．合成切削液是由水、各种表面活性剂和化学添加剂组成，它具有良好的冷却、润滑、清洗和防锈作用，热稳定性好，使用周期长等特点。(二)油溶性切削液1．切削油切削油中有矿物油、动植物油和复合油(矿物油和动植油的混合油)2．极压切削油是在矿物油中添加氯、硫、磷等极压添加剂配制而成氯化切削油主要含氯化石腊、氯化脂肪酸等；适用于切削合金钢、高锰钢、不锈钢和高温合金等难加工材料的车、铰、钻、拉、攻螺纹和齿轮加工。是在矿物油中加入含硫添加剂(硫化鲸鱼油、硫化棉籽油等)；能耐高温•硫化切削油•磷化切削油(三)固体润滑剂二硫化钼(MoS2)用的最多第四节已加工表面质量标志表面粗糙度表层硬化程度表层微裂纹表层残余应力表层金相组织一、已加工表面层质量简介1．加工硬化金属材料在再结晶温度以下塑性变形时，强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象，称为加工硬化，又称冷作硬化。产生的原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长，破碎和纤维化，阻碍金属进一步塑性变形，而使金属强化。2．表层残余应力由于受到工艺过程的影响，在没有外力作用的情况下，在零件内部所残存的应力叫做残余应力。残余拉应力产生裂纹，疲劳强度；残余压应力疲劳强度产生的原因:1．热塑变形效应切削后，表层收缩受到里层的阻碍，因而表层存在拉应力，里层存在压应力。2．里层金属弹性的恢复切削后，里层弹性变形便趋向复原，但受到表层金属的牵制，因而在表层造成应力状态。3．表层金属在切削热的作用下发生相变表层出现压应力，而里层存在拉应力3．表层微裂纹切削过程中切削表面在外界摩擦、积屑瘤和鳞刺等因素作用以及在表面层内受应力集中或拉应力等影响下，造成已加工表层产生微裂纹4．表层金相组织切削时由于切削参数选用不当或切削液浇注不充分，会造成加工表面层的金相组织变化，影响被加工材料原有性能。二、表面粗糙度的形成1．理论粗糙度rrRRdbadfcotcotmaxmaxrrfRcotcotmax当rε=0时，粗糙度值为Rmax当rε0时，粗糙度值为RmaxrffrrR8)2(222max(4-2)(4-3)2．实际粗糙度实际粗糙度是在理论粗糙度上叠加着非正常因素，例如：积屑瘤、鳞刺、刀具磨痕和切削振纹等附着物和痕迹，因此，增大了残留面积的高度值。(1)积屑瘤和鳞刺影响积屑瘤：鳞刺：在已加工表面上垂直于切削速度方向会产生突出的鳞片状毛刺，通常称作鳞刺。(2)刀具磨损影响缺陷均会复映在已加工表面上形成较均匀沟痕。(3)振动影响切削时工艺系统的振动，不仅明显加大工件表面粗糙度，严重时会影响机床精度和损坏刀具。三、影响表面粗糙度因素(一)切削用量影响1．切削速度vc低速，易形成积屑瘤和鳞刺；中速，积屑瘤最大；高速，可获得较小表面粗糙度2．进给量f进给量f越小，残留面积高度Rmax越小；进给量太小，硬化严重(二)刀具几何参数影响1．前角γo前角γo↑，表面粗糙度↓，但γo太大，会削弱刀具强度和减小散热体积，加速刀具磨损。应在刀具强度和刀具寿命许可条件下，尽量选用大的前角γo。2．后角αoαo↑，硬化和鳞刺↓，切削刃钝圆半径↓，表面粗糙度↓。3．主偏角κr、副偏角κr′和刀尖圆弧半径rεκr↓、κr′↓和rε↑，表面粗糙度↓。前角，主偏角，副偏角不同组合对表面粗糙度波形的影响(三)刀具材料影响刀具材料对加工表面质量的影响，主要决定于它们与加工材料间摩擦系数、亲合程度、材料的耐磨性和可刃磨性。(四)切削液影响低速切削时影响显著，高速时影响较小第五节刀具几何参数的合理选择刀具几何参数主要包括：刀具角度、前面与后面型式、切削刃与刃口形状等。一、前角的选择(一)前角的作用γ0↑→变形程度↓→F↓→θ↓→T↑振动↓质量↑刀刃和刀头强度↓散热面积容热体积↓断屑困难在一定的条件下，存在一个合理值(二)前角选择原则1．根据被加工材料选择加工塑性材料、软材料时前角大些；加工脆性材料、硬材料时前角小些。2．根据加工要求选择精加工的前角较大；粗加工和断续切削的前角较小；加工成形面前角应小3．根据刀具材料选择高速钢刀具的抗弯强度和抗冲击韧性高，可选取较大前角；硬质合金刀具的抗弯强度较低，前角较小；陶瓷刀具的抗弯强度是高速钢的1/2～1/3，故前角应更小些。二、后角的选择1.后角的作用α0↑→rn↓锋利、lα↓摩擦F↓→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在摩擦不严重的情况下，选取较小后角，具体考虑加工条件为：1）根据加工精度选择精加工时，后角取较大值；粗加工时，后角取较小值。2）根据加工材料选择三、副后角αo'选择副后角选择原则与主后角基本相同四、主偏角κr选择1.主偏角的作用κr↑→hD↑bD↓→单位刃长负荷↑→T↓刀尖强度↓散热体积↓，Ra↑Fp↓→变形↓加工精度↑，不易振动→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1)根据加工材料选择加工高强度、高硬度、热导率小和表面有硬化层的材料，应选取较小主偏角。2）根据加工工艺系统刚性选择在加工工艺系统刚性不足的情况下，为减小背向力Fy，减少振动，应选用较大主偏角，一般取κr=60°～75°。3）根据加工表面形状要求选择在车细长轴、阶梯轴时，选κr=90°；用于车外圆、车端面和倒角时，κr=45°。五、副偏角的选择1.副偏角的作用副偏角的主要作用是形成已加工表面。副偏角↓→Ra↓刀尖强度↑散热体积↑副刃工作长度↑→摩擦↑Fp↑易振动→Ra↑，T↓在一定条件下，存在一合理值。系统刚性好，取较小值；刚性差，取较大值,参考表4-7。2.合理副偏角的选择原则(1)一般刀具的副偏角，在不引起振动的情况下，可选