金属切削第四章切削基本原理的应用

第四章切削基本理论的应用第一节切屑控制第二节工件材料的切削加工性第四节已加工表面质量第三节切削液的选用第五节刀具几何参数的合理选择第六节切削用量的合理选择第七节现代切削新技术简介第一节切屑控制一、切屑形状的分类根据ISO规定、并由我国生产工程学会切削专业委员会推荐的国标GB/T16461—1996的规定，切屑的形状与名称分为八类，见表4-1。二、切屑的流向和折断1.切屑的流向1）控制切屑的流向是为了使切屑不损伤加工表面，便于对切屑处理，使切削顺利进行。2）影响流屑方向的主要参数：刀具刃倾角、主偏角、前角。3）-λs使切削流向已加工面;+λs使切屑流向待加工面。4）车刀主偏角kr=90°时，切削流向已加工表面。使用负前角-γ0刀具，切削易流向加工工件一侧。图4-1图4-2刃倾角对切屑流向的影响a)-b)+2.切屑的折断图4-3切屑折断原理a)切屑受力后卷曲b)影响卷曲半径参数c)断屑槽尺寸切屑经第I、第II变形区的严重变形后，硬度增加，塑性降低，性能变脆。当切屑经变形自然卷曲或经断屑槽等障碍物强制卷曲产生的拉应变超过切屑材料的极限应变值时，切屑即会折断。当切屑厚度hch增加，切屑卷曲半径ρ减小，切屑材料的极限应变值εb小，切屑易折断。因此凡影响hch、ρ及εb的因素，都有可能影响断屑。三、断屑措施1.作出断屑槽分为：折线形、直线圆弧型和全圆弧形。图4-4断屑槽型式a)折线型b)直线圆弧型c)全圆弧型图4-5断屑槽位置及刃倾角作用a)外倾式b)平行式c)内斜式位置形式：外倾式、平形式、内斜式。表4-2(单位：mm)进给量f/mm·背吃刀量ap/mm断屑槽宽低碳钢中碳钢合金钢工具钢0.2～0.50.3～0.50.3～0.61～32～53～63.2～3.53.5～4.04.5～5.02.8～3.03.0～3.23.2～3.52.改变切削用量在切削用量参数中，对断屑影响最大的是进给量f，其次是背吃刀量ap，最小为切削速度vc。进给量增大，使切屑厚度hch增大，当受到碰撞后切屑容易折断。背吃刀量增大时对断屑影响不明显，只有当同时增加进给量时，才能有效地断屑。3.其他断屑方法（1）固定附加断屑挡块在刀具前刀面上，固定着可调距离和角度的挡块，能达到稳定断屑，不足之处是减小了出屑空间且易被切屑阻塞。（2）采用间断切削采用断续切削或振动切削方式，获得断屑或使切削厚度周期性变化和切屑截面积变化，致使狭小截面处应力集中，强度减弱，达到断屑目的。（3）切削刃上开分屑槽这是较为常见的方法。工件材料的切削加工性：在一定的加工条件下工件材料被切削加工的难易程度。一、切削加工性指标1.加工材料的性能指标材料加性能难易程度主要取决于材料结构和金相组织，及所具有的物理和力学性能，其中包括材料硬度HBW、抗拉强度σb、伸长率δ、冲击韧度αK和热导率κ。通常按数值的大小来划分加工性等级，见表4-3。第二节工件材料的切削加工性表4-3工件材料切削加工性分级表切削加工性易切削较易切削较难切削难切削等级代号0123456789硬度HBW≤5050～100100～150150～200200～250250～300300～350350～400400～480480～635635HRC14～24.824.8～32.332.3～38.138.1～4343～5050～6060抗拉强度/GPa≤0.1960.196～0.4410.441～0.5880.588～0.7840.784～0.980.98～1.1761.176～1.3721.372～1.5681.568～1.7641.764～1.961.96～2.452.45表4-3工件材料切削加工性分级表伸长率δ×100≤1010～1515～2020～2525～3030～3535～4040～5050～6060～100100冲击韧度/kJ·≤196196～392392～588588～784784～980980～13721372～17641764～19621962～24502450～29402940～3920热导率κ/W·m·418.68～293.08293.08～167.47167.47～83.7483.74～62.8062.80～41.8741.87～33.533.5～25.1225.12～16.7516.75～8.378.372.相对加工性指标在切削45钢时刀具寿命T=60min的切削速度V060作为标准，在相同的切削条件下，切削其他材料的V60与V060的比值Kr称为相对加工性能指标。当Kr＞1时，表示该材料比45钢易切削；当Kr＜1时，表示该材料比45钢难切削。3.刀具寿命指标用刀具寿命长短来衡量被加工材料切削的难易程度。二、常用材料切削加工性简述（一）铸铁变形小，切削力小，切削温度低，崩碎屑，有微振，表面粗糙度差。应对措施：适当减小刀具前角和降低切削速度。（二）碳素结构钢低碳钢硬度低，塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，易产生粘屑和积削瘤，断屑困难，不易达到小表面粗糙度，加工性较差。应对措施：选用较大前角和后角，正韧倾角和较大主偏角，切削刀锋利，提高切削速度。高碳钢硬度高，热导率低，切削力大，切削温度高，刀具易磨损、寿命低，加工性能差。应对措施：选用耐磨性高和耐热性高的硬质合金刀具、涂层刀具等。（三）合金结构钢较同类碳钢难加工。再切削时应选择耐磨性、耐热性高的刀具材料，降低切削速度。（四）难加工材料1.高强度合金钢2.不锈钢3.高锰钢4.钛合金5.其他难加工材料加工性特点简介三、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调整材料化学成分也是改善其切削加工性的重要途径。如钢中加S、P、Pb、Ca等元素；铸铁中加Si、Al等元素。（二）合理选用刀具材料根据加工材料的性能与要求，应选择与之匹配的刀具材料，硬质合金刀具、超硬质合金刀具、涂层刀具等。（三）其他措施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的浇注方式。4）采用新的切削加工技术图4-6切削不锈钢时切削温度与切削力关系不锈钢材料进行加热切削时的切削力变化曲线。在切削过程中，合理使用切削液可以减小切削力和降低切削温度，减小加工系统热变形、延长刀具寿命，改善已加工表面质量，也可以改善难加工材料的切削性能。一、切削液作用1.冷却作用切削液是以热传导、对流和汽化等方式，把切屑、工件和刀具上的热量带走，降低了切削温度，起到冷却作用，减小了工艺系统的热变形，减少了刀具磨损。第三节切削液的选用2.润滑作用切血液渗透到刀具、切屑与加工表面之间，减小了各接触面间的摩擦，其中切削液中带油脂的极性分子吸附在刀具新鲜的前、后刀面上，形成物理或化学吸附膜，减小刀具磨损和提高加工表面质量。3.排屑和洗涤作用清除细碎切屑和磨粒等。清洗性能的好坏与切削液的渗透性、流动性和使用压力有关。4.防锈作用添加防锈剂在金属表面吸附或化合形成保护膜，起到防锈作用。二、切削液种类及其应用(一)水溶性切削液主要分为：水溶液、乳化液和合成切削液。1.水溶液水溶液是以软水为主要成分的透明液体切削液。在水中加入一定含量的油性、防锈等添加剂制成水溶液，改善水的润滑、防锈性能。2.乳化剂是将乳化油用水稀释而成。3.合成切削液切削油的主要成分是矿物油，少数采用矿物油和动、植物油的复合油。适用于精加工和加工复杂形状工件（如成形面、齿轮、螺纹等）时，润滑和防锈效果较好。表4-4乳化液选用加工要求粗车、普通磨削切割粗铣铰孔拉削齿轮加工浓度(%)3～510～20510～1510～2015～25(二)油溶性切削液主要有切削油和极压切削油。1.切削油有矿物油、动植物油及其合成油。2.极压切削油在矿物油中添加氯、硫、磷等极压添加剂配制而成。在高温高压下不破坏润滑膜，并具有良好的润滑效果，尤其在对难加工材料的切削中广为应用。(三)固体润滑剂使用最多的是二硫化钼。经切削后表面质量应符合预定的加工要求，其中包括：表面粗糙度、表面硬化程度、表面残余应力、表层微裂纹和表层金相组织。一、已加工表面层质量简介二、表面粗糙度的形成三、影响表面粗糙度的因素第四节已加工表面质量一、已加工表面层质量简介1.加工硬化加工后，表面层0.1~0.5mm内显微硬度提高，破坏了内应力平衡，改变了表层组织性能，降低了材料的冲击韧度和疲劳强度，增加了材料的切削难度。2.表层残余应力由于切削层塑形变形的影响，会改变表层残余应力的分布，如切削后切削温度降低，使已加工表层有膨胀而呈收缩状，再收缩时它受底层材料的阻碍，使表层中产生了拉应力。残余拉应力受冲击载荷作用，会降低材料的疲劳强度、出现微观裂纹，降低材料的耐腐蚀性。3.表层微裂纹切削过程中切削表面在外层摩擦、积削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，造成以加工表层产生微裂纹，不仅降低材料的疲劳强度和耐腐蚀性，而且在微裂纹不断扩展情况下造成零件的破坏。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的性能。二、表面粗糙度的形成1.理论粗糙度用未经修圆刀尖的车刀，即刀尖圆弧半径rε=0车刀纵车外圆，其进给量为f，在已加工表面上形成的理论粗糙度是未被切除的金属残留面积△abc，理论粗糙度值为残留面积高度Rmax。maxctgctgrrfRrfR82max图4-7残留面积图4-8积屑瘤影响表面粗糙度a)不存在积屑瘤b)积屑瘤切入加工表面c)积屑瘤对粗糙度影响2.实际粗糙度（1）积屑瘤和鳞刺影响图4-8a为加工表面上产生的纵向痕迹；图4-8b粘附积屑瘤的切削情况；图4-8c积屑瘤代替切削刃切削的加工表面。图4-9鳞刺a)鳞刺分布b)鳞刺突出的形态加工条件：工件材料45钢、切削速度Vc=32m/min图4-10刀具后面磨损和切削刃微崩对表面粗糙度影响a)刀具后面磨损影响b)崩刃复映影响（2）刀具磨损影响图4-10a刀具后面磨损或刀尖微崩时的已加工表面上形成不均匀的划痕；图4-10b刀具刃磨切削刃口留下的毛刺、微小裂口或细微崩刃，复映在已加工表面上。图4-11已加工表面上振纹a)切削力波动图形b)纵向振纹（3）振动影响切削时工艺系统的振动，不仅会明显加大工件的表面粗糙度，严重时会影响机床精度和损坏刀具。三、影响表面粗糙度的因素(一)切削用量影响(二)刀具几何参数影响(三)刀具材料的影响(四)切削液的影响(一)切削用量影响1.切削速度vc切削速度νc是影响已加工表面质量的一个重要因素。低速时切削变形大，易形成积屑瘤和鳞刺；中速时积屑瘤的高度达到最大值，所以中低速不易获得小的表面粗糙度值。在中低速时，可选取较大前角γo、减小进给量f、采取提高刃磨质量和合理选用切血液等措施。高速时，如果加工工艺系统刚性足够，刀具材料性能良好，可获得较小的表面粗糙度。图4-12切削速度对表面粗糙度影响a)切削速度对表面粗糙度的影响曲线b)不同切削速度时的表面粗糙度波形2.进给量f进给量是影响表面粗糙度最为显著的一个因素，进给量f越小，残留面积高度Rmax越小，表面质量越高。进给量太小，使切削厚度hD减薄，加剧了切削刃钝圆半径对加工表面的挤压，使硬化严重。为了减小因提高进给量而使表面粗糙度增大的影响，通常可利用提高切削速度vc或选用较副偏角κr`和磨出倒角刀尖bε或修圆刀尖rε(二)刀具几何参数影响1.前角γo增大前角γo使切削变形减小，刀-屑面间摩擦减小，故对积削瘤、鳞刺冷硬的影响较小。使刀具刃口更锋利，有利于进行薄切削，能达到精密加工要求，但前角太大会削弱刀具强度和减小散热体积，加速刀具磨损。因此，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。图4-132.后角αo增大刀具后角，可避免刀具后面与加工表面间产生摩擦，并减小对硬化的鳞刺等的影响。此外，使切削刃钝圆半径减小，切削刀刃锋利，减小了对加工表面的挤压作用。因此，精加工刀具的后角应适当增大（αo≥8°）。3.主偏角κr、副偏角κr′和