切削基本理论应用

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•2.按工件材料、刀具几何形状和切削用量•常见切屑形状有带状屑、C形屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状卷屑、宝塔状卷屑等。带状屑连绵不断，易缠绕在工件或刀具上，造成划伤工件表面或打坏刀刃，甚至伤害操作人员。故一般应避免形成带状屑。但在某些情况下(如加工盲孔)，为了使切屑顺利地排出，希望形成带状屑或长紧卷屑。C形屑是一种较好的屑形，不会伤工件表面或打刀刃，也不易伤人。多数是使它碰撞在刀具后刀面或工件表面上而折断，但这样会影响切削过程的平稳性，也会影响工件已加工表面粗糙度。因此，精加工时希望形成长螺卷屑。在重型车床上，因切屑又厚又宽，为安全起见，希望形成发条状屑，并使其在工件加工表面上顶断，靠自重坠落。在自动机床或自动线上，排屑及清除对加工的连续性很重要，故希望形成不缠绕工件和刀具且易清除的宝塔状卷屑。(a)碰到后刀面折断(b)发条状切屑碰到工件折断(c)C形切屑碰到工件折断F工件刀具F工件刀具F工件刀具后刀面RcRc’•二、切屑的流向和折断•1.切屑的流向•影响流向的主要参数：刃倾角、主偏角、前角•刃倾角控制切屑流向，影响加工质量刃倾角为负时，切屑流向已加工表面•刃倾角小于0°时刃倾角为正时，切屑流向待加工表面•刃倾角大于0°时•刃倾角等于0°时2.切屑的折断•三、断屑措施•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。•断屑是对已变形的切屑再附加一次变形，常需有断屑装置切屑的卷曲断屑的产生采取以下措施对切屑实施控制。1.采用断屑槽通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。折线形直线圆弧形全圆弧形断屑槽截面形状a）外倾式b）平行式c）内斜式向刀杆外倾斜（3.改变刀具角度增大刀具主偏角，切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角可以控制切屑的流向，为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑。为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑。）rsoss2.调整切削用量提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。4.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材料的切削加工性是指在一定条件下对某种材料进行切削加工的难易程度。切削加工性的概念具有相对性。所谓某种材料切削加工性好坏，是相对于另一种材料而言的。一般在讨论钢料的切削加工性时，习惯地以碳素结构钢45为基准。如称高强度钢比较难加工，就是相对于45钢而言的。根据不同的要求，可以用不同的指标来衡量材料的切削加工性。•1.加工材料的性能指标•P70表4-3工件材料切削加工性分级表•2.相对加工性指标以切削速度vT衡量加工性•在刀具使用寿命T相同的情况下，切削速度vT较高的材料，则其加工性较好。如将寿命T定为60min，则vT可写作v60。一般以正火状态45钢的v60为基准，写作（v60）j，然后把其它各种材料的v60于之相比，这个比值Kr，称为相对加工性，即：•Kr＝V60／(V60)j•常用工件材料的相对加工性可分为八级，Kr大于1的材料，其加工性比45钢好；Kr小于1者，加工性比45钢差。vT和Kr是最常用的加工性衡量指标，在不同的加工条件下都使用。一、切削加工性指标加工性等级名称及种类相对加工性Kr典型材料1很容易切削材料一般有色金属3.05-5-5铜铅合金,9-4铝铜合金,铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.50～3.00退火15Cr,σb=0.37～0.441GPa自动机钢,σb=0.393～0.491GPa3较易切削钢1.60～2.50正火30钢σb=0.441～0.549GPa4普通材料一般钢及铸铁1.00～1.6045钢,灰铸铁5稍难切削材料0.65～1.002Cr13调质,σb=0.834GPa85钢σb=0.883GPa6难切削材料较难切削材料0.50～0.6565Mn调质,σb=1.03GPa45Cr调质,σb=0.932～0.981GPa7难切削材料0.15～0.5050CrV调质,1Cr18Ni9Ti,某些钛合金8很难切削材料0.15某些钛合金,铸造镍基高温合金•3．刀具寿命指标•在相同切削条件下加工不同材料时，若在一定切削速度下刀具寿命T较长或一定寿命下所允许的切削速度vc较高的材料，则其加工性较好；反之，其加工性较差。•V60V20二、常用材料切削加工性简述•（一）铸铁•铸铁中化学元素对切削加工性的影响，主要取决于这些元素对碳的石墨化作用。•铸铁中的碳元素以两种：Fe3C与游离石墨形式存在。石墨具有润滑作用，铸铁中的石墨愈多，愈容易切削，因此，铸铁中如含有Si、Al、Ni、Cu、Ti等促进石墨化的因素，能改善其加工性；而含有Cr、Mn、V、Mo、Co、S、P等阻碍石墨化的元素，则会使切削加工性变差。Fe3C的存在会加快刀具的磨损。•减小前角，降低切削速度。（二）碳素结构钢对钢主要是通过对材料物理力学性能的影响来影响切削加工性。碳对切削加工性的影响碳素钢的强度、硬度随含碳量的增加而提高，而塑性、韧性则随含碳量的增加而降低。低碳钢的塑性、韧性较高，高碳钢的硬度及强度较高，这都给切削加工带来一定的困难。中碳钢的硬度、强度、塑性及韧性居于高碳钢与低碳钢之间，所以切削加工比较容易。（三）合金结构钢合金元素对切削加工性的影响在金属中加入合金元素，一般将提高材料的力学性能，并改变材料的物理性能，从而提高了金属的反切削能力。故一般降低切削加工性，硅、铬、镍、钒、钼、钨、镉等合金元素的加入均会降低材料的可切削加工性。硫、硒、铅等合金元素的加入可改善材料的可切削加工性。•（四）难加工金属材料的切削加工性难加工的原因一般是以下几个方面：①高硬度；②高强度；③高塑性和高韧性；④低塑性和高脆性；⑤低导热性；⑥有大量微观硬质点或硬夹杂物；⑦化学性质活泼。这些特性一般都能使切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具使用寿命缩短；有时还将使已加工表面质量恶化，切屑难以控制；最终则使加工效率和加工质量降低，加工成本提高。•1.高强度、超高强度钢的切削加工性高强度钢、超高强度钢的半精加工、精加工和部分粗加工常在调质或退火状态下进行。调质(淬火、中温回火)后的金相组织为索氏体或托氏体，硬度达HRC35—55。一般，σs＞1GPa或σb＞1.1GPa的结构钢，称为高强度钢；σs＞1.2GPa或σb＞1.5GPa称为超高强度钢。•2.不锈钢不锈钢按金相组织分，有铁素体、马氏体、奥氏体三种。铁素体、马氏体不锈钢的成分以铬为主，经常在淬火—回火或退火状态下使用，综合机械性能适中，切削加工一般不太难。奥氏体不锈钢的成分以铬、镍等元素为主，淬火后呈奥氏体组织，切削加工性比较差。•3.高锰钢的切削加工性高锰钢的典型牌号有Mnl3、40Mnl8Cr3、50Mnl8Cr4等。经过水韧处理，金相组织为均匀的奥氏体。它的原始硬度虽然不甚高，但其塑性和韧性特别高(分别为45钢的4倍和8倍)，加工硬化特别严重。•4.钛合金的切削加工性钛合金的切削加工性也很差，刀具磨损快，刀具耐用度低，其原因为:(1)加工钛合金时，剪切角很大，刀屑接触长度短；(2)导热系数极小；(3)已加工表面经常出现硬而脆的外皮；（4)弹性模量小，已加工表面回弹量大，加剧了对后刀面的摩擦。•5.其它难加工材料加工性特点简介高温合金中含有许多高熔点合金元素，如铁、钛、铬、钴、镍、钒、钨、钼等，它们与其他合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。(1)强度较高(2)硬度较高(3)导热系数小(4)合金中的高硬度化合物构成硬质点(5)在中、低切削速度下，易与刀具发生冷焊。淬火钢硬度≥60HRC硬质合金≥70HRC冷硬铸铁的硬度极高，是其难加工的主要原因。它的塑性很低，刀—屑接触长度很小，切削力和切削热都集中在切削刃附近，因而切削刃很容易崩损。冷硬铸铁零件的结构尺寸和加工余量一般都较大，毛坯精度低，因而就进一步加大了加工难度。•三、改善材料切削加工性的途径•（一）调整化学成分•材料的化学成分对其力学性能和金相组织有重要影响。在满足要求的条件下，通过调整工件材料的化学成分，可使其切削加工性得以改善。目前，生产上使用的易切钢就是在钢中加入适量的易切削元素S、P、Pb、Ca等制成的。这些元素在钢中可起到一定的润滑作用并增加材料的热脆性。•（二)对工件材料进行适当的热处理•通过热处理工艺方法，改变钢铁材料中的金相组织是改善材料加工性的另一重要途径。高碳钢和工具钢球化退火热轧状态的中碳钢正火低碳钢冷拔或正火（三)合理选用刀具材料（四)其它措施第四节切削液的选用•一、切削液的作用•（1）冷却作用•切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的热来降低切削温度，冷却性能取决于它有导热系数、比热容、汽化热、汽化速度、流量、流速等。水溶液的冷却性能最好，切削油较差。•（2）润滑作用•切削液的润滑作用是通过切削液的渗透作用到达切削区后，在刀具、工件、切屑界面上形成吸附膜实现的。金属切削时切屑、工件与刀具界面的摩擦可分为干摩擦、液体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。•加入切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，金属直接接触面积很小或近于零，形成液体润滑。但很多情况下，由于切屑、工件与刀具界面承受很大载荷、较高的温度，液体油膜大部分被破坏，造成部分金属直接接触，部分吸附膜仍存在润滑作用，这种状态称之为边界润滑摩擦。金属切削中的润滑大都属于边界润滑状态。•（3）排屑和洗涤作用•切削液具有冲刷切削中产生的碎屑（如磨削）的作用。清洗性能的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。•（4）防锈作用•切削液应具有一定的防锈作用，以减少工件、机床、刀具的腐蚀。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的性质。•2.切削液的种类及应用•常用的切削液可分为三大类：水溶性、油溶性、固体润滑剂。•（一）水溶性切削液•1.水溶液•水溶液的主要成分是水，冷却性能好，配成液呈透明状，便于操作者观察。但单纯的水容易使金属生锈，且润滑性能欠佳。因此，经常在水溶液中加入一定的添加剂，使其既能保持冷却性能又有良好的防锈性能和一定的润滑性能。••2.乳化液•乳化液是将乳化油用水稀释而成。乳化油是由矿物油、乳化剂及添加剂配成，用95—98％水稀释后即成为乳白色或半透明状的乳化液。•乳化液具有良好的冷却作用，但因为含水量大，所以润滑、防锈性能均较差。为了提高其润滑性能和防锈性能，可再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配制成极压乳化液或防锈乳化液。•3.合成切削液（二）油溶性切削液1.切削油切削油的主要成分是矿物油，少数采用动植物油或复合油。纯矿物油不能在摩擦界面上形成坚固的润滑膜，润滑效果一般。在实际使用中常常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂以提高其润滑和防锈性能。动植物油有良好的油性，适于低速精加工，但是它们容易变质，因此最好不用或少用，而应尽量采用其他代用品，如含硫、氯等极压添加剂的矿物油。2.极压切削油（三）固体润滑剂MoS2•切削液的选择和使用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。精加工切削时（包括铰削、拉削、螺纹加工、剃齿等），应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。硬质合金刀具精加工时采用的切削液与粗加工时基本相同，但应适当注意提高其润滑性能。切削高强度钢和高温合金等难加工材料，对切削液的冷却、润滑作用都有较高的要求，此时应尽可能采用极压切削油或极压乳化液。加工铜、铝及其合金不能用含硫的切削液。•已加工表面质量的标志工件经过切削加工后，已加工表面质量的主要标志是：表面的