02轴类零件加工-5提高加工效率及切削用量选择

ByZhengjun机械制造技术基础第二部分轴类零件加工郑军机械与汽车工程学院2011年2月ByZhengjun提高切削效益的途径金属切削参数选择【教学目的和要求】通过学习切削液、合理刀具几何参数、合理切削用量的选择原则和方法，达到能够根据切削加工中实际情况，合理选择切削参数。【教学内容摘要】一、切削液的合理选择二、刀具几何参数的合理选择三、切削用量的合理选择【教学重点、难点】重点掌握切削参数的选择方法ByZhengjun一、切削液的合理选择1．切削液的作用（1）冷却作用：↓摩擦↓热的产生；将热量带走。（2）润滑作用：切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强度（3）清洗与防锈作用2．切削液的种类（1）水溶性切削液水溶性切削液主要有水溶液、乳化液和化学合成液三种。（2）油溶性切削液油溶性切削液主要有切削油和极压切削油两种。（3）固体润滑剂常用的固体润滑剂是二硫化钼。ByZhengjun3.切削液的合理选用（1）从加工要求考虑粗加工，主要以冷却为主，选用水溶液或低浓度乳化液；精加工，主要目的是改善加工表面质量，降低刀具磨损，减少积屑瘤，可以采用15%～20%的乳化液。（2）从刀具材料考虑硬质合金刀具耐热性高，一般不用切削液。若要使用切削液，则必须连续、充分地供应，否则因骤冷骤热，产生的内应力将导致刀片产生裂纹。切削铸铁一般不用切削液。ByZhengjun（3）从工件材料考虑切削铜合金等有色金属时，一般不用含硫的切削液，以免腐蚀工件表面。切削铝合金时一般可不用切削液，但在铰孔和攻丝时，常加5:1的煤油与机油的混合液或轻柴油，要求不高时，也可用乳化液。（4）从加工方法考虑钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，宜用极压乳化液或切削油；成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。4．切削液的使用方法切削液的其浇注部位、充足的程度与浇注方法的差异，将直接影响切削液的使用效果。切削变形区是发热的核心区，切削液应尽量浇注在该区。ByZhengjun二、刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的基本内容包括：①刃形，②切削刃区的剖面型式，③刀面型式，④刀具角度。ByZhengjun（一）前角及前刀面的选择1.前角的功用增大前角能减小切削变形和摩擦，降低切削力、切削温度，减少刀具磨损，改善加工质量，抑制积屑瘤等。但前角过大会削弱刀头强度和散热能力，容易造成崩刃。因而前角不能太小，也不能太大，应有一个合理数值，如下图所示。γ0↑→变形程度↓→F↓Q↓→θ↓→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，γo存在一个合理值ByZhengjun表2-17硬质合金刀具合理前角参考值工件材料合理前角粗车精车低碳钢20°~25°25°~30°中碳钢10°~15°15°~20°合金钢10°~15°15°~20°淬火钢-15°~-5°不锈钢（奥氏体）15°~20°20°~25°灰铸铁10°~15°50°~10°铜及铜合金10°~15°50°~10°铝及铝合金30°~35°35°~40°ByZhengjun2.前角的选择原则（1）主要根据工件材料的性质选择（2）兼顾根据刀具材料的性质和加工性质表5-1是硬质合金车刀合理前角的参考值。①粗加工、断续切削、刀材强度韧性低；工材强度硬度高，选较小的前角；②工材塑韧性大、系统刚性差，易振动或机床功率不足，选较大的前角；③成形刀具、自动线刀具取小前角；④Aγ磨损增大前角，Aα磨损减小前角ByZhengjun3.前刀面型式（1）正前角平面型如图5-3a所示，正前角平面型式的特点为：制造简单能获得较锋利的刃口，但强度低，传热能力差。一般用于精加工刀具、成形刀具、铣刀和加工脆性材料的刀具。（2）正前角平面带倒棱型如图5-3b所示，倒棱是在主切削刃刃口处磨出一条很窄的棱边形成的。倒棱可以提高刀刃强度、增强散热能力，从而提高刀具耐用度。此时，切屑仍沿前刀面而不沿倒棱流出。倒棱型式一般用于粗切铸锻件或断续表面的加工。ByZhengjun3.前刀面型式(3)正前角曲面带倒棱型如图5-3c所示，这种型式是在正前角平面带倒棱的基础上，为了卷屑和增大前角，在前刀面上磨出一定的曲面而形成的，常用于粗加工或精加工塑性材料的刀具。(4)负前角单面型当磨损主要发生在后刀面时，可制成如图5-3d所示的负前角单面型。此时刀片承受压应力，具有好的刀刃强度。因此，常用于切削高硬度（强度）材料和淬火钢材料。但负前角会增大切削力(5)负前角双面型如图5-3e所示，当磨损同时发生在前、后两个刀面时制成负前角双面型，可使刀片的重磨次数增多。此时负前角的棱面应有足够的宽度，以保证切屑沿该棱面流出。ByZhengjun2.2.后角的选择后角的选择后角的作用: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。后角↑，摩擦↓；但刀头强度↓散热体积↓重磨体积↑，刀具寿命↓。合理后角的选择原则:后角主要根据切削厚度选择。①粗加工、断续切削、工材强度硬度高，选较小后角,已用大负前角应↑α0；②精加工取较大后角，保证表面质量。ByZhengjun表2-18硬质合金刀具合理后角参考值工件材料合理后角粗车精车低碳钢8°~10°10°~12°中碳钢5°~7°6°~8°合金钢5°~7°6°~8°淬火钢8°~-10°不锈钢（奥氏体）6°~8°8°~10°灰铸铁4°~6°6°~8°铜及铜合金6°~8°6°~8°铝及铝合金8°~10°10°~12°钛合金σb1.177GPa10°~15°ByZhengjun（二）后角、副后角及后刀面的选择3.副后角的选择副后角通常等于后角的数值。4.后刀面的型式(1)双重后角如图5-4a所示，为了保证刃口强度，减小刃磨后刀面的工作量，常在车刀后刀面上磨出双重后角。(2)消振棱如图5-4b所示，为了增加后刀面与工件加工表面之间的接触面积，增加阻尼作用消除振动，可在后刀面上刃磨出一条有负后角的棱面，称为消振棱。(3)刃带如图5-4a所示，对一些定尺寸刀具，如拉刀、铰刀等，为便于控制外径尺寸，避免重磨后尺寸精度迅速变化，常在后刀面上刃磨出后角为零度的小棱边，称为刃带。刀具上的刃带起着使刀具稳定、导向和消振的作用。ByZhengjun3.3.主偏角、副偏角的选择主偏角、副偏角的选择作用：减小主偏角和副偏角，已加工表面上残留面积的高度↓，粗糙度↓；同时提高刀尖强度，改善散热条件，刀具寿命↑。另外，主偏角影响各切削分力的大小和比例，例如：车外圆时，主偏角↑，可使Fp↓，进给力Ff↑。ByZhengjun合理主偏角的选择原则：①主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，κr取较小值；若刚性差（细长轴），κr取较大值（90°）；②考虑工件形状、切屑控制、减小冲击等，车台阶轴，取90°；镗盲孔＞90°；κr小切屑成长螺旋屑不易断；较小κr，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。表2-19主偏角的参考值工作条件主偏角κr系统刚性大、背吃刀量较小、进给量较大、工件材料硬度高10°~30°系统刚性大，加工盘类零件30°45°系统刚性较小，背吃刀量较大或有冲击时60°~75°系统刚性小，车台阶轴、车槽及切断90°~95°6ld6~12ld12ldByZhengjun副偏角的选择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。ByZhengjun(1)控制切屑的流向正λs切屑流向待加工表面，负λs切屑流向已加工表面4.4.刃倾角的选择刃倾角的选择ByZhengjun(2)控制切削刃切入时首先与工件接触的位置(3)控制切削刃在切入与切出时的平稳性断续切削时，当刃倾角为零，切削刃与工件同时接触，同时切离，会引起振动；若刃倾角不等于零则切削刃上各点逐渐切入工件和逐渐切离工件，故切削过程平稳。ByZhengjun(五)刀尖型式的选择（过渡刃的选择）1.直线过渡刃如图a所示，过渡刃的偏角κrε≈κr/2、长度bε≈（1/4～1/5）ap，这种过渡刃多用于粗加工或强力切削的车刀上。2.圆弧过渡刃如图b所示，过渡刃也可磨成圆弧形。它的参数就是刀尖圆弧半径rε。刀尖圆弧半径增大时，使刀尖处的平均主偏角减小，可以减小表面粗糙度数值，且能提高刀具耐用度。但会增大背向力和容易产生振动，所以刀尖圆弧半径不能过大。通常高速钢车刀rε=0.5～5mm，硬质合金车刀rε=0.5～2mm。图过渡刃形式(a)直线刃(b)圆弧刃(c)平行刃(d)大圆弧刃ByZhengjun(五)刀尖型式的选择（过渡刃的选择）3.水平修光刃如图c所示，修光刃是在副切削刃靠近刀尖处磨出一小段κr‘=0o的平行刀刃。其长度bε‘≈（1.2～1.5）f，即bε‘应略大于进给量f。但bε‘过大易引起振动。4.大圆弧刃如图d所示，大圆弧刃是把过渡刃磨成非常大的圆弧形，它的作用相当于水平修光刃。图过渡刃形式(a)直线刃(b)圆弧刃(c)平行刃(d)大圆弧刃ByZhengjun(六)卷屑槽型及切屑的控制1.切屑的卷曲与流向(1)切屑的卷曲切屑的卷曲是由于切屑内部变形，或碰到刀具前刀面上磨出的断屑槽、凸台、附加档块以及碰到其它障碍物后造成的。(2)切屑的流向切屑的流向主要受刃倾角的影响。2.断屑的原因和屑形(1)切屑在流出过程中遇到障碍物，受到一个弯曲力矩而折断图5-8为切屑在卷曲运动过程中与工件的待加工表面相碰，切屑折断成C形屑图5-9为切屑与工作上的过渡表面相碰后形成圆卷形切屑；图5-10为切屑与车刀的后刀面相碰后折断形成C形或6形切屑。ByZhengjun(六)卷屑槽型及切屑的控制(2)切屑在流动过程中靠自身重量甩断下图为切屑在流出过程中没有折断，达到一定长度后靠自身重量甩断。在上述切屑类型中，通常认为C形屑、6形屑和短螺旋形屑较为理想。靠自身重量甩断的短螺旋形切屑，有利于减小表面粗糙度值。但不希望太长（约为60～40mm）。ByZhengjun（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。（2）改变刀具角度增大刀具主偏角，切削厚度变大，有利于断屑。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。（3）调整切削用量提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利。ByZhengjunByZhengjun五、切削用量的选择原则五、切削用量的选择原则•切削用量三要素υc、ƒ、ap•合理切削用量是指在保证加工质量的前提下，能取得较高的生产效率和较低成本的切削用量。•切削用量的约束条件：工件的加工要求，包括加工质量要求和生产效率要求；刀具材料的切削性能；机床性能，包括动力特性（功率、扭矩）和运动特性；刀具寿命要求。ByZhengjun三、切削用量的合理选择1.切削用量的选择原则粗加工时，应在保证必要的刀具使用寿命的前提下，以尽可能提高生产率和降低成本为目的。根据刀具使用寿命与切削用量的关系式，切削用量↑，T↓，其中速度v对T影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小。粗加工中选择切削用量时，应首先选择尽可能大的背吃刀量ap，其次在工艺条件允许下选择较大的进给量f，最后根据合理的刀具使用寿命，用计算法或查表法确定切削速度v。这样使v、f、ap的乘积最大，以获得最大的生产率精加工时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。ByZhengjun2.切削用量制订的步骤（以车削为例）（1）背吃刀量ap的选择粗加工时，ap由加工余量和工艺系统的刚度决定，尽可能一次走刀切除全部加工余量。半精加工时，ap可取0.5～2mm。精加工时，ap取为0.1～0.4mm。在加工余量过大或系统刚性不足情况下，粗加工可分几次走刀。若分两次走刀，第一次走刀的ap取大些，可占全部余量的2/3～3/4，而第二次走刀的ap取小些，以使精加工工序具有较高的刀具寿命和加工质量。切削有硬皮的铸、锻件或不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽量使ap