切削基本理论的应用.ppt

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1、第四章 切削基本理论的应用,主要内容一、切屑的控制二、材料的切削加工性三、切削液的选用四、已加工表面质量五、合理选用切削用量与刀具几何 参数,切屑控制,一、切屑形状的分类,带状切屑,节状切屑,粒状切屑,崩碎切屑,形状为带状，内表面比较光滑，外表面可以看到剪切面的条纹，呈毛茸状,与带状切屑相似，不同的是外表面呈锯齿形，内表面一些地方有裂纹,达到材料的破坏极限，切下的切屑断裂成均匀的颗粒状，则成为梯形的切屑,切屑为不连续的碎屑状，形状不规则，而且加工表面也凹凸不平,切屑与加工材料的关系 前三种属于加工塑性材料所产生的切屑，第四种为加工脆性材料的切屑。带状切屑的切削过程最平稳，粒状切屑的切削力波动最

2、大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到节状切屑，粒状切屑则很少见。加工同一种材料不同的切削条件将产生不同的切屑：,切脆性材料：崩碎切屑 不平稳,表面粗糙度0vac,由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。方法：减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。,思考题1、切屑与加工材料的关系？2、加工塑性材料时，一般得到什么切屑？3、如果前角较小，速度较低，切削厚度较 大时将产生什么切屑？4、如前角进一步减小，再降低切削速度，或加大切削厚度，则得到什么切屑？,二、切屑流向和折断,1、切屑流向,A点：主刃参与切

3、削终了点,B点：副刃终了点,VchAB,流屑角c=Vch VS P0,影响Vch 方向参数：s r 0,切削流向基本与主切削刃垂直,切削流向已加工表面,切削流向待加工表面,2、切屑折断,厚度为hch的切屑受到断屑台推力FBn作用而产生弯曲，并产生卷曲应变。在继续切削的过程中，切屑的卷曲半径由0逐渐增大到，当切屑端部碰到后刀面时，切屑又产生反向弯曲应变，相当于切屑反复弯折，最后弯曲应变max大于材料极限应变b时折断。可以知道切屑的折断是正向弯曲应变和反向弯曲应变的综合结果。,3、断屑措施,作出断屑槽 型式：折线型、直线圆弧型、全圆弧型。应用:前两种适用于切削碳素钢、合金结构钢、工具钢等，一般 前

4、角在o5o15o。后一种前角比较大o25o35o。用于切削紫铜、不锈钢等高塑性材料。影响断屑的主要参数：槽宽Lbn，槽深hBn。槽宽Lbn应保证 切屑在流出槽时碰到断屑台，以使切屑卷曲折断。进给量 大，切削厚时，可以适当增加槽宽LBn。,断屑槽在前刀面的位置有三种型式：（a）外斜式；（b）平行式；（c）内斜式。其中外斜式最常用，平行式次之。内斜式主要用于背吃刀量ap较小的半精加工和精加工。,选择合适切削用量 切削用量的变化对断屑产生影响，选择合适的切削用量，能增强断屑效果。在切削用量参数中，进给量f对断屑影响最大。进给量f增大，切削厚度也增大，碰撞时容易折断。切削速度c和背吃刀量ap对断屑影响

5、较小，不过，背吃刀量ap增加，切削层宽度增加，断屑困难增大；切削速度提高，断屑效果下降。,思考题,切削用量的变化对断屑产生怎样的影响？,其它断屑方法 固定附加断屑挡块 采用间断切削 切削刃上开分屑槽,工件材料的切削加工性,一、衡量材料切削加工性的指标,工件材料切削加工性 指材料被加工成合格零件的难易程度 是一个相对的概念,1.以刀具使用寿命T 或切削速度vT来衡量(分8级)相同切削条件比T；T 一定，比速度vT 或切除材料体积,3.以已加工表面质量来衡量 一般精加工，用Ra；精密零件，用加工硬化、残余应力,2.以切削力或切削温度来衡量 粗加工、机床刚性或功率不足,用力或功率;导热差用温度,4.

6、以断屑性能来衡量 自动机床、数控机床、自动线等，断屑性能是主要指标,工件材料的相对加工性 1.切削速度vT的含义：当刀具使用寿命为T(min)时切削 某种材料所允许的切削速度。vT越高，材料的切削加工性越好。通常取T=60 min，vT写作v060；难加工材料，vT为v15或v30。,2.相对加工性Kr：以b=0.637GPa的45钢的v060作为基准，写作(v060)j，将某种材料的v60与其相比的比值，即 Kr v060/v60,Kr仅反映不同材料对刀具使用寿命的影响程度，并未反映表面粗糙度和断屑问题，仅对选择切削速度有指导意义。若以某材料的Kr 乘以45钢的切削速度即得该材料的许用切削速

7、度。,工件材料的物理力学性能对加工性的影响,二、常用金属材料的切削加工性,（一）有色金属 普通铝及铝合金、铜及铜合金，强度硬度低，导热性 好，易切削。,（二）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，切削加工性变差.工件表面若有硬皮可进行退火处理。在切削时可适当减小刀具前角和降低切削速度.,退火,（三）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

8、面粗糙，加工性较差；高碳钢硬度高，塑性低，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。合金结构钢强度硬度提高，切削加工性较同类碳钢变差。切削时选耐磨耐热刀具材料,选较低切削速度.,（四）难加工材料 高强度、硬度，高塑性韧性或高脆性，耐高温，导热性差。切削力大，温度高，刀具磨损快，断屑难，加工性差。,难加工材料,1.高强度合金钢 切削时变形阻力大,切削力大,切削温度高,热导率小,段屑困难,刀具磨损严重,刀尖易破损,属于很难加工材料.其金相组织多为马氏体,材料需退化后在加工切削;选用高耐热、高耐磨和耐冲击的刀具。2.不锈钢 切削变形大，切削力大，温度高，加工硬化高，易产

9、生亲合现象和形成积屑瘤，断屑难，刀具易产生粘结磨损和扩散磨损。选高耐热、耐磨和高强度的刀具，取大前角，负刃倾角低速大背吃刀量。,3.高锰钢 属于切削性能很差类型材料，高强度和高塑性，高硬度，加工硬化现象严重，切削力大，断屑难。应适当加大前角和后角，减小主偏角，中速切削。4.钛合金高强度和高硬度，导热性差，亲和力强，塑性变形小；选用亲和力小，导热性好，强度高的硬质合金材料，小前角，大后角，较大刀尖圆弧半径锋利的刀具,三、改善切削加工性的途径,（一）改善材料切削加工性的途径 1.调整材料的化学成分 钢中加硫、铅 不锈钢中加硒 铸铁中增加Al、Cu等元素分解出石墨元素或加入石墨成分,2.进行适当的热

10、处理 低、中碳钢宜选冷拔或正火处理，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，降低表皮硬度，消除内应力,（二）改善切削加工条件 1.选择合适的刀具材料和切削用量 难加工材料，导热性差，选YG、YW合金或涂层刀片；刀具合理几何参数，断屑槽、卷屑槽，控制排屑；选择合理切削用量等。,2.选用合适的设备和加工方法 难加工材料加工，机床要有足够的功率和刚性；选择合适的切削液，供给充足；高硬度材料加工采用磨削加工更容易；,3.选择切削加工性好的材料状态 低碳钢选冷拔

11、状态；中碳钢选热轧状态,思考题,1、材料中加入_元素，减少组织的结合强度，便于切削；加入_，使材料组织结构不连接，有利断屑，减小摩擦系数。,2、为改善材料的切削加工性能，对低、中碳钢；高碳钢；中碳以上的合金钢；不锈钢；铸铁应采用什么热处理方式？,切削液的选用,1.切削液的分类 水溶液 水添加剂 冷却 粗加工 乳化液 乳化油水 切削油 矿物油添加剂 润滑 精加工,2.切削液的作用机理冷却 摩擦热的产生；将热量带走。本身导热系数、比热、汽化热及流量、流速、冷却方式等。润滑 切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强度 排屑、清洗 防锈 防锈添加剂,3.切削液的合理选用（1）从加工要求考虑 粗加工，选

12、用水溶液或低浓度乳化液；精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液；（2）从刀具材料考虑 高速钢，需用切削液；Y合金等,可不用或充分连续用；,（3）从工件材料考虑 钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用；高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液（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。,已加工表面质量,一、已加工表面质量的衡量指标,表面粗糙度,加工硬化程度及硬化深度,残余应力,二、表面质量对产品使用性能的影响,耐磨性,疲劳强度,耐蚀性,配合性质,三、表面粗糙度,形成,1、理论粗糙度,由刀具切削刃形状、进给量及运动

13、关系按几何关系求得,未经修圆刀尖的车刀：,经过修圆的车刀：,2、伴随积屑瘤的生长、脱落形成,不存在积屑瘤,积屑瘤切入加工表面,积屑瘤对粗糙度的影响,3、由切削机理本身的不稳定因素、材料隆起等产生,纵向振纹,切削力波动图,4、由切削刃与工件的相对位置变动(振动)产生,5、切削刃磨损、损坏造成,后面磨损,崩刃复映,影响因素,1、切削用量,vc,低速：易形成积屑瘤和鳞刺,中速：积屑瘤达至最大,高速：可获得较小的表面粗糙度,f,进给量越小，残留面积高度Rmax越小，鳞刺与积屑瘤等就不容易产生，表面质量就越高，但进给量不能太小，太小能造成严重的加工硬化，不能获得该精度表面。同时进给量小生产率就比较低，因

14、而一般不采用减小进给量的方法来获得表面加工质量，而是通过提高切削速度和选用较小的副偏角和磨出倒角刀尖或者修正刀尖来获得。,2、刀具几何参数,0,0,0能够避免刀具后面与加工表面的摩擦，并减小对加工硬化和鳞刺的影响,r r r,r，残留面积Rmax,3、刀具材料,4、切削液,四、加工硬化,经切削过的表面，其硬度往往高出基体硬度1-2倍，深度从几十个微米到几百个微米，这种不经热处理而由切削加工造成的硬化现象叫加工硬化。,表示方法：,1、硬化程度N,或,2、硬化深度hd,五、残余应力,当切削力的作用取消后，工件表面保持平衡而存在的应力,产生原因：,1、塑性变形引起的应力。金属经塑性变形后体积将胀大，

15、由于受到里层未变形金属牵制，故表层呈残余压应力，里层呈残余应力。,2、切削温度引起的热应力。切削后，由于表里温度差产生热应力,3、相变引起体积应力。如碳钢的相变温度为7200，而刀具与工件表面接触区温度可达6000-8000,刀具几何参数的合理选择,刀具几何参数包含四方面内容：几何角度、刃形、刃面、刃口型式及参数,对于不同的刀具材料和工件材料，T 随0 的变化趋势为驼峰形。高速钢的合理前角比Y合金的大。加工塑材的合理前角比脆材的大,2.合理前角的选择原则粗加工、断续切削、刀材强度韧性低 工材强度硬度高，选较小的前角；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；成形刀具、自动

16、线刀具取小前角；A磨损增大前角，A磨损减小前角,二、后角的选择 1.后角的作用 0rn锋利、l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0；精加工取较大后角，保证表面质量；成形、复杂、尺寸刀具取小后角；系统刚性差，易振动，取较小后角；工材塑性大取较大后角，脆材0,三、主偏角的选择 1.主偏角的作用 racaw单位刃长负荷 T 刀尖强度散热体积，Ra Fp变形加工精度，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(表4-7)主要

17、看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，r取较 小值；若刚性差（细长轴），r取较大值（90）；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；r小切屑成长螺旋屑不易断；较小r，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。,五、刃倾角的选择 1.刃倾角的作用 影响刀刃锋利性.s0e、rn 锋利性 负刃倾角刀头强度散热体积 负刃倾角 Fp变形，易振动Ra 正s切屑流向待加工表面，负s切屑流向已加工表面,在一定条件下，存在一合理值,2.刃倾角的选择原则粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，s取负值；精加工、系统刚性差（细长轴），s取正值；微量极薄切削，取大正刃倾角。,六、刀尖的修磨形式,

18、在一定的条件下，存在一个合理值半精加工和精加工：r=(23)f;难加工和断续切削时：可适当加大。,1.修圆刀尖,2.倒角刀尖,适用场合：车刀、可转位面铣刀和钻头的粗加工、半精加工和有间断的切削,八、刀尖修磨形式,a 修圆刀尖 b 倒角刀尖 c 倒角带修光刃,如右图所示大切深强力车刀，刀具材料YT15，一般用于中等刚性车床上，加工热轧和锻制的中碳钢。切削用量为：背吃刀量ap1520，进给量f 0.250.4mm/r。试对该刀具的刀具几何参数进行分析。,测试题,答：此刀具主要几何参数及作用如下：（1）取较大前角，O200250，能减小切削变形，减小切削力和切削温度。主切削刃采用负倒棱，br10.5

19、 f，O1200250，提高切削刃强度，改善散热条件。（2）后角值较小，o4o6o，而且磨制成双重后角，主要是为提高刀具强度，提高刀具的刃磨效率和允许刃磨次数。（3）主偏角较大，r70o，副偏角也较大，r15o，以降低切削力Fc和背向力Fp，避免产生振动。,（4）刀尖形状采用倒角刀尖加修光刃，倒角r45o，b12mm，修光刃b 1.5f，主要是提高刀尖强度，增大散热体积。修光刃目的是修光加工表面残留面积，提高加工表面的质量。（5）刃倾角取负值，s4060，提高刀具强度，避免刀尖受冲击。（一般大前角刀具通常选用负的刃倾角）,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

20、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。,2.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，

21、ap可取0.52 mm。精加工时，ap取为0.10.4 mm。,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2/33/4，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超过硬皮或冷硬层厚度，以避免刀尖过早磨损。,（2）进给量f 的选择 粗加工时，f 的大小主要受机床进给机构强度、刀具的强度 与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制。精加工时，f 的大小主要受加工精度和表面粗糙度的限制。,生产实际中常根据经验或查表法确定f。粗加工时根据工件材料、车刀

22、刀杆尺寸、工件直径及以确定 的背吃刀量按表4-8，9，10来选择f。在半精加工和精加工时，则按加工表面粗糙度要求，根据工 件材料、刀尖圆弧半径、切削速度按表4-10，11来 选择f。,（3）切削速度的确定 根据已经选定的背吃刀量ap、进给量f及刀具使用寿命T，切削速度v可按下式计算求得(3-36)式中各系数和指数可查阅切削用量手册。切削速度值也可查表4-11来选定。,生产中选择切削速度的一般原则是：1）粗车时，ap和f 均较大，故选择较低的切削速度v；精车时，ap和f 均较小，故选择较高的切削速度v。2）工件材料强度、硬度高时，应选较低的切削速度v；反之，选较高的切削速度v。3）刀具材料性能越

23、好，切削速度v选得越高。,4）精加工时应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域；5）断续切削时为减小冲击和热应力，宜适当降低v；6）在易发生振动的情况下，v应避开自激振动的临界速度；7）加工大件、细长件和薄壁件或加工带外皮的工件时，应 适当较低v。切削用量三要素选定之后，还应校核机床功率。,现代切削新技术简介,一、超高速切削,（1）超高速切削技术的技术思想和内涵切削速度与切削温度的关系：当切削速度大于一定值后，切削速度增加越快，其切削温度愈降低，可以实现改善材料的切削性、降低切削阻力和提高加工精度的目的，而且刀具不容易产生磨耗。（2）超切削技术的切削速度范围高速切削技术涉及到多种切削方法：车、铣、磨等，速度是常用的10倍左右。,（3）超高速切削技术的特点、加工效率高。、切削力小。、切削热少。、加工精度高。、工序集约化。（4）超高速切削技术的应用、在航空工业轻合金的加工。、模具制造业也是高速切削应用的重要领域。、汽车工业是高速切削的又一应用领域。,一、精密及超精密加工,精密加工加工精度：0.11m加工表面粗糙度：Ra0.02 0.1m 超精密加工加工精度：高于0.1m加工表面粗糙度：Ra0.01 m,特点用天然金刚石刀具进行rn小,切削变形、切削力小，切削时产生的积屑瘤、冷硬和残余应力对加工表面质量影响小。,三、干切削,四、硬切削,