第5章金属切削基本理论的应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,金属切削,基本理论的应用,金属切削加工及装备,第五章,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/T164611996,的规定，切屑的形状与名称分为八类，如表,5-1,所列。,切屑形状有：,带状、,管状,、,盘旋状,、,环形螺旋,、,锥形螺旋,、弧形、,单元,、,针形,。,二、切屑的流向、卷曲和折断,切屑的流向,为了不损伤已加工表面和方便处理切屑，必须有效地控制切屑的流。,由于切屑流向是垂直于各切削刃的方向，因此最终切屑的流向是垂直于主副切削刃的终点连线方向，通常该流出方向与正交平面夹角为,c,，,c,称为流屑角。,刀具上影响流屑方向的主要参数是,s,。,流屑角,刃倾角对切屑流向的影响,切屑的卷曲机理,切屑的卷曲是由于切屑内部变形或碰到断屑槽等障碍物造成的。,通常,未遇障碍时,切屑也会由于内部应力和温度作用自行卷曲,遇到障碍时,卷曲,a),变形差引起,b),力矩引起,c),断屑器作用引起,切屑卷曲机理,切屑的折断机理,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。,切屑折断时的受力及弯曲,三、断屑措施,磨制断屑槽,断屑槽的形式,断屑槽的位置,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,a,p,，最小为切削速度,v,c,。进给量增大，使切屑厚度,h,ch,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。,改变刀具角度,主偏角,k,r,是影响断屑的主要因素。,主偏角,k,r,增大，切屑厚度,h,ch,增大，容易断屑。断屑良好的车刀均选取较大的主偏角,60,刃倾角,s,使切屑流向改变后，使切屑碰到加工表面上或刀具后面上造成断屑。,其它断屑方法,附加断屑装置：,为了使切屑流出时可靠断屑，可在前刀面上固定附加断屑挡块，使流出切屑碰撞挡块而折断。,间断进给断屑,采用振动切削,装置，使切削,厚度变化，获,得不等截面切,屑，在狭小截,面处断屑。,金属切削加工及装备,第五章,第二节,工件材料的切削加工性,一,、,切削加工性的概念及评定指标,切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度,切削加工性的标志方法有如下几个：,考虑生产和刀具耐用度的标志方法,考虑已加工表面质量的标志方法,考虑安全生产和工作稳定性的标志方法,某材料被切削时，刀具的耐用度大，允许的切削速度高，表面质量易保证，切削力小，易断屑，则这种材料的切削加工性好；反之，切削加工性差。,通常用来衡量材料切削加工性的指标为一定耐用度下的切削速度,v,T,含义是：,当刀具耐用度为,T,时，切削某种材料所允许的切削速度,v,T,。,T,越高，加工性越好。,通常以强度,b,=0.637GPa,的,45,钢的,v,60,作为基准，写作,(,v,60,),j,；,而把其它各种材料的,v,60,同它相比，这个比值,K,v,称为相对加工性，即,K,v,v,60,/(,v,60,),j,当,K,v,1,时，表示该材料比,45,钢易切削,当,K,v,1,时，表示该材料比,45,钢难切削,金属材料的物理力学性能,硬度,和强度,：,常温以及高温的硬度和强度高、硬质点多，切削加工性差,塑性、冲击韧性：,材料的,塑性和韧性高，刀具容易磨损，切削加工性差；若是过低，刀具切削刃破损加剧和工件已加工表面质量下降。,过大或过小，均使其切削加工性变差,导热性好,，切削加工性好，但加工尺寸精度会发生变化,导热性差，加工性差。,二,、,影响切削加工性的因素,材料的化学成分,Cr,、,Ni,、,V,、,Mo,、,W,、,Mn,等提高钢的强度和硬度，使其,切削加工性差,Si,、,Al,与,氧化,合后使刀具磨损加快,合金元素,（如镍,Ni,）,降低导热系数,Pb,铅,、,P,磷,、,S,硫,等降低塑性,（发生热脆、冷脆现象）,，改善切削性,碳的石墨化,使,切削加工性变好,（硬度下降、润滑性变好）,Fe,4,C,3,使硬度增加，磨损加快,金相组织,钢的金相组织：,铁素体、奥氏体易粘结；,珠光体加工性好；,索氏体、马氏体硬度、强度高，加工性差,铸铁的金相组织：,灰口铁、白口铁、麻口铁、球墨铸铁性能各异,三,、,改善难加工材料切削加工性的途径,调整材料化学成分,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。,合理选择材料的供应状态,通过适当热处理,用热处理方法改变材料金相组织，低碳钢正火，高碳钢、工具钢退火,选用易切削钢,合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量,采用新的切削加工技术,金属切削加工及装备,第五章,第三节,切削液,及其选用,一,、,切削液的功用,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，改善刀,-,工、刀,-,屑之间摩擦状况，从而改善已加工表面质量，延长刀具寿命，降低动力消耗。切削液应具有抗泡性、抗霉菌变质能力，不污染环境、对人体无害，使用经济性合理。,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。切削液冷却性能的好坏取决于导热系数、比热容、汽化热、汽化速度、流量和流速等。,润滑作用：,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,-,屑、刀,-,工,摩擦,或粘结及刀具磨损，提高加工表面质量。,清洗作用：,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。,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。,由此：,改善切削条件、减少刀具磨损、提高切削速度、提高已加工表面质量、改善切削加工性,二,、,切削液的种类及应用,切削液的种类,（,水溶液、乳化液和切削油,）,水溶液,水溶液是以水为主要成分的切削液。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。水溶液是一种透明液体。,乳化剂,是将乳化油用水稀释而成,。,切削油,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。,切削液中常用的添加剂,为了改善切削液的性能所加入的化学物质，称为添加剂,油性添加剂：,动植物脂、脂肪酸、胺类、脂类、醇类。,生成物理吸附膜,常用于低速精加工,极压添加剂：,含硫、磷、氯、硼等的化合物。,生成化学反应膜,在切削中起极压润滑作用,乳化剂：,是使矿物油和水乳化形成稳定乳化液的物质。,具有亲水、亲油的性质，乳化剂分子由极性基团（亲水集团）和非极性基团（亲油集团）两部分组成。形成“水包油”型乳化液。极压添加剂能使水基切削液起极压润滑作用。,切削液的合理选择,根据工件材料、工艺要求、工种特点等通过查工艺手册合理选用,特别应,注意,：,硬质合金、陶瓷刀具，切削铸铁、青铜一般不用切削液；,切削镁、铝、铝合金不用水溶液；,切削铅，切削液不能含氯；精密机床不能使用含硫的切削液等。,切削液的使用方法,普遍使用浇注,高压冷却,喷雾冷却,喷,雾,冷,却,法,第四节,刀具几何参数的合理选择,金属切削加工及装备,第五章,刀具几何参数包括刀具的几何角度、前刀面形式和切削刃形状等参数。,刀具的“合理”几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具耐用度，从而能够达到提高切削效率、降低生产成本的目的的刀具几何参数,一,、,前角的选择,前角的功用,影响变形程度和切削功率,前角增大，变形将减小，减小切削力、切削功率、切削热。,影响加工表面质量,增大前角，能减少切削层的塑性变形和加工硬化程度，抑制积屑瘤和鳞刺，减小振动，提高加工表面质量。,影响刀具耐用度,增大前角，楔角减小，切削刃强度降低、散热减少，刀具耐用度低。,影响断屑效果,减小前角，切屑变形增大，切屑容易卷曲和折断。,合理选择前角的原则,工件材料：,加工塑性材料前角宜大，加工脆性材料前角宜小；材料强度和硬度越高，前角越小，甚至取负值。,刀具材料：,高速钢可选较大的前角；硬质合金应选用较小的前角；陶瓷刀具前角更小。,加工要求：,粗加工和断续切削应选用较小的前角；精加工选较大的前角。,特定要求选择前角：,成形刀具、展成刀具,o,宜小,工艺系统刚性差、机床功率不足时,o,宜大,自动化机床、数控机床,o,宜小,前刀面及其选用,常用的前刀面型式有四种,正前角平面型,用于精加工、成形、多刃刀具等,正前角平面带倒棱型,用于粗加工、断续切削,负前角单面型,用于高强度、高硬度材料切削,正前角曲面带倒棱型,用于粗加工和半精加工,a)b)c)d),后角,o,的功用,主要功用是减小后刀面与加工表面间的摩擦,（,1,）增大后角，,减小加工表面与后刀面的接触长度，减小摩擦，提高刀具耐用度。,（,2,）增大后角，,楔角则减小，使切削刃刃口钝圆半径减小，刃口越锋利。,（,3,）后角过大，,使刀具楔角减小，刃口强度降低，散热体积减小，刀具耐用度下降。,二,、,后角的选择,合理选择后角,粗加工、断续切削、加工铸锻件，,o,宜小；精加工、连续切削,o,宜大,材料强度、硬度较高时，,o,宜小；塑性材料,o,宜大；脆性材料,o,宜小,工艺系统刚性差或高尺寸精度刀具,o,宜小,定尺寸或成形刀具,o,宜小,副后角的选择,功用：减小副后刀面与已加工表面间的摩擦,通常,o,=,o,需加强刀头强度时则,o,=13,三,、,主偏角及副偏角的选择,主偏角及副偏角的功用,影响表面粗糙度,已加工表面的残留面积高度,影响刀尖强度和刀具耐用度：,k,r,、,k,r,小，则切削刃增长，散热好，,T,影响切削分力比例：,k,r,F,f,F,p,影响切削层尺寸以及排屑、断屑效果,合理选择主、副偏角,材料强度、硬度高时，,k,r,宜小,工艺系统刚性好，,k,r,、,k,r,宜小；工艺系统差时，,k,r,90,粗加工、半精加工，,k,r,宜大,精加工,k,r,宜小，且需,k,r,=0,的修光刃,副偏角主要影响表面粗糙度和刀尖强度。在不影响摩擦和振动时，尽可能选较小的副偏角,四,、,刃倾角的选择,刃倾角的功用,影响切屑流向,增大刀具的实际前角，使切削刃变得锋利,影响刀尖强度和切削刃上受冲击位置,影响切削刃的实际工作长度,取负刃倾角时，能,保护刀尖，使切削平衡,影响切削分力的比例，从而影响表面质量,合理选择刃倾角,粗加工、有冲击载荷、断续切削时，取,s,0,（,防切屑划伤已加工表面）,材料强度、硬度高时，取,s,0,微量精车时，取,s,=45,75,大刃倾角,PCD,、,PCBN,车刀，取,s,80m/min,；,使用高速钢刀具时，宜用低速切削，,v,=38m/min,）,通常根据工件材料、刀具材料、技术要求、工艺过程、工艺系统状态等，通过查工艺手册，或根据实际情况和实践经验予以确定,选择切削用量必须遵循以下原则,一,、,切削用量的选择原则,根据零件加工余量和粗、精加工要求，选定背吃刀量,a,p,根据加工工艺系统允许的切削力，其中包括机床进给系统、工件刚度以及精加工时表面粗糙度要求，确定进给量,根据刀具寿命，确定切削速度,v,c,所选定的用量应该是机床功率允许的,一组切削用量必须考虑到加工余量、刀具寿命、机床功率、表面粗糙度和工艺系统的刚度等因素,二、切削用量的合理选择,背吃刀量,a,p,的合理选择,背吃刀量,a,p,一般是根据加工余量来确定,粗加工,（表面粗糙度,R,a5012.5m,）,时，尽可能一次走刀即切除全部余量，可取,a,p,810mm,半精加工（,R,a6.33.2m,）时，取,a,p,0.52mm,精加工（,R,a1.6,0.8m,）时，取,a,p,0.10.4mm,进给量,的合理选择,粗加工时，对表面质量没有太高的要求，而切削力往往较大，合理的,应是工艺系统刚度所能承受的最大进给量,精加工时，进给量主要受加工表面粗糙度限制，一般取较小值,切削速度,的合理选择,（,一般原则是,）,粗车时，,a,p,、,均较大，故,v,宜取较小值；精车时,a,p,、,均较小，所以,v,宜取较大值,工件材料强度、硬度较高时，应选较小的,v,值；反之，宜选较大的,v,值。材料加工性较差时，选较小的,v,值；反之，选较大的,v,值。在同等条件下，易切钢的,v,高于普通碳钢的,v,；加工灰铸铁的,v,低于碳钢的,v,；加工铝铜合金的,v,高于加工钢的,v,刀具材料的性能越好，,v,也选得越高,在选择,v,时，还应注意以下几点：,精加工时，应尽量避开容易产生积屑瘤和鳞刺的速度值域,断续切削时，为减小冲击和热应力，应适当降低,v,在易发生振动的工艺状况下，,v,应避开自激振动的临界速度,加工大件、细长件、薄壁件及带硬皮的工件时，应选用较低的,v,v,被确定之后，还应校验切削功率和机床功率,三、切削用量的优化及切削数据库,切削用量的优化,指在一定的预定目标及约束条件下，选择最佳的切削用量三要素,a,p,、,f,、,v,切削用量的优化主要是指,v,与,的优化组合。但在生产中,v,和,的数值是要受到机床、工件、刀具及切削条件等方面的限制,常用的优化目标函数有：最低的加工成本、最高的生产率、最大利润,第六节,超高速切削与超精密切削简介,金属切削加工及装备,第五章,一、超高速切削,超高速加工技术是指采用比常规切削速度高很多的高生产率先进切削方法。,超高速加工的切削速度范围取决于工件材料、加工方法。,就加工材料而言是：,切削铜、铝及其合金为,3000m/min,切削钢和铸铁为,1000m/min,切削高合金钢、镍基耐热合金为,300m/min,切削钛合金为,200m/min,切削纤维增强塑料为,20009000m/min,就加工方法而言：,车削,7007000m/min,铣削,3006000m/min,钻削,2001100m/min,磨削,80160m/s,超高速切削的特点,切削力小,温度使材料受到软化，切削力减小,切削变形小,随速度提高增大，变形急剧减小,切削温度低,热量大量被切屑带走，工件温度低,加工精度高,不易产生振动，切削力小、热变形小、加工精度和表面质量高,刀具耐用度相对有所提高,寿命下降速率减小,加工效率高,高速化使机动和辅助时间减少、自动化程度提高，加工效率提高,加工能耗低,单位功率金属切除率显著增大，降低能耗，能源和设备利用率提高,超高速切削的关键技术,超高速切削刀具：要求强度高、耐热性能好。常用的刀具材料有：添加,TaC,(,碳化钽,),、,NbC,(,碳化铌,),的含,TiC,(,碳化钛,),高的硬质合金、涂层硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼（,CBN,）,或聚晶金刚石（,PCD,）,刀具。,超高速主轴采用电磁主轴；轴承可采用高速陶瓷滚动轴承或磁浮轴承；进给机构则采用快速反应的数控伺服系统。,机床还必须配备超高速加工在线自动检测装置、高效的切屑处理装置、高压冷却喷射系统和安全防护装置。,二、超精密切削,1,超精密切削的基本概念,一般加工,指加工精度在,10m,左右（,IT5IT7,）、,表面粗糙度为,R,a0.2m0.8m,的加工方法，,如车、铣、刨、磨、电解加工等。适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等,精密加工,指加工精度在,10m 0.1m(IT5,或,IT5,以上,),、,R,a0.1m,的加工方法，,如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等,超精密加工,指加工精度在,0.1m 0.01m,、,R,a,为,0.01m,的加工方法，,如金刚石精密切削、超精密磨料加工、电子束加工、离子束加工等,超精密切削,超精密切削是指在超精密机床上使用金刚石刀具或超硬材料如立方氮化硼一类刀具进行切削，以获得超高精度加工表面的加工方法。其加工精度为,0.10.01,m,，,表面粗糙度值为,Ra0.001,m,。,超精密加工按加工方式不同可以分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工四类。,2,超精密切削的难点,精度难以控制,工艺系统的刚度和热变形对加工精度有很大影响,去除层越薄，被加工表面所受的切应力越大，材料就越不易被去除,3,实现超精密切削的条件,超精密切削是一门多学科交叉的综合性高新技术，已从单纯的技术方法发展成精密加工系统工程。该系统主要包括以下几个方面：,超精密切削的机理与工艺方法；,超精密切削工艺装备；,超精密切削工具；,超精密切削中的工件材料；,精密测量及误差补偿技术；,超精密切削加工的工作环境、条件等。,超精密切削机床必须具有很高的精度、很高的刚度、很高的稳定性、很高的自动化程度。必须采用低速进给和超微量进给机构，采用滚动导轨的微动工作台、利用弹性变形的进给刀架、利用电致伸缩或磁致伸缩的微位移机构等。,超精密切削必须排除一切干扰，通常采用液体静压轴承、液体静压导轨、空气静压导轨等。,还要有相应的高净化的工作环境。,（,1,）加工环境,恒温：,温度增加,l,时，,100mm,长的钢件就可能会产生,1m,的伸长，精密加工和超精密加工的加工精度一般都是微米级、亚微米级或更高。因此，为了保证加工区极高的热稳定性，精密加工和超精密加工必须在严密的多层恒温条件下进行,防振：,机床振动对精密加工和超精密加工有很大的危害，为了提高加工系统的动态稳定性，除了在机床设计和制造上采取各种措施，还必须用隔振系统来保证机床不受或少受外界振动的影响。应能有效地隔离频率为,6Hz9Hz,、,振幅为,0.1m0.2m,的外来振动,超净：,在未经净化的一般环境下，尘埃数量极大，绝大部分尘埃的直径小于,1m,，,也有不少直径在,1m,以上甚至超过,10m,的尘埃。这些尘埃如果落在加工表面上，可能将表面拉伤；如果落在量具测量表面上，就会造成操作者或质检员的错误判断。因此，精密加工和超精密加工必须有与加工相对应的超净工作环境,（,2,）工具切（磨）削性能,精密加工和超精密加工必须能均匀地去除不大于工件加工精度要求的极薄金属层。当精密切削,（或磨削）,的,a,p,1m,时，,a,p,可能小于工件材料晶粒的尺寸，切削在晶粒内进行，切削力要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除切屑，故作用在刀具上的剪切应力非常大。刀具或磨具必需具有很高的硬度和耐磨性,（,3,）机床设备,高精密加工机床必须具备以下条件：,主轴有极高的回转精度及很高的刚性和热稳定性,进给系统有超精确的匀速直线性，保证在超低速条件下进给均匀，不发生爬行,为了在超精密加工时实现微量进给，必须配备位移精度极高的微量进给机构,采用微机控制系统，自适应控制系统,（,4,）工件材料,应考虑强度、刚度，还必须均匀一致，不允许存在微观缺陷，有些零件甚至对材料组织的纤维化也有一定要求,（,5,）测控技术,常用在线检测、在位检测、在线补偿、预测预报及适应控制等手段，测量仪器的精度一般总是要比机床的加工精度高一个数量级，需有灵敏的误差补偿系统,4,精密加工和超精密加工的特点,加工都以精密元件、零件为加工对象,多学科综合技术,加工检测一体化,采用计算机控制、误差补偿、适应控制和工艺过程优化等生产自动化技术,5,金刚石超精密切削的机理,金刚石超精密切削主要是应用天然单晶金刚石车刀对铜、铝等软金属及其合金进行切削加工，以获得极高的精度和极低表面粗糙度参数值的一种超精密加工方法,金刚石与有色金属的亲合力极低，摩擦系数小，切削时不产生积屑瘤,属于原子、分子级单位去除的加工,切削时，其,a,p,l,m,，,刀具可能处于工件晶粒内部切削状态。切削力要超过分子或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承受很大的剪切应力，并产生很大热量，造成刀刃的高应力、高温的工作状态,金刚石精密切削的关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层,超精密车削加工余量只有几微米，能否切除如此微薄的金属层，主要取决于刀具的锋利程度。锋利程度一般是以切削刃的刃口圆角半径,的大小来表示,金刚石刀具不仅具有很好的高温强度和高温硬度，而且其材料本身质地细密，经过仔细修研，刀刃的几何形状很好，切削刃,极小,刀具,对,a,p,的影响,金刚石刀具的刃磨及切削参数,金刚石刀具是将金刚石刀头用机械夹持或粘接方式固定在刀体上构成的,金刚石刀具的刃磨,金刚石刀具的刃磨是一个关键技术,单晶体金刚石车刀的刃口圆角半径,则可达,0.02,m,金刚石精密切削铜和铝时,v,200500m,/,min,p,0.0020.003mm,f,0.010.04mm,/,r,。,超精密磨削则是采用人造金刚石、立方氮化硼,（,CBN,）,等超硬磨料砂轮对工件进行磨削加工,磨粒将承受很高的应力，使切削刃受到高温、高压的作用,超精密磨削与普通磨削最大的区别是：径向进给量极小，是超微量切除，可能还伴有塑性流动和弹性破坏等作用,金刚石砂轮的修整,细粒度金刚石砂轮磨削高硬度、高脆性材料时，常常采用与特种加工工艺方法相结合的在线修整方法,（,in-process,dressing,）,，,如高压磨料水射流喷射修整法、电解修锐法、电火花修整法和超声振动修整法等,电解超硬砂轮修锐方法,6,金刚石超精密切削的影响因素,刀具的刃磨质量,刀具的几何角度,工件材料的匀质性和微观缺陷,工作环境,金刚石超精密切削反映的是综合的制造工艺技术，只有制造工艺系统具有整体的高水平，才能真正实现超精密加工。,7,金刚石超精密切削的应用,各类金属反射镜的精密加工,双非球面镜面的精密加工,油泵油嘴、化学喷丝头、各种模具的精密加工,金刚石车削不仅用于超精密的镜面加工，而且用于表面粗糙度,R,a,值较小的高效切削中,超精密切削加工技术的水平是一个国家制造工业水平的重要标志之一，也是,国际竞争中取得成功的关键技术,之一。发展尖端科学、发展国防工业、发展微电子工业、发展航天航空工业等，都需要超精密切削技术来制造相关的仪器、设备和产品。我国对超精密切削技术既有广大的社会需求，又有巨大的发展潜力。,本章结束,作业：,5-2,、,5-3,、,5-4,、,5-5,、,5-6,、,5-10,