第2章金属切削原理Word文档格式.docx
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主运动为往复运动时,平均切削速度为:
式中L——往复运动行程长度(mm);
nr——主运动每分钟的往复次数(往复次数/min)。
2)进给量f
进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量,可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。
车削时进给量的单位是mm/r,即工件每转一圈,刀具沿进给运动方向移动的距离。
刨削等主运动为往复直线运动,其间歇进给的进给量为mm/双行程,即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。
单位时间的进给量,称为进给速度,车削时的进给速度vf计算公式为:
式中n——当主运动为旋转运动时,主运动的转速
铣削时,由于铣刀是多齿刀具,进给量单位除mm/r外,还规定了每齿进给量,用af表示,单位是(mm/z),vf、f、af三者之间的关系为:
式中z——为多齿刀具的齿数。
3)背吃刀量(切削深度)ap
背吃刀量ap是指主刀刃工作长度(在基面上的投影)沿垂直于进给运动方向上的投影值。
对于外圆车削,背吃刀量ap等于工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离,见图2.3,单位为mm。
即
式中dw——待加工表面直径;
dm——已加工表面直径。
图2.3车削时的切削要素
3.切削层参数
切削层是由切削部分以一个单一动作所切除的工件材料层。
如图2.3所示车削外圆加工,当工件旋转一圈时,车刀由位置Ⅰ行进到位置Ⅱ,其切削表面之间的一层金属就是切削层。
通常都是在垂直于切削速度vc的平面内度量。
由图2.3可见,当主切削刃为直线时,切削层的剖面形状为一平行四边形。
度量切削层大小有下列三个要素。
1)切削层公称厚度hD刀具或工件每移动一个进给量f,刀具主切削刃相邻两个位置之间的距离。
2)切削层公称宽度bD车刀主切削刃与工件的接触长度。
3)切削层公称横截面积AD在给定瞬间,切削层在切削尺寸平面里的实际横截面积。
切削层各有关参数间的关系为
hD=fsinκrbD=αp/sinκrAD=hDbD=αpf
式中κr——车刀主切削刃与工件轴线之间的夹角。
2.1.2刀具切削部分基本定义
金属切削刀具的种类很多,结构、性能各不相同,但就其单个刀齿而言,可以看成是由外圆车刀的切削部分演变而来的,如图2.4所示。
下面以外圆车刀为例,介绍刀具切削部分的基本定义。
1.刀具切削部分的组成
车刀由切削部分、刀柄两部分组成。
切削部分承担切削加工任务,刀柄用以装夹在机床刀架上。
切削部分是由一些面、切削刃组成。
我们常用的外圆车刀是由三(个刀)面、两(条切削)刃、一(个)刀尖组成的,如图2.5所示。
1)前面(前刀面)Aγ
刀具上切屑流过的表面。
2)后面(后刀面)Aα
切削时与工件上过渡表面相对的表面。
3)副后面(副后刀面)Aα′
切削时与工件上已加工表面相对的表面。
4)主切削刃S
前刀面与后刀面的交线。
它承担主要切削任务。
5)副切削刃S'
切削刃上除主切削刃以外刀刃,它承担部分切削任务。
6)刀尖
主、副切削刃汇交的一小段切削刃。
由于刀尖不可能磨得很尖,所以刀尖不是一个点,而是由一段折线或微小圆弧组成,微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径,用rε表示,如图2.6所示。
2.刀具的标注角度参考系
标注角度参考系或静止参考系:
在刀具设计、制造、刃磨、测量时用于定义刀具几何参数的参考系称为标注角度参考系,或称为静止参考系。
在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。
1)假设条件
为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致,建立刀具标注角度参考系时特别规定了如下假设条件。
①假设运动条件不考虑进给运动的影响,即假设vf=0。
②假设安装条件假定车刀刀尖与工件中心等高,且车刀刀杆中心线垂直于工件轴线。
2)刀具标注角度正交平面参考系种类
根据ISO3002/1-1997标准推荐,刀具标注角度参考系有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系三种,在不同的参考系中可以定义刀具不同的角度。
本书仅介绍刀具角度标注、刃磨、测量最常用的正交平面参考系,如图2.7所示,它由基面、主切削平面和正交平面组成。
①基面pr 过切削刃上某选定点并垂直于该点切削速度方向的平面。
车刀的基面可理解为平行于刀具底面的平面。
②主切削平面ps 过主切削刃上某选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。
③正交平面po 过切削刃上某选定点同时垂直于切削平面与基面的平面称为正交平面。
显然,基面pr、主切削平面ps、正交平面po三个平面在空间相互垂直。
3.正交平面参考系内刀具的标注角度
如图2.8所示。
1)在基面pr内测量的角度
①主偏角r主切削刃与进给运动方向之间的夹角。
②副偏角r’副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。
主偏角、副偏角只有正值。
③刀尖角r主切削平面与副切削平面(过副切削刃上某选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面)间的夹角。
刀尖角的大小会影响刀具切削部分的强度和传热性能。
它与主偏角和副偏角的关系如下:
2)在正交平面(O-O)内测量的角度
①前角o前刀面与基面间的夹角。
当前刀面与基面平行时,前角为零。
基面在前刀面以外,前角为正。
反之,前角为负。
根据需要前角可取正值、零值或负值。
②后角o后刀面与切削平面间的夹角。
(2)后角o后刀面与切削平面间的夹角。
当后刀面与主切削平面平行时,后角为零。
主切削平面在后刀面以外,后角为正。
反之,后角为负。
后角通常取正值。
③楔角o前刀面与后刀面间的夹角。
楔角的大小将影响切削部分截面的大小,决定着切削部分的强度,它与前角o和后角o的关系如下:
图2.8车刀的几何角度
3)在切削平面内(S向)测量的角度
图2.9刃倾角的正负
刃倾角s主切削刃与基面间的夹角。
刃倾角正负的规定如图2.9所示。
刀尖处于最高点时,刃倾角为正;
刀尖处于最低点时,刃倾角为负;
切削刃平行于底面时,刃倾角为零。
4.刀具的工作角度
刀具标注角度都是在假定运动条件和假定安装条件下定义的,如果考虑合成运动和实际安装情况,则刀具的参考系将发生变化,刀具角度也发生了变化。
按照刀具工作中的实际情况,在刀具工作角度参考系中确定的角度称为刀具工作角度。
多数情况下,不必进行工作角度的计算,只有在进给运动和刀具安装对工作角度产生较大影响时,需考虑工作角度。
1)进给运动对工作角度的影响
车削端面或切断时,车刀是横向进给,以切断刀为例,如图2.10所示,在不考虑进给运动时,车刀主切削刃上选定点相对于工件的运动轨迹是一个圆,主切削平面ps为通过主切削刃上选定点切于圆周的平面,基面pr为通过主切削刃上选定点的水平面。
o、o。
为别为车刀标注角度的前角和后角。
考虑到进给运动时,主切削刃上选定点相对于工件的运动轨迹为一条阿基米德螺旋线,主切削平面变为通过主切削刃上选定点,并切于螺旋面的平面pse。
因此,车到的工作角度oe和oe分别为
图2.10横向进给运动对工作角度的影响
车外圆及车螺纹时是纵向切削,此时过渡表面是一个螺旋面,工作切削平面和工作基面都要偏转同一个角度µ
,一般车外圆时,其角度小于10°
,可以忽略不计,但在车削大导程螺纹时必须考虑工作角度的变化。
2)刀具安装高低对工作角度的影响车外圆时,当车刀刀尖安装高于工件轴线或低于工件轴线时,主切削平面ps和基面pr都要偏转,如图2.11所示。
当刀尖安装高于工件轴线时,工作前角增大,工作后角减小。
当刀尖安装低于工件轴线时,工作前角减小,工作后角增大。
3)刀杆中心线与进给方向不垂直时对工作角度的影响车刀刀柄中心线与进给运动方向不垂直时,主偏角和副偏角将发生变化,如图2.12所示。
刀柄右偏时,工作主偏角增大,工作副偏角减小;
刀柄左偏时,工作主偏角减小,工作副偏角增大;
刀柄中心线与进给运动方向垂直时,主偏角和副偏角没有变化。
图2.11车刀安装高度对工作角度的影响
2.1.3刀具材料
刀具材料一般是指刀具切削部分的材料。
它的性能是影响加工表面质量、切削效果、刀具寿命和加工成本的重要因素。
2.1.3.1刀具应具备的性能
金属切削过程中,刀具切削部分承受很大切削力和剧烈摩擦,并产生很高的切削温度;
在断续切削工作时,刀具将受到冲击和产生振动,引起切削温度的波动。
为此,刀具材料应具备下列基本性能:
1)硬度和耐磨性
刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度,并具有较高的抵抗磨损的能力。
2)强度和韧性
刀具材料应具有承受冲击和振动而不破碎的能力。
3)热硬性
刀具材料在高温下应能保持较高的硬度和耐磨性。
4)工艺性与经济性
为了使刀具便于制造,刀具材料应具有一定的铸造性、锻造性、焊接性和切削加工性。
图2.12车刀刀柄偏移对主偏角和副偏角的影响
2.1.3.2常用刀具材料
常用刀具材料分为:
工具钢(包括碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢),硬质合金,超硬刀具材料(包括陶瓷,金刚石及立方氮化硼等)
1.优质碳素工具钢
该类钢经淬火后具有较高的硬度,刃磨后较锋利,但热硬性差,在200~250℃时硬度就开始显著下降。
常用于制造低速、不受冲击载荷的手工工具,如锉刀、手用锯条、刮刀等。
常用的牌号有T10A、T12A等。
2.低合金工具钢
含有Cr、W、Mn等合金元素,耐磨性比优质碳素工具钢有所提高,耐热温度约为350~400℃,而且热处理变形小,淬透性较好。
切削速度比碳素工具钢高10%~40%。
一般用于制造低速复杂刀具,如铰刀、丝锥、板牙或齿轮铣刀等。
常用的牌号有CrWMn、9SiCr等。
3.高速钢
是以W、Cr、V、Mo为主要合金元素的高合金工具钢。
经热处理后具有较高的硬度,特别具有较高的热硬性,在550~600℃时仍能保持较高的硬度和耐磨性,并有一定的切削加工和热处理的工艺性能,易于磨出锋利的刀刃。
所以高速钢特别适用于制造结构复杂的成形刀具,孔加工刀具,例如各类铣刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具、成形车刀等。
由于高速钢硬度,耐磨性,耐热性不及硬质合金,因此只适于制造中、低速(v<60m/min)切削的各种刀具。
高速钢按其性能分成两大类:
普通高速钢和高性能高速钢。
常用的牌号为W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V等。
W9Mo3Cr4V是我国近几年开发的新品种。
具有前两种钢的共同优点,比W18Cr4V有更高的热塑性,强度及热塑性也略高于W6Mo5Cr4V2,硬度为63~64HRC,与韧性相配合,容易轧制、锻造,热处理工艺范围宽,脱碳敏感性小,成本更低。
近几年国际上开发的粉末冶金高速钢具有更好的性能,它将成为一种新型高速钢材料。
4.硬质合金
硬质合金主要是由硬度和熔点都很高的碳化物(WC或TiC)和粘接剂(Co)经粉末冶金方法制成。
其热硬温度高达800~1000℃,允许的切削速度比普通高速钢高4~7倍。
但其韧性较差,抗弯强度比高速钢低。
所以硬质合金大量应用在刚性好,刀刃形状简单的高速切削刀具上。
随着技术的进步,复杂刀具也在逐步扩大其应用。
常用硬质合金牌号和应用范围见表2.1。
钨钴类硬质合金是由WC和Co烧结而成,代号为YG,一般适用于加工铸铁和青铜等脆性材料。
表2.1硬质合金常用牌号和应用范围
牌号
应用范围
YG3X
硬度、耐磨性、切削速度↑
抗弯强度、韧性、进给量↓
铸铁,有色金属及其合金的精加工、半精加工,不能承受冲击载荷
YG3
铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工,不能承受冲击载荷
YG6X
普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工
YG6
铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工
YG8
铸铁、有色金属及其合金、非金属材料的粗加工,也可用于断续切削
YG6A
冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工,亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工
YT30
碳素钢、合金钢的精加工
YT15
碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工,亦可用于断续切削时精加工
YT14
同YT15
YT5
碳素钢、合金钢的粗加工,可用于断续切削
YW1
高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工
YW2
高温合金、不锈钢、高锰钢等难加工材料及普通钢料、铸棋、有色金属的粗加工和半精加工
钨钛钴类硬质合金是以WC为基体,添加TiC,用Co作粘结剂烧结而成,代号为YT。
由于TiC的加入,使其硬度和耐热性比YG类高,并且在切削韧性材料时较耐磨,但韧性较低,一般适用于高速加工碳钢等韧性材料。
在以上两种硬度合金中添加少量其它碳化物(如TaC或NbC)而派生出的一类硬质合金,代号为YW,不仅提高了耐磨性和抗弯强度,而且提高了韧性,具有较好的综合性能,既适用加工脆性材料,又适用于加工塑性材料。
常用牌号YW1、YW2。
5.涂层刀具材料
硬质合金或高速钢刀具通过化学或物理方法在其表面涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物,既能提高刀具材料的耐磨性,而又不降低其韧性。
主要用于半精加工和精加工。
对刀具表面涂覆的方法有两种:
化学气相沉积法(CVD法),适用于硬质合金刀具;
物理气相沉积法(PVD法),适用于高速钢刀具。
涂层材料可分为TiC涂层、TiN涂层、TiC与TiN涂层、Al2O3涂层等。
6.其它刀具材料
1)陶瓷刀具
是以氧化铝(Al2O3)或以氮化硅(Si3N4)为基体,再加入高温碳化物(如TiC、WC)和少量金属添加剂(如镍、铁、钨、钼等),在高温下烧结而成的一种刀具材料。
硬度高、耐高温,但抗弯强度和冲击韧性低,容易崩刃。
一般适用于高速下精细加工高硬度、高强度钢或冷硬铸铁材料。
一些新型复合陶瓷刀也可用于半精加工或粗加工难加工的材料或间断切削。
陶瓷材料被认为是提高生产率的最有希望的刀具材料之一。
2)人造金刚石
它是碳的同素异形体,是目前最硬的刀具材料,显微硬度达10000HV。
它有极高的硬度和耐磨性,与金属摩擦系数很小,切削刃极锋利,能切下极薄切屑,有很好的导热性,较低的热膨胀系数,但它的耐热温度较低,在700~800℃时易脱碳,失去硬度,抗弯强度低,对振动敏感,与铁有很强的化学亲合力,不宜加工钢材,主要用于有色金属及非金属的精加工,超精加工以及作磨具、磨料用。
3)立方氮化硼
它是继人造金刚石后出现的第二种人造无机超硬材料,由立方氮化硼(白石墨)在高温高压下转化而成的,其硬度仅次于金刚石,耐热温度可达1400℃,有很高的化学稳定性,较好的可磨性,抗弯强度与韧性略低于硬质合金。
一般用于高硬度,难加工材料的半精加工和精加工。
2.2金属切削原理及其应用
金属的切削过程是一个复杂的过程,在这一过程中形成切屑、产生切削力、切削热与切削温度,刀具磨损等许多现象,研究这些现象及变化规律,对于合理使用与设计刀具,夹具和机床,保证加工质量,减少能量消耗,提高生产率和促进生产技术发展都有很重要的意义。
2.2.1切削变形
2.2.1.1切削变形特点
如图2.13所示,金属压缩实验,当金属试件受挤压时,在其内部产生主应力的同时,还将在与作用力大致成45°
方向的斜截面产生最大切应力,在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。
金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块,使金属沿一个最大剪应力方向产生滑移。
图2.13金属的挤压与切削机理
如图2.14所示当切屑层达到切削刃OA(OA代表始滑移面)处时,切应力达到材料屈服强度,产生剪切滑移,切削层移到OM面上,剪切滑移终止,并离开切削刃后形成了切屑,然后沿前刀面流出。
图2.14金属切削过程中的滑移线好流线与三个变形区
始滑移面OA与终滑移面OM之间的变形区称为第一变形区,宽度很窄(约0.02~0.2mm),故常用OM剪切面亦称滑移面来表示,它与切削速度的夹角称为剪切角φ,见图2.15。
当切屑沿刀具的前刀面流出时,由于受到前刀面挤压和摩擦作用,在前刀面摩擦阻力的作用下,靠近前刀面的切屑底层金属再次产生剪切变形。
使切屑底层薄的一层金属流动滞缓,流动滞缓的一层金属称为滞流层,这一区域又称为第二变形区。
图2.15剪切角
工件已加工表面受到钝圆弧切削刃的挤压和后面的摩擦,使已加工表面内产生严重变形,已加工表面与后面的接触区称为第三变形区。
这三个变形区不是独立的,而是有着紧密的联系和相互影响。
2.2.1.2切屑的种类
由于工件材料和切削条件的不同,切削过程中的变形情况也不同,因而产生的切屑形状也不同,从变形的观点来看,可将切屑的形状分为四种类型如图2.16所示。
1.带状切屑
在切削过程中,切削层变形终了时,如其金属的内应力还没有达到强度极限,就会形成连绵不断的切屑,在切屑靠近前刀面的一面很光滑,另一面略呈毛茸状,这就是带状切屑。
当切削塑性较大的金属材料如碳素钢、合金钢、铜和铝合金或刀具前角较大,切削速度较高时,经常出现这类切屑。
2.节状切屑(挤裂切屑)
在切屑形成过程中,如变形较大,其剪切面上局部所受到的剪应力达到材料的强度极限时,则剪切面上的局部材料就会破裂成节状,但与前刀面接触的一面常互相连接因而未被折断,这就是挤裂切屑。
工件材料塑性越差或用较大进给量低速切削钢材时,较容易得到这类切屑。
3.粒状切屑(单元切屑)
在切屑形成过程中,如其整个剪切面上所受到的剪应力均超过材料的破裂强度时,则切屑就成为粒状切屑,形状似梯形。
4.崩碎切屑
切削铸铁、黄铜等脆性材料时,切削层几乎不经过塑性变形阶段就产生崩裂,得到的切屑呈现不规则的粒状,工件加工后的表面也极为粗糙。
前三种切屑是切削塑性金属时得到的,形成带状切屑时切削过程最平稳,切削力波动较小,已加工表面粗糙度较小,但带状切屑不易折断,常缠在工件上,损坏已加工表面,影响生产,甚至伤人。
因此要采取断屑措施,例如在前刀面上磨出卷屑槽(断屑槽)等。
形成粒状切屑时,切削力波动最大。
在生产中一般常见的是带状切屑,当进给量增大,切削速度降低,则可由带状切屑转化为挤裂切屑。
在形成挤裂切屑的情况下,如果进一步减小前角,或加大进给量降低切削速度,就可以得到粒状切屑,反之,如果加大前角,减小进给量,提高切削速度,变形较小则可得到带状切屑,这说明切屑的形态随切削条件的不同可互相转化。
图2.16切屑的种类
2.2.1.3积屑瘤
在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下,加工塑性材料时,常常在刀具前刀面上靠近切削刃处粘着一块剖面呈三角状的硬块,见图2.17。
这块冷焊在前刀面上的金属就称为积屑瘤。
其组织和性质既不同于加工材料,也不同于刀具材料。
积屑瘤并不稳固,常被工件或切屑带走,时生时灭。
积屑瘤的硬度很高,通常是工件材料的2~3倍,当它处于比较稳定的状态时可代替刀刃切削,并对切削刃有一定的保护作用;
同时增大了实际工作前角,减小了切削变形。
但由它堆积的钝圆弧刃口造成挤压和过切现象,使加工精度降低,积屑瘤脱落后粘附在已加工表面上恶化表面粗糙度,所以,在精加工时应避免积屑瘤产生。
图2.17积屑瘤
影响积屑瘤的主要因素有工件材料,切削层、刀具前角及切削液等,工件材料塑性越大,刀屑间摩擦系数和接触长度越大,容易生成积屑瘤。
如图2.18所示,切削速度对切屑瘤影响很大,切削速度很低时,由于摩擦系数较小,很少产生积屑瘤。
在切削速度υc=20m/min左右,切削温度约为300℃时,最易产生积屑瘤,且高度最大。
切削速度是通过平均温度和平均摩擦系数影响积屑瘤的。
减小进给量,增大刀具前角,提高刃磨质量,合理选用切削液,使摩擦和粘结减少,均可达到抑制积屑瘤的作用。
图2.18切削速度与积屑瘤高度的关系
2.2.1.4已加工表面变形和加工硬化
任何刀具的切削刃都很难磨得绝对锋利,当在钝圆弧切削刃和其邻近的狭小后面的切削挤压摩擦下,切屑晶体向下滑动绕过刃口形成已加工表面。
使已加工表面层的金属晶粒发生扭曲挤紧,破碎等,构成了已加工表面上的变形区。
在金属切削加工时,已加工表面经过严重塑性变形而使表面原硬度增高,这种现象称为加工硬化(冷硬)。
金属材料经硬化后在表面上会出现细微裂纹和残余应力,从而降低了加工质量和材料的疲劳强度,增加下道工序加工困难,加速刀具磨损,所以在切削时应设法避免或减轻加工硬化现象。
2.2.2切削力
切削过程中,刀具施加于工件使工件材料产生变形,并使多余材料变为切屑所需的力称为切削力而工件低抗变形施加于刀具称为切削抗力,在分析切削力以及切削机理时,切削力与切削抗力意义相同。
研究切削力对刀具、机床、夹具的设计和使用都具有很重要的意义。
2.2.2.1切削力的来源和分解
刀具切削工件时,由于切屑与工件内部产生弹性,塑性变形抗力,切屑与工件对刀具产生摩擦阻力,形成刀具对工件作用一个合力F,由于其大小,方向不易确定。
因此,为了便于测量、计算及研究,通常将合力F分解为垂直切削分力Fc、轴向切削分力Ff和径向切削分力Fp三个分力,如图2.21所示。
图2.19切削力
1.垂直切削分力Fc(又称为主切削力)
与切削速度v方向一致,也是在主运动方向上的分力,它切于加工表面,并与基面垂直。
它比其他两个分力要大得多,约消耗功率95%以上。
是计算刀具强度,设计机床零件,确定机床功率和主传动系统零件(如主轴箱内的轴和齿轮等)强度和刚度的主要依据。
2.轴向切削分力Ff(又称为走刀分力)
在进给运动方向上的分力,它处于基面内与进给方向相反。
Ff是设计机床进给机构和确定进给功率和进给系统零件强度和刚度的主要依据。
3.径向切削分力Fp(又称为吃刀分力)
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