《機(jī)械制造基礎(chǔ)》課件第1章

第1章機(jī)械加工基礎(chǔ)知識1.1切削運(yùn)動(dòng)及切削要素1.2切削刀具1.3切削過程及控制1.4工件材料的切削加工性能復(fù)習(xí)思考題切削加工是使用切削工具(刀具、磨具和磨料),通過工具和工件的相對運(yùn)動(dòng)把工件上多余的材料層切除,使工件獲得規(guī)定的幾何參數(shù)(尺寸、形狀、位置)和表面質(zhì)量的加工方法。機(jī)器上的零件除極少數(shù)是采用精密鑄造或精密鍛造等無屑加工的方法獲得的以外,絕大多數(shù)都是靠切削加工的方法來獲得的,因此，切削加工在機(jī)械制造業(yè)中占有十分重要的地位。由于切削加工一般是在常溫下進(jìn)行的,因此也常稱為冷加工。

切削加工之所以獲得廣泛的應(yīng)用,是因?yàn)樗c其他一些加工方法比較,具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)加工精度高。切削加工可以根據(jù)要求達(dá)到不同的精度和表面粗糙度，可以獲得很高的加工精度和很低的表面粗糙度?，F(xiàn)代切削加工技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到尺寸公差I(lǐng)T12～I(xiàn)T3的精度,表面粗糙度Ra值可達(dá)到25.000～0.008μm。

(2)適用面廣。切削加工可用于金屬材料的加工,如各種碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等;也可用于某些非金屬材料的加工,如石材、木材、塑料和橡膠等。它們的尺寸從小到大不受限制,重量可以達(dá)數(shù)百噸。目前世界上最大的立式車床可加工直徑為26m的工件。切削加工分為機(jī)械加工(簡稱機(jī)工)和鉗工兩大類。

機(jī)工是指通過各種金屬切削機(jī)床對工件進(jìn)行的切削加工,其加工方式有車削、鉆削、銑削、刨削和磨削等,所用的機(jī)床分別為車床、鉆床、銑床、刨床和磨床等。

鉗工是指通過工人手持工具進(jìn)行的切削加工,其基本操作有劃線、鋸削、銼削、鉆孔、攻螺紋、套螺紋、刮削、機(jī)械裝配和設(shè)備修理等。鉗工用的工具簡單,操作靈活、方便,它可以完成機(jī)械加工所不能完成的某些工作。鉗工的勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低,但在機(jī)械制造和修配中仍占著一定地位,隨著生產(chǎn)的發(fā)展,鉗工機(jī)械化的內(nèi)容也越來越豐富。

1.1切削運(yùn)動(dòng)及切削要素

1.1.1零件表面的形成

零件表面的形狀雖然有些很復(fù)雜,但主要是由基本表面和成型面組成的。基本表面包括外圓面、內(nèi)圓面(孔)、平面。成型面包括螺紋、齒輪的齒形和溝槽等。外圓面和孔是以某一直線為母線,以圓為軌跡作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所形成的表面;平面是以某一直線為母線,以另一直線為軌跡作平移運(yùn)動(dòng)所形成的表面;成型面是以曲線為母線,以圓或直線為軌跡作旋轉(zhuǎn)或平移運(yùn)動(dòng)所形成的表面。上述這些表面可分別用圖1-1所示的相應(yīng)加工方法來獲得。圖1-1零件不同表面加工時(shí)的切削運(yùn)動(dòng)1.1.2切削運(yùn)動(dòng)

無論在哪一種機(jī)床上進(jìn)行切削加工,刀具和工件間必須有一定的相對運(yùn)動(dòng),即切削運(yùn)動(dòng)。切削運(yùn)動(dòng)可以是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng),也可以是連續(xù)運(yùn)動(dòng)或間歇運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)在切削中所起的作用不同,切削運(yùn)動(dòng)(如圖1-1所示)分為主運(yùn)動(dòng)(圖中Ⅰ)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(圖中Ⅱ)。

1)主運(yùn)動(dòng)

主運(yùn)動(dòng)是使刀具和工件之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng),促使刀具接近工件而實(shí)現(xiàn)切削的運(yùn)動(dòng),如圖1-2中工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即為主運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè),其速度最高,消耗功率最大。主運(yùn)動(dòng)的形式有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)(由工件或刀具進(jìn)行)兩種,

如車削、銑削、磨削加工時(shí)的主運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);刨削、插削加工時(shí)工件或刀具的主運(yùn)動(dòng)是往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

2)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由機(jī)床或人力提供的保證切削連續(xù)進(jìn)行的刀具與工件之間的運(yùn)動(dòng),如圖1-2所示車刀的移動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有連續(xù)和斷續(xù)兩種類型。當(dāng)主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的,如車削、鉆削;當(dāng)主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)時(shí),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是斷續(xù)的,如刨削、插削等。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可能是1個(gè)或多個(gè)。圖1-2切削運(yùn)動(dòng)和加工表面1.1.3切削用量

在機(jī)械加工中,工件上同時(shí)形成三個(gè)表面,即待加工表面、過渡表面(加工表面)和已加工表面,如圖1-2所示。

切削用量(cuttingconditions)包括切削速度vc、進(jìn)給量f(或進(jìn)給速度vf)和背吃刀量ap三要素。

1.切削速度vc

切削刃上選定點(diǎn)相對于工件主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度,即刀具和工件在主運(yùn)動(dòng)方向的相對位移稱為切削速度。

若主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(如車削、鉆削、鏜削、銑削和磨削加工等),切削速度一般為其最大線速度。

m/s或m/min

式中:d為工件(或刀具)的直徑,單位為mm;n為工件(或刀具)的轉(zhuǎn)速,單位為r/s或r/min。若主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)(如刨削、插削等),則以其平均速度作為切削速度,即

m/s或m/min

式中:L為往復(fù)行程長度,單位為mm;nr為主運(yùn)動(dòng)每秒或每分鐘的往復(fù)次數(shù),單位為str/s或str/min。

2.進(jìn)給量f

刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對于工件的位移量稱為進(jìn)給量(feedrate)。不同的加工方法由于所用刀具和切削運(yùn)動(dòng)形式不同,進(jìn)給量的表述和度量方法也不相同。

當(dāng)主運(yùn)動(dòng)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),進(jìn)給量指工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周,兩者沿進(jìn)給方向的相對位移量;當(dāng)主運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng)時(shí),進(jìn)給量指刀具或工件每往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)一次,兩者沿進(jìn)給方向的相對位移量。用單齒刀具(如車刀、刨刀等)加工時(shí),當(dāng)主運(yùn)動(dòng)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),進(jìn)給量指每轉(zhuǎn)進(jìn)給量,即工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周兩者沿進(jìn)給方向的相對位移量;當(dāng)主運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng)時(shí),進(jìn)給量指每行程進(jìn)給量,即刀具或工件每往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)一次兩者沿進(jìn)給方向的相對位移量。

用多齒刀具(如銑刀、鉆頭等)加工時(shí),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度稱進(jìn)給速度,以vf表示。刀具每轉(zhuǎn)或每行程中每齒相對工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的位移量,稱每齒進(jìn)給量。

fz、f、vf之間有如下關(guān)系:

vf=fn=fzzn

式中:n為刀具或工件轉(zhuǎn)速,單位為r/s或r/min;z為刀具的齒數(shù)。

3.背吃刀量ap

在通過切削刃上選定點(diǎn)并垂直于該點(diǎn)主運(yùn)動(dòng)方向的切削層尺寸平面中,垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向測量的切削層尺寸,稱為背吃刀量,以ap表示,車外圓時(shí):

式中:dw、dm分別為工件待加工和已加工表面直徑,單位為mm。1.1.4切削層參數(shù)

切削層是指切削過程中,由刀具切削部分的一個(gè)單一動(dòng)作(如車削時(shí)工件轉(zhuǎn)一圈,車刀主切削刃移動(dòng)一段距離)所切除的工件材料層。它決定了切屑的尺寸及刀具切削部分的載荷。

切削層的尺寸和形狀通常是在切削層尺寸平面中測量的,如圖1-3所示。圖1-3車削時(shí)切削層尺寸

1.切削層公稱橫截面積AD

在給定瞬間,切削層的實(shí)際斷面面積稱為切削層公稱截面積，以AD表示,單位為mm2。

2.切削層公稱寬度bD

切削層公稱寬度是指沿主切削刃測量的切削層尺寸反映了切削刃參加切削的工作長度，以bD表示,單位為mm。

3.切削層公稱厚度hD

切削層公稱厚度是指切削層公稱橫截面積與其公稱寬度之比,以hD表示,單位為mm。

由定義可知,切削層參數(shù)AD、bD和hD之間的關(guān)系如下：

AD=bDhDmm2

因AD不包括殘留面積,而且在各種加工方法中AD與進(jìn)給量和背吃刀量的關(guān)系不同,所以AD不等于f和ap的積。只有在車削加工中,當(dāng)殘留面積很小時(shí)才能近似地認(rèn)為它們相等,即

AD≈fapmm2

1.2切削刀具

切削加工過程中，直接完成切削工作的是刀具。刀具切削性能的好壞，取決于構(gòu)成刀具的幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)及刀具切削部分的材料。

1.2.1刀具切削部分的組成

切削刀具的種類繁多,形狀各異,但不管它們的結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜,切削部分的結(jié)構(gòu)要素和幾何角度都有著許多共同的特征。各種多齒刀具,就其一個(gè)刀齒而言,都相當(dāng)于一把車刀的刀頭,所以研究切削刀具時(shí)總是以車刀為例。

車刀(turningtools)由工作部分和非工作部分構(gòu)成,車刀的工作部分即切削部分,非工作部分就是車刀的柄部(或刀桿)。

車刀切削部分(如圖1-4)由下列要素組成:三面、兩刃、一尖。圖1-4外圓車刀

1.刀面

前刀面:刀具上切屑流過的表面。

主后刀面:在切削過程中,刀具與工件正在被切削加工的表面(過渡表面)相對的刀面。

副后刀面:在切削過程中,刀具與工件已切削加工的表面相對的刀面

2.刀刃

主切削刃:前刀面與主后刀面在空間的交線,擔(dān)負(fù)著主要切削任務(wù)。

副切削刃:前刀面與副后刀面在空間的交線,僅在靠刀尖處擔(dān)負(fù)著少量的切削任務(wù),起一定修光作用。

3.刀尖

刀尖指主切削刃與副切削刃的連接處相當(dāng)少的一部分切削刃。

實(shí)際刀具的刀尖并非絕對尖銳,為了增加刀尖的強(qiáng)度與耐磨性,一般在刀尖處磨出一小段直線或圓弧形的過渡刃,分別稱為修圓刀尖和倒角刀尖。1.2.2刀具幾何角度參考系

刀具要從工件上切除余量,就必須使它的切削部分具有一定的切削角度。用于定義和規(guī)定刀具角度的各基準(zhǔn)坐標(biāo)面,稱為參考系。其中,用于定義刀具設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測量幾何參數(shù)時(shí)用的參考系稱為刀具靜止參考系;用于規(guī)定刀具進(jìn)行切削加工時(shí)幾何參數(shù)的參考系稱為刀具工作參考系。工作參考系與靜止參考系的區(qū)別在于用實(shí)際的合成運(yùn)動(dòng)方向取代假定主運(yùn)動(dòng)方向,用實(shí)際的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向取代假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向。

刀具靜止參考系(如圖1-5所示)由基面、切削平面、正交平面和假定工作平面組成。

(1)基面:過切削刃選定點(diǎn),垂直于該點(diǎn)假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面,以pr表示。

(2)切削平面:過切削刃選定點(diǎn),與切削刃相切并垂直于基面的平面,主切削平面以ps表示。

(3)正交平面:過切削刃選定點(diǎn),同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面,以po表示。

(4)假定工作平面:過切削刃選定點(diǎn),垂直于基面并平行于假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的平面,以pf表示。圖1-5刀具靜止參考系的平面1.2.3刀具的標(biāo)注角度

在刀具靜止參考系中定義的角度稱為刀具的標(biāo)注角度。車刀的標(biāo)注角度是在車刀設(shè)計(jì)、制造、刃磨及測量時(shí)必須考慮的主要角度,如圖1-6所示。圖1-6車刀的主要角度

(1)主偏角κr:在基面中測量的主切削平面與假定工作平面間的夾角。

(2)副偏角:在基面中測量的副切削平面與假定工作平面間的夾角。

主偏角主要影響切削層截面的形狀和參數(shù),影響切削分力的變化,并和副偏角一起影響已加工表面的粗糙度;副偏角有減小副后刀面與已加工表面間摩擦的作用。

當(dāng)背吃刀量和進(jìn)給量一定時(shí),主偏角愈小,切削層公稱寬度愈大而公稱厚度愈小,即切下寬而薄的切屑,如圖1-7所示。這時(shí),主切削刃單位長度上的負(fù)荷較小,并且散熱條件較好,有利于提高刀具的壽命。圖1-7主偏角對切削層參數(shù)的影響由圖1-8可以看出,當(dāng)主、副偏角小時(shí),已加工表面殘留面積的高度hc亦小,因而可減小表面粗糙度的值,同時(shí)刀尖強(qiáng)度和散熱條件較好,有利于提高刀具壽命。但是,當(dāng)主偏角減小時(shí),背向力將增大。若加工剛度較差的工件(如車細(xì)長軸),則容易引起工件變形并可能產(chǎn)生振動(dòng)。圖1-8主、副偏角對殘留面積的影響主、副偏角應(yīng)根據(jù)工件的剛度及加工要求選取合理的數(shù)值。一般車刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°等幾種;副偏角為5°～15°,粗加工時(shí)取較大的值。

(3)前角γ0:在正交平面中測量的前刀面與基面間的夾角。有正前角、零度前角和負(fù)前角(如圖1-9所示)。圖1-9前角的正與負(fù)當(dāng)選取較大的前角時(shí),切削刃鋒利,切削輕快,切削層材料變形小,切削力也小。但當(dāng)前角過大時(shí),切削刃和刀頭的強(qiáng)度、散熱條件和受力狀況變差,將使刀具磨損加快,刀具壽命降低,甚至崩刃損壞。

若取較小的前角,雖切削刃和刀頭較強(qiáng)固,散熱條件和受力狀況也較好,但切削刃不夠鋒利,對切削加工不利。前角的大小通常根據(jù)工件材料、刀具材料和加工性質(zhì)來選取。工件材料的強(qiáng)度、硬度較低時(shí),應(yīng)選取較大前角;反之應(yīng)選取較小的前角。加工塑性材料時(shí),應(yīng)選取較大前角;加工脆性材料時(shí),應(yīng)選取較小的前角。刀具材料韌性好(高速鋼),選取較大的前角;反之,(硬質(zhì)合金)選取較小的前角。粗加工時(shí),選取較小的前角;精加工時(shí),選取較大的前角。例如,用硬質(zhì)合金車刀切削結(jié)構(gòu)鋼件,γ0可選取10°～20°;切削灰鑄鐵件,γ0選取5°～15°等。

(4)后角α0:在正交平面中測量的后刀面與切削平面間的夾角,如圖1-9所示。

后角的主要作用是減少刀具后刀面與工件表面間的摩擦,并配合前角改變切削刃的鋒利程度與強(qiáng)度大小。后角只能是正值,后角大,摩擦小,切削刃鋒利。但后角過大,將使切削刃變?nèi)?散熱條件變差,刀具磨損加速。反之后角過小,雖切削刃強(qiáng)度增加,散熱條件變好,但摩擦加劇。后角的大小常根據(jù)加工的種類和性質(zhì)來選取。粗加工或工件材料較硬時(shí),要求切削刃后角取較小值,α0=6°～8°;工件材料越軟、塑性越大,所選取的后角越大;工藝系統(tǒng)剛度較差時(shí),適當(dāng)減小后角;對切削刃強(qiáng)度要求不高,主要希望減小摩擦得到較小的粗糙度值時(shí),后角可選取

稍大的值,α0=8°～12°。

(5)刃傾角λs:在主切削平面中測量的主切削刃與基面間的夾角,如圖1-10所示。刃傾角也有正、負(fù)和零值之分。圖1-10刃傾角及其對排屑方向的影響刃傾角主要影響刀頭的強(qiáng)度、切削分力和排屑方向。負(fù)的刃傾角起到增強(qiáng)刀頭的作用,但會使背向力增大,有可能引起振動(dòng),而且還會使切屑排向已加工表面,劃傷和拉毛已加工表面。因此,粗加工時(shí)為了增強(qiáng)刀頭,λs常取負(fù)值;

精加工時(shí)為了保護(hù)已加工表面,λs常取正值或零;車刀的刃傾角一般在－5°～+5°之間選取。有時(shí)為了提高刀具耐沖擊的能力,λs可取較大的負(fù)值。1.2.4刀具工作角度

刀具的工作角度是指在工作參考系中定義的刀具角度,它考慮了合成運(yùn)動(dòng)和刀具安裝條件的影響。一般情況下,進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對合成運(yùn)動(dòng)的影響可忽略。在正常安裝條件下,如車刀刀尖與工件回轉(zhuǎn)軸線等高、刀柄縱向軸線垂直于進(jìn)給方向時(shí),車刀的工作角度近似于靜止參考系中的角度。但在切斷、車螺紋及車非圓柱表面時(shí),就要考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響。

刀具安裝位置對工作角度的影響如圖1-11所示。車外圓時(shí),若刀尖高于工件的回轉(zhuǎn)軸線,則工作前角γ0e>γ0,而工作后角α0e<α0;反之,若刀尖低于工件的回轉(zhuǎn)軸線,則γ0e<γ0,α0e>α0(鏜孔時(shí)的情況正好與此相反)。圖1-11車刀安裝高度對前角和后角的影響當(dāng)車刀刀柄的縱向軸線與進(jìn)給方向不垂直時(shí),將會引起主偏角和副偏角的變化,如圖1-12所示。圖1-12車刀安裝偏斜對主偏角和副偏角的影響1.2.5刀具材料

1.刀具材料應(yīng)具備的性能

切削過程除了要求刀具具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)外,還要求刀具有良好的切削性能。刀具的切削性能主要取決于刀具材料,刀具材料是指切削部分的材料。

刀具材料(cuttingtoolmaterials)在切削時(shí)要承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動(dòng)。金屬切削過程中的加工質(zhì)量、加工效率和加工成本在很大程度上取決于刀具材料的合理選擇。因此,為了保證切削的正常進(jìn)行,刀具材料應(yīng)具備以下基本性能:

(1)較高的硬度。刀具材料硬度必須高于工件材料硬度,刀具材料常溫硬度一般要求在60HRC以上。

(2)較好的耐磨性。刀具材料具有較好的耐磨性可以抵抗切削過程中的磨損,維持一定的切削時(shí)間。一般刀具材料的硬度越高、晶粒越細(xì)、分布越均勻,耐磨性就越好。

(3)足夠的強(qiáng)度和韌度。刀具材料具有足夠的強(qiáng)度和韌度可以承受切削力、沖擊和振動(dòng),防止刀具脆性斷裂和崩刃。

(4)較高的耐熱性。刀具材料具有較好的耐熱性可以在高溫下保持較高硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌度。耐熱性又稱之為紅硬性或熱硬性。

(5)良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。刀具材料應(yīng)具有良好的鍛造性能、軋制性能、熱處理性能、焊接性能、切削加工性能和磨削加工性能,而且要有較高的性能價(jià)格比。

2.刀具材料

1)碳素工具鋼(carbontoolsteel)

碳素工具鋼是指含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼(含碳量為0.7%～1.2%)。碳素工具鋼紅硬性差,在200～500℃時(shí)即失去原有硬度,但工藝性能好,強(qiáng)度較高,價(jià)格便宜。碳素工具鋼淬火后的硬度可達(dá)60~64HRC,常用于制造低速切削和消耗量大的簡單的手動(dòng)工具,如銼刀、手用鋸條等。牌號有T7、T8、T9、T10、T12A等。

2)合金工具鋼(alloytoolsteel)

合金工具鋼是在碳素工具鋼中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素而形成的,可適當(dāng)提高耐熱性、耐磨性,耐熱溫度為300～400℃。這類鋼熱處理后的硬度為61~65HRC,允許的切削速度為10～12m／min。由于淬透性好,熱處理變形小,適用于制造形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的手動(dòng)或機(jī)動(dòng)低速刀具,如絲錐、板牙、鉸刀等。常用牌號有9CrSi、CrWMn。

3)高速鋼(highspeedsteel)

高速鋼是加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金鋼。熱處理后硬度可達(dá)63～66HRC,抗彎強(qiáng)度約3.3GPa,具有較高的熱穩(wěn)定性、耐磨性和耐熱性。切削溫度在500～650℃時(shí)仍能進(jìn)行切削。適合于制造結(jié)構(gòu)和刃形復(fù)雜的刀具,如銑刀、鉆頭、插齒刀、剃齒刀、螺紋刀具和拉刀等。

高速鋼按用途可分為通用高速鋼和高性能高速鋼;按制造工藝可分為熔煉高速鋼、粉末冶金高速鋼和表面涂層高速鋼;按基本化學(xué)成分可分為鎢系和鉬系高速鋼。普通高速鋼如W18Cr4V是國內(nèi)使用最為普遍的刀具材料,廣泛用于制造形狀較為復(fù)雜的各種刀具,如麻花鉆、銑刀、拉刀、齒輪刀具和其他成型刀具等。

高性能高速鋼是在普通高速鋼中加入Co、V等合金元素,使其常溫硬度可達(dá)67～70HRC,抗氧化能力、耐磨性與熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。如W2Mo9Cr4VCo8是世界上用得較多的高性能高速鋼,用于耐熱合金、高強(qiáng)度鋼、鈦合金、不銹鋼等難切削材料的各種刀具的制造。

粉末高速鋼是用高壓氬氣或純氮?dú)忪F化熔融高速鋼鋼水得到細(xì)小的高速鋼粉末,再通過粉末冶金工藝制成的刀具材料。它適用于制造各種高性能精密刀具,如加工汽輪機(jī)葉輪的輪槽銑刀、拉刀、滾刀、插齒刀、剃齒刀等。

4)硬質(zhì)合金(carbides)

硬質(zhì)合金是由高硬度和高熔點(diǎn)的金屬碳化物(碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC、碳化鈮NbC等)和金屬粘結(jié)劑(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工藝制成的一種合金。它的硬度高(87~92HRA)、耐磨性好、耐熱性高(紅硬性溫度高達(dá)800～1000℃),允許的切削速度比高速鋼高數(shù)倍,但其強(qiáng)度和韌性均較高速鋼低,工藝性能也不如高速鋼。因此常制成各種形式的刀片,焊接或機(jī)械夾固在車刀、刨刀、端銑刀等的刀體上使用。按ISO標(biāo)準(zhǔn),硬質(zhì)合金可分為K、M、P三個(gè)主要類別。

(1)K類硬質(zhì)合金(牌號YG類)。K類硬質(zhì)合金具有較好的韌性、塑性、導(dǎo)熱性,但耐磨性較差,K類硬質(zhì)合金適合加工短切屑的金屬或非金屬材料,如淬硬鋼、鑄鐵、銅鋁合金、塑料等。其代號有K01、K10、K20、K30、K40等,數(shù)字越大,耐磨性越低而韌度越高。精加工可用K01,半精加工可用K10、K20,粗加工選用K30。

(2)P類硬質(zhì)合金(牌號YT類)。P類硬質(zhì)合金是以WC為基體,添加TiC,用Co作粘結(jié)劑燒結(jié)而成。合金中TiC含量提高,Co含量降低,其硬度、耐磨性和耐熱性進(jìn)一步提高,但抗彎強(qiáng)度、導(dǎo)熱性,特別是沖擊韌性明顯下降。

適合加工長切屑的黑色金屬,如鋼、鑄鋼等。其代號有P01、P10、P20、P30、P40、P50等,數(shù)字越大,耐磨性越低而韌度越高。精加工可用P01,半精加工選用P10、P20,粗加工選用P30。

(3)M類硬質(zhì)合金(牌號YW類)。M類硬質(zhì)合金是在YT類硬質(zhì)合金中加入TaC或NbC燒結(jié)而成,可提高抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、抗氧化能力、耐磨性和高溫硬度等,既適合加工脆性材料,又適合加工塑性材料。特別適合加工長(短)切屑的金屬材料,如鋼、鑄鋼、不銹鋼等難切削材料等。其代號有M10、M20、M30、M40等,數(shù)字越大,耐磨性越低而韌度越高。精加工可用M10,半精加工可用M20,粗加工選用M30。

5)涂層(coated)刀具材料

涂層刀具材料是指通過氣相沉積或其他技術(shù)方法,在硬質(zhì)合金或高速鋼的基體上涂覆一薄層高硬度、高耐磨性的難熔金屬或非金屬化合物而構(gòu)成的刀具材料。主要涂層材料有TiC、TiN、TiC+TiN、TiC+Al2O3、TiC+TiN+Al2O3或金剛石等多種。采用多涂層可使涂層具有更高的結(jié)合強(qiáng)度,還可使刀片具有更好的切削性能。涂層硬質(zhì)合金刀具的壽命比不涂層的可提高1～3倍,涂層高速鋼刀具壽命比不涂層的可提高2～10倍。

6)陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料有Al2O基和Si3N4基兩類。它們是以氧化鋁或氮化硅為基體再添加少量金屬后在高溫下燒結(jié)而成的刀具材料。其優(yōu)點(diǎn)是:硬度高(可達(dá)86～96HRC),耐磨和耐高溫性能好(能耐1200℃高溫),有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性,與金屬的親合力小、抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng);缺點(diǎn)是脆性大、抗彎強(qiáng)度低,沖擊韌性差,易崩刃,所以其應(yīng)用受到限制。近年來,各國已先后研制成功多種“金屬陶瓷”。陶瓷刀具材料多用于高強(qiáng)鋼、冷硬鑄鐵等難加工材料的半精加工和精加工。

7)金剛石

天然金剛石是自然界最硬的材料,耐熱性為700～800℃。天然金剛石的耐磨性極好,但價(jià)格昂貴,主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件,如加工磁盤、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。其主要缺點(diǎn)是與鐵族材料有親和作用,不宜加工鋼和鑄鐵。人造金剛石是通過金屬觸媒的作用在高溫、高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成的人工制造出的最堅(jiān)硬物質(zhì)。顯微硬度可達(dá)HV10000(硬質(zhì)合金為HV1300～1800),耐磨性好,切削刃口鋒利,刃部表面摩擦系數(shù)小,不易產(chǎn)生粘結(jié)或積屑瘤,在大部分場合可替代天然金剛石制成各種車刀、鏜刀、銑刀等刀片。人造金剛石既可用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷等硬度達(dá)65～70HRC的材料,也可用于加工高硬度的非金屬材料。

8)聚晶立方氮化硼(CBN)

聚晶立方氮化硼是一種人工合成的新型刀具材料,是由六方氮化硼在高溫、高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)化而成。聚晶立方氮化硼具有很高的硬度及耐磨性,熱穩(wěn)定性好,化學(xué)惰性大,與鐵系金屬在1300℃時(shí)不易起化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)熱性好,摩擦系數(shù)低。因此可用于高溫合金、冷硬鑄鐵、淬硬鋼等難加工材料的加工。1.2.6刀具結(jié)構(gòu)

刀具的結(jié)構(gòu)形式對刀具的切削性能、切削加工的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性有著重要的影響,下面以車刀為例說明刀具結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

車刀的結(jié)構(gòu)形式有整體式、焊接式、機(jī)夾重磨式、機(jī)夾可轉(zhuǎn)位式等幾種,如圖1-13所示。圖1-13車刀的結(jié)構(gòu)形式

(1)整體式車刀。早期使用的車刀多半是整體結(jié)構(gòu),切削部分與夾持部分材料相同,對貴重的刀具材料消耗較大,常用高速鋼制造。

(2)焊接式車刀。焊接式車刀是將硬質(zhì)合金刀片用釬料焊接在開有刀槽的刀桿上,然后刃磨使用。

焊接式車刀結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,剛性好,靈活性大,可根據(jù)加工條件和加工要求磨出所需角度,應(yīng)用十分普遍。但焊接式車刀的硬質(zhì)合金刀片經(jīng)過高溫焊接和刃磨后會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋,使切削性能下降,對提高生產(chǎn)效率不利。

(3)機(jī)夾重磨式車刀。機(jī)夾重磨式車刀避免了焊接引起的缺陷,提高了刀具耐用度,刀桿可重復(fù)使用,利用率較高。其主要特點(diǎn)是刀片和刀桿是兩個(gè)可拆開的獨(dú)立元件,工作時(shí)靠夾緊元件把它們緊固在一起。車刀磨鈍后,將刀片卸下刃磨,然后重新裝上繼續(xù)使用。這類車刀較焊接式車刀提高了刀具耐用度,提高了生產(chǎn)率,降低了生產(chǎn)成本,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂紋。

(4)機(jī)夾可轉(zhuǎn)位式車刀。將壓制有一定幾何參數(shù)的多邊形刀片,用機(jī)械夾固的方法裝夾在標(biāo)準(zhǔn)的刀體上形成的車刀稱為機(jī)夾可轉(zhuǎn)位式車刀。使用時(shí),刀片上一個(gè)切削刃用鈍后,只需松開夾緊機(jī)構(gòu),將刀片轉(zhuǎn)位換成另一個(gè)新的切削刃便可繼續(xù)切削。因機(jī)械夾固車刀的切削性能穩(wěn)定,在現(xiàn)代生產(chǎn)中應(yīng)用越來越多。機(jī)夾可轉(zhuǎn)位式車刀具有以下優(yōu)點(diǎn):

①不需刃磨和焊接,刀片材料能較好地保持原有力學(xué)性能、切削性能、硬度和抗彎強(qiáng)度,在相同條件下,刀具切削性能大為提高。

②減少了刃磨、換刀、調(diào)刀所需的輔助時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率。

③可使用涂層刀片,提高刀具耐用度。

④刀具使用壽命延長,節(jié)約刀體材料及其制造費(fèi)用。

1.3切削過程及控制

在金屬切削過程(cuttingprocess)中,始終存在著刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾,從而產(chǎn)生一系列物理現(xiàn)象,如切削變形、切削力、切削熱與切削溫度以及有關(guān)刀具的磨損與刀具壽命等。研究、掌握并能靈活應(yīng)用金屬切削基本理論,對有效控制切削過程,保證加工精度和表面質(zhì)量,提高切削效率,降低生產(chǎn)成本,合理改進(jìn)、設(shè)計(jì)刀具幾何參數(shù),減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等有著重要的指導(dǎo)意義。1.3.1切屑的形成及類型

1.切屑的形成過程

金屬的切削過程實(shí)際上與金屬的擠壓過程很相似。以龍門刨削為例,當(dāng)?shù)毒邉偱c工件接觸時(shí),接觸處的壓力使工件產(chǎn)生彈性變形,在工件材料向刀具切削刃逼近的過程中,材料的內(nèi)應(yīng)力逐漸增大,當(dāng)剪切應(yīng)力為τ時(shí),材料就開始滑移而產(chǎn)生塑性變形。如圖1-14所示,OA線表示材料各點(diǎn)開始滑移的位置,稱為始滑移線,即點(diǎn)1在向前移動(dòng)的同時(shí)沿OA滑移,其合成運(yùn)動(dòng)將使點(diǎn)1流動(dòng)到點(diǎn)2,2′—2就是它的滑移量。隨著滑移變形的繼續(xù)進(jìn)行,剪切應(yīng)力不斷增大,當(dāng)P點(diǎn)順次向2、3…各點(diǎn)移動(dòng)時(shí),剪應(yīng)力不斷增加,直到點(diǎn)4位置時(shí),此時(shí)其流動(dòng)方向與刀具前刀面平行,不再沿OM線滑移,故稱OM為終滑移線。OA與OM間的區(qū)域稱為第Ⅰ變形區(qū)。該區(qū)域是切削力、切削熱的主要來源區(qū),也可消耗大部分切削能量。圖1-14切屑形成過程及三個(gè)變形區(qū)切屑(chips)沿前刀面流出時(shí),還需要克服前刀面對切屑的擠壓而產(chǎn)生的摩擦力,切屑受到前刀面的擠壓和摩擦,繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形,切屑底面的這一層薄金屬區(qū)稱為第Ⅱ變形區(qū)。

該區(qū)域?qū)Ψe屑瘤的形成和刀具前刀面磨損有直接影響。

工件已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓、回彈與摩擦,產(chǎn)生塑性變形,導(dǎo)致金屬表面的纖維化與加工硬化,工件已加工表面的變形區(qū)域稱為第Ⅲ變形區(qū)。該區(qū)域?qū)ぜ砻娴淖冃螐?qiáng)化和殘余應(yīng)力及后刀面磨損有很大影響。必須指出,第Ⅰ變形區(qū)和第Ⅱ變形區(qū)是相互關(guān)聯(lián)的,第Ⅱ變形區(qū)內(nèi)前刀面的摩擦情況與第Ⅰ變形區(qū)內(nèi)金屬滑移方向有很大關(guān)系,當(dāng)前刀面上的摩擦力大時(shí),切屑排除不通暢,擠壓變形加劇,使第Ⅰ變形區(qū)的剪切滑移增大。經(jīng)過塑性變形的切屑,其厚度hch大于切削層公稱厚度hD,而長度lch小于切削層公稱長度lD(見圖1-15),這種現(xiàn)象稱為切屑收縮。切屑厚度與切削層公稱厚度之比稱為切屑厚度壓縮比,以Λh表示。由定義可知

在一般情況下,Λh>1。圖1-15切屑厚度壓縮比圖

切屑厚度壓縮比反映了切削過程中切屑變形程度的大小,對切削力、切削溫度和表面粗糙度有重要影響。在其他條件不變時(shí),切屑厚度壓縮比愈大,切削力愈大,切削溫度愈高,

表面愈粗糙。因此,在加工過程中,可根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施,來減小變形程度,改善切削過程。例如在中速或低速切削時(shí),可增大前角以減小變形,或?qū)ぜM(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?以降低材料的塑性,使變形減小等。

2.切屑的類型

在金屬切削過程中,由于工件材料的塑性不同、刀具的前角不同或采用不同的切削用量會形成不同類型的切屑,并對切削加工產(chǎn)生不同的影響。常見的切屑有如下幾種,如圖1-16所示。圖1-16切屑的類型

(1)崩碎切屑。在切削鑄鐵和黃銅等脆性材料時(shí),切削層金屬發(fā)生彈性變形以后,一般不經(jīng)過塑性變形就突然崩落,形成不規(guī)則的碎塊狀屑片稱為崩碎切屑。產(chǎn)生崩碎切屑時(shí),切削熱和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近,刀具易崩刃、刀尖易磨損,并容易產(chǎn)生振動(dòng),影響表面質(zhì)量。

(2)帶狀切屑。帶狀切屑連續(xù)成帶狀,內(nèi)表面是光滑的,外表面是毛茸茸的。用大前角的刀具、較高的切削速度和較小的進(jìn)給量切削塑性材料時(shí)容易得到帶狀切屑。形成帶狀切屑時(shí)切削過程平穩(wěn),切削力波動(dòng)較小,已加工表面粗糙度較小,但切屑連續(xù)不斷,影響生產(chǎn)的安全并可能擦傷已加工表面,因此要采取斷屑措施。

(3)擠裂(節(jié)狀)切屑。擠裂切屑刀屑接觸面有裂紋,外表面是鋸齒形。采用較低的切削速度和較大的進(jìn)給量、較小刀具前角、粗加工中等硬度的鋼材料時(shí)容易得到擠裂切屑。形成擠裂切屑時(shí)切削力波動(dòng)較大,工件表面較粗糙。1.3.2積屑瘤

在一定速度范圍下,切削塑性金屬材料形成帶狀切屑時(shí),常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘結(jié)一些工件材料,形成一塊硬度很高的楔塊,稱之為積屑瘤(thebuilt-upedge),或稱刀瘤。

1.積屑瘤的形成

積屑瘤的形成如圖1-17所示。

當(dāng)切屑沿刀具的前刀面流出時(shí),在一定的溫度與壓力作用下,與前刀面接觸的切屑底層受到很大的摩擦阻力,致使這一層金屬的流出速度減慢,形成一層很薄的“滯流層”。

當(dāng)前刀面對滯流層的摩擦阻力超過切屑材料的內(nèi)部結(jié)合力時(shí),就會有一部分金屬粘結(jié)或冷焊在切削刃附近,形成積屑瘤。積屑瘤形成后不斷長大,達(dá)到一定高度又會破裂,而被切屑帶走或嵌附在工件表面上。上述過程是反復(fù)進(jìn)行的。圖1-17積屑瘤的形成與脫落

2.積屑瘤對切削加工的影響

積屑瘤對切削過程會產(chǎn)生一定的影響,主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)金屬材料因塑性變形而被強(qiáng)化,所以,積屑瘤的硬度比工件材料的硬度高,積屑瘤能代替切削刃進(jìn)行切削,起到保護(hù)切削刃的作用。

(2)積屑瘤的存在使刀具實(shí)際工作前角增大,使切削輕快,在粗加工時(shí)有利于切削加工。

(3)積屑瘤的頂端會伸出切削刃之外,而且積屑瘤不斷地產(chǎn)生和脫落使切削層公稱厚度不斷變化,影響尺寸精度。(4)積屑瘤導(dǎo)致切削力的變化,引起振動(dòng)。

(5)有一些積屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上,增大表面粗糙度,導(dǎo)致刀具磨損。

因此,粗加工時(shí)希望產(chǎn)生積屑瘤,而精加工時(shí)應(yīng)盡可能避免積屑瘤的產(chǎn)生。

3.積屑瘤的控制

影響積屑瘤形成的主要因素有工件材料的力學(xué)性能、切削速度和冷卻潤滑條件等。

對于工件材料的力學(xué)性能來說,影響積屑瘤形成的主要是塑性。塑性越大,越容易形成積屑瘤。例如,加工低碳鋼、中碳鋼、鋁合金等材料時(shí)容易產(chǎn)生積屑瘤。要避免積屑瘤的產(chǎn)生,可將工件進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理,以提高其強(qiáng)度和硬度,降低塑性。在對某些工件材料進(jìn)行切削時(shí),切削速度是影響積屑瘤形成的主要因素。切削速度是通過切削溫度和摩擦來影響積屑瘤的。以切削中碳鋼為例,當(dāng)切削速度較低(vc＜5m/min)

時(shí),切削溫度低,切屑內(nèi)部結(jié)合力較大,刀具前刀面與切屑間的摩擦小,積屑瘤不易形成;當(dāng)切削速度增大(5～50m/min)時(shí),切削溫度升高,摩擦加大,則易于形成積屑瘤;但當(dāng)切削速度很高(vc≥100m/min)時(shí),切削溫度高,摩擦減小,不會形成積屑瘤。抑制或消除積屑瘤可采取以下措施:

(1)采用低速或高速切削。

(2)采用高潤滑性的切削液,使摩擦和粘結(jié)減少,降低切削溫度。

(3)適當(dāng)減少進(jìn)給量,增大刀具前角,減小切削變形。

(4)采用適當(dāng)?shù)臒崽幚韥硖岣卟牧系挠捕?降低塑性,減小加工硬化傾向。

為了避免形成積屑瘤,一般精車、精銑采用高速切削,而拉削、鉸削和寬刀精刨時(shí),則采用低速切削。1.3.3切削力和切削功率

1.切削力

1)切削力的構(gòu)成

刀具在切削工件時(shí),必須克服材料的彈、塑性變形產(chǎn)生的抗力,克服刀具與工件及刀具與切屑之間的摩擦力(如圖

1-18所示),才能切下切屑。這些力構(gòu)成了實(shí)際的切削力(cuttingforce)。在切削過程中,切削力使工藝系統(tǒng)(機(jī)床—工件—刀具)變形,影響加工精度。切削力還直接影響切削熱的產(chǎn)生,并進(jìn)一步影響刀具的磨損和已加工表面的質(zhì)量。切削力是設(shè)計(jì)和使用機(jī)床、刀具、夾具的重要依據(jù)。

實(shí)際加工中,總切削力的方向和大小都不易直接測定,也沒有直接測定的必要。為了適應(yīng)設(shè)計(jì)和工藝分析的需要,一般不是直接研究總切削力,而是研究它在一定方向上的分力。圖1-18切削力來源

2)切削力的分解

以車外圓為例,通常將總切削力F分解為相互垂直的三個(gè)分力:切削力Fc、進(jìn)給力Ff

和背向力Fp,如圖1-19所示。圖1-19車外圓時(shí)力的分解切削力Fc:總切削力在主運(yùn)動(dòng)方向的分力,大小約占總切削力的80%～90%。Fc消耗的功率最多,約占總功率的90%。切削力是計(jì)算機(jī)床切削功率、選配機(jī)床電機(jī)、校核機(jī)床主軸、設(shè)計(jì)機(jī)床部件及計(jì)算刀具強(qiáng)度等必不可少的參數(shù)。當(dāng)Fc過大時(shí),可能使刀具損壞或使機(jī)床發(fā)

生“悶車”現(xiàn)象。

進(jìn)給力Ff:總切削力在進(jìn)給方向的分力。進(jìn)給力是設(shè)計(jì)、校核機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)床進(jìn)給功率不可缺少的參數(shù)。在車削過程中,零件受其影響而產(chǎn)生彈性變形。例如在車端面時(shí)表面可能呈凹心或凸肚狀態(tài)背向力Fp:總切削力在垂直于工作平面方向的分力,因?yàn)榍邢鲿r(shí)這個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度為零,所以Fp不消耗功率。但背向力一般作用在工件剛度較弱的方向上,容易使工件變形,甚至可能產(chǎn)生振動(dòng),影響工件的加工精度。例如,在車削過程中,Fp具有將工件頂彎的趨勢;在利用尾頂尖加工細(xì)長軸時(shí),Fp可使車削后的工件呈腰鼓形;車懸臂軸時(shí),Fp可使工件呈喇叭形;工藝系統(tǒng)剛度不足時(shí),Fp還容易引起振動(dòng)。Fp是進(jìn)行加工精度分析、計(jì)算工藝系統(tǒng)剛度以及分析工藝系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)所必須的參數(shù)。三個(gè)切削分力與總切削力F有如下關(guān)系:

3)切削力的估算

切削力的大小是由很多因素決定的,如工件材料、切削用量、刀具角度、切削液和刀具材料等。在一般情況下,對切削力影響比較大的是工件材料和切削用量。

材料的強(qiáng)度、硬度越高,切削力越大。在強(qiáng)度、硬度相近的情況下,材料的塑性、韌性越大,則刀具前面上的平均摩擦系數(shù)越大,切削力也就越大。在切削用量三要素中,進(jìn)給量f和背吃刀量ap增加,使切削力Fc增加。在加工塑性材料時(shí),切削速度在5～20m/min區(qū)域內(nèi)增加時(shí),積屑瘤高度逐漸增加,切削力減小;切削速度繼續(xù)在20～35m/min范圍內(nèi)增加時(shí),積屑瘤逐漸消失,切削力增加;在切削速度大于35m/min時(shí),由于切削溫度上升,摩擦系數(shù)減小,切削力下降。一般切削速度超過90m/min時(shí),切削力無明顯變化。在切削脆性金屬材料時(shí),因塑性變形很小,刀屑界面上的摩擦也很小,所以切削速度vc

對切削力Fc無明顯的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中,如果刀具材料和機(jī)床性能許可,采用高速切削既能提高生產(chǎn)效率,又能減小切削力。切削力的大小可用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算,例如車削外圓時(shí),計(jì)算Fc的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中:為與工件材料、刀具材料及切削條件等有關(guān)的系數(shù);

ap為背吃刀量,單位為mm;

f為進(jìn)給量,單位為mm/r;

、為指數(shù);為切削條件不同時(shí)的修正系數(shù)。經(jīng)驗(yàn)公式中的系數(shù)和指數(shù)可從“切削用量手冊”中查出。例如,用γ0=15°、κr=75°的硬質(zhì)合金車刀車削結(jié)構(gòu)鋼件外圓時(shí),

=1609,

=1,

=0.84。指數(shù)比大,說明背吃刀量ap對Fc的影響比進(jìn)給量f對Fc的影響大。生產(chǎn)中,常用切削層單位面積切削力kc來估算切削力Fc的大小。因?yàn)閗c是切削力Fc與切削層公稱橫截面積AD之比,所以

Fc=kc·AD=kc·bD·hD≈kc·ap·fN

式中:

kc為切削層單位面積切削力,單位為MPa,其值可從有關(guān)資料中查出;

bD為切削層公稱寬度,單位為mm;hD為切削層公稱厚度,單位為mm。

2.切削功率

切削功率(cuttingpower)Pm用于核算加工成本和計(jì)算能量消耗,在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)根據(jù)它來選擇機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率。

切削功率Pm應(yīng)是3個(gè)切削分力消耗功率的總和。因?yàn)楸诚蛄p消耗的功率為零,進(jìn)給力Ff消耗的功率很小,一般忽略不計(jì),所以切削功率Pm可用下式計(jì)算:

Pm=10－3Fc·vckW

式中:Fc為切削力,單位為N;vc為切削速度,單位為m/s。機(jī)床電動(dòng)機(jī)的功率PE可用下式計(jì)算:

式中:ηm為機(jī)床傳動(dòng)效率,一般取0.75～0.85。1.3.4切削熱和切削溫度

1.切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)

在切削過程中,由于絕大部分的切削功都轉(zhuǎn)變成熱量,所以會產(chǎn)生大量的熱,這些熱稱為切削熱(cuttingheat)。

金屬切削過程的三個(gè)變形區(qū)就是產(chǎn)生切削熱的三個(gè)熱源(如圖1-20所示):切屑變形所產(chǎn)生的熱量、切屑與刀具前刀面之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量;工件與刀具后刀面之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量。其中切屑變形所產(chǎn)生的熱量是切削熱的主要來源。圖1-20切削熱來源切削熱產(chǎn)生后,經(jīng)切屑、工件、刀具以及周圍的介質(zhì)傳導(dǎo),導(dǎo)致切削區(qū)內(nèi)的切削溫度上升。各部分傳導(dǎo)的比例取決于工件材料、切削速度、刀具材料、刀具幾何形狀、加工方式及是否使用切削液等。

用高速鋼車刀及與之相適應(yīng)的切削速度切削鋼料時(shí),切削熱傳出的比例是:切屑傳出的熱約為50%～86%;工件傳出的熱約為10%～40%;刀具傳出的熱約為3%～9%;周圍介質(zhì)傳出的熱約為1%。傳入切屑及介質(zhì)中的熱量越多,對加工越有利。

傳入工件的切削熱會使工件產(chǎn)生熱變形,影響加工精度。特別是加工薄壁零件、細(xì)長零件和精密零件時(shí),熱變形的影響更大。磨削淬火鋼件時(shí),切削溫度過高,往往使工件表面產(chǎn)生燒傷和裂紋,影響工件的耐磨性和使用壽命。

傳入刀具的切削熱的比例雖然不大,但由于刀具的體積小,熱容量小,導(dǎo)致刀具溫度升高。高速切削時(shí),切削溫度可達(dá)1000℃,加速了刀具的磨損。

因此,在切削加工中應(yīng)采取措施減少切削熱的產(chǎn)生,同時(shí)改善散熱條件以減少高溫對刀具和工件的不良影響。

2.切削溫度及其影響因素

切削溫度一般是指切削區(qū)的平均溫度,它可用熱電偶或其他儀器進(jìn)行測定。生產(chǎn)中常根據(jù)切屑的顏色判斷切削溫度的高低。如切削碳素結(jié)構(gòu)鋼時(shí),切屑呈銀白色或淡黃色說明切削溫度不高;切屑呈深藍(lán)色或藍(lán)黑色則說明切削溫度很高。切削溫度的高低取決于切削熱的產(chǎn)生和傳散情況。影響切削溫度的主要因素有工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損程度和切削液。

1)工件材料

材料的強(qiáng)度、硬度越高,切削抗力越大,消耗的功率越多,產(chǎn)生的熱就越多。對鋼材進(jìn)行切削時(shí)發(fā)熱多,對鑄鐵進(jìn)行切削時(shí)發(fā)熱少。

工件材料導(dǎo)熱系數(shù)越小,傳散的熱越少,切削區(qū)的切削溫度就越高。

對同一種材料,熱處理狀態(tài)不同,切削溫度也不相同。

切削脆性材料時(shí),由于塑性變形很小,崩碎切屑與前刀面的摩擦也小,產(chǎn)生的切削熱就少。

2)切削用量

在切削用量三要素中,切削速度對切削溫度的影響最大,背吃刀量對切削溫度的影響最小。

當(dāng)切削速度增加時(shí),切削功率增加,切削熱也增加;同時(shí),由于切屑底層與前刀面強(qiáng)烈摩擦產(chǎn)生的摩擦熱來不及向切屑內(nèi)部傳導(dǎo),而大量積聚在切屑底層,因而會使切削溫度升高。增大進(jìn)給量,單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量增多,切削熱也會增加。

進(jìn)給量對于切削溫度的影響不如切削速度那樣顯著。這是由于進(jìn)給量增加,使切屑變厚,切屑的熱容量增大,由切屑帶走的熱量增多,切削區(qū)的溫升較小。

增加背吃刀量也會增加切削熱,但切削刃參加工作的長度同時(shí)增加,改善了散熱條件,因此切削溫度上升不明顯。

因此,從降低切削溫度和提高刀具壽命的觀點(diǎn)來看,選用大的背吃刀量和進(jìn)給量,比選用高的切削速度有利。

3)刀具幾何參數(shù)

前角γ0增大時(shí),切削過程中的塑性變形和摩擦?xí)p小,切削溫度下降。但前角不能太大,否則刀具切削部

分的鍥角過小,容熱、散熱體積減小,切削溫度反而上升。主偏角κr增大時(shí),切削刃工作接觸長度減小,切削寬度減小,散熱條件變差,切削溫度升高。

4)刀具磨損程度

刀具主后面磨損時(shí),減小后角會使主后面與工件間摩擦加劇。刃口磨損時(shí),切屑形成過程的塑性變形加劇,使切削溫度增高。

5)切削液

利用切削液(cuttingfluid)的潤滑功能可以降低摩擦系數(shù),以減少切削熱的產(chǎn)生,利用其冷卻功用可吸收大量的切削熱,所以采用切削液是降低切削溫度的重要措施。

3.切削液的作用與種類

通過改變外部條件來影響和改善切削過程,是提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的有效措施之一,其中應(yīng)用最廣泛的是合理選擇和使用切削液。

在切削過程中,噴注足夠數(shù)量的切削液能減小摩擦,改善散熱條件。切削液能帶走大量的切削熱,使切削溫度降低100～150℃。

1)切削液的作用

切削液具有冷卻、潤滑、清洗的作用。

切削液的冷卻作用:①吸收并帶走大量的切削熱,從而降低切削溫度,提高刀具壽命;②減少工件、刀具的熱變形,提高加工精度;③降低斷續(xù)切削時(shí)的熱應(yīng)力,防止刀具熱裂、破損等。

切削液能滲入到切屑、工件與刀面之間,在三者間形成完全的潤滑油膜,有效地減小摩擦。

2)切削液的種類

常用的切削液分為水溶液、乳化液和切削油三種。

(1)水溶液:主要成分是水,并加入少量的防銹劑等添加劑。水溶液具有良好的冷卻作用,可以大大降低切削溫度,但潤滑性能較差。

(2)乳化液:將乳化油用水稀釋而成,具有良好的流動(dòng)性和冷卻作用,并有一定的潤滑作用。低濃度的乳化液用于粗車、磨削;高濃度的乳化液用于精車、精銑、精鏜、拉削等。

(3)切削油:主要用礦物油,也可使用動(dòng)植物油或混合油。切削油的潤滑作用良好,而冷卻作用小,多用來減小摩擦并得到小的工件表面粗糙度。精刨、珩磨和超精加工等常使用煤油作切削液,而攻螺紋、精車絲杠可用菜油之類的植物油。

3)切削液的選用

切削液的品種很多,性能各異。通常根據(jù)加工性質(zhì)、零件材料和刀具材料來選擇合理的切削液,才能收到良好的效果。

(1)按工件材料選用。加工鋼材等塑性材料時(shí),需要使用切削液;加工銅合金和其他有色金屬時(shí),不能用硫化油,以免在零件表面產(chǎn)生黑色的腐蝕斑點(diǎn);加工鑄鐵和鋁合金時(shí),一般不使用切削液,精加工時(shí),可使用煤油作切削液,以降低表面粗糙度。按刀具材料選用。高速鋼刀具耐熱性差,粗加工時(shí),切削用量大,切削熱多,應(yīng)選用以冷卻作用為主的切削液,以降低切削溫度;在精加工時(shí),主要是改善摩擦條件,抑制積屑瘤的產(chǎn)生,應(yīng)使用潤滑性能好的極壓切削油或高濃度的極壓乳化液,以提高加工表面質(zhì)量。硬質(zhì)合金刀具由于耐熱性好,一般不用切削液。

(3)按加工方法選用。對半封閉、封閉加工,選用極壓乳化液或極壓切削油,以對切削區(qū)進(jìn)行冷卻、潤滑,并對切屑進(jìn)行沖洗。在磨削加工時(shí),由于磨削區(qū)溫度很高,磨屑會降低已磨削表面質(zhì)量,因此要求切削液具有良好的冷卻、清洗、排屑和防銹性能,一般選用乳化液。1.3.5刀具磨損和刀具壽命

在切削過程中,刀具切削部分由于磨損或局部破損而逐漸發(fā)生變化,最終失去切削性能。刀具磨損(toolwear)到一定程度后,切削力明顯增大,切削溫度上升,甚至產(chǎn)生振動(dòng),影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此刀具磨損到一定程度后,必須重新刃磨,使切削刃恢復(fù)到鋒利狀態(tài),以繼續(xù)使用。經(jīng)過施用→磨鈍→刃磨鋒利若干個(gè)循環(huán)以后,刀具切削部分便無法繼續(xù)使用。刀具從開始投入使用到完全報(bào)廢過程中實(shí)際切削時(shí)間的總和,稱為刀具壽命。

1.刀具磨損形態(tài)

(1)后刀面磨損。當(dāng)切削脆性材料或以較小的背吃刀量切削塑性材料時(shí),由于刀具主后刀面與工件過渡表面間存在著強(qiáng)烈的摩擦,在后刀面毗鄰切削刃的部位會磨損成小棱面。后刀面磨損量以后刀面上磨損寬度值VB表示,如圖1-21(a)所示。

(2)前刀面磨損。在切削速度較高、背吃刀量較大且不用切削液的情況下加工塑性材料時(shí),切屑將在前刀面磨出月牙洼。前刀面的磨損量以月牙洼的最大深度KT表示,如圖1-21(b)所示。

前后刀面同時(shí)磨損。在常規(guī)條件下加工塑性金屬時(shí),常出現(xiàn)如圖1-21(c)所示的前后刀面同時(shí)磨損的形態(tài)。圖1-21刀具磨損形態(tài)

2.刀具磨損過程

在一定切削條件下,不論何種磨損的形態(tài),其磨損量都將隨時(shí)間的延長而增大。圖1-22所示為硬質(zhì)合金車刀主后刀面磨損量VB與切削時(shí)間之間的關(guān)系,即磨損曲線。圖1-22刀具磨損過程由圖1-22可知,刀具磨損過程可分為三個(gè)階段:

AB段:初期磨損階段,刀刃鋒尖迅速被磨掉,磨成一個(gè)窄面。

BC段:正常磨損階段,磨損量隨切削時(shí)間的延長而近似成比例增加,而磨損速度隨時(shí)間延長減慢。刀具的使用不應(yīng)超過這一有效工作階段的范圍。

CD段:急劇磨損階段,刀具變鈍,切削力增大,切削溫度急劇上升,磨損加快,出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲,已加工表面質(zhì)量明顯惡化,刀具不能有效使用。經(jīng)驗(yàn)表明,在刀具正常磨損階段的后期、急劇磨損階段之前,進(jìn)行換刀重磨。這樣,既可保證加工質(zhì)量,又能充分利用刀具材料。

3.影響刀具磨損的因素

增大切削用量時(shí)會導(dǎo)致切削溫度增高,這將加速刀具的磨損。其中,切削速度對刀具磨損的影響最大,進(jìn)給量f次之,背吃刀量ap最小。

此外,刀具材料、刀具幾何形狀、工件材料以及是否使用切削液等因素都會影響刀具的磨損。例如,耐熱性好的刀具材料就不易磨損;適當(dāng)加大刀具前角,由于減小了切削力,

可減少刀具的磨損。

4.刀具耐用度

刀具耐用度是指刃磨后的刀具從開始切削直至磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間,以T來表示。

刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具幾何參數(shù)是否合理的重要參數(shù)。粗加工時(shí),通常以切削時(shí)間(min)表示刀具耐用度。例如,硬質(zhì)合金焊接車刀的耐用度大致為60min,高速鋼鉆頭的耐用度為80～120min,硬質(zhì)合金端銑刀的耐用度為120～180min,齒輪刀具的耐用度為200～300min。

精加工時(shí),通常以走刀次數(shù)或加工零件個(gè)數(shù)表示刀具耐用度。刀具耐用度的選擇原則如下:

(1)復(fù)雜的、高精度的、多刃的刀具耐用度應(yīng)選擇比簡單的、低精度的、單刃的刀具高。

(2)對于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具,由于換刀時(shí)間短,為使切削刃始終處于鋒利狀態(tài),刀具耐用度可選得低些。

(3)對于換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的數(shù)控刀具、自動(dòng)線刀具以及多刀加工時(shí),刀具耐用度應(yīng)選得高些,以減少換刀次數(shù),保證整機(jī)和整線的可靠工作。

(4)精加工刀具切削負(fù)荷小,應(yīng)選擇比粗加工刀具高的刀具耐用度。

(5)大件加工時(shí),為避免一次進(jìn)給中中途換刀,刀具耐用度應(yīng)選得高些。1.3.6切削用量的選擇

切削用量不僅是在機(jī)床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù),而且其數(shù)值是否合理對加工質(zhì)量、刀具壽命、生產(chǎn)率及生產(chǎn)成本等都有著非常重要的影響。當(dāng)增大切削用量時(shí),可以提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本,但提高切削用量時(shí)又會受到切削力、切削功率、刀具壽命及加工質(zhì)量等許多因素的限制。所謂“合理”的切削用量,是指充分利用切削性能和機(jī)床動(dòng)力性能(功率、扭矩),在保證質(zhì)量的前提下獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。

1.背吃刀量ap的選擇

背吃刀量應(yīng)根據(jù)工件的加工余量來確定,盡量選得大些。粗加工時(shí),除留下精加工的余量外,盡可能用一次走刀切除全部加工余量,以使走刀次數(shù)最少;在毛坯粗大必須切除較多余量、一次走刀會使切削力太大時(shí),應(yīng)考慮機(jī)床、刀具、工件系統(tǒng)剛性和機(jī)床有效功率幾個(gè)因素,將加工余量分為兩次或多次完成。這時(shí)第一次走刀的背吃刀量取得盡量大些,其后的背吃刀量取得相對小些;切削表面上有硬皮或切削不銹鋼等冷硬材料時(shí),應(yīng)使背吃刀量超過硬皮或冷硬層厚度。精加工過程采取逐漸減少背吃刀量的方法,逐步提高加工精度與表面質(zhì)量。超精車和超精鏜削加工時(shí),常采用硬質(zhì)合金、陶瓷或金剛石刀具,當(dāng)背吃刀量為0.05～0.2mm,進(jìn)給量為0.01～0.1mm/r,切削速度為4～15m/s時(shí),由于切削層公稱橫截面積極小,可獲得粗糙度Ra值為0.32～0.08μm和精度高于尺寸公差等級IT5的工件。

2.進(jìn)給量f的選擇

在背吃刀量ap選定以后,進(jìn)給量直接決定了切削層的橫截面積,因而決定了切削力的大小。粗加工時(shí),一般對工件已加工表面質(zhì)量要求不高,進(jìn)給量主要受機(jī)床、刀具和工件所能承受的切削力的限制。在半精加工和精加工時(shí),進(jìn)給量按已加工表面的粗糙度要求選定。進(jìn)給量一般可通過查閱有關(guān)金屬切削手冊的切削數(shù)據(jù)表來確定,在有條件的情況下可通過切削數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索和優(yōu)化。

3.選擇切削速度vc

在選定背吃刀量和進(jìn)給量后,可根據(jù)合理的刀具壽命計(jì)算或用查表法確定切削速度vc的值。精加工時(shí)切削力較小,切削速度主要受刀具耐用度的限制。而粗加工時(shí),由于切削力一般較大,切削速度主要受機(jī)床功率的限制?？傊?切削用量選擇的基本原則是:粗加工時(shí)在保證合理的刀具壽命的前提下,首先選盡可能大的背吃刀量ap,其次選盡可能大的進(jìn)給量f,最后選取適當(dāng)?shù)那邢魉俣葀c;精加工時(shí),主要考慮加工質(zhì)量,常選用較小的背吃刀量和進(jìn)給量,較高的切削速度,只有在受到刀具等工藝條件限制不宜采用高速切削時(shí)才選用較低的切削速度,例如用高速鋼鉸刀鉸孔時(shí),切削速度受刀具材料耐熱性的限制,為了避免積屑瘤的影響應(yīng)采用較低的切削速度。

1.4工件材料的切削加工性能

工件材料的可切削加工性能(machinability)是指某種材料被切削加工成合格零件的難易程度。它有一定的相對性,具體的加工條件和要求不同,加工的難易程度也有很大差異。因此,在不同的情況下要用不同的指標(biāo)來衡量材料的切削加工性能。1.4.1衡量材料切削加工性能的指標(biāo)

衡量金屬材料切削加工性能的指標(biāo)很多，常用的有如下幾個(gè)：

(1)一定耐用度下的切削速度vT。vT指刀具耐用度為T(min)時(shí)切削某種材料所允許的切削速度。vT越高,材料的切削加工性能越好。若T取60min,vT則可寫作v60。

(2)切削力或切削溫度。在相同的切削條件下,凡切削力小的材料,其切削加工性能較好;反之,則較差。在粗加工中,當(dāng)機(jī)床剛度或動(dòng)力不足時(shí),常以此作為衡量指標(biāo)。

(3)已加工表面質(zhì)量。凡較容易獲得好的表面質(zhì)量的材料,其切削加工性能較好;反之,則較差。精加工時(shí),常以此為衡量指標(biāo)。

(4)切屑控制或斷屑的難易。凡切屑較容易控制或易于斷屑的材料,其切削加工性能較好;反之,則較差。在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上加工時(shí),常以此為衡量指標(biāo)。