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  • 金属切削刀具基础

    文/ 发布于2018-09-10 浏览次数:1186

      切削过程是刀具从工件表面上切去多余材料的过程,伴随着切削过程的进行,将有切削变形、切削力、切削热和刀具磨损等现象产生。本章在讲授切削刀具基本知识的基础上,将对切削过程中产生的上述各种现象进行深入分析,揭示它们的产生机理和相互间的内在联系。学习掌握切削过程基本理论和基本规律对控制加工质量、提高生产效率和降低生产成本具有重要意义。

      通过本文的学习,要求了解有关切削运动、切削层参数和切削用量的概念;学习掌握刀具切削部分的构造和刀具角度的定义,熟悉了解进给运动对刀具工作角度的影响;熟悉了解常用刀具材料的种类及特点,掌握选择常用刀具材料的基本原则和方法;熟悉了解切削变形、切削力、切削热、刀具磨损等物理现象,熟悉了解它们的内在联系,学习掌握切削变形、切削力、切削温度、刀具寿命的影响因素和影响规律;了解切屑的种类,了解切屑形态控制方法;熟悉了解刀具磨损的形态和磨损过程,深入理解磨钝标准和刀具寿命的概念;学习掌握合理选择刀具几何参数的要领;学习掌握合理选择切削用量的原则和方法;熟悉了解砂轮特性,熟悉了解磨削过程。

      一、切削加工的基本概念

      (一)切削运动与切削中的工件表面

      用刀具切除工件材料,刀具和工件之间必须要有一定的相对运动,它由主运动和进给运动组成。主运动是使刀具和工件间产生相对切削速度并消耗大部分切削动力的运动;刀具相对于工件的主运动速度称为切削速度,用 表示。进给运动是使切削能持续进行以形成所需工件表面的运动;进给运动的速度称为进给速度,用 表示。主运动和进给运动合成后的运动称为合成切削运动。

      切削过程中,工件上有以下三个变化着的表面:待加工表面为工件上即将被切除的表面;已加工表面为切去材料后形成的新的工件表面;过渡表面为加工时主切削刃正在切削的表面,它处于已加工表面和待加工表面之间

      (二)切削用量

      切削加工中,需根据加工要求(加工质量、加工效率和加工成本)选用适宜的切削速度 、进给量 (或进给速度 )和背吃刀量 , 、 和 称为切削用量三要素。

      1.切削速度 (m/s或m/min)

      切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。计算切削速度时,应选取刀刃上速度最高的点进行计算。

      2.进给量

      工件或刀具转一周(或每往复一次),两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量,其单位为mm/r (或 mm/双行程)。对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具,还规定每刀齿进给量 ,单位为mm/z 。

      3.背吃刀量 (mm)

      背吃刀量为工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。

      (三)切削层参数

      切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。

      1.切削层公称厚度

      垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度(以下简称为切削厚度) 的大小影响切削刃的切削负荷。。

      2.切削层公称宽度

      沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度(以下简称为切削宽度)。 值反映了切削刃参加切削的工作长度。

      3.切削层公称横截面积

      切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积(以下简称为切削面积 )。

      二、刀具角度

      切削刀具的种类繁多,结构各异,但是各种刀具的切削部分却具有共同的特征。外圆车刀是最基本、最典型的刀具,车刀的切削部分与其它各种刀具刀齿上的切削部分是基本相同的。下面以外圆车刀为例,给出刀具几何参数的有关定义。

      (一)刀具切削部分的构造

      刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分。外圆车刀的切削部分由以下六个基本结构要素构造而成:

      (1)前刀面 切屑沿其流出的刀具表面;

      (2)主后刀面 与工件上过渡表面相对的刀具表面;

      (3)副后刀面 与工件上已加工表面相对的刀具表面;

      (4)主切削刃 前刀面与主后刀面的交线,它承担主要切削工作,也称为主刀刃;

      (5)副切削刃 前刀面与副后刀面的交线,它协同主切削刃完成切削工作,并最终形成已加 工表面,也称为副刀刃;

      (6)刀尖 连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃,它可以是一段小的圆弧,也可以是一段直 线。

      通常将刀具只有一条直线主切削刃参与切削的切削过程,称为自由切削;将曲线刃参与切削 或主、副切削刃同时参与切削的切削过程,称为非自由切削。

      (二)刀具的标注角度

      1.刀具标注角度的参考系

      刀具要从工件上切除材料,就必须具有一定的切削角度。切削角度大小决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度,此处引入一个由以下三个参考平面组成的空 间坐标参考系:

      (1)基面 通过主切削刃上某一指定点,并与该点切削速度方向相垂直的平面。

      (2)切削平面 通过主切削刃上某一指定点,与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。

      (3)正交平面 通过主切削刃上某一指定点,同时垂直于该点基面和切削平面的平面。

      上述三个参考平面是互相垂直的,由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系。除正交平面参考系外,常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。

      2.刀具的标注角度

      在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中,用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中,刀具的主要标注角度有以下五个:

      (1)前角 在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值,前刀面在基面之上时前角为负值。

      (2)后角 在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角,一般为正值。

      (3)主偏角 在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。

      (4)副偏角 在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间的夹角。

      (5)刃倾角 在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。在主切削刃上,刀尖为最高点时刃倾角为正值,刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时,刃倾角为零。以刃倾角为零的刀具进行切削时,主切削刃与切削速度方向垂直,称作直角切削;以刃倾角不等于零的刀具进行切削时,主切削刃与切削速度方向不垂直,称作斜角切削。

      要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置,还需标注副后角 ,副后角 确定副后刀面的空间位置。

      3.刀具的工作角度

      上面讨论的外圆车刀的标注角度,是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响,参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定,这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。

      (1)进给运动对工作角度的影响 当刀具对工件作切断或切槽工作时,刀具进给运动是沿横向进行的。分析可知,进给量 越大, 值越大;工件切削直径 越小, 值越大。过大的 值有可能使 变为负值,后刀面将与工件相碰,这是不允许的。切断刀应选用较大的标注后角 ,进给量 的取值也不宜过大。刀具沿纵向进给且进给量 的取值较大时(例如车螺纹),进给运动对工作角度的影响也不可忽视。

      (2)刀具安装位置对工作角度的影响 安装刀具时,如刀尖高于或低于工件中心,会引起刀具工作角度的变化。

      三、刀具材料

      刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。

      (一)刀具材料的性能要求

      切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用,刀具切削部分的材料须满足以下基本要求:

      (1)较高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须比工件材料高,并具有良好的耐磨性,刀具材料的常温硬度要求在 以上。

      (2)足够的强度和韧性 刀具材料要能够承受冲击和振动的作用,不产生崩刃和断裂。

      (3)较高的耐热性 刀具材料在高温作用下应具有足够的硬度、耐磨性、强度和韧性。

      (4)良好的导热性和耐热冲击性能 刀具材料的导热性要好,有利于散热;刀具材料的耐热 冲击性能要好,材料内部不得因承受热冲击的作用而产生裂纹。

      (5)良好的工艺性 刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、刃磨性能等,便于刀具 制造。

      (二)常用刀具材料

      刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前,在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢(如T10A、T12A)、合金

      工具钢(如 、CrWMn)因耐热性差,仅用于手工切削或切削速度较低的场合。

      1.高速钢

      高速钢是加入了较多的钨( W)、钼( )、铬( )、钒(V )等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度(62~67HRC )和耐热性,在切削温度高达 ℃时仍能进行切削;高速钢的强度高(抗弯强度是一般硬质合金的2~3倍,陶瓷的5~6倍)、韧性好,可在有冲击、振动的场合应用;高速钢的制造工艺性好,容易磨出锋利的切削刃,适于制造各类刀具,尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。高速钢刀具可用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等材料制作的工件。

      高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢;按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

      普通高速钢是切削硬度在250~280HBW以下的结构钢和铸铁的基本刀具材料,切削普通钢料时的切削速度一般不高于40~60m/min 。普通高速钢的典型牌号有 (简称W18 )和 (M2)。W18的综合性能较好,在600℃时的硬度为 ,可用于制造各种复杂刀具。M2的碳化物分布细小、均匀,它的抗弯强度比W18高10%~15%,韧性比W18高50%~60%,可用来制造尺寸较大,承受较大冲击力的刀具;M2的热塑性好,适合于制造热轧钻头等刀具。

      高性能高速钢是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素熔炼而成,其耐热性好,在630~650℃时仍能保持接近 的硬度,适用于加工高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料。高性能高速钢的典型牌号有W2Mo9Cr4Co8(M42)和 W6Mo5Cr4V2Al(501)。M42的综合性能好,常温硬度接近 ,600℃时其硬度为55HRC ,刃磨性能好;但M42含钴多,成本较贵。501钢是一种含铝的无钴高速钢,600℃时硬度达 ,501钢的切削性能与M42大体相当,成本较低,但刃磨性能较差。

      粉末冶金高速钢是在用高压惰性气体(氩气或氮气)把钢水雾化成粉末后,经热压、锻轧成材,结晶组织细小均匀。与熔炼高速钢相比,粉末冶金高速钢材质均匀,韧性好,硬度高,热处理变形小,质量稳定,刃磨性能好,刀具寿命较高。可用它切削各种难加工材料,特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。

      2.硬质合金

      硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物(WC 、TiC 等)和金属粘结剂( 、Ni 等)在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达 ,760℃时其硬度为 ,在 800~1000℃的高温条件下硬质合金还能进行切削,刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍,可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但硬质合金的强度和韧性比高速钢差,常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8~1/30,硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。硬质合金是最常用的刀具材料之一,常用于制造车刀和端铣刀,也可用硬质合金制造深孔钻、铰刀、拉刀和滚刀。尺寸较小和形状复杂的刀具,可采用整体硬质合金制造;但整体硬质合金刀具成本高,其价格是高速钢刀具的8~10倍。

      ISO(国际标准化组织)把切削用硬质合金分为三类:P类、K类和M类。

      P类(相当于我国YT类)硬质合金由 、 和 组成,也称钨钛钴类硬质合金。这类合金主要用于加工钢材。常用牌号有 (含 5%)、 (含 15%)等,随着含 量的提高,含钴量相应减少,硬度及耐磨性增高,抗弯强度下降。此类硬质合金不宜加工不锈钢和钛合金。

      K类(相当于我国 类)硬质合金由 和 组成,也称钨钴类硬质合金。这类合金主要用来加工铸铁、有色金属及其合金。常用牌号有 (含钴6%)、 (含钴8%)等,随着含钴量增多,硬度和耐磨性下降,抗弯强度和韧性增高。

      M类(相当于我国 类)硬质合金是在 、 、 的基础上再加入TaC(或NbC)而成。加TaC(或NbC)后,改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属,又可以加工钢材,还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料,有通用硬质合金之称。常用牌号有 和 等。

      为提高高速钢刀具、硬质合金刀具的耐磨性和使用寿命,近年来在刀具制造中广泛采用涂层技术。涂层刀具是在高速钢或硬质合金基体上涂覆一层难熔金属化合物,如TiC、TiN、 等。涂层 一般采用 法(化学气相沉积法)或 法(物理气相沉积法)制作。涂层刀具表面硬度高,耐磨性好,其基体又有良好的抗弯强度和韧性。涂层硬质合金刀片的寿命可提高1~3倍以上,涂层高速钢刀具的寿命可提高1.5~10倍以上。随着涂层技术的发展,涂层刀具的应用前景很好。

      (三)其它刀具材料

      1.陶瓷

      用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类:氧化铝( )基陶瓷和氮化硅( )基陶瓷。 基陶瓷硬度高达 ,耐磨性好,耐热性好,化学稳定性高,抗粘结能力强,但抗弯强度和韧性差;这种陶瓷适于对冷硬铸铁、淬硬钢工件作精加工和半精加工。 基陶瓷有较高的抗弯强度和韧性,适于加工铸铁及高温合金,切削钢料效果不显著。

      2.立方氮化硼

      立方氮化硼( )是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成,其硬度高达 ,仅次于金刚石。 是一种新型刀具材料,它可耐1300~1500℃的高温,热稳定性好;它的化学稳定性也很好,即使温度高达1200~1300℃也不与铁产生化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。

      3.人造金刚石

      金刚石分为天然金刚石和人造金刚石两种,由于天然金刚石价格昂贵,工业上多使用人造金刚石。人造金刚石又分为单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)。聚晶金刚石的晶粒随机排列,属各向同性体,常用于制造刀具。人造金刚石是借助某些合金的触媒作用,在高温高压条件下由石墨转化而成。金刚石的硬度高达 ,是目前已知的最硬物质,可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、高耐磨材料。人造金刚石目前主要用于制作磨具及磨料,用作刀具材料主要用于有色金属的高速精细切削。金刚石不是碳的稳定状态,遇热易氧化和石墨化,用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜加工铁族元素制造的工件,因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力大,其碳原子易扩散到被切表面中去,刀具寿命低。

      一、切屑的形成过程

      1.变形区的划分

      切削层金属形成切屑的过程就是在刀具作用下被加工材料发生变形的过程。切削过程中,切 削层金属的变形大致可划分为三个区域:

      (1)第一变形区 从被切金属开始发生塑性变形到金属晶粒的剪切滑移基本完成的区域称为第一变形区。

      (2)第二变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦,使靠近前刀面处的 金属纤维化,这一区域称为第二变形区。

      (3)第三变形区 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦,造成表层金属纤维化与加工硬化,这一区域称为第三变形区。

      在第一变形区内,变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形,以及随之产生的加工硬化。当 金属沿滑移线作剪切变形时,晶粒会伸长。晶粒伸长的方向与滑移方向(即剪切面方向)是不重合的,它们成一夹角 。据研究,在一般切削速度范围内,第一变形区的宽度仅为 0.02~0.2mm,所以可以用一剪切面来表示。剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角,以 表示。

      2.切屑的受力分析

      在直角自由切削的情况下,作用在切屑上的力有:前刀面上的法向力 和摩擦力 ;剪切面上的正压力 和剪切力 ;这两对力的合力互相平衡。

      二、切削变形过程

      切削变形程度有三种不同的表示方法,分述如下。

      1.变形系数

      切削过程中,刀具切除的切屑厚度 通常都大于工件切削层厚度 ,而切屑长度 却小于切削层长度 。切屑厚度 与切削层厚度 之比称为厚度变形系数 ;切削层长度 与切屑长度 之比称为长度变形系数 。由于切削层变成切屑后,宽度变化很小,根据体积不变原理,可求得

      与 可统一用符号 表示。变形系数 的值是大于1的数,它直观地反映了切屑的变形程度, 越大,变形越大。 值可通过实测求得。

      2.相对滑移

      既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移,当然就可以用相对滑移 来衡量切削过程的变形 程度。

      3.剪切角

      剪切角 与切削变形有密切关系,可用剪切角 来衡量切削变形的程度。分析可知:

      1)前角 增大时,剪切角 随之增大,变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形,对改善切削过程有利。

      2)摩擦角 增大时,剪切角 随之减小,变形增大。提高刀具刃磨质量,采用润滑性能好的切削液,可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数,有利于改善切削过程。

      三、前刀面上的摩擦

      由于在一般切削条件下,来自粘结接触区的摩擦力占前刀面上总摩擦力的85%[16],故在研究前刀面上的摩擦时,应以粘结接触区的摩擦为主要依据。

      四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

      1.积屑瘤的形成及其影响

      在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下,加工一般钢料或铝合金等塑性材料时,常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块,它的硬度很高,通常是工件材料硬度的2~3倍,这块粘附在前刀面上的金属称为积屑瘤。

      切削时,切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦,当接触面达到一定温度,同时又存在较高压力时,被切材料会粘结(冷焊)在前刀面上。连续流动的切屑从粘在前刀面上的金属层上流过时,如果温度与压力适当,切屑底部材料也会被阻滞在已经“冷焊”在前刀面上的金属层上,粘成一体,使粘结层逐步长大,形成积屑瘤。积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强,越易产生积屑瘤;切削区的温度和压力很低时,不会产生积屑瘤;温度太高时,由于材料变软,也不 易产生积屑瘤。对碳钢来说,切削区温度处于 300~350℃时积屑瘤的高度最大,切削区温度超过500℃积屑瘤便自行消失。在背吃刀量 和进给量 保持一定时,积屑瘤高度 与切削速度 有密切关系,因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。

      2.积屑瘤对切削过程的影响

      (1)使刀具前角变大 阻滞在前刀面上的积屑瘤有使刀具实际前角增大的作用,使切削力减小。

      (2)使切削厚度变化 积屑瘤前端超过了切削刃,使切削厚度增大,其增量为 。 将随着积 屑瘤的成长逐渐增大,一旦积屑瘤从前刀面上脱落或断裂, 值就将迅速减小。切削厚度变化必然导致切削力产生波动。

      (3)使加工表面粗糙度增大 积屑瘤伸出切削刃之外的部分高低不平,形状也不规则,会使加工表面粗糙度增大;破裂脱落的积屑瘤也有可能嵌入加工表面使加工表面质量下降。

      (4)对刀具寿命的影响 粘在前刀面上的积屑瘤,可代替刀刃切削,有减小刀具磨损,提高刀具寿命的作用;但如果积屑瘤从刀具前刀面上频繁脱落,可能会把前刀面上刀具材料颗粒拽走(这种现象易发生在硬质合金刀具上),反而使刀具寿命下降。

      积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面,也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生,可采取的控制措施有:

      1)正确选用切削速度,使切削速度避开产生积屑瘤的区域;

      2)使用润滑性能好的切削液,目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦;

      3)增大刀具前角 ,减小刀具前刀面与切屑之间的压力;

      4)适当提高工件材料硬度,减小加工硬化倾向。

      五、影响切屑变形的因素

      在研究分析切削过程变形规律之后,我们来归纳一下影响切屑变形的一些主要因素,以便利用这些规律控制和优化切削过程。

      1.工件材料

      实验结果表明,工件材料强度越高,切屑和前刀面的接触长度越短,导致切屑和前刀面的接触面积减小,前刀面上的平均正应力 增大,前刀面与切屑间的摩擦系数减小,摩擦角 减小,剪切角 增大,变形系数 将随之减小。

      2.刀具前角

      增大刀具前角 ,剪切角 将随之增大,变形系数 将随之减小;但 增大后,切屑作用在前刀面上的平均正应力 减小,使摩擦角 和摩擦系数 增大,导致 减小;由于后者影响较小, 还是随 的增加而减小。

      1. 切削速度

      在无积屑瘤产生的切削速度范围内,切削速度 越大,变形系数 越小,主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢,切削速度越高,切削变形越不充分,导致变形系数 下降;此外,提高切削速度还会使切削温度增高,切屑底层材料的剪切屈服强度 因温度增高而略有下降,导致前刀面摩擦系数 减小,使变形系数 下降。

      2. 切削层公称厚度

      在无积屑瘤产生的切削速度范围内,切削层公称厚度 越大,变形系数 越小,这是由于 增大时,前刀面上的法向压力 及前刀面上的平均正应力 随之增大,前刀面摩擦系数 随之减小,剪切角 随之增大,所以 随 增大而减小。

      一、切屑的类型

      由于工件材料不同,切削条件各异,切削过程中生成的切屑形状是多种多样的。切屑的形状有带状、节状、粒状和崩碎四种类型。

      (1)带状切屑 这是最常见的一种切屑,它的内表面是光滑的,外表面呈毛茸状。加工塑性金属时,在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。

      (2)节状切屑 又称挤裂切屑,它的外表面呈锯齿形,内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。

      (3)粒状切屑 又称单元切屑。在切屑形成过程中,如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度,切屑单元便从被切材料上脱落,形成粒状切屑。

      (4)崩碎切屑 切削脆性金属时,由于材料塑性很小、抗拉强度较低,刀具切削时,切削层金属在刀具前刀面的作用下,未经明显的塑性变形就在拉应力作用下脆断,形成形状不规则的崩碎切屑。加工脆性材料,切削厚度越大越易得到这类切屑。

      前三种切屑是加工塑性金属时常见的三种切屑类型。形成带状切屑时,切削过程最平稳,切削力波动小,加工表面粗糙度较小。形成粒状切屑时切削过程中的切削力波动最大。前三种切屑类型可以随切削条件变化而相互转化,例如,在形成节状切屑工况条件下,如进一步减小前角,或加大切削厚度,就有可能得到粒状切屑;反之,加大前角,减小切削厚度,就可得到带状切屑。

      二、切屑类型控制

      在生产实践中,我们会看到不同的排屑情况,有的切屑打成螺卷状,达到一定长度后自行折断;有的切屑折断成C形、6字形;有的呈发条状卷屑;有的碎成针状或小片,四处飞溅,影响安全;有的带状切屑缠绕在刀具和工件上,易造成事故。不良的排屑状态会影响生产的正常进行,控制切屑类型和流向具有重要意义,这在自动化生产线上加工时尤为重要。

      切屑经第Ⅰ、第Ⅱ变形区的剧烈变形后,硬度增加,塑性下降,性能变脆。在切屑排出过程中,当碰到刀具后刀面、工件上过渡表面或待加工表面等障碍时,如某一部位的应变超过了切屑材料的断裂极限值,切屑就会折断。

      研究表明,工件材料脆性越大,切屑厚度越大,切屑卷曲半径越小,切屑就越容易折断。可采取以下措施对切屑实施控制:

      (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,可使切屑应变增大,切屑卷曲半径减小。断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应,否则会影响断屑效果。常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆弧形和全圆弧形。前角较大时,采用全圆弧形断屑槽刀具的强度较好。断屑槽位于前刀面上的形式有平行、外斜、内斜三种。外斜式常形成C形屑和6字形屑,能在较宽的切削用量范围内实现断屑;内斜式常形成长紧螺卷形屑,不能在较宽的切削用量范围内实现断屑;平行式断屑槽的适用范围介于上述两者之间。

      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。减小刀具前角 可使切屑变形加大,切屑易于折断。刃倾角 可以控制切屑的流向, 为正值时,切屑卷曲后流向主后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑; 为负值时,切屑卷曲后流向已加工表面折断成C形屑或6字形屑。

      (3)调整切削用量 提高进给量 使切削厚度增大,对断屑有利;但增大 会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度可使切削变形增大,也有利于断屑,但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。

      在切削加工中,切削力是一个非常重要的参数,切削热、刀具磨损等物理现象都与切削力有关,切削力还是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。

      一、切削力与切削功率

      1.切削力

      切削时,使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。使被加工材料发生变形所需克服的力主要是:

      1)切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。

      2)刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件表面间的摩擦阻力。

      2.切削合力与分力

      上述各力的总和形成作用在车刀上的合力 。可将 分解为 、 和 三个互相垂直的分力。

      垂直于基面,与切削速度 的方向一致,称为切削力(也称切向力、主切削力)。 是计算切削功率和设计机床的主要参数。

      平行于基面,并与进给方向相垂直,称为背向力。

      平行于基面,并与进给方向平行,称为进给力。

      在上述三个分力中, 值最大, 约为 , 约为 。

      3.切削功率

      消耗在切削过程中的功率称为切削功率,用 表示。由于在 方向的位移极小,可以近似认为 不作功,不消耗功率。根据切削功率选择机床电动机功率 时,还要考虑机床的传动效率。

      4.单位切削力的概念

      单位切削面积上的切削力 称为单位切削力。

      二、切削力经验计算公式

      1.切削力的测量

      2.切削力经验计算公式

      三、影响切削力的因素

      1.工件材料的影响

      工件材料的强度、硬度越高,切削力越大。切削脆性材料时,被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦都比较小,故其切削力相对较小。

      2.切削用量的影响

      (1)背吃刀量 和进给量 和 增大,都会使切削力增大,但两者的影响程度不同。 增大时,变形系数 不变,切削力成正比增大; 增大时, 有所下降,故切削力不成正比增大。在车削力的经验计算公式中, 的指数 近似等于1, 的指数 小于1。在切削层面积相同的条件下,采用大的进给量 比采用大的背吃刀量 的切削力小。

      (2)切削速度 切削塑性材料时,在无积屑瘤产生的切削速度范围内,随着 的增大,切削力减小;这是因为 增大时,切削温度升高,摩擦系数 减小,从而使 减小,切削力下降。在产生积屑瘤的情况下,刀具的实际前角是随积屑瘤的成长与脱落变化的。在积屑瘤增长期, 增大,积屑瘤高度增大,实际前角增大, 减小,切削力下降;在积屑瘤消退期, 增大,积屑瘤减小,实际前角变小, 增大,切削力上升。

      切削铸铁等脆性材料时,被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小, 对切削力没有显著影响。

      3.刀具几何参数的影响

      (1)前角 增大, 减小,切削力下降。切削塑性材料时, 对切削力的影响较大;切削脆性材料时,由于切削变形很小, 对切削力的影响不显著。

      (2)主偏角 主偏角 增大,背向力 减小,进给力增大。

      (3)刃倾角 改变刃倾角将影响切屑在前刀面上的流动方向,从而使切削合力的方向发生变化。增大 , 减小, 增大。 在 范围内变化时, 基本不变。

      (4)负倒棱 为了提高刀尖部位强度,改善散热条件,常在主切削刃上磨出一个带有负前角 的棱台,其宽度为 。负倒棱对切削力的影响与负倒棱面在切屑形成过程中所起作用的大小有关。当负倒棱宽度 小于切屑与前刀面接触长度 时,切屑除与倒棱接触外,主要还与前刀面接触,切削力虽有所增大,但增大的幅度不大。当 > 时,相当于用负前角为 的车刀进行切削,与不设负倒棱相比,切削力将显著增大。

      4.刀具磨损

      后刀面磨损增大时,后刀面上的法向力和摩擦力都增大,故切削力增大。

      5. 切削液

      使用以冷却作用为主的切削液(如水溶液)对切削力影响不大,使用润滑作用强的切削液(如切削油)可使切削力减小。

      6. 刀具材料

      刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩擦力的大小,导致切削力变化。在其它切削条件完全相同的条件下,用陶瓷刀切削比用硬质合金刀具切削的切削力小,用高速钢刀具进行切削的切削力最大。

      无论是从降低机床动力消耗考虑,还是从降低工艺系统的变形考虑,通常希望能以较小的切削力完成预定的切削加工任务,这在工艺系统刚度较差时尤为重要。读者可以参照上述影响切削力诸多因素的分析,根据具体工况确定降低切削力的途径和方法。

      切削过程中产生的切削热对刀具磨损和刀具寿命具有重要影响,切削热还会使工件和刀具产生变形、残余应力而影响加工精度和表面质量。

      一、切削热的产生与传导

      切削热来源于两个方面,一是切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量转换为热能;二是切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。切削过程中的三个变形区就是三个发热区域。切削过程中所消耗能量的98%~99%都将转化为切削热。

      切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质(空气,切削液)向外传导。影响散热的主要因素是:

      (1)工件材料的导热系数 工件材料的导热系数高,由切屑和工件传导出去的热量增多,切削区温度就低。工件材料导热系数低,切削热传导慢,切削区温度就高,刀具磨损就快。

      (2)刀具材料的导热系数 刀具材料的导热系数高,切削区的热量向刀具内部传导快,可以降低切削区的温度。

      (3)周围介质 采用冷却性能好的切削液能有效地降低切削区的温度。

      车削加工时产生的切削热多数被切屑带走,切削速度越高,切削厚度越大,切屑带走的热量越多;传给工件的热量次之,约为30%;传给刀具的热量更少,一般不超过5%。钻削时,由于切屑不易从孔中排出,故被切屑带走的热量相对较少,只有30%左右,约有50%的热量被工件吸收。

      二、切削温度的测量

      测量切削温度的方法很多,有热电偶法、辐射热计法、热敏电阻法等。目前常用的是热电偶法,它简单、可靠、使用方便。

      1. 自然热电偶法;

      2. 人工热电偶法。

      三、影响切削温度的主要因素

      1.切削用量对切削温度的影响

      、 、 增大,单位时间内材料的切除量增加,切削热增多,切削温度将随之升高。但 、 和 对切削温度的影响程度不同,切削速度 对切削温度的影响最为显著, 次之, 最小,原因是: 增大,前刀面的摩擦热来不及向切屑和刀具内部传导,所以 对切削温度影响最大; 增大,切屑变厚,切屑的热容量增大,由切屑带走的热量增多,所以 对切削温度的影响不如 显著; 增大,刀刃工作长度增大,散热条件改善,故 对切削温度的影响相对较小。

      从尽量降低切削温度考虑,在保持切削效率不变的条件下,选用较大的 和 比选用较大的 更为有利。

      2.刀具几何参数对切削温度的影响

      (1)前角 对切削温度的影响 增大,变形减小,切削力减小,切削温度下降。前角超过18°~20°后, 对切削温度的影响减弱,这是因为刀具楔角(前、后刀面的夹角)减小而使散热条件变差的缘故。

      (2)主偏角 对切削温度的影响减小 ,切削刃工作长度和刀尖角增大,散热条件变好,使切削温度下降。

      3.工件材料对切削温度的影响

      工件材料的强度和硬度高,产生的切削热多,切削温度就高。工件材料的导热系数小时,切削热不易散出,切削温度相对较高。

      切削灰铸铁等脆性材料时,切削变形小,摩擦小,切削温度一般较切削钢时低。

      4.刀具磨损对切削温度的影响

      刀具磨损使切削刃变钝,切削时变形增大,摩擦加剧,切削温度上升。

      5.切削液对切削温度的影响

      使用切削液可以从切削区带走大量热量,可以明显降低切削温度,提高刀具寿命。

      一、刀具磨损形态和磨损机制

      1.刀具磨损的形态

      (1)前刀面磨损(月牙洼磨损) 切削塑性材料时,如果切削速度和切削厚度较大,切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼,这种磨损形式称作前刀面磨损。出现月牙洼的部位就是切削温度最高的部位。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边,月牙洼随着刀具磨损不断变大,当月牙洼扩展到使棱边变得很窄时,切削刃强度降低,极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度KT表示。

      (2)后刀面磨损 由于后刀面和加工表面间的强烈摩擦,后刀面靠近切削刃部位会逐渐地被磨成后角为零的小棱面,这种磨损形式称作后刀面磨损。切削铸铁和以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性材料时,后刀面磨损是主要形态。后刀面上的磨损棱带往往不均匀,刀尖附近(C区)因强度较差,散热条件不好,磨损较大;中间区域(B区)磨损较均匀,其平均磨损宽度以VB 表示。

      (3)边界磨损 切削钢料时,常在主切削刃靠近工件外皮处和副切削刃靠近刀尖处的后刀面上磨出较深的沟纹,这种磨损称作边界磨损。沟纹的位置在主切削刃与工件待加工表面、副切削刃与已加工表面接触的部位。

      2.刀具磨损机制

      (1)硬质点划痕 由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等在刀具表面上划出一条条沟纹,造成机械磨损。硬质点划痕在各种切削速度下都存在,它是低速切削刀具(如拉刀、板牙等)产生磨损的主要原因。

      (2)冷焊粘结 切削时,切屑与前刀面之间由于高正压力和高温度的作用,切屑底面材料与前刀面发生冷焊粘结形成冷焊粘结点,在切屑相对于刀具前刀面的运动中冷焊粘结点处刀具材料表面微粒会被切屑粘走,造成粘结磨损。上述冷焊粘结磨损机制在工件与刀具后刀面之间也同样存在。在中等偏低的切削速度条件下,冷焊粘结是产生磨损的主要原因。

      (3)扩散磨损 切削过程中,刀具后刀面与已加工表面、刀具前刀面与切屑底面相接触,由于高温和高压的作用,刀具材料和工件材料中的化学元素相互扩散,使刀具材料化学成分发生变化,耐磨性能下降,造成扩散磨损。例如,用硬质合金刀具切削钢质工件时,切削温度超过800℃,硬质合金刀具中的Co、C、W等元素就会扩散到切屑和工件中去,由于Co元素减少,硬质相(WC 、TiC )的粘结强度下降,导致刀具磨损加快。扩散磨损在高温下产生,且随温度升高而加剧。

      (4)化学磨损 在一定温度作用下,刀具材料与周围介质(例如空气中的氧,切削液中的极压添加剂硫、氯等)起化学作用,在刀具表面形成硬度较低的化合物,易被切屑和工件擦掉造成刀具材料损失,由此产生的刀具磨损称为化学磨损。化学磨损主要发生在较高的切削速度条件下。

      二、刀具磨损过程及磨钝标准

      1.刀具磨损过程

      刀具磨损实验结果表明,刀具磨损过程可以分为三个阶段:

      (1)初期磨损阶段 新刃磨的刀具刚投入使用,后刀面与工件的实际接触面积很小,再加上 刚刃磨后的后刀面微观凸凹不平,单位接触面积上承受的正压力极大,刀具磨损速度极快,此阶段称为刀具的初期磨损阶段。刀具刃磨以后如能用细粒度磨粒的油石对刃磨面进行研磨,可以显著降低刀具的初期磨损量。

      (2)正常磨损阶段 经过初期磨损后,刀具后刀面的微观粗糙表面已经磨平,刀具后刀面与工件的接触面积逐渐增大,单位接触面积上承受的压力逐渐减小,磨损速度趋缓。此阶段的刀具磨损称为正常磨损阶段,它是刀具的有效工作阶段。

      (3)急剧磨损阶段 当刀具磨损量增加到一定限度时,切削力、切削温度将急剧增高,刀具磨损速度加快,直至丧失切削能力,此阶段称为刀具的急剧磨损阶段。在急剧磨损阶段让刀具继续工作是一件得不偿失的事情,既保证不了加工质量,又将大量消耗刀具材料,如出现刀刃崩裂的情况,损失就更大。刀具在进入急剧磨损阶段之前必须更换。

      2.刀具的磨钝标准

      刀具磨损到一定限度就不能继续使用了,这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。

      因为一般刀具的后刀面都会发生磨损,而且测量也较方便,因此国际标准ISO统一规定以 1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度 作为刀具的磨钝标准。

      自动化生产中使用的精加工刀具,从保证工件尺寸精度考虑,常以刀具的径向尺寸磨损量 作为衡量刀具的磨钝标准。

      制订刀具的磨钝标准时,既要考虑充分发挥刀具的切削能力,又要考虑保证工件的加工质量。精加工时磨钝标准取较小值,粗加工时取较大值;工艺系统刚性差时,磨钝标准取较小值;切削难加工材料时,磨钝标准也要取较小值。

      国际标准ISO推荐硬质合金车刀刀具寿命试验的磨钝标准,有下列三种可供选择:

      (1) ;

      (2)如果主后刀面为无规则磨损,取 ;

      (3)前刀面磨损量 ,式中f为以mm/r为单位的进给量值。

      三、刀具寿命

      1.刀具寿命的定义

      刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的总切削时间,称为刀具寿命,用 表示。一把新刀往往要经过多次重磨,才会报废,刀具寿命指的是两次刃磨之间所经历的切削时间。刀具寿命乘刃磨次数,就是刀具总寿命。

      2.刀具寿命的经验计算公式

      切削速度 对刀具寿命的影响最大,进给量 次之,背吃刀量 最小。这与它们对切削温度的影响顺序完全一致,表明切削温度与刀具寿命之间有着紧密的内在联系。

      切削用量与刀具寿命密切相关。刀具寿命T定得高,切削用量就要取得低,虽然换刀次数少, 刀具消耗少了,但切削效率下降,经济效益未必好;刀具寿命T定得低,切削用量可以取得高,切削效率是提高了,但换刀次数多,刀具消耗变大,调整刀具耗时长,经济效益也未必好。在生产中,确定刀具寿命有两种不同的原则,按单件时间最少原则确定的刀具寿命叫最大生产率刀具寿命;按单件工艺成本最低的原则确定的刀具寿命叫最小成本刀具寿命。

      一般情况下,应采用最小成本刀具寿命。在生产任务紧迫或生产中出现节拍不平衡时,可选用最高生产率刀具寿命。

      制订刀具寿命时,还应具体考虑以下几点:

      1)刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时,刀具寿命应规定得高些。

      2)多刀车床上的车刀,组合机床上的钻头、丝锥和铣刀,自动机及自动线上的刀具,因为调 整复杂,刀具寿命应规定得高些。

      3)某工序的生产成为生产线上的瓶颈时,刀具寿命应定得低些,这样可以选用较大的切削用量,以加快该工序生产节拍;某工序单位时间的生产成本较高时,刀具寿命应规定得低些,这样可 以选用较大的切削用量,缩短加工时间。

      4)精加工大型工件时,刀具寿命应规定得高些,至少保证在一次走刀中不换刀。

      四、刀具的破损及刀具状态监控

      在切削加工中,刀具有时没有经过正常磨损,而在很短时间内突然损坏,这种情况称为刀具破损。磨损是逐渐发展的过程,而破损是突发的。破损的突发性很容易在生产过程中造成较大的危害和经济损失。

      1.刀具的破损形式

      刀具的破损形式分为脆性破损和塑性破损。

      (1)脆性破损

      硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时,在机械应力和热应力冲击作用下,经常发生以下几种形态的破损:

      1)崩刃 切削刃产生小的缺口。在继续切削中,缺口会不断扩大,导致更大的破损。用陶瓷 刀具切削和用硬质合金刀具作断续切削时,常发生这种破损。

      2)碎断 切削刃发生小块碎裂或大块断裂,不能继续进行切削。用硬质合金刀具和陶瓷刀具作断续切削时,常发生这种破损。

      3)剥落 在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片,经常与切削刃一起剥落,有时也在离切削刃 一小段距离处剥落。陶瓷刀具端铣时常发生这种破损。

      4)裂纹破损 长时间进行断续切削因疲劳而引起的一种破损。热冲击和机械冲击均会引发裂 纹,裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断裂。

      (2)塑性破损

      在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件间接触面上,由于过高的温度和压力的作用,刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力,这就是刀具的塑性破损。抵抗塑性破损的能力取决于刀具材料的硬度和耐热性。硬质合金和陶瓷的耐热性好,一般不易发生这种破损。相比之下,高速钢耐热性较差,较易发生塑性破损。

      2.刀具破损的防治措施

      (1)合理选择刀具材料 用作断续切削的刀具,刀具材料应具有较高的韧性。

      (2)合理选择刀具几何参数 通过选择合适的几何参数,使切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刃的有效措施。

      (3)保证刀具的刃磨质量 切削刃应平直光滑,不得有缺口,刃口与刀尖部位不允许烧伤。

      (4)合理选择切削用量 防止出现切削力过大和切削温度过高的情况。

      (5)工艺系统应有较好的刚性 防止因为产生强烈振动而损坏刀具。

      (6)对刀具状态进行实时监控 监测刀具状态的方法有测力法、测主电机电流法和声发射法等。

      五、切削用量的选择

      1.切削用量的选择原则

      切削用量的选择,对生产效率、加工成本和加工质量均有重要影响。所谓合理的切削用量是 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。约束切削用量选择的主要条件有: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。

      (1)切削用量与生产效率、刀具寿命的关系

      机床切削效率可以用单位时间内切除的材料体积 (mm3/min)表示,切削用量三要素 、 、 均与 呈正比关系,三者对机床切削效率影响的权重是完全相同的。从提高生产效率考虑,切削用量三要素 、 、 中任一要素提高一倍,机床切削效率 都提高一倍,但提高 一倍与提高 一倍对刀具寿命带来的影响却是完全不相同的。切削用量三要素中对刀具寿命影响最大的是 ,其次是 ,再其次是 ;在保持刀具寿命一定的条件下,提高背吃刀量 比提高进给量 的生产效率高,比提高切削速度 的生产效率更高。

      (2)切削用量的选用原则

      选择切削用量的基本原则是:首先选取尽可能大的背吃刀量 ;其次根据机床进给机构强度、刀杆刚度等限制条件(粗加工时)或已加工表面粗糙度要求(精加工时),选取尽可能大的进给量f;最后根据“切削用量手册”查取或根据公式计算确定切削速度 。

      (3)切削用量三要素的选用

      1)背吃刀量 背吃刀量根据加工余量确定。粗加工时,只要机床功率许可,粗加工余量应争取在一次走刀中全部切除。下面几种情况,可几次走刀分切:①加工余量太大,导致机床动力不足或刀具强度不够;②工艺系统刚性不足;③断续切削。切削表层有硬皮的锻铸件或切削冷硬倾向较为严重的材料(例如不锈钢)时,应尽量使 值超过硬皮或冷硬层深度,以防刀具过快磨损。半精加工时, 可取为0.5~2mm 。精加工时, 可取0.1~0.4 。

      2)进给量 粗加工时,对表面质量没有太高要求,合理的进给量应是工艺系统所能承受的最大进给量。限制粗加工进给量的因素是:机床进给机构的强度、刀杆的强度和刚度、硬质合金或陶瓷刀片的强度等。限制精加工进给量的主要因素是表面粗糙度和加工精度要求。

      实际生产中,经常采用查表法确定进给量。粗加工时,根据加工材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量等条件由“切削用量手册”查得进给量 的取值。半精加工和精加工时,则主要根据加工表面粗糙度要求,选择进给量 值。

      3)切削速度 根据已经选定的背吃刀量、进给量 及刀具寿命T ,可以用公式计算或用查表法确定切削速度 。

      在确定切削速度时,还应考虑以下几点:

      1)精加工时,应尽量避开产生积屑瘤的速度区。

      2)作断续切削,应适当降低切削速度。

      3)在易产生振动的情况下,机床主轴转速应选择能进行稳定切削的转速区进行。

      4)加工大件、细长件、薄壁件以及带铸、锻外皮的工件时,应选较低的切削速度。

      刀具的切削性能主要是由刀具材料的性能和刀具几何参数两方面决定的。刀具几何参数的选择是否合理对切削力、切削温度及刀具磨损有显著影响。选择刀具的几何参数要综合考虑工件材料、刀具材料、刀具类型及其他加工条件(如切削用量、工艺系统刚性及机床功率等)的影响。

      一、前角 的选择

      前角是刀具上最重要的几何参数之一。增大前角可以减小切削变形,降低切削力和切削温度;但过大的前角使刀具楔角减小,刀刃强度下降,刀头散热体积减小,刀具温度上升,使刀具寿命下降。针对某一具体加工条件,客观上有一个最合理的前角取值。

      工件材料的强度、硬度较低时,前角应取得大些;加工塑性材料宜取较大的前角,加工脆性材料宜取较小的前角。刀具材料韧性好时宜取较大前角,硬质合金刀具就应取比高速钢刀具较小的前角。粗加工时,为保证刀刃强度,应取小前角;精加工时,为提高表面质量,可取较大前角。工艺系统刚性较差时,应取较大前角。为减小刃形误差,成形刀具的前角应取较小值。

      用硬质合金刀具加工中碳钢工件时,通常取 ;加工灰铸铁工件时,通常取 。

      二、后角 的选择

      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。较大的后角可减小刀具后刀面上的摩擦,提高已加工表面质量。在磨钝标准取值相同时,后角较大的刀具,磨损到磨钝标准时,磨去的刀具材料较多,刀具寿命较长;但是过大的后角会使刀具楔角显著减小,削弱切削刃强度,减小刀头散热体积,导致刀具寿命降低。

      可按下列原则正确选择合理后角值。切削厚度(或进给量)较小时,宜取较大的后角。进行粗加工、强力切削和承受冲击载荷的刀具,为保证刀刃强度,宜取较小后角。工件材料硬度、强度较高时,宜取较小的后角;工件材料较软、塑性较大时,宜取较大后角;切削脆性材料,宜取较小后角。对精度要求高的定尺寸刀具(例如铰刀),宜取较小的后角;因为在径向磨损量NB 取值相同的条件下,后角较小时允许磨掉的刀具材料较多,刀具寿命长。

      车削中碳钢和铸铁工件时,车刀后角通常取为6~8°。

      三、主偏角 、副偏角 的选择

      减小主偏角和副偏角,可以减小已加工表面上残留面积的高度,使粗糙度减小;同时又可以提高刀尖强度,改善散热条件,提高刀具寿命;减小主偏角还可使切削厚度减小、切削宽度增加,切削刃单位长度上的负荷下降,对提高刀具寿命有利。另外,主偏角取值还影响各切削分力的大小和比例的分配,例如车外圆时,增大主偏角可使背向力 减小,进给力 增大。

      工件材料硬度、强度较高时,宜取较小主偏角,以提高刀具寿命。工艺系统刚性较差时,宜取较大的主偏角;工艺系统刚性较好时,则宜取较小主偏角,以提高刀具寿命。

      精加工时,宜取较小副偏角,以减小表面粗糙度;工件材料强度、硬度较高或刀具作断续切削时,宜取较小副偏角,以增加刀尖强度。在不会产生振动的情况下,一般刀具的副偏角均可选较小值( )。

      四、刃倾角 的选择

      改变刃倾角可以改变切屑流出方向,达到控制排屑方向的目的。负刃倾角的车刀刀头强度好,散热条件也好。增大刃倾角绝对值可使刀具的切削刃实际钝圆半径减小,切削刃变得锋利。刃倾角不为零时,刀刃是逐渐切入和切出工件的,增大刃倾角绝对值可以减小刀具受到的冲击,提高切削的平稳性。

      加工中碳钢和灰铸铁工件时,粗车取 ,精车取 ;有冲击负荷作用时取 ,冲击特别大时取 ;加工高强度钢、淬硬钢时,取 ;工艺系统刚性不足时,为避免背向力 过大而导致工艺系统受力变形过大,不宜采用负的刃倾角。

      一、砂轮的特性和选择

      1.普通砂轮的特性和选择

      普通砂轮是用结合剂把磨粒粘结起来,经压坯、干燥、焙烧及车整制成,它的特性决定于磨料、粒度、结合剂、硬度、组织及形状尺寸等。

      (1)磨料

      磨料是砂轮的主要成分,普通砂轮常用的磨料有氧化物系和碳化物系两类。

      (2)粒度

      粒度表示磨料颗粒的尺寸大小。当磨粒尺寸较大时,用筛选法分级,以其能通过的筛网上每英寸长度上的孔数来表示粒度号,如F60表示磨粒刚能通过每英寸60个孔眼的筛网;粒度号越大,磨粒越细。直径小于63?m的磨粒称为微粉,用光电沉降仪法分级;微粉的粒度号为F230~F1200,F后的数字越大,微粉越细。

      粗磨加工选用颗粒较粗的砂轮,以提高生产效率;精磨加工选用颗粒较细的砂轮,以减小加工表面粗糙度。砂轮与工件接触面积较大时,选用颗粒较粗的砂轮,防止烧伤工件。

      (3)结合剂

      结合剂的作用是将磨粒粘结在一起,形成具有一定形状和强度的砂轮。常用的结合剂种类有陶瓷结合剂、树脂结合剂和橡胶结合剂。

      (4)硬度

      砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下,从砂轮表面上脱落的难易程度,砂轮硬度越高,磨粒越不容易脱落。砂轮的硬度分七个等级。

      磨削时,如砂轮硬度过高,则磨钝了的磨粒不能及时脱落,会使磨削温度升高而造成工件烧伤;若砂轮太软,则磨粒脱落过快,不能充分发挥磨粒的磨削效能,也不易保持砂轮的外形。

      工件材料硬度较高时应选用较软的砂轮;工件材料硬度较低时,应选用较硬的砂轮;砂轮与工件接触面较大时,应选用较软砂轮;磨薄壁件及导热性差的工件时应选用较软的砂轮;精磨和成形磨时,应选用较硬的砂轮;砂轮粒度号大时,应选用较软的砂轮。

      (5)组织

      砂轮的组织是指磨粒、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨粒在砂轮体积中所占的比例越大,则组织越紧密。

      (6)砂轮形状

      在砂轮的端面上一般都印有标志,用以标示砂轮的特性。

      2. 超硬砂轮的特性和选择

      超硬砂轮采用人造金刚石或立方氮化硼为磨料,除使用树脂结合剂和陶瓷结合剂外,还使用青铜和铸铁纤维等金属结合剂。

      超硬砂轮用浓度来表示砂轮内含有磨粒的疏密程度;浓度的高低用百分比表示。加工石材、玻璃时选较低浓度的金刚石砂轮,加工超硬合金、金属陶瓷等难加工材料时选高浓度金刚石砂轮。立方氮化硼砂轮只用于加工金属材料,应选用较高浓度的砂轮。成型磨削和镜面磨削选用高浓度砂轮。

      二、磨削过程

      磨削时砂轮表面上有许多磨粒参与磨削工作,每个磨粒都可以看做是一把微小的刀具。磨粒的形状很不规则,其尖点的顶锥角大多为90°~120°。磨粒上刃尖的钝圆半径 大约在几微米至几十微米之间,磨粒磨损后 值还将增大。由于磨粒以较大的负前角和钝圆半径对工件进行切削(如图2-44所示),磨粒接触工件的初期不会切下切屑,只有在磨粒的切削厚度增大到某一临界值后才开始切下切屑。磨削过程中磨粒对工件的作用包括滑擦、耕犁和形成切屑三个阶段。

      (1)滑擦阶段 磨粒刚开始与工件接触时,由于切削厚度非常小,磨粒只是在工件上滑擦, 砂轮和工件接触面上只有弹性变形和由摩擦产生的热量。

      (2)耕犁阶段 随着切削厚度逐渐加大,被磨工件表面开始产生塑性变形,磨粒逐渐切入工件表层材料中。表层材料被挤向磨粒的前方和两侧,工件表面出现沟痕,沟痕两侧产生隆起。此阶段磨粒对工件的挤压摩擦剧烈,产生的热量大大增加。

      (3)形成切屑 当磨粒的切削厚度增加到某一临界值时,磨粒前面的金属产生明显的剪切滑移形成切屑。

      磨削过程中产生的沟痕两侧隆起现象对磨削表面粗糙度影响较大。隆起量与磨削速度的关系,随着磨削速度的增加,隆起减小,这是因为在较高磨削速度条件下,工件材料塑性变形的传播速度远小于磨削速度,磨粒侧面的材料来不及变形。由图知,增加磨削速度对减小隆起量是有利的。

      三、磨削力

      磨削力可以分解为三个分力:主磨削力(切向磨削力) ,背向力 ,进给力 。与切削力相比,磨削力具有以下特征:

      1)单位磨削力 都在 以上,切削加工的 值均在 以下,原因是磨粒大多以较大的负前角进行切削。

      2)三向磨削分力中 值最大。

      四、磨削温度

      1.磨削温度

      由于磨削时单位磨削力 比车削时大得多,切除金属体积相同时,磨削所消耗的能量远远大于车削所消耗的能量。这些能量在磨削中将迅速转变为热能,磨粒磨削点温度高达1000~1400℃,砂轮磨削区温度也有几百度。磨削温度对加工表面质量影响很大,须设法控制。

      2.影响磨削温度的因素

      (1)砂轮速度 提高砂轮速度 ,单位时间通过工件表面的磨粒数增多,单颗磨粒切削厚度减小,挤压和摩擦作用加剧,单位时间内产生的热量增加,使磨削温度升高。

      (2)工件速度 增大工件速度 ,单位时间内进入磨削区的工件材料增加,单颗磨粒的切削厚度加大,磨削力及能耗增加,磨削温度上升;但从热量传递的观点分析,提高工件速度 ,工件表面与砂轮的接触时间缩短,工件上受热影响区的深度较浅,可以有效防止工件表面层产生磨削烧伤和磨削裂纹,在生产实践中常采用提高 的方法来减少工件表面烧伤和裂纹。

      (3)径向进给量 径向进给量 增大,单颗磨粒的切削厚度增大,产生的热量增多,使磨削温度升高。

      (4)工件材料 磨削韧性大、强度高、导热性差的材料,因为消耗于金属变形和摩擦的能量大,发热多,而散热性能又差,故磨削温度较高;磨削脆性大、强度低、导热性好的材料,磨削温度相对较低。

      (5)砂轮特性 选用低硬度砂轮磨削时,砂轮自锐性好,磨粒切削刃锋利,磨削力和磨削温度都比较低。选用粗粒度砂轮磨削时,容屑空间大,磨屑不易堵塞砂轮,磨削温度比选用细粒度砂轮磨削时低。

      机械制造中的加工方法很多,按照工件在加工过程中质量的变化( ),可将加工方法分为材料去除加工( )、材料成形加工( )和材料堆积加工( )三种形式。

      1.材料去除加工

      材料去除加工是通过在被加工对象上去除一部分材料后才制成一合格零件的。与其它方法相比,其材料利用率较低,但由于该方法的加工精度相对较高、表面质量相对较好,并且有很强的加工适应性,故至今仍然是机械制造中应用最广泛的加工方法,而且在未来相当长的时期内仍将占有重要地位。

      在材料去除加工中,还可按材料去除方式不同分为切削加工和特种加工两种加工方法。切削加工是利用切削刀具从工件上切除多余材料的方法,切削刀具的硬度比工件硬度高得多;常用的切削加工方法有车削、铣削、刨削、拉削、磨削等。特种加工主要是指利用机械能以外的其它能量(如光、电、化学、声、热能等)直接去除材料的加工方法,加工过程中基本上无机械力作用;常见的特种加工方法有电火花加工、电子束加工、离子束加工、激光加工等。

      2.材料成形加工

      材料成形加工是一种在较高温度(或压力)下,使材料在模具中成形的方法,如铸造、锻造 、挤压、粉末冶金等,它的主要特点是生产效率较高。由于材料成形方法目前所能达到的加工经济精度还较低,一般常用于制造零件的毛坯,也可用于制造形状复杂但精度和表面粗糙度要求较低的 零件。应用“接近最终形状(Near-Net-Shape)成型技术”,例如精密铸造、精密锻造、挤压及粉末冶金等,则可用来直接制造精度要求较高(例如IT7)的零件。

      3.材料堆积加工

      材料堆积加工是利用微体积材料逐渐叠加的方式使零件成形的。这类加工方法中包括电镀、 化学镀等原子沉积加工,热喷涂、静电喷涂等微粒沉积加工以及快速原型制造等。

      快速原型制造的基本原理是:先将零件的三维实体CAD模型数据沿某一坐标轴进行分层处理, 得到分层截面的一系列二维数据, 然后让成型材料在计算机控制下逐层堆积成型,生成三维实体原型。快速原型制造方法的特点是:可以制造任意复杂的零件,不需任何刀具、模具。快速原型制造目前除用于快速制造零件的三维实体模型外,还可用于模具和少量零件的快速制造。

      材料成型方法将在机械类专业开设的另一门技术基础课《材料成型技术》中讨论,此处不作介绍。本书以讨论典型表面的切削加工方法及其装备为主,也要介绍一部分常用的特种加工方法和快速原型制造方法。

      (一)零件表面的形成方法及所需运动

      1.零件表面的形状

      机器零件的结构形状尽管千差万别,但其轮廓都是由一些单一的几何表面(例如:平面、内、外旋转表面等)及自由曲面按一定位置关系构成的。

      零件表面可以看作是一条线(称为母线)沿另一条线(称为导线)运动的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发生线(成形线)。常见的零件表面按其形状可分为四类:

      ⑴旋转表面

      ⑵纵向表面

      ⑶螺旋表面

      ⑷复杂曲面

      2.零件表面的形成方法及所需的成形运动

      研究零件表面的形成方法,应首先研究表面发生线的形成方法。表面发生线的形成方法可归纳为以下四种:

      (1)轨迹法

      (2)成形法

      (3)相切法

      (4)展成法

      在切削加工中,为获得所需工件表面形状,必须使刀具和工件按上述四种方法之一完成各自的运动。用来形成被加工表面形状的运动称为表面成形运动,成形运动由机床的主运动和进给运动组成。

      (1)主运动 它是机床上形成切削速度并消耗大部分切削动力的运动。主运动可由工件或刀具来实现,例如车床主轴带动工件的转动,钻床主轴带动钻头的转动,铣床工作台带动工件的直线运动等。主运动可以是旋转运动,也可以是直线运动。

      (2)进给运动 进给运动是根据工件的形状配合主运动使切削得以继续的运动。根据刀具相对于工件被加工表面运动方向的不同,进给运动可分为纵向进给、横向进给、圆周进给、径向进给和切向进给运动等。

      除了上述表面成形运动之外,为完成工件加工,机床还需有一些辅助运动,以实现加工中的各种辅助动作,例如切入运动、分度运动、操纵和控制运动等。

      (二)机床的基本结构和传动

      1.金属切削机床的基本结构

      机床的基本结构包括如下几个部分:

      (1)动力源 机床动力源一般采用交流异步电动机、步进电机、直流或交流伺服电动机及液压驱动装置等,它们为机床执行机构的运动提供动力。可以是几个运动共用一个动力源,也可以是一个运动单独使用一个动力源。

      (2)运动执行机构 运动执行机构是机床执行运动的部件,如主轴、刀架和工作台等,它们带动工件或刀具旋转或移动。

      (3)传动机构 传动机构将机床动力源的运动和动力传给运动执行机构,或将运动由一个执行机构传递到另一个执行机构,以保持两个运动之间的准确传动关系。传动机构还可以改变运动方向、运动速度及运动形式(例如将旋转运动变为直线运动)。

      (4)控制系统和伺服系统 控制系统是指数控机床上由计算机及相应的软、硬件构成的控制系统。它对机床运动进行控制,实现各运动之间的准确协调。伺服系统根据控制系统给出的速度和位置指令驱动机床进给运动部件,完成指令规定的动作。

      (5)支承系统 支承系统是机床的机械本体,包括床身、立柱及相关机械连接在内的支承结构,属于机床的基础部分。

      我们在分析一台机床时,一定要从认识这台机床的基本结构入手。

      2.金属切削机床的传动

      机床为了获得所需的运动,需要通过传动机构把执行机构(例如机床主轴)和动力源,或者把执行机构和执行机构(例如把机床主轴和刀架)连接起来,构成机床传动联系。构成机床传动联系的一系列传动件称为传动链。根据传动联系的性质,传动链可分为以下两类:

      (1)外联系传动链 机床动力源和运动执行机构之间的传动联系称为外联系传动链。外联系 传动链的作用是使执行机构按预定的速度运动,并传递一定的动力。外联系传动链传动比的变化只影响执行机构的运动速度,不影响发生线的性质,外联系传动链不要求动力源与执行机构间有严格的传动比关系。例如,在车床上用轨迹法车削圆柱面时,主轴的旋转和刀架的移动是电动机分别经由两条外传动链传动的,两者之间不要求严格的传动比关系。

      (2)内联系传动链 执行件与执行件之间的传动联系称为内联系传动链。内联系传动链的作用是将两个或两个以上的单独运动组成复合的成形运动,内联系传动链所联系的各执行件之间的相对运动有严格要求,例如,在车床上用螺纹车刀车螺纹时,为了保证所加工螺纹的导程,主轴(工件)每转一转,车刀必须移动一个导程,联系主轴与刀架之间的传动链,就是一条有严格传动比要求的内联系传动链。

      数控机床各执行件之间的运动关系由数控装置控制协调,在数控机床上一般无内联系传动链。

      (三)机床的分类

      机床是机械加工系统的主要组成部分。为适应不同的加工对象和加工要求,机床有许多品种 和规格。为便于区别、使用和管理,须对机床加以分类并编制型号。

      机床的分类方法很多,最基本的是按机床的主要加工方法、所用刀具及其用途进行分类。根据国家制定的机床型号编制方法,机床共分为11类:车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、锯床和其它机床。在每一类机床中,又按工艺范围、布局型式和结构性能等,分为10个组,每一组又分为若干系(系列)。

      在上述基本分类的基础上,机床还可根据其它特征进一步细分。

      同类机床按应用范围(通用性程度)又可分为通用机床、专门化机床和专用机床。通用机床的工艺范围很宽,可以加工一定尺寸范围内的各类零件,完成多种多样的工序,例如卧式车床、摇臂钻床、万能升降台铣床等。专门化机床的工艺范围较窄,只能加工一定尺寸范围内的某一类(或少数几类)零件,完成某一种(或少数几种)特定工序,例如曲轴车床、凸轮轴车床等。专用机床的工艺范围最窄,通常只能完成某一特定零件的特定工序,例如加工机床主轴箱的专用镗床、加工机床导轨的专用导轨磨床等;组合机床也属于专用机床。

      同类机床按工作精度又可分为普通精度机床、精密机床和高精度机床。

      机床还可按重量、尺寸、自动化程度、主要工作部件(如主轴等)的数目等进行分类。随着机床的不断发展,机床的分类方法将不断变化。

      (四)金属切削机床型号的编制

      机床型号是机床产品的代号,用以简明地表示机床的类型、性能和结构特点、主要技术参数等。我国机床型号编制方法的现行国家标准是“GB/T15375-1994 金属切削机床型号编制方法”,机床型号由一组汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律组合而成。

      1.通用机床的型号编制

      (1)型号表示方法;

      (2)机床类、组、系的划分及其代号;

      (3)机床的特性代号;

      (4)机床主参数和设计顺序号;

      (5)主轴数和第二主参数的表示方法;

      (6)机床的重大改进顺序号;

      (7)其它特征代号及其表示方法;

      (8)企业代号及其表示方法。

      2.专用机床的型号编制

      (1)设计单位代号;

      (2)专用机床的设计顺序号;

      需要说明的是,我国的机床型号编制方法自1957年第一次颁布以来,已作过六次修改和补充(1959年、1963年、1971年、1976年、1985年和1994年)。目前工厂中使用和生产的机床有相当一部分还是按照1994年以前颁布的机床型号编制方法编制的,其涵义可查阅相应的标准。

      与外圆表面加工相比,孔加工的条件要差得多,加工孔要比加工外圆困难。这是因为:(1)孔加工所用刀具的尺寸受被加工孔尺寸的限制,刚性差,容易产生弯曲变形和振动;(2)用定尺寸刀具加工孔时,孔加工的尺寸往往直接取决于刀具的相应尺寸,刀具的制造误差和磨损将直接影响孔的加工精度;(3)加工孔时,切削区在工件内部,排屑及散热条件差,加工精度和表面质量都不易控制。

      一、钻孔与扩孔

      1. 钻孔

      钻孔是在实心材料上加工孔的第一道工序,钻孔直径一般小于80mm 。钻孔加工有两种方式:一种是钻头旋转;另一种是工件旋转。上述两种钻孔方式产生的误差是不相同的,在钻头旋转的钻孔方式中,由于切削刃不对称和钻头刚性不足而使钻头引偏时,被加工孔的中心线会发生偏斜或不直,但孔径基本不变;而在工件旋转的钻孔方式中则相反,钻头引偏会引起孔径变化,而孔中心线仍然是直的。

      常用的钻孔刀具有:麻花钻、中心钻、深孔钻等,其中最常用的是麻花钻,其直径规格为 。

      由于构造上的限制,钻头的弯曲刚度和扭转刚度均较低,加之定心性不好,钻孔加工的精度较低,一般只能达到IT13~IT11;表面粗糙度也较大, Ra一般为50~12.5μm;但钻孔的金属切除率大,切削效率高。钻孔主要用于加工质量要求不高的孔,例如螺栓孔、螺纹底孔、油孔等。对于加工精度和表面质量要求较高的孔,则应在后续加工中通过扩孔、铰孔、镗孔或磨孔来达到。

      2. 扩孔

      扩孔是用扩孔钻对已经钻出、铸出或锻出的孔作进一步加工,以扩大孔径并提高孔的加工质量,扩孔加工既可以作为精加工孔前的预加工,也可以作为要求不高的孔的最终加工。扩孔钻与麻花钻相似,但刀齿数较多,没有横刃。

      与钻孔相比,扩孔具有下列特点:(1)扩孔钻齿数多(3~8个齿)、导向性好,切削比较稳定;(2)扩孔钻没有横刃,切削条件好;(3)加工余量较小,容屑槽可以做得浅些,钻芯可以做得粗些,刀体强度和刚性较好。扩孔加工的精度一般为IT11~IT10级,表面粗糙度Ra为12.5~6.3 。扩孔常用于加工直径小于 的孔。在钻直径较大的孔时(D ≥30mm ),常先用小钻头(直径为孔径的0.5~0.7倍)预钻孔,然后再用相应尺寸的扩孔钻扩孔,这样可以提高孔的加工质量和生产效率。

      扩孔除了可以加工圆柱孔之外,还可以用各种特殊形状的扩孔钻(亦称锪钻)来加工各种沉头座孔和锪平端面示。锪钻的前端常带有导向柱,用已加工孔导向。

      二、铰孔

      铰孔是孔的精加工方法之一,在生产中应用很广。对于较小的孔,相对于内圆磨削及精镗而言,铰孔是一种较为经济实用的加工方法。

      1. 铰刀

      铰刀一般分为手用铰刀及机用铰刀两种。手用铰刀柄部为直柄,工作部分较长,导向作用较好,手用铰刀有整体式和外径可调整式两种结构。机用铰刀有带柄的和套式的两种结构。铰刀不仅可加工圆形孔,也可用锥度铰刀加工锥孔。

      2. 铰孔工艺及其应用

      铰孔余量对铰孔质量的影响很大,余量太大,铰刀的负荷大,切削刃很快被磨钝,不易获得光洁的加工表面,尺寸公差也不易保证;余量太小,不能去掉上工序留下的刀痕,自然也就没有改善孔加工质量的作用。一般粗铰余量取为0.35~0.15mm,精铰取为01.5~0.05 。

      为避免产生积屑瘤,铰孔通常采用较低的切削速度(高速钢铰刀加工钢和铸铁时,v <8m/min)进行加工。进给量的取值与被加工孔径有关,孔径越大,进给量取值越大,高速钢铰刀加工钢和铸铁时进给量常取为0.3~1mm/r 。

      铰孔时必须用适当的切削液进行冷却、润滑和清洗,以防止产生积屑瘤并及时清除切屑。

      与磨孔和镗孔相比,铰孔生产率高,容易保证孔的精度;但铰孔不能校正孔轴线的位置误差,孔的位置精度应由前工序保证。铰孔不宜加工阶梯孔和盲孔。

      铰孔尺寸精度一般为IT9~IT7级,表面粗糙度Ra一般为3.2~0.8 。对于中等尺寸、精度要求较高的孔(例如IT7级精度孔),钻—扩—铰工艺是生产中常用的典型加工方案。

      三、镗孔

      镗孔是在预制孔上用切削刀具使之扩大的一种加工方法,镗孔工作既可以在镗床上进行,也可以在车床上进行。

      1. 镗孔方式

      镗孔有三种不同的加工方式。

      (1)工件旋转,刀具作进给运动 在车床上镗孔大都属于这种镗孔方式。工艺特点是:加工后孔的轴心线与工件的回转轴线一致,孔的圆度主要取决于机床主轴的回转精度,孔的轴向几何形状误差主要取决于刀具进给方向相对于工件回转轴线的位置精度。这种镗孔方式适于加工与外圆表面有同轴度要求的孔。

      (2)刀具旋转,工件作进给运动 镗床主轴带动镗刀旋转,工作台带动工件作进给运动。

      (3) 刀具旋转并作进给运动 采用这种镗孔方式镗孔,镗杆的悬伸长度是变化的,镗杆的受力 变形也是变化的,靠近主轴箱处的孔径大,远离主轴箱处的孔径小,形成锥孔。此外,镗杆悬伸长度增大,主轴因自重引起的弯曲变形也增大,被加工孔轴线将产生相应的弯曲。这种镗孔方式只适于加工较短的孔。

      2. 金刚镗

      与一般镗孔相比,金刚镗的特点是背吃刀量小,进给量小,切削速度高,它可以获

      得很高的加工精度(IT7~IT6)和很光洁的表面(Ra为0.4~0.05 )。金刚镗最初用金刚石镗刀加工,现在普遍采用硬质合金、CBN和人造金刚石刀具加工。主要用于加工有色金属工件,也可用于加工铸铁件和钢件。

      金刚镗常用的切削用量为:背吃刀量预镗为 0.2~0.6mm,终镗为0.1mm ;进给量为0.01~0.14mm/r ;切削速度加工铸铁时为100~250m/min ,加工钢时为150~300m/min ,加工有色金属时为300~2000m/min 。

      为了保证金刚镗能达到较高的加工精度和表面质量,所用机床(金刚镗床)须具有较高的几何精度和刚度,机床主轴支承常用精密的角接触球轴承或静压滑动轴承,高速旋转零件须经精确平衡;此外,进给机构的运动必须十分平稳,保证工作台能做平稳低速进给运动。

      金刚镗的加工质量好,生产效率高,在大批大量生产中被广泛用于精密孔的最终加工,如发动机气缸孔、活塞销孔、机床主轴箱上的主轴孔等。但须引起注意的是:用金刚镗加工黑色金属制品时,只能使用硬质合金和CBN制作的镗刀,不能使用金刚石制作的镗刀,因金刚石中的碳原子与铁族元素的亲和力大,刀具寿命低。

      3. 镗刀

      镗刀可分为单刃镗刀和双刃镗刀。

      4. 镗孔的工艺特点及应用范围

      镗孔和钻—扩—铰工艺相比,孔径尺寸不受刀具尺寸的限制,且镗孔具有较强的误差修正能力,可通过多次走刀来修正原孔轴线偏斜误差,而且能使所镗孔与定位表面保持较高的位置精度。

      镗孔和车外圆相比,由于刀杆系统的刚性差、变形大,散热排屑条件不好,工件和刀具的热变形比较大,镗孔的加工质量和生产效率都不如车外圆高。

      综上分析可知, 镗孔的加工范围广,可加工各种不同尺寸和不同精度等级的孔,对于孔径较大、尺寸和位置精度要求较高的孔和孔系,镗孔几乎是唯一的加工方法。镗孔的加工精度为IT9~IT7级,表面粗糙度Ra为 。镗孔可以在镗床、车床、铣床等机床上进行,具有机动灵活的优点,生产中应用十分广泛。在大批大量生产中,为提高镗孔效率,常使用镗模。

      四、珩磨孔

      1. 珩磨原理及珩磨头

      珩磨是利用带有磨条(油石)的珩磨头对孔进行光整加工的方法。珩磨时,工件固定不动,珩磨头由机床主轴带动旋转并作往复直线运动。珩磨加工中,磨条以一定压力作用于工件表面,从 工件表面上切除一层极薄的材料,其切削轨迹是交叉的网纹。为使砂条磨粒的运动轨迹不重复,珩磨头回转运动的每分钟转数与珩磨头每分钟往复行程数应互成质数。

      珩磨轨迹的交叉角 与珩磨头的往复速度 及圆周速度 有关, 角的大小影响珩磨的加工质量及效率,一般粗珩时取 °,精珩时取 °。为了便于排出破碎的磨粒和切屑,降低切削温度,提高加工质量,珩磨时应使用充足的切削液。

      为使被加工孔壁都能得到均匀的加工,砂条的行程在孔的两端都要超出一段越程量。为保证珩磨余量均匀,减少机床主轴回转误差对加工精度的影响,珩磨头和机床主轴之间大都采用浮动连接。

      珩磨头磨条的径向伸缩调整有手动、气动和液压等多种结构形式。

      2. 珩磨的工艺特点及应用范围

      (1)珩磨能获得较高的尺寸精度和形状精度,加工精度为IT7~IT6级,孔的圆度和圆柱度误差可控制在 的范围之内,但珩磨不能提高被加工孔的位置精度。

      (2)珩磨能获得较高的表面质量,表面粗糙度Ra为 ,表层金属的变质缺陷层深度极微( )。

      (3)与磨削速度相比,珩磨头的圆周速度虽不高(vc=16~60m/min),但由于砂条与工件的接触面积大,往复速度相对较高(va=8~20m/min),所以珩磨仍有较高的生产率。

      珩磨在大批大量生产中广泛用于发动机缸孔及各种液压装置中精密孔的加工,孔径范围一般为 或更大,并可加工长径比大于10的深孔。但珩磨不适用于加工塑性较大的有色金属工件上的孔,也不能加工带键槽的孔、花键孔等。

      五、拉孔

      1. 拉削与拉刀

      拉孔是一种高生产率的精加工方法,它是用特制的拉刀在拉床上进行的。拉床分卧式拉床和立式拉床两种,以卧式拉床最为常见。

      拉削时拉刀只作低速直线运动(主运动)。拉刀同时工作的齿数一般应不少于3个,否则拉刀 工作不平稳,容易在工件表面产生环状波纹。为了避免产生过大的拉削力而使拉刀断裂,拉刀工作时,同时工作刀齿数一般不应超过6~8个。

      拉孔有三种不同的拉削方式,分述如下:

      (1) 分层式拉削 这种拉削方式的特点是拉刀将工件加工余量一层一层顺序地切除。为了便于断屑,刀齿上磨有相互交错的分屑槽。按分层式拉削方式设计的的拉刀称为普通拉刀。

      (2) 分块式拉削 这种拉削方式的特点是加工表面的每一层金属是由一组尺寸基本相同但刀齿相互交错的刀齿(通常每组由2-3个刀齿组成)切除的。每个刀齿仅切去一层金属的一部分。按分块拉削方式设计的拉刀称为轮切式拉刀。

      (3) 综合式拉削 这种方式集中了分层及分块式拉削的优点,粗切齿部分采用分块式拉削,精切齿部分采用分层式拉削。这样既可缩短拉刀长度,提高生产率,又能获得较好的表面质量。按综合拉削方式设计的拉刀称为综合式拉刀。

      2. 拉孔的工艺特征及应用范围

      (1)拉刀是多刃刀具,在一次拉削行程中就能顺序完成孔的粗加工、精加工和光整加工工作,生产效率高。

      (2)拉孔精度主要取决于拉刀的精度,在通常条件下,拉孔精度可达IT9~IT7,表面粗糙度Ra可达6.3~1.6 μm 。

      (3)拉孔时,工件以被加工孔自身定位(拉刀前导部就是工件的定位元件),拉孔不易保证 孔与其它表面的相互位置精度;对于那些内外圆表面具有同轴度要求的回转体零件的加工,往往都是先拉孔,然后以孔为定位基准加工其它表面。

      (4)拉刀不仅能加工圆孔,而且还可以加工成形孔,花键孔。

      (5)拉刀是定尺寸刀具,形状复杂,价格昂贵,不适合于加工大孔。

      拉孔常用在大批大量生产中加工孔径为Ф10~80mm 、孔深不超过孔径5倍的中小零件上的通孔。

      一、概述

      平面是箱体类零件、盘类零件的主要表面之一,平面加工的技术要求包括:平面本身的精度(例如直线度、平面度),表面粗糙度,平面相对于其它表面的尺寸精度、位置精度(例如平行度、垂直度等)。

      加工平面的方法很多,常用的有铣、刨、车、拉、磨削等方法。铣平面是平面加工最常用的方法。

      刨平面所用机床、工具结构简单,调整方便,通用性好。经粗刨—精刨后,两平面间的尺寸精度可达IT9~IT7级,表面粗糙度Ra可达 ,直线度可达0.04~0.08mm/m ;如果再经过宽刃细刨,刨削质量还可相应提高;但刨削为断续切削,往复运动换向时有较大的惯性冲击,刨削速度比其它切削方式低得多(一般都小于60m/min ),再加上刨平面还有空行程损失,故刨平面的生产效率较低;刨平面只适于在单件小批量生产中应用,尤其适于加工狭长平面,例如床身导轨等。

      平面加工中的车、拉、磨削等加工方法,其工艺特点与前面在外圆表面及孔加工中的论述基本相同。车平面主要用于加工轴、套、盘等回转体零件的端面,端面较大时,一般都在立式车床上加工;在车床上加工端面容易保证端面与轴线的垂直度要求。拉平面是一种加工精度高、生产效率高的先进加工方法,适于在大批大量生产中加工质量要求较高,但面积不大的平面。磨平面更适合于做精加工工作,它能加工淬硬工件。

      二、铣平面

      铣削时,铣刀的旋转运动是主运动。 为背吃刀量(铣削深度),是指平行于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸; 是侧吃刀量(铣削宽度),是指垂直于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸; 为进给速度,是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。

      1. 铣削方式

      铣平面有端铣和周铣两种方式,端铣是指用分布在铣刀端面上的刀齿进行铣削的方法;周铣是指用分布在铣刀圆柱面上的刀齿进行铣削的方法。由于端铣的加工质量和生产效率比周铣高,在大批量生产中端铣比周铣用得多。周铣可使用多种形式的铣刀,能铣槽、铣成形表面,并可在同一刀杆上安装几把刀具同时加工几个表面,适用性好,在生产中用得也比较多。

      按照铣平面时主运动方向与进给运动方向的相对关系,周铣有顺铣和逆铣之分。工件进给方向与铣刀的旋转方向相反称为逆铣,工件进给方向与铣刀的旋转方向相同称为顺铣。

      顺铣和逆铣各有特点,应根据加工的具体条件合理选择。

      ⑴从切屑截面形状分析 逆铣时,刀齿的切削厚度由零逐渐增加,刀齿切入工件时切削厚度为零,由于切削刃钝圆半径的影响,刀齿在已加工表面上滑擦一段距离后才能真正切入工件,因而刀齿磨损快,加工表面质量较差;顺铣时则无此现象。实践证明,顺铣时铣刀寿命比逆铣高2~3倍 ,加工表面也比较好,但顺铣不宜铣带硬皮的工件。

      ⑵从工件装夹可靠性分析 逆铣时,刀齿对工件的垂直作用力Fv向上,容易使工件的装夹松动;顺铣时,刀齿对工件的垂直作用力Fv向下,使工件压紧在工作台上,加工比较平稳。

      ⑶从工作台丝杠、螺母间隙分析 螺母固定不动,丝杠回转带动工作台(与工件)作进给运动。逆铣 时,工件受到的水平铣削力FH与进给速度vf的方向相反,铣床工作台丝杠始终与螺母接触。顺铣时,工件受到的水平铣削力FH与进给速度vf相同,由于丝杠螺母间有间隙,铣刀会带动工件和工作台连同丝杠一起窜动,使铣削进给量突然增大,容易打刀。采用顺铣法加工时必须采取措施消除丝杠与螺母之间的间隙。

      端铣时,铣刀刀齿切入切出工件阶段会受到很大的冲击。在刀齿切入阶段,刀齿完全切入工件的过渡时间越短,刀齿受到的冲击越大。刀齿完全切入工件时间的长短与刀具的切入角β有关,切入角β越小,刀齿全部切入工件的过渡时间越短,刀齿受到的冲击就越大,β趋于0时是最不利的情况。从减小刀齿切入工件时受到的冲击考虑,不对称铣比对称铣较为有利。

      2. 铣刀及其几何角度

      铣刀的种类很多,按用途可分为圆柱形铣刀、面铣刀、三面刃铣刀、立铣刀、键槽铣刀、角度铣刀、成形铣刀等。

      铣刀的几何角度如下:

      1)前角 及 铣刀前角 在正交平面 中测量。为了便于铣刀制造和测量,圆柱

      柱形铣刀还要标注法平面 内的法前角 。

      2)后角 铣刀后角在正交剖面 中测量。

      3)刃倾角 铣刀的刃倾角是主切削刃和基面之间的夹角,在切削平面 中测量。圆柱形铣刀的刃倾角就是刀齿的螺旋角 。

      3. 铣削的工艺特点及应用范围

      由于铣刀是多刃刀具,刀齿能连续地依次进行切削,没有空程损失,且主运动为回转运动,可实现高速切削,故铣平面的生产效率一般都比刨平面高。其加工质量与刨平面相当,

      经粗铣--精铣后,尺寸精度可达IT9~IT7级,表面粗糙度Ra可达6.3~1.6 。

      由于铣平面的生产率高,在大批大量生产中铣平面已逐渐取代了刨平面。在成批生产中,中小件加工大多采用铣削,大件加工则铣刨兼用,一般都是粗铣、精刨。而在单件小批生产中,特别是在一些重型机器制造厂中,刨平面仍被广泛采用。因为刨平面不能获得足够的切削速度,有色金属材料的平面加工几乎全部都用铣削。

      三、复杂曲面加工

      除前面讨论过的外圆、内孔表面(同属旋转表面)的加工及平面加工外,在机械制造中复杂曲面加工也占一定比例。表面不能通过一条固定形状的母线沿另一条导线运动形成,通常称为复杂曲面。

      复杂曲面由刀具相对于工件在三维空间内作坐标运动形成,其切削加工方法主要有仿形铣和数控铣两种,使用的刀具一般为头部为圆形的球头铣刀。仿形铣必须预先制造出具有与被加工曲面相同形状的样件作为靠模。加工中与球头铣刀直径相同的球形仿形头始终以一定的压力紧靠样件表面,仿形头相对样件的运动被转换成电信号,经数据处理后用来控制仿形铣床各相应坐标轴的伺服进给机构,球头铣刀便在工件上加工出与样件具有相同形状的曲面。

      随着数控加工技术的发展及数控加工设备的普及,特别是随着CAD/CAM和计算机辅助编程技术的发展,数控铣削现已成为复杂曲面切削加工最主要的方法。在数控铣床或加工中心上加工曲面时,由加工程序控制机床运动,使球头铣刀逐点按曲面三维坐标加工,被加工曲面是球头铣刀刃形在各点切削时形成的包络面。

      在数控编程中处理的复杂曲面有两类,一类是用方程式描述的解析曲面;另一类是以复杂方式自由变化的曲面,称为自由曲面,这类曲面通常是用三维离散坐标点表示的。对于解析曲面,只要给出任意两个坐标值就可以求出第三个坐标值,曲面上的每个点都可由曲面方程严格定义。对于自由曲面,首先应采用适当的数学方法对曲面进行描述,建立曲面数学模型,然后将数学模型转换成计算机能够接受的形式输入计算机,编程时再由计算机按照输入的数据对曲面进行计算和处理,形成数控加工程序。复杂曲面的数控加工程序一般情况下要由计算机辅助完成。一些大型的商业化CAD/CAM集成软件包(如pro/E、UG、CATIA、Mastercam等)可利用零件设计时提供的信息,自动生成复杂曲面的数控加工程序,并可进行加工过程的动态模拟。

      大型的复杂曲面需要在多轴联动加工中心上加工,加工中心上设有刀库,一般都配备十几把、几十把甚至上百把刀具用来完成不同曲率半径曲面的粗、精加工。

      数控加工与仿形法加工相结合,产生了数控仿形技术。对于要根据实物模型来进行加工的零件,数控仿形加工系统可在利用数控机床本身的数控坐标测量系统对实物模型进行仿形测量的同时,完成物体几何形状的数字化转换,直接进行仿形加工。

      数控仿形加工的另一种加工方式是利用机床本身的测量系统或三坐标测量机先进行型面测量,对测量结果进行数字化建模处理后,再生成数控加工程序,然后按此程序加工出原实物模型的复制品,这种方式称为数字化仿形加工。数字化仿形加工的数字化模型可以是实物模型型面密集测量后的点集,按照它进行复制加工;也可在型面上有选择地测量少量特征点,通过这些点进行几何反求,建立CAD曲面模型后,再生成数控加工程序进行加工,后者称作反求工程。

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