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金属切削加工的目的和意义是什么?
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金属切削加工过程中刀具与工件之间相互作用和各自的变化规律是一门学科.在设计机床和刀具﹑制订机器零件的切削工艺及其定额﹑合理地使用刀具和机床以及控制切削过程时﹐都要利用金属切削原理的研究成果﹐使机器零件的加工达到经济﹑优质和高效率的目的.
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金属切削原理与刀具课件(4)
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4.1切屑的种类及控制 4.1.1切屑的基本形态工件上的切削层材料经过切削，被切离工件基体，形成切屑。会出现4种不同形态的切屑，如图4.1所示。 4.1.2切屑的流向与卷曲 1．切屑的流向如图4.2所示，在直角自由切削时，切屑沿正交平面方向流出。在直角非自由切削时，切屑流出方向与主剖面形成一个出屑角?c；斜角切削时，出屑角?c近似等于刃倾角?s。如图4.3所示为刃倾角?s对切屑流向影响的示意图。当?s为正值，切削开始时刀尖与工件先接触，切屑流向待加工表面，对半精加工、精加工有利；当?s为负值，切削开始时刀尖后接触工件，切屑流向已加工表面，容易划伤已加工表面，在粗加工，尤其是在断续切削时，可避免刀尖受冲击，起到保护刀尖的作用。 2．切屑的卷曲在切削加工中，工件上的切削层在刀具推挤作用下，产生沿剪切面的滑移变形后，形成切屑沿刀具前面流出。沿前刀面流出的切屑，继续进行剪切滑移变形，其底层的金属变形最严重，使切屑底层的长度比上层长，于是，切屑在流动时长边向短边卷曲，使切屑产生弯曲，最后从C 点离开前面，如图4.4所示。在形成切屑的过程中，切削层金属经过严重的塑性变形后，其塑性降低、硬度提高、脆性增大，从而为切屑的折断提供了有利的条件。可采取在刀具前刀面上磨制出断屑槽或装置断屑挡板，使切屑在基本变形的基础上，流经前刀面时产生附加的弯曲变形，以达到折断切屑的目的。 4.1.3断屑的原因和屑形 1．断屑的原因（1）切屑在流出过程中遇到障碍物受到弯曲力矩而折断。如图4.5所示，如图4.6所示为切屑在卷曲运动过程中与工件的待加工表面相碰，受到反力F形成的弯曲应力作用，切屑折断成C形切屑。如图4.7所示为切屑与工件的过渡表面相碰后形成圆卷形切屑。（2）切屑在流动过程中靠自身重量甩断。若切屑在从前刀面流出过程中未与刀具或工件相碰，则有可能形成长的 2．切屑的屑形根据GB/T的规定，切屑的形状与名称分为8类，如表4.1所示。理想切屑形状的标准：不影响操作者的安全；不损伤已加工表面、刀具和机床；不妨碍正常工作；易于清理和运输。因此，表4.1所示中比较理想的切屑形状是短管状切屑、平盘旋状切屑、锥盘旋状切屑、短环形螺旋切屑和短锥形螺旋切屑，以及带防护罩的数控机床和自动机床上得到的单元切屑和针形切屑。其中最安全、散热效果较好的切屑形状是短屑中的C形、6字形切屑，以及100mm左右长度的螺旋切屑。 4.1.4控制切屑的方法 1．磨制断屑槽对于硬质合金车刀，可在前面上磨制出断屑槽和选择合理的断屑槽的斜角，是控制切屑折断及流向的措施。（1）断屑槽的形式。如图4.10所示。 ①折线形断屑槽。折线形断屑槽的前面为直线形，反屑面也为直线形，用小圆弧连接，如图4.10（a）所示。 ②直线圆弧形断屑槽。直线圆弧形断屑槽的前面为直线形，反屑面是一段圆弧形，如图4.10（b）所示。 ③全圆弧形断屑槽。全圆弧形断屑槽的前面和反屑面是由同一半径的圆弧面组成，如图4.10（c）所示。 择较大的断屑槽宽度。 ②反屑角?Bn的选择。反屑角增大，切屑容易折断，但?Bn太大，切屑容易堵塞，使切削力增大和切削温度升高。通常?Bn按槽形选择。 ③卷屑槽斜角?Bn。常见的有外斜式、平行式和内斜式3种，如图4.11所示。如图4.11（a）所示，外斜式的主要特点是卷屑槽的宽度外宽内窄，深度外深内浅。因此槽A点处的切削速度高，槽宽窄，切削时，切屑顺前刀面流出先碰反屑面，并以较小的弯曲半径卷曲：B点处的切削速度低，槽宽深， 切屑后碰反屑面，并以较大的弯曲半径卷曲。当槽底制有 ??s角时，力F使得切屑流向工件表面，与工件表面相碰后形成C形切屑。如图4.11（b）所示，平行式的特点是卷屑槽的宽度、深度前后均相等，其断屑效果与外斜式相近。如图4.11（c）所示，内斜式的主要特点是卷屑槽的宽度外窄内宽，深度外浅内深。因此槽B点处的切屑先碰反屑面，并以较小的卷曲半径卷曲，当槽底制有+?s角时，力F使得切屑往往成螺旋形背离工件流出，卷曲到一定长度后靠自身重量甩断形成螺旋形切屑。内斜式一般用于半精车或精车的场合。 ?r=60&～90&；刃倾角?s可控制切屑的流向，使切屑碰到加工表面或刀具后刀面上造成断屑。 4．附加断屑装置在刀具前面固定附加断屑挡块，使切屑碰撞挡块折断 5．间断进给断屑在加工塑性高的材料或在自动线上加工时，可采用振动切削装置，实现间断切削，达到断屑目的。 4.2金属材料切削加工性的改善 4.2.1衡量金属材料切削加工性的指标 衡量切削加工性的指标可用刀具耐用度、保证刀具耐用度允许的切削速度、切削力、已加工表面的表面质量、断屑难易程度等来表示。 1．切削速度指标vT vT的含义是指当刀具耐用度为T时，切削某种材料所允许的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。通常取T=60min，则vT可写作v60；对于一些难加工材料，可取T=30min或15min，则vT可写作v30或v15。 2．相对加工性指标Kr 相对加工性指标Kr是指以强度?b=0.637GPa的45钢的 v60作为基准，写作（v60）j，其他被切削的工件材料的 v60与之相比的数值。某种材料的相对加工性指标Kr乘以在T=60min时的45钢的切削速度(v60)j，即可得出切削该种材料的可用切削速度。Kr越高，允许的切削速度越高，可切削性越好。常用材料的相对加工性Kr分为8级，如表4.2所示。当 Kr＞1时，该材料比45钢容易切削，切削加工性好；当Kr ＜1时，该材料比45钢难切削，切削加工性差。 4.2.2影响金属材料切削加工性的因素 1．材料的硬度和强度工件材料硬度、高温硬度越高，加工性越差。 2．材料的塑性和韧性工件材料塑性、韧性越高，加工性越差。 3．材料的导热性工件材料的导热系数越低，切削加工性越差。 4．材料金相组织的影响金属材料经过淬火等热处理后，切削加工性差。 5．材料的化学成分如材料含碳、锰、硅、铬、钼的分量多，则会使材料的硬度提高，切削加工性变差。 4.2.3改善金属材料切削加工性的措施 1．对材料进行适当的热处理通过热处理改变材料的组织和力学性能，从而改善切削加工性。 2．调整金属材料的化学成分例如在钢中加入适量的硫、铝等元素，使之变成力学性能不降低的易切钢，可以减少切削力，提高刀具耐用度，断屑容易，并可获得较好的表面加工质量。 3．采用新的切削加工技术加热切削、低温切削、振动切削、在真空中切削、绝缘切削等，都可以有效地解决难加工材料的切削问题。 4.3切削液的合理选用 4.3.1切削液的作用 1．冷却作用 2．润滑作用 3．排屑和清洗作用 4．防锈作用 4.3.2切削液的种类 1．水溶液水溶液是指以水为主要成分的切削液，冷却性能最好，但其润滑性能差，又易使金属材料生锈。所以在实际使用中常加入一定的添加剂。 2．乳化液乳化液是指用乳化油加95%～98%的水稀释而成的一种切削液，乳化油由矿物油、乳化剂配制而成。具有良好的冷却性能。但因含水量较大，润滑、防锈性能较差，故应加入一定量的油性、极压和防锈添加剂，以提高其润滑和防锈性能。 3．切削油切削油的主要成分是矿物油。在低速切削有色金属及磨削中，加入油性添加剂；在重切削及难加工材料的切削加工中，加入极压添加剂。 4.3.3切削液的选用 1．粗加工时切削液的选择粗加工时，应选用以冷却为主的切削液。高速钢刀具必须使用切削液；硬质合金刀具的耐热性好，热裂较敏感，一般不用切削液，若要使用切削液，可用低浓度的乳化液或水溶液；陶瓷刀具因热裂很敏感，不用切削液。 2．精加工时切削液的选择精加工时，使用切削液的主要目的是减小工件表面粗糙度和提高加工精度，降低刀具磨损。如高速钢刀具在中、低速切削时，应选用极压切削油或高浓度的极压乳化 4.4提高已加工表面质量的措施 4.4.1已加工表面质量概述 1．已加工表面质量的含义（1）表面层的几何形状特征。 ①表面粗糙度是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，即加工表面的微观几何形状误差 ②表面波度是介于微观表面粗糙度和宏观形状误差之间的一种周期性形状误差。 ③表面加工纹理是指表面切削加工刀纹的形状和方向。 ④伤痕是指在加工表面个别位置上出现的缺陷。 （2）表面层的物理力学性能。 ①表面层加工硬化是指工件经加工后，其表层的显微硬度高于母体。 ②表面层金相组织变化是指切削加工中的高温使工件的金属表层的金相组织与基体不同。 ③表面层残余应力是指机械加工后，工件表层残留的压应力或拉应力。 2．表面质量对零件使用性能的影响（1）对零件耐磨性的影响。零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关。在这些条件已 确定的情况下，零件的表面质量就起决定性的作用。（2）对零件疲劳强度的影响。在周期性的交变载荷作用下，零件表面微观不平的凹谷、划痕、裂纹等缺陷，都会产生应力集中现象。（3）对零件抗腐蚀性能的影响。零件表面粗糙度值越大，潮湿空气和腐蚀介质越容易堆积在零件表面四处而发生化学腐蚀，或在凸峰间产生电化学作用而引起电化学腐蚀，故抗腐蚀性能越差。（4）对零件配合精度的影响。表面粗糙度将影响零件的实际配合性质和配合精度。 4.4.2影响已加工表面粗糙度值的工艺因素及改善措施 1．影响已加工表面粗糙度值的因素（1）几何因素。（2）物理因素。（3）机械加工振动。 2．减小表面粗糙度值的工艺措施（1）合理选择切削用量 ①切削速度vc。在切削塑性材料时，应采用高速切削。 ②进给量f。减小f可以显著减小残留面积的高度，从而使表面粗糙度值明显减小。但f不能太小。（2）合理选择刀具几何参数和刀具材料 ①增大前角?0，刀具易于切入工件；增大刃倾角?s，可使刀具的实际前角增大。这些都可以使表面粗糙度值变小。 ②减小刀具的主偏角?r、副偏角??r和增大刀尖圆弧半径 ??，都可使残留面积减小，从而减小表面粗糙度值。 ③不同的刀具材料，由于化学成分不同，其与被加工材料金属分子的亲和程度就不同。 ④刀具仔细刃磨后，可使表面粗糙度值变小。（3）改善工件材料的性能。对工件材料进行适当的调质或正火热处理，从而减小表面粗糙度值。（4）合理选择切削液。选择合适的切削液，可减小表面粗糙度值。 4.4.3影响表面层物理力学性能的工艺因素及改善措施 1．表面层加工硬化加工硬化是指已加工表面经过切削加工后，其表层金属硬度高于里层金属硬度的现象。其硬化层的硬度比工件硬度高1.4～2.2倍，硬化层的深度可达几十至几百微米。影响加工硬化的主要工艺因素有如下几种。（1）刀具几何参数。（2）切削用量。 ①切削速度。切削速度增大，硬化程度和硬化层深度减小 ②进给量。随着进给量的增大，硬化程度和硬化层深度也增加。但进给量太小时，也会使加工硬化程度增加。 （3）工件材料。材料塑性越大，硬化程度和硬化层深度也越严重。 2．表面层金相组织变化如果在加工中工件表层温度超过金相组织的转变温度，则工件表层将产生组织转变，表层金属的比容将随之发生变化，而表层金属的这种比容变化必然会受到与之相连的基体金属的阻碍，从而在表层、里层产生互相平衡的残余应力。 3．表面层残余应力残余应力是指在切削力消失的状态下，在材料内部保持平衡而存在的应力，分为残余压应力和残余拉应力。 引起产生表面层残余应力的主要原因如下。（1）冷态塑性变形引起的残余应力。（2）热态塑性变形引起的残余应力。（3）金相组织变化引起的残余应力。 4．改善零件表面层物理力学性能的加工方法（1）喷丸强化是一种用压缩空气或离心力将大量直径细小的丸粒（钢丸、玻璃丸）以35～50m/s的速度向零件表面喷射的方法。（2）滚压加工是指用工具钢淬硬制成的滚轮或滚珠，对工件表面进行滚压，使表层材料产生塑性流动，将工件表面原有的凸蜂填充到相邻的凹谷中，形成新的光洁表面 4.5刀具几何参数的合理选择 4.5.1前角的选择 1．前角的功用增大前角能减小切削变形和摩擦，从而降低切削力和切削温度，减少刀具磨损，还能抑制积屑瘤和鳞刺的产生，提高加工质量。 2．前角选择原则在保证加工质量和刀具强度的前提下，尽量选用大的前角。（1）根据工件材料选取。（2）根据刀具材料选取。 3．前刀面的选择如图4.12所示为刀具前面的几种形式。（1）正前角平面形。如图4.12（a）所示，一般用于精加工刀具、成形刀具和加工脆性材料刀具。（2）正前角曲面带倒棱形。如图4.12（b）所示，一般用于粗加工或精加工塑性材料的刀具上。（3）负前角单面形。如图4.12（c）所示，当磨损主要发生在后刀面上时，常制成负前角单面形。（4）负前角双面形。如图4.12（d）所示，当磨损同时发生在前、后刀面上时，制成负前角双面形。 4.5.2后角的选择 1．后角的功用后角的主要作用是减小后刀面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦，影响楔角的大小，配合前角调整切削刃的锋利程度和强度。 2．后角的选择在粗加工时以确保刀具强度为主；在精加工时以保证加工表面质量为主。（1）根据加工条件选取。（2）根据工件材料选取。（3）综合考虑前角选取。 4.5.3主偏角的选择 1．主偏角的功用当主偏角增大时，会使背向力减小，提高了零件加工质量和刀具寿命；当主偏角减小时，改善散热条件，同时作用在主切削刃单位长度上的负荷减轻，刀尖角增大，提高了刀尖强度，也有利于提高刀具寿命；此外，主偏角还影响断屑效果和排屑方向，以及残留面积高度等。 2．主偏角的选择原则（1）根据工艺系统刚性选取。（2）根据工件材料选取。（3）根据加工条件选取。 4.5.4副偏角的选择 1．副偏角的功用副偏角主要用来减小副切削刃及副后刀面与已加工表面之间的摩擦。减小副偏角，可降低表面粗糙度值，同时增大刀尖角，提高刀尖强度和散热能力，延长刀具寿命。但副偏角过小时，会因增大摩擦和背向力，而引起振动。 2．副偏角的选择原则（1）根据工件材料选取。（2）根据加工条件选取。（3）根据工艺系统刚性选取。 4.5.5刃倾角的选择 1．刃倾角的功用（1）影响切屑的流向。如图4.13所示。（2）影响刀尖强度和抗冲击能力。在断续切削时，若?s 为负值，保护刀尖免受冲击，并增强了刀尖强度，如图 4.14（a）所示；若?s为正值，可能产生崩刃或打刀现象，如图4.14（b）所示。（3）影响切入切出时的平稳性。 2．刃倾角的选择原则粗加工时，一般取?5&～0&；精加工时，一般取 0&～+5&；断续切削时，一般取?15&～?10&；在精镗孔、精刨平面时，一般取30&～75&。 4.6切削用量的合理选择 4.6.1切削用量选择的基本原则 1．生产效率当ap、f、vc增大时，能减小切削时间。但一般应优先增大ap，以求一次进刀全部切除加工余量，提高效率 2．机床功率当ap、vc增大时，都使切削功率成正比增加。但ap 使切削力增加得多，而增大f却使切削力增加得较少、消耗功率也较少。所以，在粗加工时，应尽量增大f。 3．刀具耐用度对刀具耐用度影响最大的是vc，其次是f，影响最小 的是ap，所以应优先增大ap。 4．表面粗糙度提高ap和f，切削力会变大；增大f，会降低加工表面质量；提高vc，不会增大切削力，还会抑制积屑瘤、加工硬化等现象的产生，有利于加工表面质量的提高。粗加工时切削用量选择的原则是：首先选择一个尽量大的ap，其次选择一个较大的f，最后根据已确定的ap 和f，并在刀具耐用度和机床功率允许条件下，选择一个合理的vc；精加工时切削用量选择的原则是：采用较小的ap和f，在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，尽可能采用大的vc。 4.6.2切削用量的选择方法 1．背吃刀量ap的选择（1）粗加工时，除留给下道工序的余量外，应尽可能将其余的粗加工余量一次切除，以使走刀次数最少。在中等功率机床上，背吃刀量ap可达8～10mm。为了避免振动才分几次走刀分切。通常使：第1次走刀的背吃刀量ap1为ap1=（2/3～3/4）Z 第2次走刀的背吃刀量ap2为ap2=（1/4～1/3）Z （2）半精加工的余量较少。因此，半精加工时，通常取 ap=0.5～２，精加工时，通常取ap=0.1～0.4。但当使用硬质合金刀具时，背吃刀量不宜过小，一般大于0.5mm。 2．进给量f的选择（1）粗加工时对加工表面粗糙度的要求不高。当ap确定以后，f大小的选择，主要考虑切削力大小对工艺系统和加工精度的影响，所以在不损坏刀具的刀片和刀杆，不超出机床进给机构强度，不顶弯工件和不产生振动等条件下，应选取一个最大的进给量f值，如表4.5所示。（2）精加工时背吃刀量ap小，产生的切削力不大，因此，f的大小主要受表面粗糙度的限制。在预定vc、刀尖圆弧半径的情况下，按照图表要求的表面粗糙度值的大小，选择f，然后对照机床说明书上的进给量，选取相等的或低档相近的进给量值，如表4.6所示。 3．切削速度vc的选择在ap，f确定以后，根据规定达到的合理刀具耐用度值，可以由式（4-3）计算或查有关手册来确定vc。 4．机床功率校验切削加工时，选定了ap、f和vc后，尚需校验机床功率是否足够。切削功率Pc可按下式计算： 机床有效功率可按下式计算： 如果Pc＜，则所选切削用量可在指定机床上使用；如果Pc????，则机床功率未充分发挥，这时可规定较小的刀具耐用度或采用切削性能更好的刀具材料，以提高切削速度使切削功率增大；如果Pc＞，则所选切削用量不能在指定的机床上使用，此时应更换功率较大的机床，或者根据所限制的机床功率降低切削用量，这时机床功率虽然得到充分利用，但刀具材料的切削性能未能充分发挥。
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