機械制造技術 吉衛(wèi)喜 編 第二章 金屬切削基本理論2

第三節(jié)影響金屬切削加工的主要要素工件材料的可切削加工性是指對某種材料進行切削加工的難易程度。1、工件材料切削加工性的評定指標1)粗加工時以刀具壽命T或材料切除率Qz＝1000Vcfαp衡量；2)精加工時以加工外表粗糙度衡量；3)自動機床、自動化生產(chǎn)線上以斷屑性能衡量，如深孔鉆削,盲孔鏜削等;4)在機床動力缺乏或機床、夾具、刀具、工件組成的工藝系統(tǒng)剛性缺乏時以單位切削力大小來衡量，5)以工件材料的物理力學性能指標(硬度HBS、抗拉強度σb、伸長率δ、沖擊吸收功AK、熱導率λ來衡量〕。一、工件材料的可切削加工性一般用相對加工性Kv來衡量工件材料的可切削加工性。通常以〔抗拉強度〕σb=0.637GPa的45鋼的υ60〔刀具壽命為60min時所允許的切削速度，用υ60表示〕為基準，寫作(υ60)j。將其它工件材料的υ60與之相比，其比值即為相對加工性Kv，即Kv=υ60/(υ60)j當Kv＞1時，該材料比45鋼容易切削，例如有色金屬Kv＞3；當Kv＜1時，該材料比45鋼難切削，例如高錳鋼、鈦合金Kv≤0.5，均屬難加工材料。2、改善工件材料切削加工性的途徑

要改善工件材料的切削加工性，可通過熱處理方法，改變材料的金相組織和物理力學性能，也可通過調(diào)整材料的化學成分等途徑。生產(chǎn)實際中，熱處理是常用的處理方法。途徑：高速鋼、工具鋼的硬度偏高，且有較多的網(wǎng)狀、片狀的滲碳體組織，加工性差。經(jīng)過球化退火即可降低硬度，并得到球狀滲碳體；熱軋中碳鋼的組織不均勻，經(jīng)正火可使其組織與硬度均勻；低碳鋼的塑性太高，可通過正火適當降低塑性，提高硬度；馬氏體不銹鋼常要進行調(diào)質(zhì)處理降低塑性；鑄鐵一般在切削加工前均要進行退火處理，降低表層硬度。在鋼中適當添加一些元素，如硫、磷、鉛、鈣等，可使鋼的切削加工性得到顯著改善，這樣的鋼叫易切鋼。二、刀具材料1在加工難加工材料時，首先應考慮選用的刀具材料承受切削力高、耐熱性好、刀具壽命長；其次應考慮刀具材料的抗彎強度好、熱導率大；還要考慮刀具材料的工藝性能好、本錢合理。2刀具材料不同，刀具壽命就不同，所允許的切削速度也就不同。圖2-26描述了用不同刀具材料切削同一種工件材料(鎳鉻鉬合金鋼)的刀具壽命曲線。

3切削難加工材料時，為保證刀具壽命，不得不降低切削速度。4刀具材料不同，刀具與工件之間的摩擦系數(shù)不同，從而對切削力的大小產(chǎn)生影響。綜上所述，刀具材料應根據(jù)被加工材料、金屬切削加工性，提高金屬切削效率。三、刀具幾何參數(shù)1.前角γO

（1）作用γO

刀刃鋒利，切屑變形切削力和切削功率刀刃和刀尖強度，散熱體積刀具壽命γo1Prγo2（2）選擇前角大小取決于：工件材料、刀具材料及加工要求。工件材料強度、硬度較低時，應取較大前角，反之應取較小的前角。加工塑性材料時，應取較大前角，加工脆性材料時，應取較小的前角。刀具材料韌性好〔高速鋼〕，取較大前角，反之〔硬質(zhì)合金〕取較小前角。粗加工時，取較小前角，精加工時，取較大前角。2.后角αo

（1）作用（2）選擇α0↑→鋒利、F↓→外表質(zhì)量、加工精度↑刀頭強度↓散熱體積↓

①粗加工、斷續(xù)切削、工材強度硬度高，選較小后角。②精加工取較大后角，保證外表質(zhì)量；③成形、復雜、尺寸刀具取小后角；④系統(tǒng)剛性差，易振動，取較小后角；⑤工材塑性大取較大后角，脆材↓α03.主偏角κr

和副偏角κr′

（1）作用κr和κr′

刀刃強度外表粗糙度背向力Fp殘留面積高度，散熱條件刀具壽命，進給力Ff（2）選擇1主要看系統(tǒng)剛性。假設剛性好，不易變形和振動，κr取較小值；假設剛性差〔細長軸〕，κr取較大值〔90°〕；2粗加工，κr取大些，減振。精加工小些，提高外表粗糙度。3副偏角大小取決于外表粗糙度〔5°?15°)，粗加工時取大值，精加工取小值0°。4.刃傾角λs

（1）作用（2）選擇加工一般鋼料和鑄鐵，無沖擊時：粗車λs

＝0°?－5°，精車λs

＝0°?+5°；有沖擊時：λs

＝－5°?－15°；特別大時：λs

＝－30°?－45°。切削加工高強度鋼、冷硬鋼時：

λs

＝－20°?－30°。①影響刀刃鋒利性.λs↑→↑鋒利性②負刃傾角→刀頭強度↑散熱體積↑③負刃傾角→Fp↑→變形↑，易振動→Ra↑④正λs切屑流向待加工外表，負λs切屑流向已加工外表1、強度和韌性大的刀具材料選擇大的還是小的前角，而脆性大的刀具又如何選擇？2、加工塑性材料時，一般選擇大的還是小的前角。3、加工脆性材料時，刀具前角相對塑性材料如何選擇？4、粗加工和精加工時刀具的前角有何區(qū)別？問題？強度和韌性大的刀具材料可以選擇大的前角，而脆性大的刀具甚至取負的前角。加工鋼件等塑性材料時，一般采用選擇大的前角。加工脆性材料時，因此刀具前角相對塑性材料取得小些或取負值，以提高刀刃的強度。粗加工時，一般取較小的前角；精加工時，宜取較大的前角，以減小工件變形與外表粗糙度；解答四切削用量1、合理的切削用量及其選擇(1)合理切削用量是指使刀具的切削性能和機床的動力性能得到充分發(fā)揮，并在保證加工質(zhì)量的前提下，獲得高生產(chǎn)率和低加工本錢的切削用量。1)切削加工生產(chǎn)率在切削加工中，材料切除率與切削用量三要素vc、f、αp均保持線性關系，其中任一參數(shù)增大，都可使生產(chǎn)率提高。2)刀具壽命

切削用量三要素對刀具壽命影響的大小，按順序為vc、f、αp。因此，從保證合理的刀具壽命出發(fā)，在確定切削用量時，應先采用盡可能大的背吃刀量；然后再選用大的進給量，最后按確定的刀具壽命按式(2-22)求出切削速度(也可查閱切削用量手冊)3)加工外表粗糙度精加工時，增大進給量將增大加工外表粗糙度值。因此，它是精加工時抑制生產(chǎn)率提高的主要因素。(2)選擇切削用量時考慮的因素(3)切削用量制定的步驟

(1〕根據(jù)加工余量確定

粗加工時，除留下精加工的余量外，應盡可能一次走刀切除全部粗加工的余量，這樣不僅能在保證一定刀具使用壽命的前提下使ap、f、vc的乘積大，而且可以減少走刀次數(shù)。

〔2〕中等功率機床情況

1〕粗車時背吃刀量最大可達8～10mm。2〕半精車〔外表粗糙度值一般是Ra10～5mm〕時，背吃刀量可取為0.5～2mm。3〕精車〔外表粗糙度值一般是Ra2.5～1.25mm〕時，背吃刀量可取為0.1～0.4mm。

〔3〕加工余量過大或工藝系統(tǒng)剛度缺乏等情況

在此情況下，可分幾次走刀完成。如分兩次走刀將第一次走刀的背吃刀量取大些，可占全部余量的2/3-3/4，而使第二次走刀的切削深度小些，以使精加工工序獲得較小的外表粗糙度及較高的加工精度。

〔4〕切削特殊材料情況

切削零件表層有硬皮的鑄、鍛件或不銹鋼等冷硬較嚴重的材料時，應使背吃刀量超過硬皮或冷硬層，以防止使切削刃在硬皮或冷硬層上切削。1)被吃刀量的選定

〔1〕一般原那么

背吃刀量選定以后，應進一步盡量選擇較大的進給量f，其合理數(shù)值應當保證機床、刀具不致因切削力太大而損壞；切削力所造成的工件繞度不致超出工件精度允許的數(shù)值；外表粗糙度不致太大。

〔2〕粗加工情況

根據(jù)經(jīng)驗主要考慮工藝系統(tǒng)剛度、切削力大小和刀具的尺寸等，但還需進行一些驗算。表2-4

〔3〕半精加工和精加工情況

應按粗糙度要求，根據(jù)工件材料、刀尖圓弧半徑、刀具副偏角、切削速度等選擇進給量。表2-52)進給量的選定3)切削速度的選擇根據(jù)已選定的背吃刀量ap，進給量f和刀具壽命T，按下述公式計算切削速度vc。

(2-24)式中CV、xv、yv、及m的值見表2-6，加工其它材料和用其它切削加工方法加工時的系數(shù)及指數(shù)可由切削用量手冊查出。式中Kv為切削速度的修正系數(shù)，是工件材料、毛坯外表狀態(tài)、刀具材料、加工方式、主偏角、副偏角、刀尖圓弧半徑、刀桿尺寸等對切削速度影響的修正系數(shù)的乘積，其值可由切削用量手冊查出。

生產(chǎn)中選擇切削速度的一般原那么是：1〕粗車時，ap和f均較大，應選擇較低的切削速度v；精車時，ap和f均較小，應選擇較高的切削速度v。2〕工件材料強度、硬度高時，應選較低的切削速度v；反之，選較高的切削速度v。3〕刀具材料性能越好，切削速度v選得越高。4〕精加工時應盡量防止積屑瘤和鱗刺產(chǎn)生的區(qū)域；5〕斷續(xù)切削時為減小沖擊和熱應力，宜適當降低v；6〕在易發(fā)生振動的情況下，v應避開自激振動的臨界速度；7〕加工大件、細長件和薄壁件或加工帶外皮的工件時，應適當較低v。切削用量三要素選定之后，還應校核機床功率。選擇切削速度考慮幾點：在ap、f值選定后，根據(jù)合理的刀具耐用度計算或用查表來選定車削速度。粗車時，ap和f較大，v較低；精車時，ap和f較小，v較高。工件材料強度、硬度高時，應選較低的v；加工奧氏體不銹鋼、鈦合金和高溫合金等難加工材料時，只能取較低的v。幾點：斷續(xù)切削時，為減少沖擊和熱應力，宜適當降低v。在易發(fā)生振動時，切削速度應避開自激振動的臨界速度。加工大件、細長件和薄壁工件或加工帶外皮的工件時，適當降低v精加工時，應盡量避開積屑瘤和鱗刺產(chǎn)生的區(qū)域。校驗機床功率后，超載可以降低切削速度采用切削性能更好的新型刀具材料；改善工件材料的切削加工性；改進刀具結(jié)構(gòu)和選配合理刀具幾何參數(shù)提高刀具的制造和刃磨質(zhì)量；采用新型的、性能好的切削液和高效的冷卻方法。2、提高切削用量的途徑五切削液1、切削液的作用

切削液的冷卻作用主要靠熱傳導帶走大量的切削熱，從而降低切削溫度，提高刀具壽命；減少工件、刀具的熱變形，提高加工精度；降低斷續(xù)切削時的熱應力，防止刀具熱裂破損等。(1)冷卻作用(2)潤滑作用使用切削液后，切屑、工件與刀面之間形成完全的潤滑油膜，成為流體潤滑摩擦，此時摩擦系數(shù)很小。第三節(jié)影響金屬切削加工的主要要素(4)防銹作用〔3〕清洗和排屑作用切削液能對粘附在工件、刀具和機床外表的切屑和磨粒起清洗作用，在精密加工、磨削加工和自動線加工中，切削液的清洗作用尤為重要。深孔加工那么完全是利用高壓切削液排屑。切削液中加人防銹添加劑，使與金屑外表起化學反響生成保膜，起到防銹、防蝕作用。2.切削液的分類乳化液是用乳化油加水稀釋攪拌后形成的乳白色液體。乳化油：由礦物油，乳化劑及添加劑配制而成。乳化液具有良好的冷卻作用，常用于粗加工和普通磨削加工中：高濃度乳化液起潤滑作用為主，常用于精加工和用復雜刀具的加工中。（2）乳化液水溶液的主要成份是水，冷卻性能好，但潤滑性差，易銹蝕金屬。必須參加一定的添加劑(硝酸鈉、碳酸鈉、聚二乙酸)，使其具有良好的防銹性能和潤滑性能。（1）水溶液切削油的主要成分是礦物油，少數(shù)采用動植物油或復合油。純礦物油不能在摩擦界面上形成鞏固的潤滑膜，潤滑效果一般。常參加添加劑硫、氯、磷等)和防銹添加劑，以提高其潤滑性能和防銹性能。（3）切削油切削液的分類

水溶液水＋添加劑冷卻粗加工乳化液乳化油＋水切削油礦物油＋添加劑潤滑精加工切削液的作用冷卻

↓摩擦↓熱的產(chǎn)生；將熱量帶走。等。②潤滑切削液的滲透性、形成潤滑膜能力、潤滑膜強度③排屑、清洗④防銹防銹添加劑3.切削液的選擇和使用按工件材料選用加工鋼等塑性材料時，需要切削液；加工鑄鐵等脆性材料時，不用切削液。按刀具材料選用高速鋼刀具耐熱性差，粗加工時應選用以冷卻作用為主的切削液，以降低切削溫度；在精加工時應使用潤滑性能好的極壓切削油或高濃度的極壓乳化液，以提高加工外表質(zhì)量。硬質(zhì)合金刀具由于耐熱性好，一般不用切削液；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)進行冷卻、潤滑和對切屑沖洗。磨削加工時，由于磨削區(qū)溫度很高，磨屑會破壞已磨削外表質(zhì)量,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。第四節(jié)磨削磨削是一種精加工方法。尺寸精度可達IT4～IT6。外表粗糙度能到達1.25～0.01μm.一、砂輪特性及其選擇1.砂輪主要起切削作用主要起粘接作用主要起容屑和冷卻作用2.砂輪的特性1〕砂輪的磨料磨料氧化物碳化物超硬磨料棕剛玉白剛玉絡剛玉黑色碳化硅綠色碳化硅碳化硼人造金剛石立方氮化硼磨削碳鋼、合金鋼、通用高速鋼磨削硬鑄鐵、硬質(zhì)合金、非鐵金屬磨削硬脆材料、硬質(zhì)合金、寶石、高溫合金取決于工件材料的硬度2.砂輪的特性2〕砂輪硬度由結(jié)合劑的強度和數(shù)量決定工件材料軟——硬砂輪工件材料硬——軟砂輪選擇原則：2.砂輪的特性3〕磨料粒度取決于加工表面的粗糙度磨粒微粉<63μm磨料2.砂輪的特性3〕砂輪粒度取決于加工表面的粗糙度的要求選擇原則：加工表面粗糙度值越大→選用越粗的磨料加工表面粗糙度值越小→選用越細的磨料2.砂輪的特性4〕砂輪的結(jié)合劑結(jié)合劑陶瓷結(jié)合劑樹脂結(jié)合劑橡膠結(jié)合劑取決于磨削速度價格便宜，耐酸、耐堿，用的最多，使用90%以上VC>35m/s一磨削的特點磨削加工是用高速回轉(zhuǎn)的砂輪或其它磨具以給定的背吃刀量〔或稱切削深度〕，對工件進行加工的方法。根據(jù)工件被加工外表的形狀和砂輪與工件之間的相對運動，磨削分為外圓磨削、內(nèi)圓磨削、平面磨削和無心磨削等幾種主要加工類型。此外，還有對凸輪、螺紋、齒輪等零件進行磨削加工的專用磨床。1.能獲得很高的加工精度和低的外表粗糙度〔1〕徑向進給小:磨粒上鋒利的切削刃，能夠切下一層很薄的金屬，切削厚度可以小到數(shù)微米；〔2〕每齒切削量少:磨削的切削速度高，因此，磨削時有很多切削刃同時參與切削，每個磨刃只切下極細薄的金屬，殘留面積的高度小，有利于形成光潔的外表；2.磨削除可以加工鑄鐵、碳鋼、合金鋼等一般結(jié)構(gòu)材料外，還能加工一般刀具難以切削的高硬度材料。3.磨削溫度高擠壓摩擦嚴重，單位能耗大，砂輪導熱性差,瞬時高溫可達800～1000℃，要用切削液。4、磨削力1.來源一是磨削過程中工件材料發(fā)