《金屬切削與機(jī)床》課件第4章

第4章提高金屬切削效益的途徑4.1工件材料的切削加工性

4.2刀具幾何參數(shù)的選擇

4.3切削用量的選擇

4.4合理選擇切削液

4.1工件材料的切削加工性

4.1.1切削加工性指標(biāo)

1.相對(duì)加工性指標(biāo)

某種材料切削加工性的好壞是相對(duì)另一種材料而言的。在討論鋼材的切削加工性時(shí),一般以45鋼為基準(zhǔn),與其他材料相比較,用相對(duì)加工性指標(biāo)Kr表示:

式中:v60———某種材料在刀具耐用度為60min時(shí)的切削速度;

vB60———切削45鋼(σb=0.735GPa),耐用度為60min時(shí)的切削速度。

當(dāng)Kr>1時(shí),表明該材料比45鋼容易切削,當(dāng)Kr<1表明該材料比45鋼難加工。

2.刀具壽命指標(biāo)

刀具壽命指標(biāo)是指用刀具壽命的高低來(lái)衡量被加工材料切削加工難易程度。

在切削普通金屬材料時(shí),取刀具壽命為60min時(shí)允許的切削速度v60的高低;切削難加工材料時(shí),用v20的高低來(lái)評(píng)定相應(yīng)材料切削加工性的好壞。在相同條件下,v60或v20的值越高,則表示材料的加工性越好。

根據(jù)不同的加工條件與要求,還可用切削力、表面粗糙度、斷屑的難易程度等指標(biāo)來(lái)衡量切削加工性的好壞。

4.1.2改善切削加工性的途徑

1.調(diào)整材料的化學(xué)成分

金屬材料中的含碳量、材料中加入錳、鉻、鉬、硫、磷、鉛等元素時(shí),都會(huì)不同程度地影響材料的硬度、強(qiáng)度、韌性，進(jìn)而影響材料的切削加工性。

2.適當(dāng)?shù)臒崽幚?/p>

對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)熱處理可改善其切削加工性。

3.選擇良好的材料狀態(tài)

低碳鋼塑性大,加工性不好,經(jīng)過(guò)冷拔之后,塑性降低,加工性變好;鍛件毛坯因余量不均勻,且會(huì)有硬皮,若改熱軋鋼,則加工性可得以改善。

4.2刀具幾何參數(shù)的選擇

4.2.1前角和前刀面的選擇

1.前角的功用

刀具前角的主要功用是在滿足切削刃強(qiáng)度的前提下,使切削刃鋒利。

2.前角的選擇

前角的選擇原則是:在保證刀具壽命的提前下,應(yīng)選取較大的前角。具體考慮因素:

(1)工件材料的性質(zhì)。

工件材料的強(qiáng)度、硬度低,塑性大,前角取大值;材料強(qiáng)度、硬度高,前角取較小值。

(2)刀具材料。

刀具材料強(qiáng)度、韌性高,前角可取大值,反之則取小值,如高速鋼刀具一般取較大的前角,而硬質(zhì)合金刀具的前角一般取小值。

(3)加工形式。

粗加工時(shí)前角應(yīng)取較小值,精加工時(shí)前角應(yīng)取較大值。圖41前刀面形式(a)正前角平面型;(b)正前角平面帶倒棱型;(c)正前角曲面帶倒棱型;(d)負(fù)前角單面型;(e)負(fù)前角雙面型(1)圖4-1(a)所示為正前角平面型,制造簡(jiǎn)單,能獲得較鋒利的刃口,但切削刃強(qiáng)度較低,傳熱能力較差。

(2)圖4-1(b)所示為正前角平面帶倒棱型,提高了切削刃口的強(qiáng)度,增加了散熱能力,從而提高刀具耐用度。

(3)圖4-1(c)所示為正前角曲面帶倒棱型,可增大前角并起卷屑作用。

(4)圖4-1(d)所示為負(fù)前角單面型,可承受壓應(yīng)力,具有較高的切削刃強(qiáng)度,但負(fù)前角會(huì)增大切削力和功率消耗。

(5)圖4-1(e)所示為負(fù)前角雙面型,使刀片的重磨次數(shù)增加,適用于磨損同時(shí)發(fā)生在前、后刀面的場(chǎng)合。4.2.2后角和后刀面的選擇

1.后角的功用

減小與切削表面的摩擦,同時(shí)也影響刃口的鋒利和強(qiáng)度。

2.后角的選擇

選擇原則是,在不產(chǎn)生摩擦的條件下,適當(dāng)選取小的后角。

具體考慮因素:

(1)切削厚度hD。切削厚度薄,后角應(yīng)取大值;反之,取小值。

(2)刀具形式。對(duì)于定尺寸刀具(如拉刀等),為延長(zhǎng)刀具壽命,后角取小值。

3.后刀面的形式

圖42后刀面形式(a)刃帶、雙重后角;(b)消振棱(1)雙重后角能保證刃口強(qiáng)度,減少刃磨工作量,如圖4-2(a)所示。

(2)在后刀面磨出一條負(fù)后角的棱邊,可增大阻尼,起消振作用,如圖4-2(b)所示。

(3)刃帶是指在后刀面上磨出后角為零的小棱邊。對(duì)于定尺寸刀具(拉刀、鉸刀等),為了控制外徑尺寸常需磨出刃帶,可避免重磨后尺寸精度變化,但也會(huì)增大摩擦,如圖4-2(a)中的

4.2.3主偏角、副偏角及刀尖的選擇

1.主偏角的功用及選擇

1)主偏角的功用

主偏角主要影響各切削分力的比值,同時(shí)也影響切削層截面形狀及工件表面形狀。

2)主偏角的選擇

主偏角的選擇原則是,在工藝系統(tǒng)剛度允許的前提下,應(yīng)選擇較小的主偏角。

2.副偏角的功用和選擇

1)副偏角的功用

副偏角主要影響已加工表面的粗糙度,同時(shí)也影響切削分力的比值。副偏角減小,表面粗糙度值小,但會(huì)增大背向力

。

2)副偏角的選擇

副偏角主要按加工性質(zhì)選擇,一般取10°~15°,為保證切斷刀刀尖強(qiáng)度,可取1°~2°

圖4-3倒角刀尖與刀尖圓弧半徑(a)直線型;(b)圓弧型(刀尖圓弧半徑);(c)平行型(水平修光刀);(d)大圓弧型

3.刀尖形式及選擇

(1)圖4-3(a)所示為直線型倒角刀尖(稱過(guò)渡刃)。

(2)圖4-3(b)所示為圓弧刃刀尖。刀尖圓弧半徑rε

增大,平均主偏角減小,表面粗糙度值減小,刀具耐用度提高,但Fp

力增大,切削中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

(3)圖4-3(c)所示為平行刃(修光刃)。

(4)圖4-3(d)所示為大圓弧刀尖。這時(shí),平均主偏角和副偏角較小,刀具強(qiáng)度和耐用度較高,表面粗糙度值較小。

4.2.4刃傾角的功用及選擇

1.刃傾角的功用

控制切屑流向,使刀刃鋒利,同時(shí)改變切削刃的工作狀態(tài)。

(1)圖44(a)所示為,當(dāng)λs=0°時(shí),切屑近似地沿切削刃的法線方向流出;

(2)圖44(b)所示為,當(dāng)λs<0°時(shí),切屑流向已加工表面,會(huì)劃傷已加工表面;

(3)圖44(c)所示為,當(dāng)λs>0°時(shí),切屑流向改變,使前角增大,增加切削刃的鋒利程度。

圖4-4刃傾角對(duì)切屑流向的影響(a)λs=0°;(b)λs<0°;(c)λs>0

在斷續(xù)切削的條件下,斜角切削可使切削刃平穩(wěn)地切入或切出;但當(dāng)λs>0°時(shí),刀尖先接觸工件,容易崩刃;當(dāng)λs<0°時(shí),遠(yuǎn)離刀尖的切削刃先接觸工件,保護(hù)了刀尖,提高了承受沖擊的能力,如圖45所示。但負(fù)的刃傾角會(huì)使背向力Fp增大,導(dǎo)致工件變形及切削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。

2.刃傾角的選擇

刃傾角的選擇應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)條件具體分析,一般情況下可按加工性質(zhì)選取;精車λs=0°~5°;粗車λs=0°~-5°;斷續(xù)車削λs=-30°~-45°;工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí)不宜選負(fù)的刃

傾角。表4-5所列為刃傾角選用時(shí)的參考值。

圖4-5刃傾角對(duì)切削刃接觸工件的影響

表4-5刃傾角λs

數(shù)值的選用表

4.3切削用量的選擇

4.3.1合理切削用量及選擇原則

粗加工時(shí)毛坯余量大,工件幾何精度和表面粗糙度等技術(shù)要求低,應(yīng)以發(fā)揮機(jī)床和刀具的切削性能,減少機(jī)動(dòng)和輔助時(shí)間,以提高生產(chǎn)率和刀具耐用度,作為選擇切削用量的

主要依據(jù)。

精加工時(shí)加工余量不大,加工精度高,表面粗糙度值小,應(yīng)以提高加工質(zhì)量作為選擇

切削用量的主要依據(jù)。4.3.2切削用量的選擇方法

在切削用量三要素中,選擇的順序是先確定背吃刀量ap、再確定進(jìn)給量f、最后確定切削速度vc。

1.背吃刀量的選擇

選擇盡量大的背吃刀量,一次走刀中最好把本工序應(yīng)切除的加工余量切除掉。在粗加工時(shí),如果加工余量過(guò)大或工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí),也可分二次進(jìn)刀。

第一次進(jìn)刀:ap1=(2/3~3/4)A

第二次進(jìn)刀:ap2=(1/3~1/4)A

2.進(jìn)給量f的選擇

限制粗加工最大進(jìn)給量的主要因素是刀桿和刀片強(qiáng)度、進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度及工藝系統(tǒng)剛性。表4-6是硬質(zhì)合金及高速鋼車刀粗車外圓和端面時(shí)的進(jìn)給量。表4-7為硬質(zhì)合金刀片強(qiáng)度所允許的進(jìn)給量。表4-8為硬質(zhì)合金外圓車刀半精加工時(shí)的進(jìn)給量。表4-6硬質(zhì)合金及高速鋼車刀粗車外圓和端面時(shí)的進(jìn)給量

表4-7硬質(zhì)合金刀片強(qiáng)度允許的進(jìn)給量/(mm/r)

表4-8硬質(zhì)合金外圓車刀半精車時(shí)的進(jìn)給量3.切削速度vc的選擇

粗加工時(shí)限制切削速度的主要因素是刀具耐用度和機(jī)床功率。精加工時(shí)限制切削速度的主要因素是刀具耐用度。因?yàn)榫庸r(shí)切削力較小，機(jī)床功率一般都能滿足。

當(dāng)確定了背吃刀量和進(jìn)給量后，根據(jù)合理刀具耐用度T求切削速度vc時(shí)，可用下列公式:

式中:vc——切削速度(m/min)；

T——合理刀具耐用度（min）；

m——刀具耐用度指數(shù)（查表3-6）；

Cv——切削速度系數(shù)（查表4-9）；

xv、yv——分別為背吃刀量ap、進(jìn)給量f對(duì)vc的影響指數(shù)(查表4-9)；

kv——切削速度修正系數(shù),kv=kmv·ksv·ktv·kκrv（查表4－10～表4-13）。

切削速度vc求出后，可根據(jù)vc=πdwn/1000計(jì)算工件轉(zhuǎn)速n:

式中:n——工件轉(zhuǎn)速（r/mim）；

vc——切削速度（m/min）；

dw——工件待加工表面直徑（mm）。表4-9切削速度公式中的系數(shù)及指數(shù)

表4-10鋼和鑄鐵的強(qiáng)度與硬度改變時(shí)切削速度的修正系數(shù)Kmv表4-11毛坯表面狀態(tài)改變時(shí)切削速度的修正系數(shù)ksv

表4-12刀具材料改變時(shí)切削速度的修正系數(shù)ktv表4-13車刀主偏角改變時(shí)切削速度的修正系數(shù)kκrv

4.3.3切削用量的選擇舉例

例41在CA6140臥式車床精車外圓。已知工件為調(diào)質(zhì)45鋼,σb=0.735GPa,毛坯尺寸?68×350(mm),精車直徑余量為1.5mm,如圖46所示。要求加工精度達(dá)到h11級(jí),表面粗糙度為Ra3.2μm。試選擇切削用量。

圖4-6工件加工示意圖

1.選擇刀具幾何參數(shù)

1)確定粗加工刀具

選擇YT15硬質(zhì)合金焊接車刀,刀具耐用度T=60min;按表414選擇刀桿尺寸為16mm×25mm,刀片厚度6mm。根據(jù)刀具幾何參數(shù)的選擇原則,確定粗加工車刀幾何為:γo=10°,

γo1=-5°,κr=75°,κ'r=15°,λs=0°,αo=α'o=6°,rε=1.0mm。

2)確定精加工刀具

選擇YT15硬質(zhì)合金刀片,刀桿尺寸16mm×25mm,刀具耐用度T=60min。根據(jù)刀具幾何參數(shù)選擇原則,確定精加工車刀幾何角度:γo=20°,γo1=-3°、κr=60°,κ‘r=10°,

λs=+3°,αo=α’o=6°。

2.確定粗車切削用量

1)背吃刀量ap

單邊余量A=(68—61.5)/2=3.25mm,所以選取ap=3.25mm。

2)進(jìn)給量f

由表4-6查得f=0.4~0.6mm/r,根據(jù)機(jī)床說(shuō)明書f=0.51mm/r。

3)切削速度vc

由表49查得cv=242,xv=0.15,yv=0.35,m=0.20。

由式（4-4）得

由式（4-5）得

查機(jī)床說(shuō)明書得n=320r/min，求得實(shí)際切削速度:

4)校驗(yàn)機(jī)床功率由切削力計(jì)算公式及有關(guān)表格，求得主切削力Fc:計(jì)算切削功率:驗(yàn)算機(jī)床功率，CA6140車床額定功率PEe=7.5kW(取機(jī)床效率ηm=0.8),由此可知，

機(jī)床功率足夠。

3.確定精車時(shí)的切削用量1）

背吃刀量

2）進(jìn)給量按表4-8預(yù)先估計(jì)vc＞80m/min，查得f=0.3～0.35mm/r，再按說(shuō)明書選f=0.3mm/r。

3）切削速度vc

查表4-9得cv=291,xv=0.15，yv=0.2，m=0.2；kv=0.67（同粗加工）。

由式（4-4）得查機(jī)床說(shuō)明書得n=560r/min，則符合預(yù)先估計(jì)的vc＞80m/min的設(shè)定。

4.4合理選擇切削液4.4.1切削液的作用

1.冷卻作用通過(guò)切削液帶走大量的切削熱而降低切削區(qū)的溫度。冷卻效果取決于冷卻液本身的導(dǎo)熱率、比熱、

汽化熱以及澆注方法等。

2.潤(rùn)滑作用通過(guò)切削液滲透到切屑、工件、刀具接觸面之間形成潤(rùn)滑膜。其潤(rùn)滑性能的好壞，主要取決于切削液的滲透性和表面間形成的潤(rùn)滑膜的強(qiáng)度。圖4-7為切削加工時(shí)表面間的邊界潤(rùn)滑摩擦，高溫高壓下的邊界潤(rùn)滑也稱為極壓潤(rùn)滑。

圖

4-7邊界潤(rùn)滑摩擦

3.清洗和防銹作用切削液可以沖洗粘附在機(jī)床、刀具和工件上的切屑，防止劃傷機(jī)床工作面、破壞已加工表面，并減少刀具磨損。在切削液中加入防銹劑，可避免工件、刀具、機(jī)床發(fā)生腐蝕，起到防銹作用。

4.4.2切削液的種類1.水溶性切削液(1)水溶液:是指以軟水為主要成分,