工业生产过程刀具几何参数与切削用量选择课件.pptx

2014-10-18本节课内容：本节课内容：刀具几何参数的相关问题刀具几何参数的相关问题工件材料切削加工性工件材料切削加工性切削用量选择切削用量选择高速加工概述高速加工概述第1页/共79页2014-10-18今天的课程学完后，预期学习结果今天的课程学完后，预期学习结果：熟悉刀具各几何参数的意义及其选择方法；掌握工件材料切削加工性的概念；了解衡量工件材料切削加工性的指标；熟悉影响工件材料切削加工性的因素；了解切削用量的选择方法；了解高速加工的发展。第2页/共79页2014-10-18CDIOCDIO相关能力在今天课程中的培养：相关能力在今天课程中的培养：应用基础科学知识与工程基础知识，实行工程推理并解决问题；通过工件材料切削加工性问题和刀具合理几何参数、切削用量的选择方法，提高在企业和社会环境中，完成设计实施过程和零件制造过程的各种具体能力；通过对高速加工发展过程的思考，提高批评性思维能力；对各项学习任务进行合理的时间安排，有效高质量地完成。第3页/共79页2014-10-18刀具几何参数的选刀具几何参数的选择择刀具几何参数可分为两类，一类是刀具角度刀具角度参数，另一类是刀具刃型刀具刃型尺寸参数。各参数之间存在着相互依赖、相互制约的作用，因此应综合考虑各种参数，以便进行合理的选择。虽然刀具材料的优选对于切削过程的优化具有关键作用，但是，如果刀具几何参数的选择不合理也会使刀具材料的切削性能得不到充分发挥。在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几何参数刀具的合理几何参数。第4页/共79页2014-10-18选择刀具几何参数应考虑的因选择刀具几何参数应考虑的因素素工件材料工件材料 要考虑工件材料的化学成分、制造方法、热处理状态、物理和机械性能(包括硬度、抗拉强度、延伸率、冲击韧性、导热系数等)，还有毛坯表层情况、工件的形状、尺寸、精度和表面质量要求等。刀具材料和刀具结构刀具材料和刀具结构 考虑刀具材料的化学成分、物理和机械性能(包括硬度、抗弯强度、冲击值、耐磨性、热硬性和导热系数)，还要考虑刀具的结构形式，如整体式，还是焊接式或机夹式。具体的加工条件加工条件 考虑机床、夹具的情况，工艺系统刚性及功率大小，切削用量和切削液性能等。第5页/共79页2014-10-18前面的选择前面的选择前刀面型式：有平面型、曲面型和带倒棱型三种(如下页图)。平面型前刀面平面型前刀面：制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高。曲面型前刀面曲面型前刀面：起卷刃作用，并有助于断屑和排屑。故主要用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具。如丝锥、钻头。带倒棱型前刀面带倒棱型前刀面：是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施。第6页/共79页2014-10-18前前刀刀面面型型式式第7页/共79页2014-10-18后面的型式后面的型式双重后面双重后面 为保证刃口强度，减少刃磨后面的工作量，常在车刀后面磨出双重后角，如下页图a所示。消振棱消振棱 为了增加后面与过渡表面之间的接触面积，增加阻尼作用，消除振动，可在后面上刃磨出一条有负后角的倒棱，称为消振棱（下页图b）。其参数为倒棱=0.10.3mm，负后角=520。刃带刃带 对一些定尺寸刀具（如钻头、绞刀等），为便于控制刀具尺寸，避免重磨后尺寸精度的变化，常在后面上刃磨出后角为0的小棱边，称为刃带(下页图c)。第8页/共79页2014-10-18后面型式后面型式第9页/共79页2014-10-18过渡刃过渡刃的型式的型式在主切削刃与副切削刃之间有一条过渡刃，如图所示。过渡刃有直线过渡刃和圆弧过渡刃两种。过渡刃的作用是提高刀具强度、延长刀具耐用度，降低表面粗糙度。(a)直线刃 (b)圆弧刃 (c)平行刃 (d)大圆弧刃第10页/共79页2014-10-18思考思考教科书教科书P106P106习题习题2-182-18：第11页/共79页2014-10-18前角的选择前角的选择前角的功用：前角影响切削过程中的变形和摩擦，同时还影响刀具的强度前角的选用原则：在刀具强度许可条件下，尽可能选用大的前角。下表为硬质合金车刀前角的合理值。第12页/共79页2014-10-18前角的选择前角的选择第13页/共79页2014-10-18思考思考最大的前角可选到多大？第14页/共79页2014-10-18后角（副后角）的选择后角（副后角）的选择后角的功用后角的功用：后角o的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。后角同时还影响刀具的强度。后角的选用后角的选用原则：增大后角(副后角)，可减轻刀具后面与过渡表面之间的摩擦，使刀具磨损减小，寿命提高。故后角不能取负值。增大后角，还可使切削刃更锋利，有利于改善加工表面质量。但后角过大，刀具的楔角会太小，刃区强度降低，散热效果减小，刀具磨损加快，反而会使刀具耐用度降低。因此，后角也存在一个合理值。粗加工以确保刀具强度为主，可在4o6o范围内选取；精加工以加工表面质量为主，常取8o12o。下页表为硬质合金车刀后角的合理值。第15页/共79页2014-10-18硬质合金车刀后角的合理硬质合金车刀后角的合理值值第16页/共79页2014-10-18后角（副后角）的选择后角（副后角）的选择第17页/共79页2014-10-18思考思考安装后角为零的车刀时，若刀刃高于车床中心高，会有什么问题？第18页/共79页2014-10-18主偏角和副偏角的功用主偏角和副偏角的功用影响已加工表面的残留面积高度影响已加工表面的残留面积高度 减小主偏角和副偏角，可以减小已加工表面粗糙度，特别是副偏角对已加工表面粗糙度影响更大。影响切削层形状影响切削层形状 主偏角直接影响切削刃工作长度和单位长度切削刃上的切削负荷。在切削深度和进给量一定的情况下，增大主偏角，切削宽度减小，切削厚度增大，切削刃单位长度上的负荷随之增大。影响切削分力的大小和比例关系影响切削分力的大小和比例关系 增大主偏角可减小背向力Fp，但增大了进给力Ff。影响刀尖角的大小影响刀尖角的大小 主偏角和副偏角共同决定了刀尖角r，故直接影响刀尖强度、导热面积和容热体积。影响断屑效果和排屑方向影响断屑效果和排屑方向 增大主偏角，切屑变厚变窄，容易折断。第19页/共79页2014-10-18主偏角、副偏角的选择主偏角、副偏角的选择主偏角的选择主偏角的选择在工艺系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工表面粗糙度，所以r宜取小值；在工件刚性较差时，为避免工件的变形和振动，应选用较大的主偏角。副偏角的选择副偏角的选择 一般情况下，选取较小的副偏角，以减小副切削刃和副后刀面与工件已加工表面之间的摩擦和防止切削振动。第20页/共79页2014-10-18思考思考在车床上加工细长轴，应选用什么样的车刀？第21页/共79页2014-10-18主偏角的选择主偏角的选择第22页/共79页2014-10-18副偏角及过渡刃的选择副偏角及过渡刃的选择第23页/共79页2014-10-18刃倾角的功用刃倾角的功用第24页/共79页2014-10-18刃倾角的功用刃倾角的功用第25页/共79页2014-10-18刃倾角的功用刃倾角的功用第26页/共79页2014-10-18刃倾角刃倾角ss选用选用刃倾角s主要影响刀头的强度和切屑流动的方向（见图）。刃倾角s选用原则：主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。粗加工时，为提高刀具强度，s取负值；精加工时，为不使切屑划伤已加工表面，s常取正值或0。第27页/共79页2014-10-18思考思考刀具刃倾角是否为零与齿轮传动中的直齿轮、斜齿轮传动有没有可相互比对之处？第28页/共79页2014-10-18刀具几何参数的选择实训刀具几何参数的选择实训题目题目在普通卧式车床上用反向进给法车削45钢细长轴，刀具牌号为YT15，加工时使用跟刀架和弹性顶尖，试确定刀具的几何参数。实训过程实训过程分析加工特点，根据加工特点选择合理的刀具几何参数。工件材料为45钢，加工性能好，细长轴的加工特点是刚性差，加工过程易产生弯曲和振动，因此要尽量减小背向力。第29页/共79页2014-10-18具体分析和选择具体分析和选择取o=2830，r75减小背向力；由于前角较大，为增加刃口的强度，应修磨出负倒棱，取br1=0.51.0mm,o1=-10。后角和刃倾角不能太大取o6、s=3。由于主偏角较大，为增强刀尖的强度，采用修圆刀尖，取r 1.52mm。为保证断屑可靠，前刀面应磨出宽LBn=46mm，圆弧半径rBn=2.5mm的卷屑槽。第30页/共79页2014-10-18衡量衡量工件材料工件材料切削加工性的指标切削加工性的指标第31页/共79页2014-10-18第32页/共79页2014-10-18第33页/共79页2014-10-18思考思考教科书教科书P105P105习题习题2-15:2-15:第34页/共79页2014-10-18影响材料的切削加工性的因影响材料的切削加工性的因素素第35页/共79页2014-10-18影响材料的切削加工性的因影响材料的切削加工性的因素素第36页/共79页2014-10-18影响材料的切削加工性的因素影响材料的切削加工性的因素第37页/共79页2014-10-18改善工件材料改善工件材料切削加工性的途切削加工性的途径径要改善工件材料的切削加工性，可通过热处理方法，改变材料的金相组织和物理力学性能；也可通过调整材料的化学成分等途径；还可以通过使用配伍的刀具。生产实际中，热处理是常用的处理方法。第38页/共79页2014-10-18切削用量的选择切削用量的选择切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。切削用量选择原则选择原则：能达到零件的质量要求（主要指表面粗糙度和加工精度）并在工艺系统强度和刚性允许下及充分利用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下选取一组最大的切削用量。第39页/共79页2014-10-18确定切削用量时考虑的因确定切削用量时考虑的因素素1）生产率 2）机床功率 3）刀具寿命（刀具耐用度T）4）加工表面粗糙度第40页/共79页2014-10-18制订切削用量的原制订切削用量的原则则粗加工时，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，则以保证加工质量为前提，并兼顾切削效率、经济性和加工成本。下页表为在上述限制条件下制订的粗车进给量。第41页/共79页2014-10-18第42页/共79页2014-10-18在半精加工和精加工时，进给量主要受到表面粗糙度的限制，下表为按照表面粗糙度制订的进给量。第43页/共79页2014-10-18提高切削用量的途径提高切削用量的途径采用切削性能更好的新型刀具材料；在保证工件机械性能的前提下，改善工件材料的加工性；改善冷却润滑条件；改进刀具结构，提高刀具制造质量。第44页/共79页2014-10-18切削用量的选择实训切削用量的选择实训题目题目有一轴，加工精度要求为9级；表面粗糙度为Ra3.2m，材料为45号热轧钢，b0.637 GPa,毛坯尺寸为50mm350mm,加工尺寸为44mm300mm。在普通卧式车床CA6140上加工，使用焊接式硬质合金YT15车刀，刀杆截面尺寸为1625mm；几何参数：o=15,o8,r75,r10,s=6,r 1mm,br1=0.3mm,o1=-10。其加工方案为：粗车半精车。试确定1.粗车和半精车时合理的切削用量；2.若要磨削外圆，试确定磨削加工时的砂轮和切削液。第45页/共79页2014-10-18切削用量的选择实训过程切削用量的选择实训过程根据加工要求，选择切削用量（参考有关工艺手册）。解：1粗车粗车(1)确定背吃刀量毛坯余量单边为3mm，粗车取2.5mm。(2)确定进给量f 根据工件材料、刀杆截面尺寸、工件直径及背吃刀量，从上面表中查得f0.40.5mm/r。按机床说明书中实有的进给量，取f0.51mm/r。第46页/共79页2014-10-18切削用量的选择实训过程切削用量的选择实训过程(3)校验进给机构强度查有关工艺手册得单位切削力kc=1962N/mm2,进给量对单位切削力的影响修正系数kfkc=0.925,求得切削力为Fc=kcfkfkc=19622.50.510.925N=2314N查有关手册得,当r 1mm时,krFf=0.81;当r75时，Ff/Fc=0.5，故进给力为 Ff=(Ff/Fc)FckrFf =0.523410.81(N)=948.1(N)从机床说明书中查得机床进给机构允许的进给抗力为Ffmax=3528N。故机床进给机构强度足够，所选进给量（f0.51mm/r）可以使用。第47页/共79页2014-10-18切削用量的选择实训过程切削用量的选择实训过程(4)确定切削速度查上面表得vc=90m/min。计算机床主轴的转速为：按机床说明书选取实际的机床转速为560r/min，此时的实际切削速度为第48页/共79页2014-10-18切削用量的选择实训过程切削用量的选择实训过程(5)校验机床功率 从说明书上可知,该机床电机的功率为7.8kW，取机床效率0.8，则此时该机床允许的最大切削速度(按前述公式)为：第49页/共79页2014-10-18切削用量的选择实训过程切削用量的选择实训过程半精车半精车(1)确定背吃刀量ap=0.5mm。(2)确定进给量精加工和半精加工应根据表面粗糙度值来选，由于要求的表面粗糙度为Ra3.2um，1mm，查表2.6（预估切削速度vc50m/min）得f0.30.35mm/r。按机床说明书中实有的进给量，取f0.3mm/r。(3)确定切削速度根据已知条件和已确定的ap和f值，查上面表得vc=130m/min。算出机床转速：第50页/共79页2014-10-18切削用量的选择实训过切削用量的选择实训过程程按机床说明书选取机床实际转速为900r/min，此时的实际切削速度为：本题的结果为：粗车切削用量ap=2.5mm，f0.51mm/r，vc=87.9m/min半精车切削用量ap=0.5mm，f0.3mm/r，vc=127.2m/min解解2 2若要磨削外圆，砂轮可用40010012760J5V35；切削液可选普通乳化液。第51页/共79页2014-10-18高速加工概述高速加工概述 高速加工技术使生产效率大大提高，生产成本显著降低。研究表明,当切削速度超过某一数值时，切削速度再增大，切削温度反而会降低，切削力会急剧下降，切屑渐渐变得不连续。高速加工后工件表面质量很好。高速加工的发展过程，得益于先驱研究高速加工的发展过程，得益于先驱研究者的批评性思维能力。者的批评性思维能力。第52页/共79页2014-10-18圆锯片实验圆锯片实验 1931年 德国发明家Salomon对不同材料进行高速切削实验，实验结果表明：当切削速度超过某一数值时，切削速度再增大，切削温度反而会降低(下页图)。Salomon是用圆锯片来做实验研究的，这主要是因为当时还没有高速旋转的电机，因而只能通过加大圆锯片的直径来得到较高的切削速度。第53页/共79页2014-10-18第54页/共79页2014-10-18高速加工基本理高速加工基本理论论Salomon的基础研究表明，在一定的速度范围内，由于过高的温度导制加工无法进行(这在美国被称为“死区”)。正是因为这个原因，高速加工也可被定义为切削速度超过那个速度范围的加工。第55页/共79页2014-10-18弹射实验弹射实验大约20年后,也就是1950年初,更加集中的高速切削研究在世界范围内展开。从那时起仍然不可能达到高旋转转速加工,于是就采用了弹射实验方法。这些实验,一部分是通过快速滑动使刀具通过工件加工表面,另一部分则是通过弹射工件使它通过静止的切削刃。从这些实验中发现,高速切削下切屑形状与常规切削条件下不同。第56页/共79页2014-10-18弹射实验弹射实验研究科学的证实了在低速切削区，切削力随切削速度的提高而增大，但当切削速度大到一定程度后，切削力会急剧下降。此外，研究表明,随着切削速度的提高，切屑渐渐变得不连续。在用枪将工件沿固定的切削刃弹射出的实验中，发现材料超出了塑性特性区，切屑由于脆性断裂而成形。第57页/共79页2014-10-1820世纪世纪 6 0年代早期的研年代早期的研究究美国的大量研究表明：只要解决切削过程中严重的刀具磨损和机床振动，生产效率会大大提高，生产成本也会显著降低。在一项研究中还发现，切削铝时切削速度超过6500m/min很有研究价值。第58页/共79页2014-10-18高速主轴的应用高速主轴的应用到 80年代早期,高速主轴用于加工中心之后,高速加工的理论不仅得到进一步发展,而且也能用于实际生产中。1977年,美国第一次通过铣削速度高达1980m/min的铣床证实了射击试验的结果与理论分析结论,同时试验结果也表明,切削表面质量明显提高。第59页/共79页2014-10-18高速主轴的应用高速主轴的应用这些试验中的另一重大发现是高速切削过程中产生的切削热大部分被切屑带走了。1979年，美国空军和通用电气公司(GE)合作研究高速切削各因素之间的关系以及如何将高速切削用于生产。研究表明，切削铝合金的最佳切削速度范围是 15004500m/min。美国所开展的这些研究主要集中在对轻金属的高速加工，仅有少数几项试验用来研究钢及铸铁的高速加工。第60页/共79页2014-10-18欧洲的高速加工技术研究欧洲的高速加工技术研究欧洲的Darmstadt工业大学1979年开展一合作研究项目高速铣削过程特点研究，研究重点是磁悬浮轴承对高速转轴发展的技术支持，并在机床上进行实际测试。通过使用这一由磁悬浮轴承支承的转轴，1980年终于实现了可用切削速度的重大突破。这一突破使得早期由射击试验得出的理论得到证实。第61页/共79页2014-10-18高速加工机床高速加工机床 零传动的数控机床（超高速大功率的主运动系统采用电主轴，超高速的进给运动系统采用直线电机），采用新颖的非金属大阻尼材料作支承件，具有防弹效果的防护体系等。高速主轴电主轴、采用陶瓷轴承或磁悬浮轴承支承。第62页/共79页2014-10-18陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口高速主轴高速主轴q 陶瓷轴承高速主轴结构陶瓷轴承高速主轴结构第63页/共79页2014-10-18前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器q 磁浮轴承主轴结构磁浮轴承主轴结构第64页/共79页2014-10-18直线电机原理直线电机原理 第65页/共79页2014-10-18高速加工技术的优点高速加工技术的优点切削温度降低切削温度降低随着切削速度的提高，切削速度高于塑性变形速度，切削产生的切削热绝大部分被切屑带走，切削温度反而会降低。切削力下降切削力下降随着切削速度的提高，切削力会急剧下降。切屑可控制切屑可控制随着切削速度的提高，切屑渐渐变得不连续。高塑性材料（如铝等）断屑难问题得到有效解决。第66页/共79页2014-10-18高速加工技术的优缺点高速加工技术的优缺点表面质量提高表面质量提高高速加工后工件表面质量很好，通常情况下可以不需要进一步精加工或只在部分场合下需要进一步精加工。效率提高效率提高高速加工使生产效率大大提高，生产成本显著降低。缺点缺点随着切削速度的提高,刀具寿命会下降。第67页/共79页2014-10-18高速加工的应用场合高速加工的应用场合高速加工技术得以应用的主要原因是这一技术自身具有很多优点，高速加工的应用场合主要包括：模具制造业，飞机制造工业，光学和精密仪器加工，汽车制造工业以及家用设施生产。尽管高速加工不是制造精密零件必需的加工方法，但它在精密加工领域取得了长足的进步，采用高速切削技术，表面加工质量可达a=0.2m和z=3m。第68页/共79页2014-10-18安全处理安全处理高速加工过程中的潜在危险包括:飞溅的切屑和崩刃以及变松的刀具夹紧系统都具有很高的动能，另外加工过程中还存在轴向动态力。这意味着高标准的主动和被动的防护措施是必需的。比如不可缺少的部分除了电子监测系统外，还应当有适合吸收能量的空腔。第69页/共79页2014-10-18高速加工的经济高速加工的经济性性对生产过程加工链全面考虑表明：由于高速加工后工件表面质量很好，通常情况下可以不需要精加工或只在部分场合下需要精加工。如果一个加工表面仍需进一步进行磨削加工，提高待加工表面质量会大大降低磨削时间。第70页/共79页2014-10-18高速加工的应用高速加工的应用例例值得一提的是涡轮的制造,现在涡轮的叶片通过高速铣削加工就可以了,不需要进一步进行磨削加工。另一个典型的例子是模具的制造,高速加工后模具表面质量、尺寸和形位公差可以达到常规精加工的加工精度。这也大大地降低了手工工作时间。在手工劳动上节约时间可达到80%,成本降低到原来的30%。第71页/共79页2014-10-18习题习题单项选择题：1.影响刀具的锋利程度、减小切削变形、减小切削力的刀具角度是：主偏角；前角；副偏角；刃倾角；后角。2.影响切削层参数、切削分力的分配、刀尖强度及散热情况的刀具角度是：主偏角；前角；副偏角；刃倾角；后角。第72页/共79页2014-10-18习题习题多项选择题：1.对刀具前角的作用和大小，正确的说法有：控制切削流动方向；使刀刃锋利，减少切屑变形；影响刀尖强度及散热情况；影响各切削分力的分配比例；减小切屑变形，降低切削力；受刀刃强度的制约，其数值不能过大。2.对于刀具主偏角的作用，正确的说法有：影响刀尖强度及散热情况；减小刀具与加工表面的摩擦；控制切屑的流动方向；使切削刃锋利，减小切削变形；影响切削层参数及切削分力的分配；影响主切削刃的平均负荷与散热情况。第73页/共79页2014-10-18习题习题判断题：()1.刀具主偏角具有影响背向力（切深抗力）、刀尖强度、刀具散热状况及主切削刃平均负荷大小的作用。()2.加工塑性材料与加工脆性材料相比，应选用较小的前角和后角。第74页/共79页2014-10-18实作题：实作题：在6140车床上车削一直径为d1030mm的细长轴（长径比大于10），材料为经调质处理的45钢，硬度为229HBS。试确定刀具材料及刀具几何参数。第75页/共79页2014-10-18习题习题第76页/共79页2014-10-18习习题题图图第77页/共79页2014-10-18预习内容预习内容 工序、安装、工位、工步和走刀等概念。第78页/共79页2014-10-18感谢您的观看。第79页/共79页