第一讲切削加工概论精选文档.ppt
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1、第一讲 切削加工概论本讲稿第一页,共五十二页n三大基础要素分别构成了3大研究应用领域:n刀具切削机理、材料、结构及工艺性n机床结构、性能、工艺范围n工件加工工艺、结构、性能工艺性本讲稿第二页,共五十二页n实际上,切削过程是一个很复杂的工艺过程,它不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学,还有热力学、摩擦学等。切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损等影响。切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命。机械加工工艺系统定义:在机械加工中,由机机械加工工艺系统定义:在机械加工中,由机床、刀具与被加工工件一起构成了一个实现某床、刀具与被加工工件一起构成了一个实现某种加工方
2、法的整体系统,这一系统称为机械加种加工方法的整体系统,这一系统称为机械加工工艺系统。工工艺系统。本讲稿第三页,共五十二页相关的研究工作英国科学家奥克莱(K.P.Oakley)在人工具的制造者一书中所指出的:n“人类是随着新的刀具材料的发明而逐渐进步的,人类的历史由此可以划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代和钢的时代”。n切削的核心内容:生产效率和加工精度和质量。本讲稿第四页,共五十二页切削加工技术发展史1、古代的切削加工、古代的切削加工n人类对切削原理只有一些朴素的唯物辩证的认识.n孔子论语卫灵公:工欲善其事,必先利其器。2、近代的切削加工、近代的切削加工n自从切削加工技术发展到一定水平后,人
3、们开始注意探讨切削过程中的现象和规律,研究切削的理论,并用以指导生产.n研究工作主要从19世纪,特别是从19世纪后期开始的.本讲稿第五页,共五十二页n最早研究金属切削要数英国Rumtord,他于1789年研究过炮身加工时的切削热和切削功。n1851年,法国人考克夸尔哈(Cocquilhat)直接测量钻削时切除单位体积金属所需的功。n1873年,德国人哈蒂格(Hartig E)发表了切削功的表格。n1870年俄国人基麦和1873年法国人特雷沙都曾解释过切削形成过程。本讲稿第六页,共五十二页n1881年英国人马洛克(M allockA)指出,切削过程基本上是在刀具推挤下使工件材料发生剪切而成为切屑
4、的过程,还强调刀具前刀面上摩擦作用的重要性。n他曾将切屑试样经抛光、腐蚀进行观察,还研究过润滑剂的影响、刀刃锋利性对切削过程的影响,以及切削过程中引起颤振的原因。n1896年,俄国人布里克斯开始将塑性变形的概念引入金属切削。n至此,切屑形成才有了较完整的解释。本讲稿第七页,共五十二页n基麦对切削过程进行研究成果:1)认为韧性金属的切削是挤压过程;2)决定了挤裂角和收缩系数;3)提出了切屑的种类及切屑形成的4个阶段;4)初步分析了切削力,但未考虑摩擦和塑性变形的影响.本讲稿第八页,共五十二页n1893年,俄国科学家慈伏雷金在切削力的主要问题上作了许多研究工作:1)制作了直接测定切削力的测力仪。2
5、)在实验基础上,建立了切削力的双因素公式为:式中P为切削力,b为切削宽度,a为切削厚度,k为常数.本讲稿第九页,共五十二页现在,通过切削力实验建立的车削力实验公式,其一般形式为:本讲稿第十页,共五十二页19021921年,乌沙乔夫进行了很多研究工作:(1)创造了用热电偶测量切削温度的方法;(2)用金相方法研究切削过程,发现了滑移面;(3)创造了图解分析试验结果,寻找切削规律的方法.本讲稿第十一页,共五十二页n1918-1925年,俄国人契留斯金进一步建立了多因素的切削力公式为:式中Pz为主切削力,k为常数,为切削角,为主偏角,t为切削深度,s为进给量.本讲稿第十二页,共五十二页n19世纪末到2
6、0世纪初美国工程师泰勒,对金属切削加工技术主要贡献:n(1)研究了切削条件和刀具材料对刀具寿命的影响规律,确定经验公式,从而优选切削条件.式中:为切削速度,T为刀具寿命,A,m为与刀具材料、工件材料及切削条件有关的常数和指数.泰勒公式是金属切削科学中最重要的经验公式,至今还在应用泰勒公式是金属切削科学中最重要的经验公式,至今还在应用.本讲稿第十三页,共五十二页n(2)研究发现,刀具上的切削温度控制着刀具磨损的速率.n(3)1898年,泰勒和冶金学家怀特(while W)成功研制了高速钢,高速钢,并作广泛的、系统的切削实验.n高速钢可用30 m/min的速度切削钢材,比原用的碳素工具钢、合金工具
7、钢提高了好几倍.高速钢的问世,引起了金属切削的重大变革,获得了巨大的经济效益.n时光已经过去了一百多年,高速钢W18Cr4V的化学成分仍然同泰勒、怀特当年规定的成分相近.本讲稿第十四页,共五十二页n1923年,德国的施勒特尔往碳化钨粉末中加进10%20%的钴做粘结剂,发明了碳化钨和钴的新合金,硬度仅次于金刚石,这是世界上人工制成的第一种硬质合金。用这种合金制成的刀具切削钢材时,刀刃会很快磨损,甚至刃口崩裂。n1929年美国的施瓦茨科夫在原有成分中加进了一定量的碳化钨和碳化钛的复式碳化物,改善了刀具切削钢材的性能。这是硬质合金发展史上的又一成就。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐
8、腐蚀等一系列优良性能,特别是它的高硬度和耐磨性,即使在500的温度下也基本保持不变,在1000时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料,如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等,用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材,也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍。本讲稿第十五页,共五十二页n1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层刀具,刀具的基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金,表面碳化钛涂层的厚度不过几微米,但是与同牌号的合金刀具相比,使用寿命延长了3倍,切削速度提高25%50%。n20世纪70年代已出现第四代涂层工具
9、,可用来切削很难加工的材料。本讲稿第十六页,共五十二页本讲稿第十七页,共五十二页3、现代的切削加工、现代的切削加工n高速切削(HSC)是近二十年来迅速崛起的一项先进制造技术,是现代切削加工技术的发展方向之一,具有广阔的应用前景。n高速切削时,切削力小,切削温度低,加工精度高,表面质量好,可实现高切削效率和低加工成本,并目_可对难加工材料进行加工。但高速切削刀具磨损严重,寿命较短,这是阻碍高速切削进一步发展的主要因素。本讲稿第十八页,共五十二页n被加工材料都有一个临界切削速度V0,在切削速度达到临界速度之前,切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大,当切削速度达到普通切削速度的56倍时,切削刃口
10、的温度开始随切削速度增大而降低,刀具磨损随切削速度增大而减小。1931年萨洛蒙博士发表了高速切削假设理论:(所罗门原理)(所罗门原理)本讲稿第十九页,共五十二页切削塑性材料时,传统的加工方式为“重切削”,每一刀切削的排屑量都很大,即吃刀大,但进给速度低,切削力大。实践证明随着切削速度的提高,切屑形态从带状、片状到碎屑状演化,所需单位切削力在初期呈上升趋势,而后急剧下降,这说明高速切削比常规切削轻快,两者的机理也不同。理想剪切模型理想剪切模型本讲稿第二十页,共五十二页(1)高速切削加工理论研究和探索阶段(19311971年)n自20世纪30年代Salomon理论提出后,20多年没有什么重要进展,
11、直到50年代后期,高速切削加工的理论基础研究在世界范围内开始展开。美国、日本、法国、苏联、英国和澳大利亚等国才进行了一些高速切削的理论基础研究。本讲稿第二十一页,共五十二页n由于当时还没有高速加工的机床,不能进行很高速度的切削加工实验,于是采用了弹射实验方法。n这些实验有的是通过弹射快速滑动带动的刀具经过工件进行切削加工,有的是弹射工件使它经过静止的刀具切削刃进行切削。本讲稿第二十二页,共五十二页n美国洛克希德(Lockheed)飞机公司R.L.Vanghn研究小组于19581960年进行了高速切削加工的切削力、切削温度、刀具磨损、切削振动和切屑形成机理等实验研究。切削实验的工件材料有AISI
12、4340(40CrNiMoA)钢、Ti-6Al-4A钛合金、镍基高温合金和铝合金等。刀具材料包括高速钢、硬质合金与史特莱合金(Stellite),切削速度457073000m/min,切削深度0.1271.10mm。本讲稿第二十三页,共五十二页这些研究表明:n高速切削加工时,切屑形状与普通切削条件下不同,随着切削速度提高,逐渐形成不连续的切屑,切屑是由于脆性断裂而形成的。n在低速切削时,切削力随切削速度提高而增大,但当切削速度大到一定程度后,切削力会下降。本讲稿第二十四页,共五十二页大量研究结果还表明:大量研究结果还表明:n高速切削加工可以通过使用能承受工件材料熔点以上温度的刀具材料来实现。提
13、高切削速度可以改善加工表面质量。n高速切削加工铝合金是可行的,刀具磨损小;n但高速切削加工AISI4340钢,刀具磨损严重。只要解决高速切削过程中严重的刀具磨损和机床振动,可以大大提高生产效率,显著降低生产成本。本讲稿第二十五页,共五十二页在此期间n苏联、日本、法国等国的研究人员也相继做了大量研究,主要包括切屑形成机理、切削力、加工表面质理、切削温度和刀具磨损等,工件材料为铝、黄铜、钢和铸铁,刀具材料为高速钢、陶瓷与硬质合金,切削速度100045000m/min。研究结果表明,高速切削加工所形成的切屑形状、刀具磨损和加工表面质量有显著特点,随切削速度提高,剪切角增加,刀屑接触长度减少,切削力降
14、低,改善切削加工性能和表面质理,但刀具磨损加速。在切削速度100010000m/min范围内加工铝、黄铜和软钢时没有出现Salomon理论中的“死区”。但钢件的高速切削加工比较困难,主要是当时没有适合于高速切削加工钢件的刀具材料。本讲稿第二十六页,共五十二页()高速切削加工应用基础研究探索阶段(19721978年)n美国洛克希德导弹与空间公司R.L.King研究小组对铝合金和镍铝青铜合金进行了高速切削加工研究。主要探索高速切削加工用于实际生产的可行性。n铣削实验研究表明,高速切削加工可以大幅度降低加工时间,而且由于切削力减小,可以提高加工零件的精度。因此,在生产环境中应用高速切削加工是经济可行
15、的。本讲稿第二十七页,共五十二页n实验条件的改善使得研究可以更加深入:n该公司为高速切削加工实验研究,改装成功一台数控铣削加工中心和一台数控立式六角车床。前者主轴转速可连续调整为18000r/min,30000r/min与100000r/min,工作台进给速度为4.93m/min;后者附加有一个14.7kW(20HP)、转速为6000r/min的铣头,最高切削速度可达3660m/min。n在这期间,美国还为该公司研制一台带磨头附件的数控高速铣床,功率为18.4kW(25HP),其主轴转速可在180018000r/min之间无级调速,进给速度达7.6m/min。采用新设计的喷雾系统冷却主轴精密轴
16、承。本讲稿第二十八页,共五十二页n在这一阶段,还有美国、德国、澳大利亚和印度等国家的学者继续研究用高速钢、硬质合金刀具切削加工铝合金和碳钢的切屑形成机理、切削力和切削温度等。n1977年美国用切削速度高达1800m/min的铣床进行高速切削加工实验研究,证实了弹射高速切削加工实验的结果和理论分析结论。n在这一期间的实验研究还发现高速切削加工时产生的热量大部分被切屑所带走。本讲稿第二十九页,共五十二页(3)高速切削加工应用研究阶段(19791989年)n1979年美国国防高级研究工程局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)开始一项为期4
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