机械制造技术基础第9讲.ppt

一、刀具磨损形态和磨损机制二、刀具磨损过程及磨钝标准三、刀具寿命,第六节 刀具磨损、刀具寿命和切削用量的选择,在生产中，确定刀具寿命有两种原则。按单件时间最少（生产效率为最高）的原则确定的刀具寿命，称为最高生产率刀具寿命。按单件工艺成本最低的原则确定的刀具寿命，称为最小成本刀具寿命。合理刀具寿命数值的确定，要综合考虑各种因素的影响，不能一概而论。,制订刀具寿命时，还应具体考虑以下几点：1）刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时，刀具寿命应规定得高些。2）多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥和铣刀，自动机及自动线上的刀具，因为装夹、调整复杂，刀具寿命应规定得高些。,3）当生产线上某工序的生产率限制了全线生产率的提高时，或当某工序单位时间的生产成本较高时，则该工序的刀具寿命应定得低些，这样可以选用较大的切削用量，加快该工序生产节拍以提高生产率，或缩短加工时间以降低生产成本。4）精加工大型工件时，刀具寿命应规定得高一些，至少保证在一次走刀中不换刀。,四、刀具的破损及刀具状态监控破损是相对于磨损而言的。从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损，因为破损和磨损都是在切削力和切削热的作用下发生的。磨损是逐渐发展的过程，而破损是突发的。破损的突然性很容易在生产过程中造成较大的危害和经济损失。,1.刀具的破损形式（1）脆性破损硬质合金、陶瓷、立方氮化硼刀具的破损形式。1）崩刃 切削刃产生小的缺口（切削刃微崩）。断续切削时常发生这种破损。2）碎断 切削刃发生小块碎裂或大块断裂。也多发生于断续切削中。,3）剥落 在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片，经常与切削刃一起剥落，有时也在离切削刃一小段距离处剥落。4）裂纹破损 长时间进行断续切削（承受交变载荷或热负荷）后，因疲劳而引起裂纹的一种破损。裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎断。,（2）塑性破损工具钢和高速钢刀具的主要破损形式。在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件间接触面上，由于过高的温度和压力的作用，刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力，这就是刀具的塑性破损。,抗塑性破损能力取决于刀具材料的硬度和耐热性能。硬质合金与陶瓷的硬度高，耐热性好，一般不易发生这种破损。高速钢耐热性较差，较易发生塑性破损。高速钢刀具发生塑性破损常见形式有：1）烧刃；2）卷刃；3）折断。,2.刀具破损防治措施（1）合理选择刀具材料（2）合理选择刀具几何参数（3）保证刀具的刃磨质量（4）合理选择切削用量（5）工艺系统应有较好的刚性（6）对刀具状态进行实时监控,五、切削用量的选择切削用量的选择，对生产效率、加工成本和加工质量均有重要影响。合理的切削用量是指在保证加工质量的前提下，能取得较高的生产效率和较低成本的切削用量。约束切削用量选择的主要条件有：工件的加工要求；刀具材料的切削性能；机床的性能以及刀具的寿命要求等。,（1）切削用量与生产效率、刀具寿命的关系机床切削效率可以用单位时间内切除的材料体积 Q(mm3/min)表示：（2-28）分析上式可知，切削用量三要素ap、f、vc均与 Q 成正比关系，即三者对机床切削效率影响的权重是完全相同的。,从提高生产效率考虑，切削用量三要素中任一要素提高一倍，切削效率都提高一倍。但是分别提高ap、f、vc,对刀具寿命的影响却是截然不同。切削用量三要素中对刀具寿命影响最大的是vc，其次是 f，最小是 ap。综上分析可知，在保持刀具寿命一定的条件下，提高 ap比提高 f、vc的效果更好。,（2）切削用量的选用原则首先选取尽可能大的背吃刀量 ap。其次根据机床进给机构强度、刀杆刚度等限制条件（粗加工时）或根据已加工表面粗糙度要求（精加工时），选取尽可能大的进给量 f。最后根据“切削用量手册”查取或根据公式（2-29）计算确定切削速度vc。,（3）切削用量三要素的选用1）背吃刀量ap ap可根据加工余量确定。粗加工时在机床有效功率允许的条件下，除留下精加工的余量外，一次走刀应尽可能切除掉全部粗加工的余量，这样不仅能在保证一定刀具寿命的前提下使 ap、f、vc的乘积最大，而且可以减少走刀次数。,下面几种情况可分几次走刀：加工余量过大导致机床动力不足或刀具强度不够；工艺系统刚性不足；断续切削。当切削表层有硬皮的锻铸件或加工冷硬倾向较严重的材料时，应使ap值超过硬皮厚度或冷硬层深度。,2）进给量 f ap选定之后，f 的大小直接决定了切削面积，因而决定了切削力的大小。所以，在尽量选择较大 f 的同时，要注意其合理数值应当保证机床、刀具不致因切削力过大而损坏；切削力所造成的工件变形不致超出工件精度允许的数值；表面粗糙度不致过大等环节。,粗加工时，限制 f 的主要因素是切削力；半精加工和精加工时，限制 f 的主要因素是表面粗糙度和加工精度要求。实际生产中多利用金属切削手册采用查表法确定合理的进给量 f（表2-5、表2-6）。,3）切削速度vc 根据已经选定的背吃刀量ap、进给量 f 及刀具寿命T，可以用公式计算或用查表法确定切削速度vc（参阅表2-7）。车削速度计算公式为（2-29）上式中的有关系数、指数和各项修正系数可在有关机械加工工艺手册中查得。,在确定切削速度时，还应考虑以下几点：精加工时，应尽量避开产生积屑瘤的速度区。断续切削时，应适当降低切削速度。在易产生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。加工大件、细长件、薄壁件以及带铸、锻外皮的工件时，应选较低的切削速度。例2-2（略）,刀具的切削性能主要是由刀具材料的性能和刀具几何参数两方面决定的。刀具几何参数的选择是否合理对切削力、切削温度及刀具磨损有显著影响。选择刀具的几何参数要综合考虑工件材料、刀具材料、刀具类型及其他加工条件的影响。,第七节 刀具几何参数的选择,一、前角o的选择增大前角可以减小切削变形，降低切削力和切削温度。但过大的前角使刀具楔角减小，刀刃强度下降，刀头散热体积减小，刀具温度上升，使刀具寿命下降。工件材料的强度、硬度较低或塑性较好，或刀具材料的韧性好，或工艺系统的刚性较差以及精加工时，刀具前角应取得大些，反之应取较小的前角。,二、后角o的选择后角的主要功用是减小切削过程中刀具后刀面与工件之间的摩擦。较大的后角可减小刀具后刀面上的摩擦，提高已加工表面质量。在磨钝标准取值相同时，较大后角的刀具寿命较长，但后角过大又会削弱切削刃强度、减小刀头散热体积，导致刀具寿命降低（参见图2-42a)。,图2-42 后角与磨损体积的关系 a）VB一定,切削厚度（或进给量）较小，或粗加工、强力切削及承受冲击载荷的刀具，或工件材料硬度、强度较高，或切削脆性材料时，宜取较小后角；工件材料较软、塑性较大时，宜取较大后角；在加工尺寸精度要求高时，定尺寸刀具宜取较小的后角。,图2-42 后角与磨损体积的关系 b）NB一定,三、主偏角r、副偏角r的选择减小主偏角和副偏角，可使表面粗糙度减小，同时又可以提高刀具寿命。减小主偏角还可使切削刃单位长度上的负荷下降。另外，主偏角取值还影响各切削分力的大小。工件材料硬度、强度较高时，宜取较小主偏角，以提高刀具寿命。,工艺系统刚性较差时，宜取较大的主偏角（甚至）；反之宜取较小主偏角，以提高刀具寿命。精加工或工件的强度、硬度较高，或刀具作断续切削时，宜取较小副偏角。在不会产生振动的情况下，一般刀具的副偏角均可选较小值。,图2-2 切削层参数,四、刃倾角s的选择负刃倾角的车刀刀头强度好，散热条件也好。绝对值较大的刃倾角可使刀具的切削刃实际钝圆半径较小，切削刃锋利。刃倾角不为零时，刀刃是逐渐切入和切出工件的，可以减小刀具受到的冲击，提高切削的平稳性。,另外，在刀刃最初切入工件的瞬间，刃倾角的正负将影响刀尖的受力状态。,附图 刀尖切入工件时刃倾角的正负对受力状态的影响,加工中碳钢和灰铸铁工件时，粗车取小的负刃倾角，精车取小的正刃倾角，有冲击负荷作用时取负的刃倾角，冲击特别大时取更大的负刃倾角，加工高强度钢、淬硬钢时取较大的负刃倾角。工艺系统刚性不足时，为避免背向力过大而导致工艺系统受力变形过大，不宜采用负的刃倾角。,一、砂轮的特性和选择1.普通砂轮的特性和选择普通砂轮是用结合剂把磨料粘结起来，经压坯、干燥、焙烧及车整制成。砂轮的特性决定于磨料、粒度、结合剂、硬度、组织及形状尺寸等。,第八节 磨削原理,（1）磨料磨料是砂轮的主要成分，在砂轮中起切削作用，每一颗磨料相当于一把或几把微小的刀具。常用的磨料有氧化物系和碳化物系两类。选择磨料主要根据工件的硬度，硬度高的工件材料应该选择硬度也高的磨料。几种常用磨料的特性及适用范围参见表2-8。,（2）粒度粒度表示磨料颗粒的平均尺寸的大小程度，用粒度号来表示。当磨粒尺寸较大时，以其能通过的筛网上每英寸长度上的孔数来表示粒度号，如F60表示磨粒刚能通过每英寸60个孔眼的筛网。粒度号越大，表示磨粒越细。,当磨粒直径小于53m时称为微粉。微粉的粒度号为F230F1200，F后的数字越大，微粉越细。常用磨粒的粒度及适用范围参见表2-9。粗磨时选用颗粒较粗的砂轮，以提高生产效率；精磨时选用颗粒较细的砂轮，以减小加工表面粗糙度。砂轮与工件接触面积大时，应选用颗粒较粗的砂轮，防止烧伤工件。,表2-9 常用粒度及适用范围,（3）结合剂结合剂的作用是将磨粒粘结在一起，形成具有一定形状和强度的砂轮。常用的结合剂种类有陶瓷结合剂、树脂结合剂和橡胶结合剂。结合剂的性能及适用范围参见表2-10。（4）硬度 砂轮的硬度是指砂轮表面的磨料在磨削力作用下脱落的难易程度。,砂轮硬度高，磨粒不容易脱落；反之磨粒容易脱落。显然，砂轮硬度是由结合剂的粘结强度和数量决定的，而与磨料本身的硬度无关。砂轮的硬度分七个等级，参见表2-11。磨削时，如硬轮硬度过高，则磨钝了的磨粒不能及时脱落，会使磨削温度升高而造成工件烧伤；若砂轮太软，则磨粒脱落过快不能充分发挥磨粒的磨削效能，也不易保持砂轮的外形。,（5）组织 砂轮的组织是指砂轮内部结构中的磨粒、结合剂和气孔三者之间的体积比例关系。组织号的大小表示气孔在砂轮体积中所占比例的大小。组织号小，砂轮结构中气孔所占体积的比例就小，磨料所占的比例就大，则组织就紧密；反之组织就疏松（参见表2-12）。,（6）砂轮形状 常用砂轮的形状、代号及主要用途参见表2-13。在砂轮的端面上一般都印有标志，用以标示砂轮的特性，一般顺序为：形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、最高线速度。,例：标记 13003075A60L5V35m/s,平形砂轮,砂轮外径,砂轮厚度,砂轮内径,棕刚玉,F60,中软2,中等,陶瓷,最高圆周速度,2.超硬砂轮的特性和选择超硬砂轮采用人造金刚石或立方氮化硼为磨料，其特性及适用范围见表2-14。超硬磨料的常用粒度及其适用范围见表2-15。超硬砂轮除使用树脂结合剂和陶瓷结合剂外，还使用青铜和铸铁纤维等金属结合剂，其特性和适用范围见表2-16。超硬砂轮用浓度表示其含有磨粒的疏密程度。,二、磨削过程磨削时砂轮表面上有许多磨粒参与磨削工作，每个磨粒都可以看做是一把微小的刀具。磨粒的大小和形状很不规则，刃尖的钝圆半径大,约在几微米至几十微米之间。,图2-44 磨粒对工件的切削,由于磨粒以较大的负前角和钝圆半径对工件进行切削，磨粒刚接触工件时不会切下切屑，只有在磨粒的切削厚度增大到某一临界值后才开始切下,切屑。磨削过程中磨粒对工件的作用包括滑擦、耕犁和形成切屑三个阶段（参见图2-45）。,图2-45 磨粒的切削过程,（1）滑擦阶段 磨粒刚开始与工件接触时，由于切削厚度非常小，磨粒只是在工件上滑擦，砂轮和工件接触面上只有弹性变形和由摩擦产生的热量。,图2-45 磨粒的切削过程,（2）耕犁阶段 随着切削厚度逐渐加大，被磨工件表面开始产生塑性变形，磨粒逐渐切入工件表层材料中。表层材料被挤向磨粒的前方和两侧，,工件表面出现沟痕，沟痕两侧产生隆起。此阶段磨粒对工件的挤压摩擦剧烈，产生的热量大大增加。,图2-45 磨粒的切削过程,（3）形成切屑 当磨粒的切削厚度增加到某一临界值时，磨粒前面的金属产生明显的剪切滑移形成切屑。,图2-45 磨粒的切削过程,三、磨削力磨削力可以分解为三个分力：主磨削力（切向磨削力）Fc、背向力和进给力Ff。与切削力相比，磨削力具有以下特征：1）单位磨削力远大于单位切削力。2）三向磨削分力中Fp值最大（参见下表）。,四、磨削温度1.磨削温度由于磨削时单位磨削力kc远大于单位切削力，切除金属体积相同时，磨削所消耗的能量远远大于切削时所消耗的能量。这些能量在磨削中将迅速转变为热能，磨粒磨削点温度可达1000 1400C，砂轮磨削区温度也有几百度。磨削温度对加工表面质量影响很大，须设法控制。,2.影响磨削温度的因素（1）砂轮速度（2）工件速度（3）径向进给量（4）工件材料（5）砂轮特性,