1.7 切削加工经济性与可行性

第1章金属切削加工基础知识 本章要点 切削运动与切削要素 金属切削机床 刀具 金属切削过程 一 加工精度 1 7 1零件的加工质量 零件的加工质量包括加工精度与表面质量两方面 1 7切削加工的经济性与可行性 零件的加工精度指零件加工以后 其尺寸 形状以及相互位置等参数的实际值与其理想值相符合的程度 加工精度 尺寸公差 形状公差 位置公差 二 表面质量 1 7 1零件的加工质量 零件的加工质量包括加工精度与表面质量两方面 1 7切削加工的经济性与可行性 零件的表面质量指工件经切削加工后的表面粗糙值 表面层的加工硬化程度以及表面残余应力的性质和大小等 三 影响零件加工质量的因素 1 7 1零件的加工质量 零件的加工质量包括加工精度与表面质量两方面 1 7切削加工的经济性与可行性 影响因素 机床 夹具 刀具的制造误差 工艺系统的振动和热变形 工件的装夹变形 摩擦 四 提高零件加工质量的措施 1 7 1零件的加工质量 零件的加工质量包括加工精度与表面质量两方面 1 7切削加工的经济性与可行性 措施 提高工艺系统的刚度 采用隔振和消振措施 适用切削液 合理的刀具角度 合理的切削用量 一 生产率 1 7 2生产率和提高生产率的措施 1 7切削加工的经济性与可行性 生产率通常以单位时间内所生产的零件数目来表示 tw 生产一个零件需要的时间 tct 换刀时间 tm 基本工艺时间 tot 辅助时间 二 提高生产率的措施 1 7 2生产率和提高生产率的措施 1 7切削加工的经济性与可行性 措施 减少切削时间 减少换刀时间 减少辅助时间 基本工艺时间的计算 二 提高生产率的措施 1 7 2生产率和提高生产率的措施 1 7切削加工的经济性与可行性 在切削用量中vc f ap对生产率的影响是等效的 选择切削用量的一般原则就是在保证加工质量 降低成本和提高生产率的前提下 使ap f v的乘积最大 当ap f v的乘积最大时 用切削时间最短 切削用量选择的基本原则粗加工时 保证刀具耐用度的前提下 尽量提高在单位时间内的金属切除率 应优先选择大的背吃刀量 其次选择较大的进给量 最后根据刀具耐用度 确定合适的切削速度 精加工时 保证工件的加工质量的前提下 兼顾必要的生产率应选用较小的进给量和背吃刀量 并尽可能选用较高的切削速度 1 7 3切削用量选择的一般原则和方法 1 7切削加工的经济性与可行性 确定背吃刀量ap 粗加工时 ap由加工余量和工艺系统的刚度决定 尽可能一次走刀切除全部加工余量 半精加工和精加工的加工余量一般较小 可一次切除 有时为了保证工件的加工质量 也可二次走刀 多次走刀时 第一次走刀的背吃刀量取得比较大 一般为总加工余量的2 3 3 4 确定进给量f 粗切时 考虑生产率 根据工艺系统强度和刚度条件确定精切时 考虑加工精度 根据加工表面粗糙度要求确定 切削用量的选择 1 7切削加工的经济性与可行性 1 7 3切削用量选择的一般原则和方法 确定切削速度v 根据规定的刀具耐用度确定切削速度v 切削用量的选择 根据已经选定的背吃刀量ap 进给量f及刀具使用寿命T 切削速度v可按下式计算求得 切削速度的参考值可以在切削用量手册中查到 1 7切削加工的经济性与可行性 1 7 3切削用量选择的一般原则和方法 一 衡量切削加工性的指标一定刀具耐用度T的切削速度VTVT越高 材料的切削加工性越好 相对加工性各种材料的V3600与45 钢 正火 的V3600比值 生产中通常用相对加工性做为衡量标准 1 7 4工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性是指将材料切削加工成合格零件的难易程度 1 7切削加工的经济性与可行性 工件材料的相对切削加工性及分级 切削力和切削温度应用在 粗加工或机床动力不足相同的切削条件下 切削力大 切削温度高的材料 其切削加工性就差 已加工表面质量精加工 表面粗糙度值有特殊要求的零件 已加工表面残余应力 加工硬化断屑的难易程度应用在 自动机床或自动生产线上切屑容易折断的材料 其切削加工性就好 反之 切削加工性就差 一 衡量切削加工性的指标 1 7 4工件材料的切削加工性 材料的化学成分碳对切削加工性的影响其他合金元素对切削加工性的影响硅 铬 镍 钒 钼 钨 镉等合金元素的加入均会降低材料的可切削加工性 硫 硒 铅等合金元素的加入可改善材料的切削加工性 碳素钢 低碳钢 高碳钢 中碳钢 切削性差 二 影响材料切削加工性的主要因素 1 7 4工件材料的切削加工性 金相组织的影响一般情况下 由塑性 韧性高或硬度 强度高的组织构成的材料 其切削加工性差 反之则好 低碳钢中铁素体含量较高 所以强度硬度低 延伸率高 易产生塑性变形 不易加工 淬火钢的组织以马氏体为主 所以硬度 强度均高 不易加工 中碳钢的金相组织是珠光体加铁素体 具有中等的硬度 强度和塑性 因此容易加工 灰铸铁中游离石墨比冷硬铸铁多 所以加工性好 二 影响材料切削加工性的主要因素 1 7 4工件材料的切削加工性 材料的机械性能对切削加工性的影响材料的强度和硬度工件材料的硬度和强度越高 切削加工性就越差 材料的韧性韧性大的材料 其切削加工性能差 材料的塑性材料的塑性越大 切削加工性越差 材料的导热系数材料的导热系数越高 切削加工性越好 二 影响材料切削加工性的主要因素 1 7 4工件材料的切削加工性 工件材料的物理力学性能对加工性的影响 例45钢1Cr18Ni9Ti 通过热处理改善材料加工性如工具钢 一般经退火处理可降低硬度 强度 提高加工性 有的工件材料通过调质处理 提高硬度 强度 降低塑性来改善加工性 如车制不锈钢2Cr13螺纹时 由于硬度太低 塑性较大 光洁度不易提高 当经调质处理后 硬度提高到HRC28时 塑性下降 光洁度可以改善 生产效率也相应提高 还有一些工件材料 如氮化钢 为了减小工件已加工表面的残余应力 可采取去应力退火 时效处理也是改善加工性的方法 如加工Cr20Ni80Ti3之前 先加热到1000 保持数小时 然后在900 950 温度下时效处理16小时 再在空气中冷却 这样处理可以提高切削加工性 三 改善材料切削加工性的途径 1 7 4工件材料的切削加工性 调整材料的化学成分除了材料中的含碳量外 材料中加入某些合金元素时 将不同程度的影响材料的机械性能 进而影响材料的切削加工性 选择材料加工性好的存在状态低碳钢以冷拔及热轧状态最好加工 中碳钢以部分球化的珠光体组织最好加工 高碳钢则以完全球化的退火状态加工性最好 对难加工材料 采取其他相应的对策选择合理的刀具材料 刀具几何角度 切削用量 选用合适的设备和加工方法等 三 改善材料切削加工性的途径 1 7 4工件材料的切削加工性 金属切削过程中合理选用切削液 可以改善刀具与切屑和刀具与工件界面的摩擦情况 改善散热条件 从而降低切削力 切削温度和刀具磨损 切削液还可以减少刀具与切屑的粘结 抑制积屑瘤的生长 提高已加工表面质量 可以减少工件热变形 保证加工精度 1 7 5切削液的选择 1 7切削加工的经济性与可行性 冷却作用切削液可带走大量的切削热 降低切削区的切削温度 切削液的冷却效果决定于 切削液本身导热系数 比热 温度 流量和流速 汽化热 水的导热系数为油的3 5倍 比热约大1倍 汽化热要大6 12倍 故其冷却性能最好 油类最差 乳化液则介乎二者之间而接近于水 一 切削液的作用 1 7 5切削液的选择 1 7切削加工的经济性与可行性 润滑作用切削液可渗透到切屑 工件 刀具接触面之间 在金属表面上展开和粘附 形成一层牢固的 有一定强度的润滑膜 切削液的润滑性能与其渗透性 形成润滑膜的能力及润滑膜的强度有着密切关系 润滑膜形成的机理 物理吸附膜 化学吸附膜 一 切削液的作用 1 7 5切削液的选择 1 7切削加工的经济性与可行性 清洗作用金属切削过程中 有时产生一些细小的切屑 为了防止碎屑或磨粉划伤工件已加工表面和机床导轨面 防止磨屑嵌在砂轮空隙中降低磨削性能 要求切削液具有良好的清洗作用 清洗性能的好坏与切削液的渗透性 流动性和使用压力有关 防锈作用防锈作用取决于切削液本身性能 加入防锈添加剂 可在金属表面吸附或化合 形成保护膜 防止与腐蚀介质接触而起到防锈作用 一 切削液的作用 1 7 5切削液的选择 1 7切削加工的经济性与可行性 为了改善切削液的性能而加入的化学物质称为添加剂 常见的有油性 极压添加剂 乳化剂 表面活性剂 防锈等 油性添加剂油性添加剂主要起渗透和润滑作用 它降低油与金属的界面张力 使切削油很快渗透到切削区 在一定的切削温度下形成物理吸附膜 减小切屑 工件和刀具界面的摩擦 它主要用于一般金属低速精加工时温度和压力较低的状态 高温高压时将被破坏 常用的油性添加剂为动 植物油及油酸 胺类 醇类及酯类等 二 切削液中的添加剂 1 7 5切削液的选择 极压添加剂在极压润滑状态下 切削液中必须添加极压添加剂来维持润滑膜的强度 它与金属表面起化学反应 形成化学吸咐膜 熔点高得多 可防止极压状态下金属摩擦面直接接触 减小摩擦 多数难切削金属的加工 属于极压润滑状态 需加极压添加剂 常用的极压添加剂为含硫 磷 氯等有机化合物 与金属生成氯化铁 硫化铁 磷酸铁等化学吸附膜 能在高温下保持润滑作用 二 切削液中的添加剂 1 7 5切削液的选择 乳化剂乳化剂是使矿物油和水乳化 形成稳定乳化液的添加剂 它是一种表面活性剂 它的分子是由极性基团和非极性基团两部分组成 表面活性剂在乳化液中 除了起乳化作用外 还能吸附在金属表面上 形成润滑膜 起油性添加剂的作用 二 切削液中的添加剂 1 7 5切削液的选择 乳化液示意图 防锈添加剂它是一种极性很强的化合物 与金属表面有很强的附着力 吸附在金属表面形成保护膜 或与金属表面化合形成钝化膜 起防锈作用 常用的防锈添加剂有水溶性类和油溶性类 前者以碳酸钠 三乙醇胺等 后者如石油磺酸钠 石油磺酸钡等 应用较广 除上述添加剂外 有时还可添加抗泡沫剂 防霉添加剂等 生产中根据具体切削条件和使用要求 综合添加几种添加剂 以得到效果较好的切削液 二 切削液中的添加剂 1 7 5切削液的选择 金属切削加工中学用的切削液可分三大类 水溶液 乳化液 切削油 水溶液主要成分是水 水的热导率和比热容都比油大得多 流动性又好 可以吸收大量的热 其中加入了一定量的防锈剂 用于粗磨 加入一定的油类 可用于精磨 三 切削液的种类 1 7 5切削液的选择 乳化液乳化液是乳化油用水稀释而成 乳化油是由矿物油 乳化剂及添加剂配成 用95 98 水稀释成乳白色的或半透明的乳化液 它有良好的冷却作用 但润滑 防锈性能较差 可再加入一定量的油性 极压添加剂和防锈添加剂 特点 流动性好 冷却能力强 应用最为广泛 应用 低浓度的用于粗车和磨削 高浓度的用于精车 铰孔和铣削等 三 切削液的种类 1 7 5切削液的选择 切削油矿物油 动植物油和复合油矿物油常用的有5 7 10 20 30 机械油和轻柴油 煤油等 但需要加入油性 极压添加剂 动植物油 如豆油 菜油 棉子油 蓖麻油 猪油等 复合油是将植物油或动物油脂与矿物油混合制成 特点 润滑性好 流动性差 冷却作用小 应用 低速精加工 如精车丝杠 螺纹等 三 切削液的种类 1 7 5切削液的选择 切削液应根据工件材料 刀具材料 加工方法和加工要求的具体情况选用 否则不能取得应有的效果 高速钢刀具耐热性差 故应采用切削液 硬质合金刀具由于耐热性好 一般不用切削液 若适用切削液必须连续 充分地供应 否则高温下刀片冷热不匀 容易产生很大内应力而导致裂纹 切削钢料等塑性材料 需用切削液 切削铸铁等脆性材料 则一般可不用切削液对于铜 铝及铝合金 为了得到较高表面质量和精度 可采用10 20 乳化液 煤油或煤油与矿物油的混合 不用含硫的切削液 四 切削液的合理选用 1 7 5切削液的选择 钻孔 攻丝 铰孔和位削等 其排屑方式为半封闭状态 宜用乳化液 极压乳化液和极压切削油 成形刀具 螺纹和齿轮刀具要求保持形状 尺寸精度 且其加工成本