高效切削范文（精选10篇）
高效切削 第1篇
在金属切削过程中,刀具磨损是学者们普遍关注的问题,因为它涉及刀具寿命、生产率、经济性、加工精度、表面质量、可靠性等方面。刀具磨损是切削过程中由于刀具和工件材料摩擦产生的复杂的物理、化学和热力现象,虽然有许多不同的理论用于解释刀具磨损,但是切削区域的复杂性阻碍了刀具磨损理论的系统化。
1 刀具磨损的合理评估
1.1 传统刀具磨损评估标准[1]
刀具磨损主要发生在前刀面或是后刀面,同时发生磨损的情况居多。前刀面磨损程度常以月牙洼深度KT衡量;后刀面磨损一般用后刀面磨损带宽度VB值表示,并以此值来确定刀具寿命(见国家标准GB/T16461-1996)。
1.2 传统刀具磨损评估存在的问题
从典型的磨损曲线中可以看出,磨损量(后刀面磨损带宽度)随着切削时间或是切削路程的增加而增大,如图1所示。然而,刀具磨损不仅与切削时间和切削路程有关,还与刀具的几何参数(前角、后角、主偏角等),切削用量(切削速度、进给量、切削深度),工件材料的力学、物理和化学性能,切削过程中是否使用切削液以及切削液的种类等因素都有着密切的关系[2,3]。
传统刀具磨损标准没有考虑上述因素,在实际应用和刀具设计中存在一定的局限性和不充分性。例如:不适用于不同几何角度或是不同切削参数下的刀具耐磨性比较;不能反应出刀具达到磨损标准时金属材料的去除量;不利于对刀具几何角度及其工艺过程进行改进和优化等[2]。
由此可见,传统的刀具磨损标准对刀具耐磨性的描述是不充分的,忽略了切削系统的许多因素,与切削过程的实际情况不符。
1.3 刀具磨损的合理评估
为了更合理的评估刀具磨损,需引入合适的特征,用表面磨损率评估刀具磨损更为合理。
表面磨损率[2~4]是指在稳定磨损阶段,加工出1000 cm2工件表面积的刀具径向磨损,即:
hr-i,li是初始径向磨损和切削路程,l是当前的切削路程。
为了便于测量,用刀尖处后刀面磨损带宽度值VB代替径向磨损hr和hr-i来计算表面磨损率,即:
VBC,VBC-i分别是当前和初始的后刀面磨损带宽度。
表面磨损率是刀具磨损的通用特征,它在切削速度、进给量的任意搭配下,以及采用各种不同的磨损标准时,均能客观的比较各种刀具材料的切削性能[3]。国内外学者对刀具磨损机理研究的较多[5~9],刀具磨损率的研究鲜有报道。
2 最小表面磨损率和最佳切削温度
Makarow[3]试验发现,在刀具和工件材料一定的条件下,刀具的表面磨损率会随着切削速度的增加而减小,并在某个速度下达到最小值(最小表面磨损率hs min),然后又会随着切削速度的增加而增加,达到最小值时对应的切削速度称为最佳切削速度vopt。同时指出,在切削速度、进给量和切削深度不同搭配下的最佳切削速度,对应着切削区的恒定温度,即最佳切削温度θopt。V.P.Astakhov[2]在此基础上进行了深化和延伸,指出在最佳切削温度下,刀具的表面磨损率最小,稳定切削力最小,已加工表面质量最高。换句话说,获得最小表面磨损率的切削速度为最佳切削速度vopt,所对应的切削温度为最佳切削温度θopt。
3 铁基高温合金GH2132表面磨损率试验研究
GH2132(0Cr15Ni26Mo VTi2B)是一种时效硬化型铁基高温合金,在650℃以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度,并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能。适合制造在650℃以下长期工作的航空发动机高温承力部件,如涡轮盘、压气机盘、转子叶片和紧固件等[10]。试验切削试件几何尺寸为Ø96×500 mm,对试件进行X射线荧光分析,主要化学成分及含量如表1所示。
3.1 试验条件
试验用车刀杆型号为STGCR2525M16,γo=0°,λs=0°,κr=90°;车刀刀片为(Ti,Al)N+Ti N涂层硬质合金刀片,αo=7°;试验在CA6140车床上进行,使用Kistler 9265A车削测力仪对切削力进行采集,使用NEC TH5104R红外热像仪对切削区域的温度进行检测,使用Dino-Lite数字显微镜和KEYENCE超景深显微系统VHX-600对刀片后刀面磨损带宽度进行测量,使用TR200便携式表面粗糙度仪对试件表面粗糙度进行采集,整个试验过程为干式切削。
3.2 试验方案
在进给量f=0.1 mm/r和切削深度ap=0.1 mm的条件下,测量计算5种不同切削速度下(19,30,38,48,60 m/min)刀具的表面磨损率hs,确定最小磨损率hs min及其所对应的最佳切削速度vopt和温度θopt。
首先,在5种不同的切削速度下预切削试件,使刀片分别进入相应的稳定磨损阶段,具体操作如下:切削20 s、40 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s后,卸下刀片,用Dino-Lite数字显微镜对刀片后刀面磨损带宽度VB进行观察测量,如果磨损测量值与时间成正比且缓慢增加,即具有基本不变的斜率,说明刀片已经进入到稳定磨损阶段。
例如:在v=30 m/min时,从90s开始曲线平缓且稳定,斜率k=0.10~0.16,基本保持不变,则认为刀具磨损进入稳定阶段,如图2所示。90s时刀具后刀面磨损带宽度值115.9 9μm(KEYENCE超景深显微系统VHX-600测量值)为v=30 m/min时的初始后刀面磨损宽度值,记为VBC-i。
不同速度下,刀片在不同时间内进入稳定磨损阶段。在此基础上,再分别切削1000 cm2的工件表面积,卸下刀片,使用KEYENCE VHX-600对当前的后刀面磨损带宽度值进行测量,测量值记为VBC。根据初始和当前的后刀面磨损带宽度值可以得出不同速度下的表面磨损率值hs,如表2如示。
3.3 试验结果分析
试验得到的结果与理论一致,如图3所示。表面磨损率hs先随切削速度的增大而减小,在v=38m/min时取得最小值,然后随切削速度的增大而增大,表面磨损率随切削速度变化的曲线形状类似反驼峰;最小表面磨损率对应的已加工表面粗糙度值也最小,Ra=0.855μm(测量6次,取平均值),如图4所示。根据表面相对磨损率的理论,切削铁基高温合金GH2132,在f=0.1 mm/r,ap=0.1 mm的条件下,在切削速度v=38 m/min时获得最小表面磨损率hs min=30.08μm,所对应的最佳切削速度为vopt=38 m/min,最佳切削温度为θopt=336.4℃。
试验观察到,在低速切削时,振动很明显,振动产生的冲击使得刀刃微崩,如图5(a)所示。切削力波动很大,如图6所示,瞬时值可达近250N,是该速度下正常切削力数值的3倍多。持续的高频振动使刀-工接触面的磨损条件恶化,加大了刀具的磨损。此外,同样加工1000 cm2表面积,低速下切削时间长(v=19 m/min时,t=54 min),刀具长时间在较高温度下(307.3℃)工作,使得表面磨损率增大。
当切削速度在38 m/min左右时,切削力相对稳定,刀具的磨损均匀,没有发生微崩刃现象,见图5(b)。此时切削温度处在最佳,摩擦力和摩擦系数减小,刀具和工件材料的硬度比(H1/H2)也处在最优状态[3];随着切削速度的提高,切削时间减少(v=38 m/min时,t=28min),刀具在较高温度下工作的时间也减少,此时表面磨损率取得最小值。
随着切削速度的继续增大,切削力随之增大,在切削刃边缘出现微崩刃现象,如图5(c)所示。单位时间内的切削路程和材料去除率增大,产生的摩擦热明显高于低速,切削温度升高,刀具的氧化磨损加重。刀刃A点处的EDS分析显示,此处氧元素(O)含量较高(如图7所示),为15.62%,远远大于低速切削时(v=19m/min)氧元素(O)的含量1.83%。刀具工作表面更易产生疏松脆弱的氧化层,在切削过程中被切屑或工件带走,使得表面磨损率增大。
试验发现,已加工表面粗糙度Ra值随着切削速度的增大先降低,在最佳切削速度vopt=38m/min左右达到最小值,然后随切削速度的增大再次升高,曲线Ra=f(v)在一定速度范围内有极小值的特征。当v
4 结论
1)试验表明,在不同的切削速度下刀具表面磨损率是不同的。因此,用相同切削速度在不同时间得到的磨损值来体现刀具的耐磨性能是不充分的。显然,用表面磨损率描述刀具耐磨性能更为合理,它可以用于不同几何角度,不同切削参数等条件下刀具耐磨损性能的判断比较。
2)在f=0.1mm/r,αp=0.1mm条件下车削铁基高温合金GH2132,vopt=38m/min时刀具取得最小表面磨损率hs min=30.08μm,对应的最小已加工表面粗糙度Ra=0.855μm,最佳切削温度θopt=336.4℃。
参考文献
[1]龚雯.加工中心操作工工作手册[M],化学工业出版社,2007:235.
[2]Viktor P.Astakhov,Tribology of Metal Cutting[M],2006:221-239.
[3]杨锦华译.切削过程最优化[M],国防工业出版社,1988:50-73.
[4]Viktor P.Astakhov,The assessment of cutting tool wear,International Journal of Machine Tool&Manufacture44(2004):637-647.
[5]J.A.Ghani,I.A.Choudhury,H.H.Masjuki.Wear mechanismof TiN coated carbide and uncoated cermets tools at highcutting speed applications.Journal of Materials ProcessingTechnology,2004.
[6]Abhay Bhatt,Helmi Attia,R.Vargas et al.Wear mechanismsof WC coated and uncoated tools in finish turning ofInconel 718.Tribology International,2010.
[7]K.Kadirgama,K.A.Abou-El-Hossein,M.M.Noor et al.Toollife and wear mechanism when machining HastelloyC-22HS.Wear,2011.
[8]R.G.Vargas Pérez.Wear mechanisms of WC inserts in facemilling of gamma titanium aluminides.Wear,2005.
[9]T.Kagnaya,C.Boher,L.Lambert et al.Wear mechanisms ofWC-Co cutting tools from high-speed tribological tests.Wear 2009.
难切削材料切削加工技术 第2篇
学 院： 机械工程学院
专 业： 机 械 工 程
2013年 1 月 5日
难切削材料切削加工技术
摘要：本文阐述了难切削加工材料的定义，简单地介绍了几类难加工材料，从切削力、切削温度、刀具磨损等方面介绍了难加工材料的加工特点，并对其产生原因进行了分析。针对难加工材料在加工过程中出现的问题，本文描述了改善难加工材料的切削加工性的方法及其机理，具体对改变材料本身特性、选择刀具材料、润滑冷却方式进行详细介绍。关键词：难加工；材料；加工性；加工技术
Difficult cutting material machining
technology
Wang Xuebin(Guizhou university mechanical engineering institute Guiyang guizhou 550025）
Abstract：This paper expounds the definition of material to cutting processing, and difficult-to-machine materials processing features was reviewed ,Simply introduce several kind of difficult processing materials, from the sides of cutting force, cutting temperature, tool wear , etc, and its reasons were analyzed.For these problems that exist in the process of machining difficult-to-machine materials , this paper describes the method that improve difficult-to-machine materials processing cutting features and its mechanism, the concrete is introduced about changing materials itself characteristics, choiceing of cutting tool materials and lubrication cooling way.Key words: difficult processing;Materials;Machining;Processing technology
从某种意义上说，它们对加工的特殊要求起引言 到了促进加工技术发展的作用。现在，人们然而长期以来难加工材料如钛合金、高已经掌握了很有效的难加工材料加工方法。
温合金、不锈钢等其切削加工性极差，给生产带来效率低、质量差、刀具损耗等问题，难加工材料的定义 一直是加工中的难题。随着制造业的发展，难加工材料是指难以进行切削加工的21世纪这些材料的用量迅速增加，加工的矛材料，即切削加工性差的材料。切削加工性盾将变得突出。与此同时，产品的材料构成等级代号5级以上的材料均属于难加工材也不断优化，新的工程材料也不断问世，而料。从材料的物理力学性能看，硬度高于每一种切削材料的采用都对切削加工提出
250HBS、强度b0.98GPa、延伸率大于了新的要求。如在切削加工比较集中的汽车工业，其发动机、传动器零件中硅铝合金的30%、冲击值ak9.8105J/m2、热比例在逐渐增加，并开始引入镁合金和新的高强度铸铁以减轻汽车重量，节省能耗。又o系数k41.9W/(mC)的均属于难加工如在航空航天工业，钛合金、镍合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和材料之列，如钛合金、高温合金、不锈钢、加工难度都将进一度的增加，能否高效加工高强度钢和超高强度钢、复合材料以及硬脆这些材料，直接关系到我国汽车、航空航天、材料。
难加工材料的分类： 能源等重要工业的发展速度和制造业整体（1）钛合金
o钛是同素异构体，熔点为1720C，在水平，也是对切削技术的最大挑战。但低于882oC时呈密排六方晶体结构，称为钛；在高于882oC时呈密排六方晶体结构，称为钛。利用钛的上述两种结构特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及其相分含量改变而得到不同类型的钛合金。
钛合金的性能特点如下：比强度高、热强度高、抗蚀性好、低温性好、化学活性大、导热性差、弹性模量小。
（2）高温合金
高温合金又称耐热合金或热强合金，它是多组元的复杂合金，以铁、镍、钴、钛等为基础，能在600—1000度的高温氧化环境及燃气腐蚀条件下工作，而且还可以在一定应力作用下长期工作，具有良好的热强行能热稳定性能和热疲劳性能。
（3）不锈钢
不锈钢是指在大气中或在某些腐蚀性介质中具有一定的耐腐蚀能力的钢种。不锈钢种类很多，按其成分可分为钴不锈钢和钴镍不锈钢两大类。
（4）高强度钢与超高强度钢
高强度钢和超高强度钢为具有一定合金含量的合金钢。他们的原始强度、硬度并不高，但经过调质处理（一般为淬火和中温回火），可获得较高或很高的强度。
（5）复合材料
复合材料是指两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质人工制成的多相组成固体材料，是由增强相和基体相复合而成的，并形成界面相。增强相主要是承载相，基体相主要是连接相，界面相的主要作用是传递载荷，三者的不同成分和不同复合工艺使复合材料具有不同的性能。
（6）硬脆性材料
硬脆性材料具有高强度、高硬度、高脆性、耐腐蚀和腐蚀、隔热、低密度和膨胀系数及化学性能好等特点，是一般金属材料无法比拟的。硬脆性材料由于这些独特性能而广泛应用于光学、计算机、汽车、航空航天、化工、纺织、冶金、机械和军事等领域。
难加工材料的加工特点
难加工材料的切削加工性差一般有以下几个方面： 高强度： 2 高硬度； 高塑性和高韧性； 4 低塑性和脆性； 5 低导热性； 有大量微观硬质点或夹杂物； 7 化学性质活泼
这些性质一般都能使切削过程中切削力加大、切削温度升高，刀具磨损严重，刀具使用寿命缩短，加工表面质量恶化，切削难以控制，最终导致加工效率和加工质量降低，加工成本升高。下面详细介绍难加工材料的切削加工性及其产生机理。（1）切削力大
凡是硬度和强度高、塑性和韧性大、加工硬化严重、亲和力大的材料，切削功率消耗大，切削力大。这就要求加工设备功率大，刀具有较高的强度和硬度。表1.1是几种典型难加工材料的切削力的对比。（2）切削温度高
由于难加工材料呢往往加工硬化严重，强度高，塑性和韧性大，亲和力大而导热系数小，切削过程中会产生较大的热量，但散热性能差，因此切削温度较高。如钛合金的传导率只有45钢的1/6左右，且刀-屑接触长度短，切削热集中在切削刃附近，因此切削温度很高，往往是45钢的一倍以上。（3）刀具磨损严重，使用寿命短
凡是硬度高或有磨粒性质的硬质点多或加工硬化严重的材料，刀具的磨料磨损都很严重。另外，导热系数小或刀具材料易亲和、黏结也会造成切削温度高，从而使得黏结磨损和扩散磨损严重。因此难加工材料切削过程中使用寿命铰短。
（4）加工表面粗糙，不以达到进度要求
加工表面硬化严重、亲和力大、塑性和韧性大的材料，其加工表面粗糙度大，表面质量和精度均不易达到要求。（5）切屑难于处理
强度高、塑性和韧性大的材料，切屑连绵不绝、难以处理。切削过程中，切削应得到很好地控制，不能任其缠绕在工件或刀具上，划伤已加工表面、损坏刀具，甚至伤人。
难加工材料切削加工性的改善 1.改变材料本身的切削加工性
改善材料本身的切削加工性首先可以采用适当的热处理方法。在被加工材料化学成分已定的情况下，经过不同的热处理工艺可得到不同的金相组织，材料的力学、物理性能机加工性将出现很大的差别。故应当采用适当的热处理方法，并合理安排热处理加工工序。如低碳钢的热塑性很大，可进行冷拔或正火以降低塑性，提高硬度，使切削加工性得到改善；马氏体不锈钢也经常进行调质处理，以降低塑性，减少以加工表面粗糙度，使其较易加工；高强度钢在退火、正火状态下，切削加工并不太困难，粗加工躲在这时进行；经过调质，高强度钢的硬度、强度大为提高，变得难加工，此时可进行精加工或半精加工。
其次是可以改变材料的化学成分。在保证材料力学、物理性能的前提下，在钢中适当添加一些元素，如S、Pb、Ca等，其加工性可得到显著改善，这样的钢称为“易切钢”。易切钢可以使刀具耐用度提高，切削力减小，容易断屑，提高以加工表面的质量。易切钢的添加元素几乎都不能与钢基体固溶，而已金属或非金属夹杂物的状态分布，从而改变了钢材的内部结构与加工时的变形状况，使其加工性得到改善。在奥氏体不锈钢中添加S元素会降低不锈钢的抗腐蚀性，可在奥氏体不锈钢中添加Se元素，所形成的硒化物可提高切削加工性而不影响抗腐蚀性。合理的选用刀具材料
刀具材料的切削性能对切削加工技术的水平影响很大。切削难加工材料时，必须尽可能采用高性能的刀具材料。由于难加工材料种类繁多，性质迥异，在选用刀具时，必须注意刀具材料与被加工材料在力学、物理性能和化学性能之间的合理匹配。
常用于难加工材料切削的刀具材料有高性能高速钢、粉末冶金高速钢、添加TaC和NbC的硬质合金、细晶粒和超细晶粒硬
质合金、TiC硬质合金、添加稀土元素的硬质合金、各种陶瓷材料以及CBN和金刚石等超硬材料。
在韧性较好的刀具基体上，进行表面涂层，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层是提高刀具切削性能的有效途径。与未涂层刀具相比，刀具经过涂层后，可以采用更高的切削速度，或在同样的切削速度下大幅度地提高刀具使用寿命，也可以减少刀具与工件材料之间的摩擦系数，从而减少切削力，改善被加工材料的表面质量。
采用PVD方法在高速钢基体上可涂覆一层致密、坚硬、厚度为几微米的氮化物或碳化物，使高速钢刀具的寿命和切削性能得到大幅度地提高。这种加工方法适用于麻花钻、立铣刀、丝锥、齿轮滚刀和插齿刀等重磨前刀面的刀具。采用PVD和CVD的方法在韧性较好的硬质合金基体上涂覆一层或多层的高硬度和高耐磨性的材料，可获得高韧性又有高耐磨性的刀具材料。3.合理的适用润滑冷却方式
在难加工材料切削过程中，合理使用切削液尤为重要。切削液基本上分为三类：切削油、乳化液、合成切削液。切削油的组要成分是矿物油；乳化液系用乳化油加水稀释而成；而乳化油则由矿物质油、乳化剂及其他物质配成；合成切削液是水基，再加入其他成分构成。以上三类切削液均需加入各种添加剂。切削液具有冷却作用和润滑作用，能够有效的降低切削区刀具表面和工件表面的温度，改善刀具与切屑、工件表面之间的摩擦状态，从而减小刀具磨损并提高以加工表面质量；切削液有清洗作用，能将碎屑（如切铸铁）和粉屑（如磨削）冲走；切削液还能防锈，工作性能稳定，且不污染环境，并对人体无害。同时，在金属切削加工领域也可采用低温雾化切削、油雾冷却、低温冷风切削、MQL微量润滑等绿色切削技术。4.采用其他加工方法 1 热处理渗入可逆元素 对于某些材料还可以通过热处理渗入可逆元素来改善切削加工性，加工完成后去除可逆元素，保持工件的原有特性，如钛合金渗氢处理切削加工性显著改善，切削加工后在进行去氢处理。局部加热切削加工 在切削加工中，局部加热工件切削区域可使材料切削变形区的应力降低，切削力则相应降低，有利于提高刀具使用寿命，切削速度可提高。但加热切削法对被加工表面和表层的物理力学性能有影响，选用时应谨慎。低温切削加工 切削过程中通过一定的强制冷却手段使得工件保持低温状态，工件的力学性能向有利于切削加工的趋势变化，刀具则因低温环境切削加工性能更好，寿命提高。磁化切削加工 使工件和刀具两者之一被磁化，切削过程中带磁切削，切削加工性可得到改善。振动切削加工 低频振动切削具有很好的断屑效果，可不断用断屑装置，使刀刃强度增加，切削时总功率消耗比带有断屑装置的普通切屑降低40%左右。高频振动切削也称超声波振动切削，有助于减小刀具与工件之间的摩擦，降低切削温度，减少刀具的粘着磨损，从而提高切削效率和加工表面质量，刀具寿命约可提高40%。
结束语：
难加工材料加工技术是机械加工工业的关键技术，它的发展体现着国家制造业的制造水平。目前难加工材料加工技术发展日趋成熟，已经实现了对钛合金、高温合金、不锈钢等多种难加工材料的加工。但随着科学技术的发展，必将对产品零部件的性能提出新的和特殊的要求，会有更多难加工材料需要加工，难加工材料加工技术也将会得到更加广泛的应用。
[1]张念淮.难加工金属材料的切削加工技术[J].郑州铁路职业技术学院学报.2008（7）[2]郑文虎，等.难切削材料加工技术问答[M].北京出版社，2001.55-73 [3]左敦稳，黎向峰，等.现代加工技术[M].北京航空航天大学出版社.2009（8）314-362 [4]邹西洋，难加工材料的特性及其应用前景.金属处理第28卷第4期：44-46 [5]吴成建，陈国良等.金属材料学[M].冶金工
业出版社，2009.18-53
切削用量对切削过程的影响 第3篇
【关键词】切削用量；切削过程
切削用量是表示主运动及进给运动大小的参数，合理选择切削用量对提高加工质量和生产效率有至关重要的作用。切削过程是指在刀具的切削刃的切割和前刀面的推挤作用下，使被切削的金属层产生变形、剪切、滑移而变成切屑的过程。在这一过程中，会出现一系列的物理现象，如：切削力、切削热、积屑瘤、刀具的磨损等等。研究切削用量与这些物理现象之间的变化规律，有助于我们合理正确地选择切削用量。
一、切削用量對切削力的影响
切削力是工件材料抵抗切削所产生的阻力，切削力来源于变形抗力和摩擦力。切削力是设计机床、夹具和刀具的重要依据。根据切削力产生的作用效果的不同，可将切削力分解成三个相互垂直方向的分力。它们分别是：主切削力Fc，进给抗力Ff和切深抗力Fp，其中Fc是切削总力F沿主运动切向分解而得，是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率的主要依据；Ff也叫轴向力，它作用在进给方向，是设计进给机构，校验机床进给系统主要零部件强度的依据；Fp也叫径向力，车外圆时，切深抗力Fp是使工件在水平面内发生弯曲的力，而且Fp是产生振动的重要因素。
1、进给量f对切削力的影响 在一般车削中，当进给量f不变时，将背吃刀量aP增大一倍，主切削力也成倍增长；当背吃刀量aP不变时，将进给量f增大一倍，主切削力约增大70%～80%.
2、切削速度νc 对切削力的影响 低速和高速切削塑性金属时，切削力一般随着切削速度的提高而减小，这是因为切削速度的提高，切削温度也增高，摩擦系数减小，变形也就减小，切削力下降的缘故；而在中速范围，极易产生积屑瘤而使刀具实际前角增大，切削力减小；切削脆性金属时，因为变形和摩擦均较小，故切削速度的改变对切削力影响不大。所以切削用量三要素对切削力的影响由大到小的顺序是：aP>f>νc
二、切削用量对切削温度的影响
切削热来源于切削金属发生弹性变形和塑性变形产生的热量以及刀具前刀面与切屑、工件与刀具后刀面的摩擦产生的热量。
切削用量三要素增大，切削温度都会升高，因为νc、f 、aP增大时，变形增大，摩擦加剧，切削功率增大，所以切削温度升高。
1、背吃刀量aP对切削温度的影响 当背吃刀量aP增大后，主切削刃参加切削的长度也以相同比例增加，显著改善了散热条件。当背吃刀量aP增大一倍时，切削温度仅提高3%。
2、进给量f对切削温度的影响 当进给量f增大时，切屑与刀具前刀面接触长度增加，散热条件有所改善，因此，进给量f提高一倍，切削温度提高10%。
3、切削速度νc对切削温度的影响 当切削速度νc提高，虽然切削力略有下降，但切屑与刀具前刀面接触长度减小，散热条件变差，当切削速度νc提高一倍，切削温度增加20～33%。切削用量三要素对切削温度的影响由大到小的顺序是：νc>f>aP。
三、切削用量对刀具磨损的影响
刀具严重磨损不但影响工件的加工精度和表面质量，而且严重的会造成重磨困难，增加刀具材料的消耗，缩短刀具的使用寿命。所以，刀具磨损对产品生产效率以及加工成本都有直接影响。
刀具正常的磨损形式有三种：
1、后刀面的磨损 这种磨损的部位主要在后刀面上，一般是在切削脆性金属或以较低的切削速度和较小的切削厚度（ac<0.1mm）切削塑性金属时产生的。
2、前刀面磨损 这种磨损形式主要发生在前刀面上。一般在较高的切削速度和较大的切削厚度（ac>0.5mm）切削塑性金属时，切屑从前刀面流出，由于摩擦、高温高压的作用而产生。
3、前、后刀面同时磨损 这种磨损形式是指切削后，刀具上出现前刀面和后刀面的磨损，这是采用中等切削速度和中等进给量切削塑性金属时，较常出现的磨损。刀具的磨损是由机械摩擦和热效应两方面造成的，因此，影响刀具磨损的因素基本与影响切削温度的因素相同。
四、切削用量对断屑的影响
车削塑性金属时，被切削金属层产生变形、剪切、滑移变成切屑，切屑在流动和卷曲的过程中碰到障碍物，再经受附加变形，若附加变形的强度足以使切屑断裂时，切屑会折断。在车削时，一般根据加工要求来可靠地控制切屑的流向、卷曲和折断。处理不当就会影响生产的顺利进行，经常停车去消除切屑会增加加工辅助时间，使切屑拉毛工件表面，严重的还会影响到操作者的安全。那切削三要素对断屑的影响又如何呢？生产实践和实验证明，切削用量对断屑的影响最大的是进给量f，其次是背吃刀量aP，最后是切削速度νc。
1、进给量f 进给量加大，切削厚度ac的比例增大，使切屑卷曲半径rch减小，弯曲应力σ增大，切屑易断屑。
2、背吃刀量aP 背吃刀量aP的改变会影响切屑流出的方向。切屑流出方向与主剖面形成一个出屑角η，出屑角η的大小对切屑的弯曲和折断、切屑形状有很大的影响。背吃刀量aP小，使过渡刃和副切削刃参加切削的比例增大，出屑角η增大，η较大易产生管状螺旋屑和带状切屑。η适中时，切屑会碰到刀具后刀面而折断。
3、切削速度νc 切削速度νc提高后，切削温度升高，在一般情况下，切屑塑性增大，变形减小，切屑不易折断。
因此，如果出现不断屑的情况，在切削用量方面可以首先考虑增大进给量f来断屑。
五、切削用量对积屑瘤的影响
用中等切削速度切削塑性金属，有时在车刀的前刀面上近切削刃处牢牢粘着一块小金属，这就是积屑瘤。在切削过程中，由于金属的变形和摩擦，使切屑和刀具前刀面产生很大的压力和很高的温度，当温度和压力条件适当时，切屑和前刀面之间会产生很大的摩擦力，当摩擦力大于切屑内部的结合力，切屑底层的一部分金属就“冷焊”在前刀面近切削刃处，形成积屑瘤。
积屑瘤有益有弊，在精车时，积屑瘤的存在就是有害的，因为它会严重影响工件表面质量和尺寸精度。
影响积屑瘤的因素很多，如工件材料、切削速度、刀具前角、刀具前刀面的表面粗糙度和切削液等等，其中，切削速度的影响最大。
当切削速度较低，νc<5m/min时，切屑流动较慢，切削温度较低，切屑与前刀面接触不紧密，摩擦系数低，不会产生积屑瘤。
当切削速度νc>70m/min时，切削温度很高，切屑底层金属变软，摩擦系数明显下降，也不会产生积屑瘤。
当切削速度νc≈15～30m/min时，切削温度约为300℃左右，切屑底层金属塑性增加，切屑与前刀面接触面增大，摩擦系数最大，最易产生积屑瘤。
由此可见，在精加工时，为避免产生积屑瘤，应用高速钢刀具低速车削（νc<5m/min），或用硬质合金刀具高速切削（νc >70m/min）。
综上所诉，切削用量对切削过程中一系列的物理现象都有重要影响，因此，掌握这些规律对合理选择切削用量有积极意义。
参考文献
[1]车工工艺学[M]96版
作者简介
模具加工的最新需求及高效切削刀具 第4篇
1.1 关于切削特征
最近一段时间中, 人们使用切削处理来代替之前的放电制作活动, 此类需求开始朝着零件中上细且深的位置。当用立铣刀制作的时候, 适用的主流刀具是小直径球头立铣刀。不过, 用那些尺寸不是很大的设备来制作的时候, 会面对如下的一些不利现象。第一, 切削的阻力会明显的变高。第二, 中心位置的处理速率无法显著的提升。第三, 在理论上, 其有着一些残留区域。
为了合理的应对上述的不利现象, 日立工具开发了小直径长颈系列Epoch深切削圆角立铣刀。当用这种设备来设置的时候, 假如设备的切削处的前方阻力比较的高的话, 就容易出现振动, 此时就不能够在合理的切削氛围中处理, 进而干扰到制作的效果。站在探索其阻力的层次上来分析球头立铣刀与R角立铣刀, 我们得知, 第二个的接触规模不是很大, 而且它的阻力也不高。
除此之外, 当等高线一样的时候, 第一种设备有着一定的残留区域, 特别是速率不高的上方区域非常的易被损坏。但是使用后一种设备的话, 就会出现合理的切削区域, 所以有着非常高的稳定性特征。
现在开发的Epoch深切削圆角立铣刀能够防止深切削时产生的颤振。为了合理的提升制作的功效, 所以用了倒锥形的方法。此类设计能够应对制作时期, 因为刀具不直顺而导致的其外在和被切削的区域存在连接的现象, 进而确保制作活动稳定。除此之外, 对于其涂层区域, 使用那种具有优秀的硬度特征, 同时非常抗摩擦的, 能够合乎当前装置的制作工作。
接下来以具体的案例来分析设备的特征。
1.2 制作案例
1.2.1 沟槽高效加工实例
要想对其开展合理的制作活动, 需要在一定程度上加大XY方向的步距, 不过要是使用球头形式的来制作的话, 就不能够提升处理的速率。
通过分析制作沟槽的实际特点我们能够发现, 假如将设定的步距变宽的话, 那么中心区域的破损性就会显著的增加。假如将该距离缩小的话, 把切削的性能降低, 虽然没有看到中心区受到干扰, 不过其前方区域的磨损却显著地增加了。通过运行Epoch设备的结局我们发现, 其不仅仅切削非常的合理, 同时磨损也不高, 尤其适合用到那些硬度较高的环境之中。
在这个处理过程中, 和球头的形式比对来看, 全新的设备需要的制作时间大大的降低了, 而且它的制作资金也减少了很多。
1.2.2 当硬度较高时的切削活动
从用长颈型立铣刀加工SKD11冷作模具钢的结果可以看出, 对于球头的设备来讲, 它的外在的切削刃被影响严重。但是新型的设备没有受到影响。此时我们得知, 因为球头的设备的切削刃的触碰面积非常广, 所有它的阻力就相应的要大, 速率快的外刃会受到影响。这个内容和上述的第一个内容是一样的, 此时圆角的设备的优点比较多。
通过上文在一样的制作背景下的的日立单位的圆角设备和别的单位的同类设备的比对来看, 别的单位制作的这种设备因为未用倒锥模式, 对于那些硬度比较大的物质来讲, 它的制作成就并不是非常的优秀。日立工具的新一代深切削圆角立铣刀因为采用了背斜式形状的独特设计, 外周切削刃为点接触式切削, 就算是用直切模式来制作的话, 它的阻力也不是很大, 同时其稳定性比较好。
通过分析Epoch深切削圆角立铣刀的加工实例可知, 它的性能非常好, 特别是对于硬度较大的物质来讲其意义更是显著。总的来讲, 合理的体现该设备的意义, 可对经过热处理淬火的材料直接进行沟槽加工, 由于制作时间变短了, 能够减少制作资金。通过测试, 我们发现, 使用这种设备的制作效率能够显著的提升, 同时它的制作资金也能够减少很多。
2 用于大进给粗加工的可转位圆角立铣刀
2.1 多刃型大进给圆角立铣刀
对于模具领域来讲, 其通常使用那些切深不是很大的, 进给较高的制作形式, 不过当前的市场背景中, 其应该显著的提升制作的功效。对于此种现象, 日立公司研究了全新的设备, 多切削刃的设备以及在大进给条件下也能承受高切削速度的涂层。
多刃型大进给圆角刀具的设计理念是在有限的刀具外径内, 结合过去的刃数设计措施, 把其面积变小, 不过不会干扰到刃口的特点。将大进给圆角立铣刀的刀片主切削刃半径设定为R8。与半径同为R8的圆刀片相比, 其有着一样的刃口特征, 不过又缩减了刀片的规模, 进而就具有了多刃的特征。以前外径为φ32的刀片都是2个刀刃, 而多刃型大进给圆角立铣刀的刀刃数多达5个, 比以往的产品提高了2.5倍。
2.2 大进给刀具的特点
以前用于粗加工的可转位刀具普遍配用圆刀片, 从外在上看, 可以获取非常多的切深量, 能在一次中处理非常多的物质, 不过因为它的切削刃与被加工材料的接触长度大于直线刃刀片的接触长度, 所以阻力变高了, 无法进行大进给的活动。
2.3 小切深、大进给加工的优点
采用圆刀片通过加大切深来提高加工效率时, 加工后工件上会留下明显的切削残留部分, 这将增加后续精加工刀具的加工负荷。虽然粗加工效率很高, 但会降低后续工序的加工效率。与此相比, 采用小切深、大进给加工时, 粗加工的切削残留部分减少, 更接近最终精加工的形状, 从而可减轻后续工序精加工刀具的负荷, 使粗加工和精加工的效率同时得到提高, 稳定可靠地实现高效加工。
3 超润滑JX涂层
3.1 低摩擦系数、高硬度、高韧性的JX涂层
JX涂层在钛、铝系化合物中添加了自润滑材料, 能利用切削热在涂层表面形成薄氧化层。该氧化层可提高润滑性能, 控制切削温度上升, 同时降低切削刃与被加工工件之间的亲和性, 抑制切削刃的粘结。JX涂层的硬度与硬度最高的Ti Si N系涂层相当, 高硬度可防止高速高效加工环境下的切削刃磨损, 大幅延长刀具的使用寿命。陶瓷系硬质涂层难以有效防止铣削加工特有的断续切削造成的热裂纹, 但JX涂层由于韧性大幅提高, 因此具有很高的抗崩刃性。
3.2 多刀刃、大进给圆角立铣刀的高速切削实例
使用多刃型大进给圆角立铣刀和JX涂层刀片在最新型的数控加工中心机床上进行高效加工的实例:多刃型大进给圆角立铣刀的刀刃外径为φ32mm, 有5个切削刃;刀片牌号为JX1045;被加工材料为40Cr Mn Mo7。在切削速度Vc=300mm/min、主轴转速n=3000/min、切削进给速度Vf=50m/min、每齿进给量fz=3.3mm/齿、切深ɑp×ɑe=0.3×25mm的切削条件下, 可轻快完成切削。加工所用的高速数控加工中心在国内外尚未普遍使用, 与目前普遍使用的切削进给速度10~20m/min的高速数控加工中心相比, 加工效率可提高2.5~5倍。而新一代多刃型大进给圆角立铣刀可使现有高速数控机床的功能发挥到极致。
4 结束语
巧用正手切削 第5篇
切削放小球
只靠持拍手变换握拍欺骗对手
过去普遍被认为没有气势的切削放小球的打法，现今已成为职业球员必须掌握的一项标准技术。随着切削放小球技术的普遍化，其手法上也有了新的变化。总的来说，放小球的成败关键在于如何隐藏击球意图，从而欺骗对手。过去的切削放小球基本都是在引拍过程中做出准备强打的气势，然后在非持拍手离开球拍前变换握拍。
不过最近几年，出现了一种更具欺骗性的做法：整个引拍过程和正常的正手击球都一样，在非持拍手离开球拍之后，只靠持拍手来变换握拍。这个动作只通过非持拍手完成，很难看破，并且是在将要挥动球拍之前才变换握拍的，因此欺骗对方的效果更胜一筹。这个动作的要点是轻松地举起球拍，感觉球拍浮在空中时，快速转动拍柄。相反的，如果把球拍横放的话会因为球拍的重量而难以转动拍柄。
▲查迪只靠持拍手变换握拍的短切球
图①查迪已完成引拍动作，左手也已离开球拍，但还保持着西方式握拍，仍然表现出抽击球的架势。然后在图②中握拍开始松动，图③快速变换为大陆式握拍。整个过程只依靠右手完成。
使用非持拍手变换握拍的方法
边引拍边依靠非持拍手变换握拍是过去非常普遍的一种做法。
球拍横放时很难改变握拍单手变换握拍中，要是球拍横放就会感觉到拍头的重量，不利于变换握拍。所以一定要球拍立起来。
球拍向后举至最高点时靠持拍手完成变换
要靠持拍手变换握拍的话，手腕必须放松，轻松地后举至最高点，感觉球拍浮起来没有阻力的瞬间，快速转动拍柄。
▲球拍上挥前要停止切削放小球挥拍的要点：把球拍向斜前下方挥，一旦完成切削，球拍往上走以前要停止挥动，一般在肚脐高度上停止挥动。很多人有继续往上挥动的倾向，这样做很容易造成打出的球弧线过高，一定要避免。
▲使用非持拍手变换握拍的孟菲尔斯
孟菲尔斯属于使用非持拍手变换握法的类型。他使用左手边引拍边用转动球拍(图①、②)。等到引拍完成的最后时刻才变换握拍，是非常值得我们学习的一点。有些选手在切削放小球前下功夫做到不让对手看穿握拍的变化，另外有些选手切削放小球前甚至根本不改变握拍。就像下面连续图所显示那样，科斯蒂亚在保持西方式握拍的情况下进行短切球。厚握拍看起来很难打出短切球，但一些年轻选手好像毫不在乎，或许今后的切削放小球真的可能没有必要变换握拍了?
防御性切削
勉强跑动到位的切削下旋球
正手被逼勉强跑到位回击，过去在这种情形下基本都是挑高球来进行防守，而现在越来越多职业球员开始采用切削下旋球来应付。尽管这不是准确率很高的打法，但一旦打到比较有威力的落点，球落地后的向前反弹又很快，很可能一下挽回被动局面。所以比起挑高球被对手打死，倒不如冒险赌一把这种更有希望反败为胜的防御性切削。
打这种防御性下旋球的动作要点是肘关节从弯曲的状态快速伸展，再加上甩腕动作快速地往下切削。打一般的下旋球或截击时要保持手腕的角度，但在这种防御性下旋球中切削的威力是优先考虑的，因此要用力伸展肘部、手腕两个关节。不过要注意的是，击球一定要在手臂和手腕完全伸直前完成。
▲手腕向下拍东西的感觉尽力往下切
这种切削下旋球不要过多考虑落点的准确性，重要的是大胆地往下切，结合肘关节的伸展和甩腕的动作来切削球。
一般的削球要保持手腕的角度
防御性切削则要打开手腕的角度
一般情况下，欲求稳定的削球应尽量保持手腕的角度(左图)。但是防御性切削讲究的是切削的力度，所以得尽量打开手腕的角度(右图)。不过击球一定要在手腕完全伸直前完成。
▲库兹涅佐娃的防御性切削下旋球
高效切削 第6篇
1 传统切削机理的研究现状
目前, 加工行业相当关注高硬度材料的切削加工、超精密切削加工、干式切削加工和高速切削加工等先进制造技术, 而相对传统的切削加工技术看似是停滞不前的。但事实上却并非如此, 这是因为多方向切削技术的出现, 这种切削技术可能降低生产成本, 同时也能使生产效率提高。那么有人要说先进制造技术不就是提高生产效率的吗?是的, 先进制造技术确实能大幅提高生产效率, 但是传统切削加工方式的成本通常要低得多。而一些新的硬质合金材质的研发正在使得普通车削和精密车削之间的距离慢慢缩小。相对于车削, 我们解决传统切削困境的方式, 关键是加工刀具, 但它们的成本可能会更高。
如果只从刀具方面来看, 那么要提高增加生产率的机会有两点:
1) 是由提高加工质量来实现;
2) 是通过改变更高的切削参数来实现。
但成本还是不能降低, 降低成本的方式有以下两个:
1) 通过采用一些合适的刀具来实现;
2) 降低一些切削参数来延长刀具的使用寿命。
虽然刀具费用所占的比重不是最重, 但增加刀具寿命对于节约成本是总是有利的。但如果大幅度提高了切削速度, 那么刀具的使用寿命将会明显下降, 进而我们加工一批产品则需要更多的刀具来满足生产需求。为了缓和刀具寿命与机床速度之间的冲突, 接下来要做的事情就是研发更高级的刀具和切削材料。
车削是一种最为普及的加工方式, 和其他传统加工相比没有太多的亮点。虽然如此, 但其开发仍在继续。车削之所以使人印象深刻, 是因为其操作简便、成本低等特点。车削一方面在技术上有许多创新变化;另一方面则是在刀具材质上的改变, 而目前的传统车削加工中使用的刀具大多数是ISO刀具。为了使成本降低、生产效率提高, 因此对车削加工过程进行必要的优化是最为迫切的。
2 传统切削的发展趋势
然而现在传统的切削已不能满足加工速度和精度的需要, 一些先进的制造技术正在不断崛起。如振动切削加工、高速切削加工、无水高速干切削、硬态切削等精密和超精密加工等。现以振动切削为例说明精密加工与传统切削加工的区别。
振动切削加工是近年来发展起来的一种先进制造技术, 它的概念:是在传统的切削过程中给刀具或工件附加某种有规律的振动, 使切削速度、给进量、切削深度按一定规律变化, 从而使传统切削模式发生了根本性的变化。振动切削是为了改变刀具与工件接触区之间的时间与空间的分配, 使切削加工机理发生改变, 从而达到能够降低切削热与切削力, 并能适当提高工件的加工精度和加工效率的目的。据实验数据显示, 由于其能在一定程度上有效地解决难加工材料及其总分精密加工方面的问题, 因而逐步引起了机械加工行业的关注。
普通切削加工与振动切削加工相比:
首先在普通切削加工中, 切削时主要是依靠刀具与工件之间产生的相对运动来完成的。而产生切屑的过程与已加工表面的形成过程, 则是由于刀具挤压工件时产生弹、塑性变形, 使切除部分与工件原有部分分离的过程。在这种加工过程中, 刀具始终保持在切削过程。刀具的作用则包含两个方面:
一方面是起刀刃的作用, 因为刀刃与工件接触点区域会形成较大的局部受压, 所以会使接触区域的切屑与工件分离。
另一方面是起刀面的作用, 刀面在切削的同时并挤压着被切工件, 加剧这种分离过程。
在切削过程中, 随着切屑的形成, 由于切屑、工件和刀具三者之间存在着挤压和摩擦, 所以产生较高的切削温度以及过大的切削力是无法避免的, 这样就会使刀具的磨损加快且会在切削时产生振动等有害现象。由于上述原因的存在, 所以诞生出了一种称之为振动切削加工的全新加工方法。
振动切削的概念是通过在常规的切削刀具上施加某种有规律的可控的高频振动, 使刀具和工件发生间断性的接触, 从而使传统切削模式发生了根本性的变化。振动切削改变了切削过程中的振动和切削热变形等, 从而得到了优良的切削效果, 达到降低切削热、减小切削力, 以提高加工质量和效率的目的。
现以高频振动切削为例说明振动切削的原理, 高频振动切削又称之为超声波振动切削, 高频振动切削是指振动频率在16KHZ以上, 利用超声波发生器, 换能器, 变幅杆来实现的。通常来自超声波发生器的正弦波形的电震荡通过换能器变成只有几个微米的机械振动, 然后经过变幅杆将振幅放大到15μm以上, 而连接在变幅杆前端的刀具就能以相同的频率进行振动。高频振动切削使切屑形成的机理产生了重大变化, 这样可以使材料的可加工性得到提高, 刀具的使用寿命延长, 工件的精度也相应提高。
高频振动切削加工作为一种新兴的加工技术, 由于它的加工方式是脉冲式的间断性的切削过程, 所以它的切削效果得到世界各国加工的一致认可及好评, 认为它是基于传统加工技术的一个飞跃。
有别于传统切削加工的切削机理, 由于刀具对工件表面进行间歇式切削, 在加工过程刀具与工件之间间歇性的分离, 改变以往传统加工中两者不分离的过程。这样的加工过程有以下一些优点:
1) 由于工件与刀具的周期性分离, 使得加工区域工件的摩擦和塑性变形明显的减少;
2) 刀具所附加的周期性振动使得刀具的切削要素和刀具的几何角度等都随着振动产生了周期性的变化, 正是由于这些变化, 极大的降低了切削力和切削温度, 并达到提高工件表面加工质量和精度, 减小刀具在切削硬脆性材料时发生崩刀的几率。
因此在超声振动切削中振动轨迹的准确性、切削材料和切削参数等决定着超声振动车削加工超声表面质量的优劣, 这也是超声振动车削在实际中难以普遍应用的一大难点。
3 结束语
总体而言, 传统的切削加工在生产一般的工件时所需要的成本比较小, 但如果的批量加工一些高精度的工件就有些力所不逮了。虽然也可以通过刀具来弥补一些传统切削的加工精度, 但仍然不能满足现代社会高生产率高精度的发展需求。日新月异的技术层出不穷, 通过更先进的加工方法或制造技术来满足产品的生产要求。在日后, 还将对各种先进制造技术进行完善, 使加工方式越来越简便, 加工精度越来越高, 这样才能使机械制造业不断发展前进。
目前, 我国在先进制造技术研究利用方面和国外相比仍有较大差距, 大力加强先进切削技术的研究、推广和应用, 这既是对切削技术的挑战, 也是对切削行业陈旧体制的挑战。同时也促进切削加工技术向复合方向发展, 对提高我国机械制造业的加工水平和新产品开发具有十分重要的意义。
摘要：通过分析传统切削机理的研究现状, 对传统切削及部分先进制造进行对比后分析传统切削今后的发展趋势, 探讨由于先进制造技术所带来优势和不足。
关键词：传统切削,切削机理,振动切削
参考文献
[1]王隆太.先进制造技术[M].机械工业出版社, 2003.
[2]张伯霖.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2002.
[3]袁哲俊, 王先逵.精密和超精密加工技术[M].机械工业出版社, 2007.
[4]杨江河, 程继学.精密加工实用技术[M].机械工业出版社, 2005.
[5]韩清凯等.金属材料加工中的振动利用问题[J].中国机械工程, 2001.
高效切削 第7篇
1 切削加工的重要作用与刀具
采矿机械制造的核心是零件的制作。制造采矿机械零件的方法大致可分为成形制造和加工制造, 成形制造包括铸造、锻造、焊接等工艺, 一般用于毛坯的制造。近年来开发的精确成形或称净成形工艺, 如精铸、精锻等也可用于半成品和成品的制造。快速原型制造用于模型的制造, 与其它技术相结合, 也可用于制造金属零件。加工制造包括切削、磨削等常规工艺, 也包括激光束加工、电子束加工、电化学加工等特种工艺。在所有这些方法中, 切削加工至今仍然是并且在可以预见的将来仍将是零件制作的最基本的工艺技术之一。
刀具性能和质量直接影响到数百万台机床生产效率的高低和加工质量的好坏。直接影响到整个采矿机械制造业的生产技术水平和经济效益。金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料, 从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。其核心问题是刀具切削部分与工件表层的相互作用, 即刀具的切削作用和工件的反切削作用。这是切削加工中的主要矛盾, 而刀具的切削作用则是矛盾的主要方面。从近年来工具行业的发展看, 切削刀具在生产活动中的作用正越来越受到企业的重视。随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展, 高速切削和超高速切削已成为当前切削技术的重要发展趋向, 这就要求刀具的可靠性高, 切削性能好, 能稳定地断屑和卷屑, 精度高, 并能快换或自动更换等。因此, 对刀具材料、刀具结构以及刀具的装夹都提出了更高的要求。
2 切削颤振产生与危害
在实际生产的过程中, 任何工厂都为避免机床生产过程中出现振动而采取了各种不同的措施。这主要是由于机床运行过程中产生的噪音会直接促使工人精神过度疲劳, 同时影响到了工人的注意力和工作效率。同时, 机床生产过程中所出现的振动现象还会导致机床的精密零件寿命持续下降, 影响到机床生产的安全性、可靠性、稳定性, 当零件疲劳之后, 其机床加工的零件精密度在这一过程中也就无法得到良好的保证, 间接导致机床刀具、生产效率持续不断的下降。通常情况下, 机床上出现的自激振动现象较多, 例如机床之上的回转主轴系统在运行的过程中所进行的扭转、振动等;机床床身、立柱、横梁等支撑件的弯曲或扭摆自激振动;切屑形成的周期性引起的颤振和整台机床的摇晃。此外还有机床工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动 (通称爬行) 等等。通常把金属切削过程中表现在刀具与工件间强烈的相对振动的这种自激振动称为“颤振”。
切削颤振由切削过程中所产生的动态周期性力激发而引起, 并能维持其振动不衰减。采矿机械加工中的颤振是影响采矿机械产品加工质量和机床切削效率的关键技术问题之一。切削颤振叠加在剥离多余金属必须的工作运动如切削、进给及切入运动上, 并影响刀具乃至机床的使用寿命。为减小颤振所带来的不良影响, 加工中被迫临时改变切削用量, 如降低切削深度等。
3 切削颤振理论与减小切削颤振的措施
3.1 再生颤振理论
就目前来说, 切削颤振出现具体原因有以下的理论能够进行充分的解释:再生颤振主要是源于上一次进行切削处理的过程中, 所构成的纹路与本次切削的纹路出现了较大的差异性, 这也就使得刀具切削的厚度出现了极大的不同, 最终促使颤振的现象出现。
3.2 振型耦合理论
部分切削状态下并不会存在再生颤振的现象出现, 是但是在进行某些螺纹部件切削的过程中, 其最后一转的切削物件表面和第一转的表面没有任何重叠现象, 但是在这一过程中也极易导致颤振现象的出现。此外, 由于刀具在进行切削的过程中, 其刀具的刀尖和切削工作面之间运行的工作面呈现出椭圆形的运行轨迹, 这就导致颤振现象会出现在两个不同的方向。所以, 针对这类现象进行研究之后所得出的结论是:当机床的振动系统在两个不同方向的刚度靠近的过程中, 两个不同部分的振型就出现了耦合的现象, 这最终导致了颤振现象的出现, 必须要在机床进行设计的过程中, 充分的考虑到配备在机床不同方向的零件刚度, 从而对刚度进行调整, 使得机床的刚度能够得到良好的协调。
对机床进行切削加工过程中所出现的颤振现象进行深入研究的主要原因在于:颤振技术的物理本质认识能够得到极大的加强, 这对于控制理论技术以及相关技术的发展的来说有着极其重要的作用, 还直接影响到了采矿机械设备性能和寿命的提高。同时, 利用全局控制的能够方式来对切削颤振现象进行控制, 这能够最大限度的避免颤振以及切削所带来的各项影响因素。极大地改善人们的工作环境, 提高工作效率, 减少切削能源的消耗, 提高刀具和设备的使用寿命, 并将产生直接或间接的经济效益和社会效益。
4 结论
综上所述, 机床在进行切削的过程中, 所出现的颤振现象不仅对机床的寿命有所影响, 还对于机床生产加工的零件精度有着极大的影响, 这无论是对于机床制造技术发展还是切削工艺的发展都有着极大的影响。所以, 现代采矿机械在进行加工的过程中, 其切削加工工艺有着极其重要的作用, 尤其是切削颤振等影响因素必须要完全消除, 这对于采矿机械的寿命有着直接的影响。
摘要：采矿机械制造行业在我国整个社会经济发展过程中, 起到了极大的推进作用, 尤其是其中金属切削加工所需要的精确度越来越高, 极大的促进了机械制造水平的提高。所以, 采矿机械设备的精密加工手段在电子产品、电机等各个领域都起到了极其重要的作用。一直以来, 工具的制造、设计都受到极大的关注, 不仅仅是机械设备的加工机床, 更为重要的是进行切削加工处理的相关刀具。只有刀具能够持续不断的发展, 才能够促使切削工艺能够用得到强化。主要针对采矿机械加工中的切削加工工艺以及切削颤振进行了深入的研究。
关键词：采矿机械,加工过程,切削工艺
参考文献
[1]尹洁华.用新型刀具实现高效优质低成本生产[J].工具技术, 1995 (9) .
高效切削 第8篇
1 机床切削加工在生活中的重要作用与刀具的使用
机械行业中的刀削技术的出现和发展是整个机械行业和切削行业中具有标志性的一件大事。零件的加工和改造是机械行业的核心大事, 通常来说, 机械零件的加工有成形制作和加工制作这两种方式。在初级的制作时, 只需要使用成形技术即可, 使得原材料基本符合加工要求;当初级产品进行深加工时就会使用刀削技术, 使得产品更加完善、更符合要求。其中, 成形制造工艺有:铸造工艺、锻造工艺和焊接工艺。切削工艺包括:磨削、激光束、电子束加工工艺和电化学加工方法。
近些年, 工具行业快速发展, 在生产活动中切削刀具逐渐被重视起来。刀具性能的高度和质量的好坏与机床的生产效率的高低直接相关, 刀具不会将直接影响到机械行业的工作效率和产成品的合格率, 而且影响相关的机械企业的经济效益和企业的生存, 以及整个社会的就业率和安定有序。金属的切削是对金属零件的精细加工, 是用刀具对工件表面上多出的材料进行加工的过程, 使材料最后达到预期目标, 如获得想要的几何形状和精细的尺寸, 提高表面质量等。值得关注的核心问题是对刀具切削面与工件的表面之间的相互作用, 也就是刀具切削作用与工件反切削作用。目前刀具一定具备的性能就是较高的可靠性和切削性, 要求刀具能够高质量地完成断屑和卷屑的工作, 并在此基础上快速地更换刀具。
2 颤振的产生与影响
在机械加工过程中, 由于振颤的存在和影响, 通常会对工作人员的听觉造成一定的危害, 还会给工人带来疲劳, 直接导致工作效率的下降。机床振动又是机床零件掉落或破损的主要因素, 机床零件一旦疲劳其安全保障度就直线下滑。机床振动还将会影响被加工产品的精确度, 也使刀具大大减少其寿命, 使生产效率下降。通常人们把切削金属时引起的刀具和机床工件之间, 以及各自内部的振动叫做“颤振”, 切削颤振的类型很多, 在机床上面发生的自激振动类型又较为普遍, 如回转主轴系统的扭转或者弯曲自激振动;机床床身、立柱、横梁等支撑件的弯曲或扭摆自激振动;切屑形成的周期性引起的颤振和整台机床的摇晃。
影响机械产品质量的关键技术问题是颤振是指机械加工过程中出现的不可能完全避免的一种轻微的颤动。其中, 振颤是影响机床行业的主要因素之一, 它只要通过影响整体的刀削质量和效率进而影响制成品的质量。重复多次的颤振作用在工作的机床上时, 会影响刀具的质量从而减少机床的使用寿命。所以, 为了减少颤振带来的不利的影响, 必须改进相应的技术用来监督和检测颤振的频率和分类。由于很长一段时间以来, 机械行业的噪音主要来自颤振, 噪声污染严重而且危害很大, 影响周围居民的正常生活, 影响社会的长治久安。另外, 从企业角度出发, 颤振的出现和存在会降低产品的合格率, 降低工具的生产效率, 减少刀具的使用寿命, 增加了企业的投资成本。因此, 降低甚至消除颤振是企业迫切需要解决的一件大事。
3 切削颤振含义与减小颤振的有效措施
3.1 再生颤振理论
再生颤振是由于上一次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差异导致刀具切削厚度的不同而引起的颤振。
3.2 振型耦合理论
如果没有再生颤振的发生, 也会经常出现振动, 如在螺纹切削时, 后转和前转的气息一旦没有出现交叉场景, 这是机械加工过程就容易出现颤振现象。又因为刀具的头部和机床的工作面相交的轨迹是椭圆, 通常来说, 振颤会发生在两个方向, 一旦方向上存在的工作强度和刚度趋同时, 原有的振动便会重合, 从而引起剧烈的颤振。针对以上问题提出了机床设计时要考虑的问题就是高效配备各部件对应不同方向上的刚度。
通过切削颤振理论和现象的研究, 可以加深人们对切削颤振的认识, 以发展有关的理论和技术, 进而促进整个机械工程的发展。采用此种控制技术, 又可以减少由于振颤带来的不利的影响, 改善企业的工作环境, 增加企业的利润空间, 进而为资源节约型社会的建设提供条件, 创造和谐、安定、有序的新社会。所以, 提高工作效率和增加刀具的使用年限, 并且通过切削颤振的研究, 能够促进社会的经济效益得到最大程度的提高。
由于机床整体结构非常复杂, 要想控制颤振, 应该从局部入手。合理对控制颤振的发生, 提高加工零件表面的质量, 具体措施如下:
(1) 刀具方面
采用圆弧半径较大的刀尖和副偏角较小的修光刃, 这样可以减少残留的面积, 选用的刀具材料必须与工件的材料相适应, 不使用磨损已经很严重的刀具。
(2) 关于工件材料方面
在各种原材料的性质检测和分析中, 原材料的塑造性和表面的粗糙程度是影响成品质量较大的两个因素。所以, 我们可以具体问题具体分析, 对塑造性很大的原材料, 例如合金钢材和低碳钢材在加工之前先使用小火处理, 降低其本身的塑造性, 以便在切削后可以达到光滑的要求。
(3) 在加工方法方面的建议
掌握振颤是使机械加工中心的响应性提到最高。但是振颤不是机床的缺陷;它是物理缺陷。每个主轴、刀夹和刀具系统都有几组频率, 在这些频率下, 它自然要振动。在较高的主轴速度下, 可能出现切削刃频繁地撞击零件, 以至这些冲击正好与这些自然频率相统一。这样所导致的平稳切削, 可能不会使刀具或机床变形。在很多加工过程中, 加工应该由刀具强度和机床动力决定时, 振颤反而成为规定最大切削参数的障碍。
(4) 降低残余应力带来的影响也能提高加工表面质量
根据实际要求, 谨慎的选择刀具的形状和大小, 是减少振颤的方法之一。在刀具的使用过程中, 应该使刀具表面的磨损控制在一定的范围之内;对于切削的数量, 应该在速度和最小值之间合理安排;加工时也可以使用切削液, 减少表面粗糙带来的振颤。
一旦加工过的零件表面存有残余应力, 产生的振颤的频率将会进一步增加。特别是针对腐蚀性很强的零件, 其影响更为严重。为此, 应尽可能在机械加工中减小或避免产生残余应力。但是, 残余应力的产生复杂。通常来讲, 残余应力的产生与原材料的塑造性和切削时产生的温度的高低有关, 只要尽量减少这两者带来的影响, 便可以在一定程度上减少振颤。生产中常采用滚压、挤孔、喷丸强化、金刚石压光等冷压加工方法来改善表面层材质的变化。通过这些措施在生产实践中的应用, 提高了机械加工零件的表面质量。
4 结束语
高效切削 第9篇
不锈钢具有不易产生腐蚀。点蚀、锈蚀和磨损的特点, 使得不锈钢广泛的用于与建筑工程当中, 在建筑工程中也是一项最常见的金属材料和强度最高的材料之一。其主要在于不锈钢结构部件能够长时期的保持工程设计的完整性能。在不锈钢切削加工中具有以下特点。
1.1 具有很强的加工硬化趋势, 极易磨损刀具。
大部分不锈钢材料具有很强的加工硬化趋势, 同时, 因为加工硬化层具有很高的硬度。不同的切削条件与不锈钢工件材料。刀具磨损是切削加工过程中不可避免的现象, 但刀具磨损过快或发生非正常磨损 (也称破损) , 必然会影响加工质量, 增加刀具消耗, 使生产效率降低, 加工成本提高。因此, 通过研究刀具磨损, 可制订合理的切削加工方案, 提高生产效率和零件加工质量, 并有利于降低加工成本。
1.2 切屑不易折断或者卷曲。
由于不锈钢具有极高的强度和韧性, 在切削过程中切屑不易卷曲和折断。特别是镗孔、钻孔、切断等工序的切削过程中, 排屑困难, 切屑易划伤已加工表面。在数控机床上切削不锈钢时, 断屑与排屑是重点考虑的问题。
1.3 切屑具有很强的粘附性, 极易造成刀瘤。
不锈钢材料具有很高的韧性, 尤其是对其它金属材料具有较强的亲和力, 加工过程非常容易造成刀瘤。
1.4“三高” (高温度、高硬度、高强度) 不易分离切屑不锈钢的特性之一就是高温度、高硬度、高强度。
2 不锈钢刀具的优点
通过大量的实践和经验表明。大气的服饰程度是随着地域的变化而变化的, 是随着温度湿润程度和气温而变化的。在生活中, 不锈钢刀具是我们日常做饭和生活中常见的工具。它主要优点在于对蔬菜和水果污染小, 清洁方便。
合理选用加工刀具是进行不锈钢材料加工的重要先决条件。不锈钢加工刀具的必须具有以下特点:较高的强度、硬度、韧性、耐磨性以及较低的不锈钢亲和力。
常用的刀具材料有硬质合金和高速钢两大类, 形状复杂的刀具主要采用高速钢材料。由于高速钢切削不锈钢时的切削速度不能太高, 因此影响生产效率的提高。对于车刀类较简单的刀具, 刀具材料应选用强度高、导热性好的硬质合金, 因其硬度、耐磨性等性能优于高速钢。常用的硬质合金材料有:钨钴类 (YG3、YG6、YG8、YG3X、YG6X) , 钨钴钛类 (YT30、YT15、YT14、YT5) , 通用类 (YW1、YW2) 。YG类硬质合金的韧性和导热性较好, 不易与切屑粘结, 因此适用于不锈钢粗车加工;而YW类硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化性能以及韧性都较好, 适合于不锈钢的精车加工。加工1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢时, 不宜选用YT类硬质合金, 由于不锈钢中的Ti和YT类硬质合金中的Ti产生亲合作用, 切屑容易把合金中的Ti带走, 促使刀具磨损加剧。
3 合理选择刀具几何角度
几何角度直接影响着不锈钢刀具在切割过程中的效率和施工的完美性。切割是一种物理动作, 是利用工具对不锈钢刀具的加工过程。合理选择刀具几何角度不仅可以提高工件的加工质量和加工
(上接116页) 交换作为控制设备替代S1240交换机。效还可以显著降低加工成本 (如降低刀具的更换频率和废品率等) 。
3.1 合理选择前角。
进行不锈钢切削时, 应该在不降低刀具强度的前提之下, 适当提高前角。刀具前角的适当提高会降低刀具的塑性变形能力、切削热以及切削力, 加工硬化的趋势也会随之减轻, 相应地, 刀具耐用度便会显著提高。综合看来, 通常情况下刀具前角保持在12~20°为最佳, 具体角度根据实际需要来调整。
3.2 合理选择后角。
在切削过程中, 后角教育减少刀面与切削表面的摩擦, 在弹性与塑性两方面均高于常规碳素钢的不锈钢, 进行切削时, 如果刀具后角过小, 会增加车刀后角与切断表面的接触面积, 此时, 摩擦高温区集中于车刀后角部位, 刀具的磨损会显著加快, 并且工件的表面光洁度会显著降低。因此, 进行不锈钢工件切削时, 车刀后角应该大于车削普通碳钢时的角度, 但是不可以过大, 因为过大的后角会导致刀刃强度地急剧下降, 刀具的耐用度得不到保证。所以, 刀具后角保持在6~10°之间为最佳。
3.3 刃倾角。
由于采用较大的前角, 刀尖强度会有所削弱。为增强刀尖强度而又不使背向分力增加过大, 刃倾角宜取较小数值, 一般为-5°至-15°, 连续切削时取较大值, 断续切削时取较小值。是在普通高速钢立铣刀的螺旋前刀面的基础上, 用专用铣夹具将螺旋前刀面再加工成波浪形螺旋面, 它与后刀面相交成波浪形切削刃。相邻两波形刃的峰谷沿轴线错开一定距离, 使切削宽度显著减小, 而切削刃的实际切削厚度约增大三倍, 切下的切屑窄而厚, 降低了切削变形程度, 并使切削刃避开表面硬化层而切入工件。波形刃使切削刃各点刃倾角、工作前角以及承担的切削负荷均不相同。而且波形刃使同一端截面内的齿距也不相同。
4 合理选择切削用量
合理选择切削用量直接影响着不锈钢加工的效率与质量, 所以, 在合理确定刀具类型和刀具几何角度之后, 必须要科学合理地确定切削用量。
合理选择切削用量时应该注意以下几个问题:首先, 不同的不锈钢毛坯具有不同的硬度, 应该根据实际情况来选择切削用量;其次, 合理选择切削用量, 同时需要考量刀具材料、刀具刃磨条件以及焊接质量等因素;再次, 除了以上两点, 合理选择切削用量需要认真考量零件的直径、车床精度以及加工余量问题。
不锈钢刀具在使用过程中由于切屑、工件与刀具前、后刀面在高温、高压下接触且有较大的化学活性, 接触面上的化学元素互相扩散到对方去, 改变了两者的化学成分和材料结构而形成的磨损。
不锈钢刀具在正常使用中主要此外, 在使用硬质合金刀具加工时, 其切削用量应该低于常规碳钢类工件, 并保持较低的切削速度, 此举在提高表面质量的同时, 能够降低积屑瘤与鳞刺的产生几率。
5 结论
不锈钢刀具是生活中的常用工具之一, 它在人类生活生产中起着无可替代的作用, 随着社会的逐步发展, 不锈钢材料也逐步应用于社会中各个生产部门和各个企业单位。为了提高对不锈钢产品的切削加工效率和质量要正确的选择道具甲供材料和车道几何参数是十分重要的。
[2]强磊, 等.基于软交换的下一代网络组网技术[M].北京:人民邮电出版
摘要：不锈钢是指在潮湿的空气中和水蒸气中不易被弱腐蚀介质和化学侵蚀性介质腐蚀的钢具, 不锈钢又称为不锈耐酸钢。由于不锈钢的防腐性能使得它目前被广泛应用于石油、化工、航空、航天、食品以及冶金等领域, 因此, 探讨不锈钢的切削加工具有较大的实际意义。
高效切削 第10篇
立铣刀通常有多个刀齿,瞬时切削的刀刃数与铣刀齿数和浸入角相关。
令铣刀的齿数为z,浸入角为β。在立铣刀切削时,若β小于2π/z,则立铣刀不同刀刃的切削在时间上不连贯,为断续切削,在每个切削刃切入或切出工件时,切削力在最大值和0之间的过渡时间很短,对工艺系统的冲击较大。
在立铣刀连续切削时,若β等于2π/z,则在任意瞬时只有单个刀刃参与切削;若β等于2nπ/z (n为正整数,且n ≥2),则在整个切削过程中参与切削的刃数不变;若β的值介于2π/z和2nπ/z之间,则在整个切削过程中参与切削的刃数将交替变化。例如,4齿立铣刀在浸入角为π时为两刃连续切削,而当浸入角介于 π/2和 π之间时为两刃-单刃交替切削。
多刃同时参与切削可提高加工效率,但多刃切削力和单刃切削力可能有较大差异。Bobrenkov等[1]认为铣削力的高频成分的强度随同时参与切削的刀齿数增多而减弱。Kim等[2]进行了6齿面铣刀的切削力仿真,仿真结果显示,两刃-单齿交替切削时的切削力峰峰值大于单刃断续切削时的切削力峰峰值。Hwang等[3]进行了某种工况下的面铣刀在两刃和单刃切削时的切削力仿真,仿真结果显示,两刃切削时水平方向的切削合力均值和切削宽度方向的切削力峰峰值均比单刃切削时的大,而进给方向的切削力峰峰值比单刃切削时的小。 李沪曾等[4]发现工艺系统的自激振动在端铣刀多刃切削时可能增强。 袁平[5]发现,在3齿直刃立铣刀全宽槽铣时,进给方向的切削力比单刃铣削时有所减小,4 齿立铣刀的水平方向的公称切削力表达式为常数,但他只以某些多刃切削特例为研究对象,没有探索多刃切削的通用切削力特征。
切削力对加工表面误差有重要影响[6],而多刃切削力的变化规律尚有很多不清晰之处,本研究拟以刃数不变的多刃连续切削为对象,探索其与单刃连续切削两者的切削力差异。 为便于阐述,下文所述单刃切削均指单刃连续切削,多刃切削均指刃数不变的多刃连续切削。
1 理论推导
1.1 单刃切削的切削力数学表达式
以逆铣为例,刀具和工件的平面几何关系如图1所示,点O为刀具轴心线;β为刀具浸入角;刀刃按顺时针方向排序,θi为第i刃的旋转角;FR(θi)、FT(θi)分别为旋转角为θi时第i刃施加于工件的瞬时径向力和切向力。在笛卡儿坐标系中,切削力可分解为X、Y两个水平方向的分力和轴向分力,文献[7-9]的实测切削力数据都显示轴向切削力远小于水平方向切削力。本研究仅以水平方向切削力为对象。
令X和Y向的正方向如图1所示。若忽略刀具螺旋角的影响,则第i刃施加于工件的水平方向分力为
其中,Fix(θi)、Fiy(θi)分别为第i刃施加于工件的X向力和Y向力;KR、KT分别为径向力和切向力的系数;az为切削深度;h(θi)为切削厚度;hN(θi)、hE(θi)分别为公称切削厚度和刀具偏心导致的切削厚度增量。
按照Tlusty等[10]的理论,公称切削厚度的计算公式为
式中,ft为每齿进给量。
按照刘璨等[11]的推导,刀具偏心导致的切削厚度增量的计算公式为
式中,ρ、α 分别为刀具的偏心距和偏心角;z为刀具的刀刃数。
将式(3)~式(7)代入式(1)、式(2)得
式中,FixN(θi)、FiyN(θi)分别为第i刃施加于工件的X向和Y向公称力;FixE(θi)、FiyE(θi)分别为第i刃施加于工件的X向和Y向偏心力。
对于确定的刀具与工件组合,在每齿进给量ft和切削深度az不变的情况下,系数Kftaz/2为常数,将其归一化为1。同理,同一把刀具的刀齿数和偏心尺寸可视为常数,若切削过程中不换刀具,则系数2 Kρazsin(π/z)也为常数,将其归一化为1。则式(10)~式(13)可写为
1.2 多刃切削的公称切削分力数学表达式
1.2.1 数学表达式推导
由式(16)、式(18)可知,参与切削的第i+j个刀刃施加于工件的X向、Y向公称切削力表达式为
式中,θj、F(i+j)xN(θj)、F(i+j)yN(θj)分别为参与切削的第i+j个刀刃的刀具旋转角、X向公称切削力和Y向公称切削力。
令同时参与切削工件材料的刀刃数为m,则多刃切削时工件所受水平方向公称切削分力为
式中,FxN(θi)、FyN(θi)分别为多刃切削时工件所受X向、Y向公称切削力;AN、γN分别为表达式中简谐函数的系数和相位。
1.2.2 数学表达式分析
在刀具和工件确定后,φ的值将保持不变,则由式(16)、式(18)、式(23)、式(24)可见:① 多刃切削的水平方向公称切削分力FxN(θi)、FyN(θi)与单刃切削的水平方向公称切削分力FixN(θi)、FiyN(θi)为相同频率的简谐函数,但两者的简谐函数系数和相位可能不同;② 多刃切削时水平方向公称切削分力的常数项msinφ、mcosφ与同时参与切削的刃数m成正比;③ 由于tanφ小于1(如Janez等[12]、Engin等[13]研究得出tanφ约为0.3),因此,sinφ <cosφ,又考虑到偏心切削力的常数项为0,由此可得结论:多刃切削的Y向切削分力的常数项大于X向切削分力的常数项。
1.2.3 多刃切削力数学表达式的参数推导
同时参与切削的刃数m与铣刀齿数z、浸入角β相关,本研究根据式(23)式、式(24)进一步做数学推导,确定各常用齿数平底立铣刀的FxN(θi)、FyN(θi)的具体表达式。
例如,对于6齿平底立铣刀,在2刃同时参与切削时,推导出其水平方向的公称切削分力表达式为
常用平底立铣刀为2~8齿,在β ∈(0 π]范围内,2 齿立铣刀不存在多刃切削的工况,3齿立铣刀只存在单刃和两刃交替切削的工况,只有4~8 齿立铣刀才存在完全多刃切削的工况。将推导得到的4~8齿平底立铣刀的水平方向公称切削力的函数系数AN和相位γN的值列于表1。
1.3 水平方向的公称切削力及其幅频谱仿真
用MATLAB软件编程的方法,模拟4~8齿平底立铣刀在单刃切削和多刃切削时的水平公称切削分力及其幅频谱。 模拟参数为:铣刀齿数z为4~8,同时切削的刃数m为1~4,主轴转速1080r/min,采样频率4320Hz,tanφ=0.3[12,13]。用式(16)、式(18)模拟单刃切削力数据,采用1.2节中推导得到的多刃切削力表达式模拟多刃切削力数据。各工况下的浸入角、同时参与切削的刃数、水平方向切削分力及刀齿频率幅值见表1。
例如,对于8齿立铣刀,当浸入角β=π/4时为单刃切削,当β=π/2时为两刃切削,模拟得到这两种切削方式的水平方向切削分力及其幅频谱。图2所示为8齿立铣刀在单刃切削和两刃切削时的X向和Y向切削力及其幅频谱。
仿真得到4~8齿立铣刀在单刃切削和多刃切削时的水平方向切削力均值、刀齿频率的幅值,将其和对应的浸入角、同时参与切削的刃数列于表1。
由图2a、图2c可见,8齿立铣刀两刃切削时的水平合力显著大于单刃切削时的水平合力。可计算出8 齿立铣刀在模拟条件下的刀齿频率为144Hz,由图2b、图2d可见,在刀齿频率处,X向的两刃切削力幅值小于单刃切削力幅值,而Y向的两刃切削力幅值大于单刃切削力幅值。
由表1可见,与单刃切削力相比,多刃切削力的特点有如下变化规律:
(1)在X方向,多刃切削力的均值可能比单刃切削力的均值更大,也可能更小。 这是因为在旋转角小于π/2时和旋转角大于 π/2时,X方向的切削力方向相反。若两个刀刃的旋转角分别为小于π/2和大于π/2,则其合力比单刃切削力小;若两个刀刃的旋转角都小于 π/2,则其合力比单刃切削力大。表1显示出的增大和减小的分布规律与这一原因吻合。
(2)在Y方向,多刃切削力的均值显著比单刃切削力的均值大。这是因为在旋转角小于 π/2时和旋转角大于π/2时,单个刀刃的Y向切削力的方向相同,所以,无论同时参与切削刀刃的旋转角如何分布,它们的Y向合力都比单刃切削时的Y向合力大。 切削力均值是切削力的静态力,这一规律表明多刃切削时Y向静态分力显著增大。
(3)Y向切削力在多刃切削时与单刃切削时的比值大于切削刃数m,而式(24)显示水平切削分力的常数项与m成正比,两者的差异原因在于水平切削分力不是完整周期的简谐函数,其均值与常数项的相关性强,但不等于常数项。
(4)多刃切削时,Y向切削力均值大于X向切削力均值,在很多情况下远大于X向切削力均值。这是因为Y向多刃切削力常数项为mcosφ,X向多刃切削力常数项为msinφ,,而常数项是均值的主要组成部分。 例如,以2刃切削、tanφ= 0.3计,mcosφ ≈1.92,msinφ ≈0.58。
(5)在多刃切削时,X向切削力的刀齿频率幅值比单刃切削时的小;Y向切削力的刀齿频率幅值有时显著小于单刃切削时的刀齿频率的幅值,而有时显著大于单刃切削时的刀齿频率的幅值。这是因为:① 对于4~8齿立铣刀,在1个刀齿周期内,单刃切削的刀刃旋转角最小为0,最大在π/4和π/2之间;多刃切削时,一个刃的旋转角与单刃切削相同,其他刃的旋转角在 π/4和 π 之间。② 单个刀刃的X向切削力在刀刃旋转角为0和π/2时约为0,在刀刃旋转角为π/4时约为最大值,在刀刃旋转角小于 π/2时和大于 π/2时方向相反。③ 单个刀刃的Y向切削力在刀刃旋转角为0和π时约为0,在刀刃旋转角为π/2时约为最大值,在刀刃旋转角小于 π/2时和大于 π/2时方向相同。 因此,结合 ①、② 可得,与单刃切削相比,多刃切削时X向切削力在一个刀齿周期内的动态变化程度要小;结合 ①、③ 可得,当较多的同时参与切削刀刃的最大旋转角小于 π/2时,与单刃切削相比,多刃切削时Y向切削力在一个刀齿周期内的动态变化程度要大,而当较多的同时参与切削的刀刃的最大旋转角大于 π/2时,多刃切削时Y向切削力在一个刀齿周期内的动态变化程度要小。表1显示的刀齿频率幅值增大和减小的分布规律与这一原因吻合。刀齿频率是动态力的主要频率成分,这一规律表明多刃切削时Y向动态力可能显著增大,也可能显著减小。
1.4 变刃数连续切削的切削力变化规律探讨
只有浸入角取某些特定值时,在整个切削过程中才有单刃或多刃连续切削,而在其他取值时,都是断续的单刃切削,或变刃数的连续切削。 例如,对于4齿立铣刀,浸入角β ∈(π/2,π)时,为两刃-单刃的连续切削。 在变刃数时,若浸入角接近多刃切削时的浸入角值,则因为切削工况接近多刃切削,切削力的变化规律将与多刃切削时相似;反之,则切削力的变化规律将与多刃切削时的差异较大。浸入角的边界取值尚需在后续研究中进一步明确。
对于4齿立铣刀,由式(18)、式(24)和表1可见,两刃切削的Y向切削力为常数2cosφ,等于单刃切削的Y向切削力最大值,因此在两刃-单刃切削时,Y向切削力的峰峰值将小于等于单刃切削时的峰峰值,即Y向切削力的变化较小,与单刃连续切削相比,变刃数切削将更平稳。
2 试验
用ф10mm四齿硬质合金立铣刀在铣削加工中心上切削45钢材料。用北航SDC-C4F型测力系统(包括应变式测力仪、应变放大器和测力软件)同时测量X向、Y向和轴向三个切削分力,测力系统的灵敏度为66.66N/V。逆铣,空气冷却,切削深度0.5mm,每齿进给量0.12mm,主轴转速1080r/min,变切削宽度,采样频率4320Hz。切削宽度及对应的浸入角列于表2。可计算出实验的主轴旋转频率为18Hz,刀齿频率为72Hz。
经225Hz低通滤波处理后,1号试验和4号试验的Y向切削分力数据如图3a和图3b所示,1~4号试验的Y向切削力均值及其刀齿频率幅值如图3c和图3d所示。
1号试验为单刃切削。 单刃切削时,各刀齿的公称切削力波形相同,而图3a所示各齿的实测力大小不同。4号试验为双刃-单刃交替切削。4齿刀具在双刃切削时,公称力为常值,而图3b所示的切削力波形近似为台阶状。这些波形差异的原因在于实际切削力不仅包括公称力,还包括偏心力。不同刀齿的偏心力不相等,因此图3a的各刀齿实测Y向切削力不相同;各刀齿的理论偏心力的波形呈台阶状排列,因此图3b的切削力波形近似为台阶状。
由图3c和图3d可见,随着浸入角增大,即两刃切削的时间占比增大,Y向切削力的均值显著增大,而其刀齿频率的幅值显著减小,这和表1显示的切削力变化规律相符,也和1.4节所得的4齿立铣刀的变刃数切削力变化规律一致。
3 结论
(1)理论上,X、Y方向公称切削力的常数项与同时切削的刃数成正比。然而由于这些切削力不是完整周期的简谐信号,实际上多刃切削力均值与同时参与切削的刃数没有正比关系。
(2)多刃切削的Y向力均值大于X向力均值,表明多刃切削在切削宽度方向的静态力更大。
(3)与单刃切削相比,多刃切削的X向切削力的刀齿频率幅值总是减小的,而其Y向切削力的刀齿频率幅值有时减小、有时增大,这表明在水平方向,存在着多刃切削比单刃切削更平稳和更不平稳两种可能性。
(4)以表1为依据选择适当的浸入角,可提高4~8齿平底立铣刀的切削平稳性。常用的4齿、6齿、8齿平底立铣刀都存在动态公称切削力为0的浸入角,采用这些刀具和浸入角的切削最平稳。
(5)4齿立铣刀的2刃-单刃切削在切削宽度方向上比单刃切削更平稳。
摘要：为揭示平底立铣刀在多刃铣削时的切削力变化规律,理论推导了多刃切削的水平方向公称切削力的数学表达式,发现这些公称切削力是旋转角的简谐函数,其常数项与同时参与切削的刃数成正比。将切削力表达式的系数做归一化处理,采用仿真方法,得到各常用齿数平底立铣刀在单刃、多刃连续切削时的公称切削力量纲一均值和刀齿频率幅值,结果表明:切削宽度方向的公称切削力均值在多刃切削时显著增大,而其刀齿频率幅值在多刃切削时有时增大,有时减小。开展了4齿平底立铣刀的切削测力试验,试验结果与理论推导和仿真结果相符。研究结果表明:与单刃连续切削相比,多刃切削的切削宽度方向的静态切削力显著增大;多刃切削在水平方向存在着更平稳和更不平稳两种可能;偶数齿铣刀的多刃切削最平稳。研究结论可为铣削加工中优选浸入角参数提供参考。