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金属切削过程与切削液

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金属切削过程与切削液 Featu res 在金属切削过程中,刀具与工件的相对运动非 常复杂。由于对机加工过程和金属材料缺乏了解,造 成切削液配方处置不当或技术服务不到位的情况并 不少见。特约请金属加工油液领域的专家张二水教 授对常见的金属切削过程及切削液的选用做了详细 介绍,供相关人员参考。 金属切削过程 与切削液 口 张二水 在较早期的资料与一些公司的产 品说明书中,经常会给出一种所谓切 削液的推荐选用表,主要是根据加工 工艺过程(如车、钻、铰等 )、工件材 料及刀具材料3个参数来选用切削 液。...

金属切削过程与切削液
Featu res 在金属切削过程中,刀具与工件的相对运动非 常复杂。由于对机加工过程和金属材料缺乏了解,造 成切削液配方处置不当或技术服务不到位的情况并 不少见。特约请金属加工油液领域的专家张二水教 授对常见的金属切削过程及切削液的选用做了详细 介绍,供相关人员参考。 金属切削过程 与切削液 口 张二水 在较早期的资料与一些公司的产 品说明书中,经常会给出一种所谓切 削液的推荐选用表,主要是根据加工 工艺过程(如车、钻、铰等 )、工件材 料及刀具材料3个参数来选用切削 液。现在看来,这些推荐选用表是相 当粗糙和不完善的,其中最典型也最 详细的是 日本工业标准JIS K2241— 1970版中的附表。但在JIS K2241— 1980年的修正版中,就删去了这种 选用表,且在其后的历次修正版中都 不再附有。 在选用切削液时,要考虑的因 素很多(例如对水质的适应性、对后 续工序的影响等 )。仅用上述3个参 数是不能选择出合适的切削液品种 的。尽管如此,加工工艺过程、工件 材料和刀具材料仍是选择切削液的 重要因素。 切屑及已加工表面的形成 在金属切削过程中,刀具与工 件之间多是三维的复杂运动。为简 明起见,现 以两维的切削过程 (如 刨、削 )进行说明。加工表面的形成 过程见图 1。 图1中: OFG——前刀面; y ——前角; C ——后刀面; — — 后角; 厂口——刀尖钝圆半径。 圈 1 加工褒葡的形成过程 维普资讯 http://www.cqvip.com 当切削层以速度 V向右运动时。 便发生挤压与剪切变形,最终沿剪切 面OM滑移成为切屑。然后切屑在前 刀面OFG上滑过。在切削过程中。主 要的摩擦发生在前刀面与切屑之间, 摩擦力的大小将影响剪切面的位置, 即剪切角 的大小 ,而剪切角的大小 将会影响切削深度 a 与切屑厚度 , 的比值。由于有刀尖钝圆半径 的 存在。在整个切削层厚度a中,将有 △a无法沿 OM线滑移,而是从刀刃 钝圆部分0点下面挤压过去。切削层 金属在0点分为两部分,0点以上部 分成为切屑并沿前刀面流出;0点以 下部分经过刀刃的挤压,留在已加工 表面上,这部分金属在经过钝圆日点 后又受到后刀面上 部分的挤压与 摩擦。后刀面上本来是没有 VB这一 段棱面的,它是由后刀面在切削过程 中经磨损形成的。因此, 培B分是不 规则的,对与其互相摩擦的已加工表 面质量有负面影响。经 培B分后,由 于刀具具有后角 口..的缘故,经钝圆 [醵 以下的这一部分金属至此开始释 放其弹性势能,与后刀面继续接触摩 擦,至D点后开始与刀具脱离而成为 已加工表面。 切削过程的苛刻度 一 般而言。苛刻度越高的切削 过程对切削液的润滑性要求也越高。 但可惜至今还没有对切削过程苛刻 度的严格定义和测定标准方法。国 外有文献认为。影响苛刻度的因素 主要是切削时刀具温度的高低和所 受应力的大小、积屑瘤形成倾向、切 屑是否容易排出等。但实际上,切削 液是否容易到达切削区并起作用也 是影响苛刻度的重要因素。被加工 材料的性质和切削参数更是与刀具 温度、承受的应 力、积屑瘤形成倾 向、切屑是否容易折断等有直接关 系。例如,因为导热性差的材料钛合金 的导热性只有普通钢的1/6—1/7, 所以加工钛合金时,刀尖处的温度要 比加工钢时高出很多。因此,仅从加 工方式来判断切削过程的苛刻度只 能是很粗略的.. 不同文献所给出的加工苛刻度的 顺序见表1、表2。从中不难发现。其 排列顺序是不完全相同的。 切削过程与切削液 在切削过程中,刀具与工件的相 对运动非常复杂,且不同加工过程之 间差异很大。各切削过程中刀具最易 磨损的部位不同,所允许的刀具磨损 程度也不同。切削液在各切削过程 (包括切削参数)中,其润滑性的优劣 顺序可能完全不同,以致于在不加任 何前提的条件下,比较不同切削液润 滑性的优劣变得毫无意义。 国外曾用数种钢材及水基切削液 FeatuPE$ 进行了车、铣、钻一系列试验。发现 被加工材质硬度对刀具磨损影响最 大。一些切削参数如切削速度、进给 速度等对刀具磨损的影响都大于切削 液浓度及品种变化的影响。国外研究 者用4种方法对几种切削液进行了评 定。各试验样品的特性及稀释比见表 3,试验结果见表4。这些试验共评价 了7个样品(包括自来水 )。其中一个 样品是攻丝扭力试验的参比样。其结 果没有列入表3。这样,可以认为只 评价了6个样品。按评定结果的优劣 顺序由上向下排列,润滑性好的排在 上部,润滑性相同的并列。 墨 ■■冒曩■啊圃重瞳墨 —墨 11 _一缒 ( 两稚 0 0 0 0 00 l 高 3、 _ 拉黼 【。妻 }爵 巍0 4 套扣 5 插齿 一 , 6 铰 7 澍惰一0 _ 0 8 钻、镗 _. 癜齿l ll0 l 0 lll 10 铣 1Ill 毒 0 。 ⋯0ll l_ _IIl蔓 , , I| |_ . l _ 》 , I} 维普资讯 http://www.cqvip.com FE~tu PE5 4 8 8 C 6 F F F F 8 D 由表4可以看出,除了自来水在 几种评价方法中表现最差外,其他 各样品在不同评价试验中的优劣顺 序几乎毫无规律可寻。值得注意的 是,在攻丝扭力试验中,仅仅改变了 攻丝的转数,样品的排列顺序就产 生了很大的变化。尽管如此,各切削 过程对切削液的功能要求还是有各 自的特点的。 车削 车削是应用最广泛的切削加工过 程之一。各种有关切削工艺和刀具的 专著也大多以车削作为论述的基础。 在进行车削时,工件多为圆柱体,并 环绕其轴线做回旋运动。是为主运 动,刀具则沿工件的轴线以速度 做 纵向运动。车削运动、切削层及形成 表面见图2。垂直于轴线的进给运动 是间断的。在图2中,工件旋转一周。 刀具从位置I移到位置II,切下截面为 A宦 的金属层。△AED为残留在已 加工表面上的横截面积。图2中的 为进刀量(切削深度 )。实际上与已加 工表面相对的是副后刀面。对已加工 ” ( ) 图2 车削运动、切削层及形成表面 车外圆 表面质量影响较大的是副切削刃和副 后刀面。 车刀切削部分的构成见图3。车 削可加工出圆柱外表面、平面、锥面 等。见图4。 车刀在加工一段时间后会产生磨 损。其磨损的形态见图5~图7。 在前刀面上。由于切屑以很大压 力在高温下与之摩擦。然后弯曲脱 离前刀面。因此形成月牙洼式的磨 损小坑。 在后刀面上。因前述刀尖钝圆使 部分被切削材料被迫从刀尖下面挤过 以及工件的弹性释放而与后刀面摩擦 形成磨损。通常以磨损斑痕的最大宽 度VBmax表示磨损的程度。值得注意 的是。在后刀面靠近外皮处及副后刀 面靠近刀尖处有很长的磨痕,其长度 逸超过 5l ax。这种磨损称为刀具的 边界磨损。 边界磨损主要有以下2个原因: ①切削时。在刀刃附近的前、后 图3 车刀切削部分的构成 车端面 镗孔 倒角 图4 45。弯头车刀 维普资讯 http://www.cqvip.com 刀面上,压应力和剪应力很大,但在 外表面处的切削刃上应力突然下降, 形成很高的应力梯度,引起很大的 剪应力。同时,前刀面上切削温度很 高,而与工件外表面接触处,由于受 到空气和切削液的冷却。形成很大 的温度梯度。也引起很大的剪应力。 因而在主切削刃后刀面上发生边界 磨损。 ②由于加工硬化作用,在靠近刀 尖部分的副切削刃处的切削厚度减薄 到零。引起这部分刀刃打滑,促使副 后刀面上发生边界磨损。 一 般来说,车削属粗加工 (精密 车削除外 )。目的是要快速切除金属。 切削速度很快且是单点连续加工。因 此,切削液的功能主要是冷却。使刀 具温度不致太高,从而保持车刀有足 够的硬度。而对于较精密的车削。因 发热量降低并希望有较好的光洁度。 图5刀具的磨损形态 图6边界磨损发生的位置 所以选用加有一定润滑性添;bD-~0的乳 化液即可满足要求。 精密车削因切除余量很小。保持 刀尖钝圆半径不增大也非常重要,所 以经常需要用加有油性剂的切削油来 进行润滑。 车削过程排肩容易。切削液也容 易到达切削区进行冷却与润滑,因此 被认为是苛刻度较低的加工过程。 镗 孔 镗是对孔的精加工。目的是使 孔的精度(直径、园度 )更高及使孔 的中心位置更准确。实际上。镗加工 就是车削孔的内表面。镗加工可以 横镗也可以立镗。镗加工时。切削量 很小。因为切削深度大时。刀具受到 较大的垂直于主轴的力而使主轴偏 离其中心位置。致使镗出的孔径小 于预定尺寸。所以镗孔是一种小切 削量的、负荷不大的加工。切削液的 作用是防止后刀面磨损和刀尖钝圆, 通常选用加有油性剂的小粘度切削 油即可满足要求。 铣削 铣削所用刀具是多齿多刃的回转 刀具。铣削时。铣刀绕其轴线转动,而 工件做进给运动。铣削用于加工平 一 FEaturEs 面、台阶面、沟槽、成形表面以及切 断等。铣削的方式很式,常见的方式 见图8。 与车削相比较。铣削有以下特点: 对刀齿来说.铣削是一个断续 切削过程,刀齿在大部分时间内暴 露在空气或切削液中而没有工作。 刀齿在进行切削时受到很大冲击力 和温度骤升,而离开工作区后,温度 和应力又急剧下降,因此容易产生 热疲劳裂纹。 在铣削过程中。切屑的厚度是变 化的。圆盘铣刀在逆铣时 (见图9), 最初切屑的厚度为零。而铣刀的刃口 是有钝圆半径的。在切削开始时。切 削刃将在加工表面滑行一段距离,直 至切削厚度大于钝圆半径时。刀齿才 真正切入金属。在这一滑行阶段,挤 压和摩擦都很严重。并在加工表面造 成加工硬化层。对后续的刀齿造成更 加严重的刀齿磨损。在顺铣时。刀齿 由待加工表面切入。此时切屑厚度最 大。刀齿受到较大的冲击力。但刀齿 切入容易。而且避免了刀刃在工件表 面上的滑行。因此减少了刀刃处的磨 损,刀具的使用寿命可比逆铣时提高 约2倍。 铣削与车削一样基本属于粗加 赖 融 A— 剖面 IA 图7刀具磨损的测量位置 (a)铣平面 (b)端铣 铣刀 刀杆 图8铣削方式 维普资讯 http://www.cqvip.com Featu res l 逆铣 I 图9逆铣与顺铣 工,加工速度很高,刀具与工件的接 触面积很小,切削液的冷却功能是 主要的,因此大多用水基切削液。但 有时因间断切削,用水基切削液容 易发生热冲击而使刀刃破损,此时 应适当降低切削速度,并改用油基 切削液。 钻孔 部件上的孔大多由钻削制成。 钻头上沟槽呈螺旋形,其作用是切 屑通道并使切 削液能够到达钻尖 。 钻头由于其形状特性,大多由高速 钢(HSS)制造,而由HSS制造的刀 具大多需要使用切削液。常见的麻 花钻结构见图 10。 在图 10中: 麻花钻的工作部分用于导向、排 屑,也是切削部分的后备。外圆柱上 两条螺旋形棱边称为刃带,可用于保 持孔形尺寸和钻头进给时的导向。2 条刃沟是排屑通道。钻体中心部称为 钻芯。 △切削部分由2个前刀面Ar,2 个后刀面Aa、2个副后刀面组成。副 后刀面就是刃带的棱面。其中 S、s口 为主切削刃,S .为副切削刃。 △直径倒锥是指远离切 削部分 的直径逐渐减小,以避免刃带与孔 壁的摩擦,钻头倒锥量约为0.03~ 0.12mm/100mm。 △钻头的切削部分的主切削刃 相当于车刀的主切削刃,而横刃相 当于一把刮刀。因钻头埋没在工件 内,散热条件不好,而且其刃带在全 部钻深里与孔壁摩擦,所以需要较 B 顺铣 切削部分 图10麻花钻的结构 好的润滑与冷却,通常要根据加工 材料和工艺参数来选用性能不同的 水基切削液。 深孔钻 深7L~TL的深度£与孔径 的比 L/D>5的孔。当 >20时,必须采 用深孔刀具才能加工。 深孔钻有许多不利条件: 不能观测到切削情况,切削热不 易传散,须有效冷却: 孔易钻偏: 刀柄细长,刚性差,易振动: 排屑不良,易损坏刀具。 常 见 的深 孔钻 加工 方法 有 2 种:枪钻(Gun D rilling)和错齿rail} 屑深孔钻 (简称BTA法 ),见图1 1、 图 1 2。 枪钻用于钻小的深孔。钻杆由 无缝钢管压制成形,工作时工件旋 转,钻头进给。一定压力的切削液从 钻杆的尾部注入,冷却切削区后沿 钻杆凹槽携同切屑从孔内冲出。枪 钻可加工 2~20mm。长径比达 1 00的深孔。此法之所以称为枪钻, 是因为它是早期专为加工来福枪而 开发的加工方法。 用BTA法钻孔时,切削液从钻 杆外缘与孔壁间流入,经切削区后 与切屑一起从钻杆内孔排出,称为 内排屑。BTA法主要用来加工大孔径 的深孔。 深孔钻所用切削液除起到冷却、 润滑等作用外,另一重要功能是携带 切屑。因切屑经过加工硬化,其硬度 超过工件的硬度。对于外排切屑的枪 钻法,还要防止切屑划伤孔的内表 面。深孔钻的加工精度大多只能达到 中等。若对孔的精度要求很高,尚须 进行铰孔等二次加工。 由于前述原因,深孔钻加工的苛 刻度较高。切削液中需加较多的润滑 性组分。根据被加工材料的特性及加 工参数,可选用极压乳化液和较小粘 度的切削油。 攻丝 攻丝是指在孔的内表面切割出螺 纹 ,所用的刀具是丝锥。丝锥的结构 见图 13。 维普资讯 http://www.cqvip.com 图1 1单刃外排屑小深孔枪钻 a) F2O9 图12 BTA深孔钻 图13丝锥的结构 FeaturEs 丝锥类似于一个轴向开槽的外 螺纹。通常开有 3或4个槽 (开有3 个槽的丝锥强度较大 )。螺纹被槽切 断的端面周边的棱制成切削刃。丝 锥前部的切削部分制成一定的锥度, 以使切削负荷分配在几个刀齿上。 校准部分有完整的齿形 ,以控制螺 纹参数并引导丝锥沿轴向运动。丝 锥的轴向开槽可以容纳切屑。丝锥 工作时 ,整体与工件接触并埋在工 件中。散热条件很差。此种工况也不 利于切削液到达切削区 ,因此切削 速度不能太快 ,以免切削刃处温度 过高。由于攻丝切削速度较慢,容易 产生积屑瘤 ,通常需要使用能抑制 积屑瘤的极压切削油;当攻丝速度 较快时,也可使用极压乳化液作为 切削液。 齿轮加工 常见的齿轮加工方法是插齿、滚 齿和剃齿。插齿和滚齿属于精度不太 高的加工。如果需要精度较高的齿 轮,则需对上述2种加工后的齿轮再 进行剃齿或磨齿二次加工。 插齿 插齿的工作情况见图14。插齿刀 的外形像一个齿轮,其端面做出刃口 (见图15)。插齿刀可加工出模数相等 的直齿和斜齿轮。在工作时,插齿刀 除有上下往复运动外。同时还有与被 加工齿轮配合的转动 ,即展成运动。 以逐渐包络出齿轮的齿形。在开始切 削时。插齿刀沿径向逐渐切入工件。 至预定深度时。自动停止径向进给。 展成运动仍继续进行,直到完成齿廓 的切削为止。 滚 齿 滚齿的工作情况见图1 6。齿轮滚 I 径向进给 O p . 一 hJ 分齿运动 《 。 , 切 I 运动lI l I ;; :_-让刀运动 图14 插齿刀的工作原理 维普资讯 http://www.cqvip.com ; ; F(atu res 刀是利用一对螺旋齿轮啮合原理工作 的。滚刀相当于小齿轮,工件相当于 大齿轮。 滚刀的基本结构是一个螺旋齿 轮,但只有一个或2个齿。所以其螺 旋角很大,看起来像一个蜗杆。这个 像蜗杆的螺旋齿轮轴向上开槽并做出 刃口即为滚刀 (见图 17)。 剃齿是对直齿斜齿圆柱齿轮进 行精加工的一种加工过程,其工作 图15插齿刀的切削刃及后刀面 图16滚齿工作情况 渐开线蜗杆 图17滚刀的结构 情况见图 1 8。剃齿刀的倒面刀刃 见图 1 9。 剃齿的工作过程类似于交错轴传 动的螺旋齿轮啮合,被剃齿轮由剃齿 刀带动。在啮合过程中,两者齿侧面 间产生相对滑移。剃齿刀即靠齿侧面 上的许多刃口在被剃齿轮的齿侧面上 剃下极小的一些切屑。 前述3种齿轮加工刀具都较贵, 特别是剃齿刀更为昂贵。而且刀刃磨 损后不能磨刃修复。选用切削液时应 以保护刃具为主。有些齿轮加工机床 的液压系统不易与切削液系统分离 (如滚齿机 )。基本上选用油基切削 液。此外,还要根据工艺参数、被加 工材质来考虑润滑性添加剂的活性。 并非极压剂越多越好。 拉削 拉刀的结构及工作情况见图20。 拉削主要用于加工贯通的内外表 面。按被加工表面部位不同,可分为 外表面拉削和内表面拉削。拉削可加 工的表面参见图21。 拉削加工有如下一些特点: 图18剃齿刀的侧面刀刃 图19剃齿刀的齿侧面刀刃 A部放大 图2O 拉削过程及拉刀结构 图21用拉刀加工各种工件表面形状 维普资讯 http://www.cqvip.com ◇拉削时同时有许多刀齿工作。 一 次行程即可完成粗、精加工。 ◇拉削属于精加工。精度可达 1T7—9,表面粗糙度Ra32~0.5 u m。 ◇拉刀的制造复杂。价格昂贵, 只适合在大批量生产中应用。 ◇拉削属封闭式加工。刀齿间留 有容屑槽。 ◇通 常拉 削的切 削速度 为 2~8m/min。由拉削速度与表面粗糙 度的关系 (见图22)可知。在此切削 25 — 20 盛15 器10 0 0 速度下,容易产生积屑瘤。切削速度 降低。机床容易产生爬行间距;速度 更高。容易产生振动(由于技术进步, 现在已有速度高于4Om/min的拉床 )。 由以上特点可知。用于拉削的切 削液,其主要目的是保护刀具和抑制 积屑瘤。特别是对于切削行程较长的 内孔拉削,切削液只能在拉刀进行切 削之前浇注到拉刀上。只有附着在刀 齿上的少量切削液在整个切削过程中 起作用。一般认为。内表面拉削是苛 10 20 30 40 50 6O 7O 8O 9O 切削速度 /m ·min。。 1、2、3、5-耐热钢 4一碳钢 6一轴承钢 图22切削速度Vc与表面粗糙度砌的关系 Featu res 刻度最高的切削过程。由于上述原 因.拉削通常采用附着能力较强、加 有极压剂的油型切削液。近年来。对 某些易切削材料的外表面高速拉削也 采用了极压乳化液。 切削加工的表面质量 切削加工的表面质量一般可用表 面光洁度或表面粗糙度Ra来衡量。 切削速度与表面粗糙度的关系见 图9。 综合相关文献,各种加工方法所 能达到的表面光洁度见表5。 结束语 在切削过程中,刀具与工件的相 对运动非常复杂。至今还没有对切削 过程苛刻度的严格定义和测定标准方 法,因此,比较切削液在各切削过程 中润滑性的优劣较为困难。被加工材 质、切削速度、进给速度等对刀具磨 损的影响都大于切削液浓度及品种变 化的影响。 尽管如此,切削液仍是切削加工 过程中改善加工条件及效果的重要手 段,合理使用切削液。有助于切削过 程的顺利进行,并达到预期的工艺要 求.取得良好的经济效益。 维普资讯 http://www.cqvip.com
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分类:生产制造
上传时间:2011-10-25
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