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金属切削的过程是刀具与工件相互运动、相互作用的过程。刀具与工件的相对运动可以分解为两个方面,一个是主运动,另一个是进给运动。使工件与刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动,称为主运动。刀刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。主运动特点是运动速度最高,消耗功率最大。主运动一般只有一个。保证金属的切削能连续进行的运动,称为进给运动。工件或刀具每转或每一行程时,工件和刀具在进给运动方向的相对位移量,称为进给量。进给运动的特点是运动速度低,消耗功率小。进给运动可以有几个,可以是连续运动,也可以是间歇运动。如图2-1所示外圆的车削运动。υc为切削刃某点切削速度,υf为同一点的进给运动速度,υe为两个运动的合成速度。

图2-1  外圆车削的切削运动与加工表面

金属切削过程是通过刀具切削工件切削层而进行的。在切削过程中,刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层,被称为切削层。切削层的截面尺寸被称为切削层参数。此外,在切削层中需介绍一重要概念-背吃刀量ap,对于外圆车削,它指已加工表面与待加工表面间的垂直距离。

数控加工中最常用的是数控车与数控铣两种加工方式。现以这两种加工方式为例说明切削层参数的定义。

1.车削切削层参数

如图2-2所示,刀具车削工件外圆时,切削刃上任一点走的是一条螺旋线运动轨迹,整个切削刃切削出一条螺旋面。工件旋转一周,车刀由位置I移动到位置II,移动一个进给量f ,切下金属切削层。此点的参数是在该点并与该点主运动方向垂直的平面内度量。

(1) 切削层公称厚度hD    在主切削刃选定点的基面内,垂直于过渡表面的切削层尺寸,称为切削层公称厚度。图2-2切削层截面的切削厚度为

                              hD = f sinκr

κr为刀具主偏角,即刀具主切削刃与进给方向的夹角。根据上式可以看出,进给量f或刀具主偏角κr增大,车削切削层厚度hD增大。

(2) 切削层公称宽度bD   在主切削刃选定点的基面内,沿过渡层表面度量的切削层尺寸,称为切削层公称宽度。切削层截面的公称切削宽度为

                             bD = ap/sinκr

由上式可以看出,当背吃刀量ap增大或者主偏角κr减小时,切削层公称宽度bD增大。

  (3)切削层公称横截面积AD  在主切削刃选定点的基面内,切削层的截面面积,称为切削层公称横截面积。车削切削层公称横截面为

AD =  hD bD = f ap

    2.铣削切削层参数

    铣削的方式主要有端铣与周铣,本文以周铣的铣削方式为例讲解。

    铣削与车削不同,在金属切削过程中,刀具旋转,工件进给移动,保持金属的连续切削。铣刀上一般有多个刀刃,所以金属的铣削是后一刀齿在前一刀齿加工后进行切削的,因此铣削的切削层应是两把刀加工面之间的加工层,周铣的切削层参数定义如下。

   (1)切削层公称厚度hD   在基面内度量的相邻刀齿主切削刃运动轨迹间的距离。如图2-3所示,直齿圆柱铣刀刀齿在任意位置的切削厚度。图示的虚线为前刀齿加工轨迹,当现刀齿旋转Φ角时,刀齿在加工轨迹上所在的位置为a点,前刀齿在同样角度位置时加工轨迹上点为c点,它们之间距离为每齿进给量fz,即铣刀每转一齿工件相对铣刀在进给方向上的移动距离。根据定义可知,此点切削层厚度为

hD  ab = acsinΦ fzsinΦ

可见,每齿进给量或Φ角的增大都将增大切削层公称厚度。而且,当Φ = 0时,切削层厚度为0,当Φ = Φ1时,切削层厚度最大。

(2)切削层公称宽度bD   铣削的切削层公称宽度是指主切削刃与工件切削面的接触长度(近似值)。直齿圆柱铣刀铣削的切削层宽度为

                            bD  ap

即切削层宽度等于背吃刀量,值得注意的是,铣削的背吃刀量与一般车削所定义的不同,它是平行于铣刀轴线方向度量的被切削层尺寸,因此,对于圆周铣,背吃刀量为工件在铣刀轴线方向上被切削的尺寸。

   (3)切削层公称横截面积AD  直齿圆周铣削的公称截面面积同样为切削厚度与背吃刀量的积, AD hD bD

    因为铣削切削层厚度是变化的,所以切削层公称横截面积也是变化的,由图可知,当Φ = 0时,切削层公称横截面面积最小,为0,Φ  Φ1时,公称横截面面积最大。

     

图2-2  车削切削层参数                     图2-3  铣削切削层参数

2.1.2 切削过程

通过了解金属切削过程,我们可以懂得金属是如何切削下来的,能够理解切削力、刀具磨损与加工表面质量等切削加工中的物理现象,为掌握提高切削效率,降低成本和保证加工质量等一些加工方法打下基础。

金属切削过程实际是被切削金属层在刀具的挤压下产生剪切滑移的塑性变形过程,在切削过程中也有弹性变形,但与塑性变形相比可以忽略。而且切削过程中,还会产生积屑瘤,它反过来又对切削产生影响,以下对这两个方面分别说明。

1.  金属切削过程的变形

金属在加工过程中会发生剪切和滑移,图2-4表示了金属的滑移线和流动轨迹,其中横向线是金属流动轨迹线,纵向线是金属的剪切滑移线。图2-5表示了金属的滑移过程。由图可知,金属切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区,各区特点如下:

(1)第一变形区  切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成,这一过程区域称为第一变形区。

切削层金属在刀具的挤压下首先将产生弹性变形,当最大剪切应力超过材料的屈服极限时,发生塑性变形,如图2-4所示,金属会沿OA线剪切滑移,OA被称为始滑移线。随着刀具的移动,这种塑性变形将逐步增大,当进入OM线时,这种滑移变形停止,OM被称为终滑移线。现以金属切削层中某一点的变化过程来说明。由图2-5所示,在金属切削过程中,切削层中金属一点P不断向刀具切削刃移动,当此点进入OA线时,发生剪切滑移,P点向2、3等点流动的过程中继续滑移,当进入OM线上4点时这种滑移停止,2’-2, 3’-3, 4’-4为各点相对前一点的滑移量。此区域的变形过程可以通过图2-5形象表示,切削层在此区域如同一片片相叠的层片,在切削过程中层片之间发生了相对滑移。OA与OM之间的区域就是第一变形区Ⅰ。

第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区,在这个区域内,金属将产生大量的切削热,并消耗大部分功率。此区域较窄,宽度仅0.02~0.2㎜。

 图2-4  金属切削过程中滑移线与流线                     图2-5  第一变形区金属滑移

(2)第二变形区   产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出,在靠近前刀面处形成第二变形区。如图2-4所示Ⅱ变形区。

在这个变形区域,由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦,变形进一步加剧,材料在此处纤维化,流动速度减慢,甚至停滞在前刀面上。而且,切屑与前刀面的压力很大,高达2~3GPa,由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温,切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。发生粘结现象后,切屑与前刀面之间的摩擦就不是一般的外摩擦,而变成粘结层与其上层金属的内摩擦。这种内摩擦与外摩擦不同,它与材料的流动应力特性和粘结面积有关,粘结面积越大,内摩擦力也越大。图2-6显示了发生粘结现象时的摩擦状况。由图可知,根据摩擦状况,切屑接触面分为两个部分:粘结部分为内摩擦,这部分的单位切向应力等于材料的屈服强度τs;粘结部分以外为外摩擦部分,也就是滑动摩擦部分,此部分的单位切向应力由τs减小到零。图中也显示了整个接触区域内正应力σγ的分布情况,刀尖处,正应力最大,逐步减小到零。

(3)第三变形区  金属切削层在已加工表面受刀具刀刃钝圆部分的挤压与摩擦而产生塑性变形部分的区域。如图2-4所示Ⅲ部分。

第三变形区的形成与刀刃钝圆有关。因为刀刃不可能绝对锋利,不管采用何种方式刃磨,刀刃总会有一钝圆半径γn。一般高速钢刃磨后γn为3~10μm,硬质合金刀具磨后约18~32μm,如采用细粒金刚石砂轮磨削,γn最小可达到3~6μm。另外,刀刃切削后就会产生磨损,增加刀刃钝圆。

图2-7表示了考虑刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程。当切削层以一定的速度接近刀刃时,会出现剪切与滑移,金属切削层绝大部分金属经过第二变形区的变形沿终滑移层OM方向流出,由于刀刃钝圆的存在,在钝圆O点以下有一少部分厚△a的金属切削层不能沿OM方向流出,被刀刃钝圆挤压过去,该部分经过刀刃钝圆B点后,受到后刀面BC段的挤压和摩擦,经过BC段后,这部分金属开始弹性恢复,恢复高度为△h,在恢复过程中又与后刀面


CD部分产生摩擦,这部分切削层在OB,BC,CD段的挤压和摩擦后,形成了已加工表面的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。

以上对金属切削层在切削过程中三个变形区域变形的特点进行了介绍,如果将这三个区域综合起来,可以看作如图2-8所示过程。当金属切削层进入第一变形区时,金属发生剪切

图2-6  切屑与前刀面的摩擦                       图  2-7  已加工表面形成过程

滑移,并且金属纤维化,该切削层接近刀刃时,金属纤维更长并包裹在切削刃周围,最后在O点断裂成两部分,一部分沿前刀面流出成为切屑,另一部分受到刀刃钝圆部分的挤压和摩擦成为已加工表面,表面金属纤维方向平行已加工表面,这层金属具有与基体组织不同的性质。

图2-8  刀具的切削完成过程

2.积屑瘤的形成及对加工影响

在一定的切削速度和保持连续切削的情况下,加工塑性材料时,在刀具前刀面常常粘结一块剖面呈三角状的硬块,这块金属被称为积屑瘤。

积屑瘤的形成可以根据第二变形区的特点来解释。当金属切削层从终滑移面流出时,受到刀具前刀面的挤压和摩擦,切屑与刀具前刀面接触面温度升高,挤压力和温度达到一定的程度时,就产生粘结现象,也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时,产生内摩擦,这时底层上面金属出现加工硬化,并与底层粘附在一起,逐渐长大,成为积屑瘤,如图2-9所示。

积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关,而且也与刀刃前区的温度和压力有关。一般材料的加工硬化性越强,越容易产生积屑瘤;温度与压力太低不会产生积屑瘤,温度太高也不会产生积屑瘤。与温度相对应,切削速度太低不会产生积屑瘤,切削速度太高,积屑瘤也不会发生,因为切削速度对切削温度有较大的影响。

积屑瘤硬度很高,是工件材料硬度的2~3倍,能同刀具一样对金属进行切削。它对金属切削过程会产生如下影响。

(1)实际刀具前角增大  刀具前角γo指刀面与基面之间的夹角,其概念将在后节详细论述。如图所示,由于积屑瘤的粘附,刀具前角增大了一个γb角度,如把切屑瘤看成是刀具一部分的话,无疑实际刀具前角增大,现为γoγb


刀具前角增大可减小切削力,对切削过程有积极的作用。而且,切削瘤的高度Hb 越大,实际刀具前角也越大,切削更容易。

(2)实际切削厚度增大   由图2-9可以看出,当切削瘤存在时,实际的金属切削层厚度比无切削瘤时增加了一个△hD,显然,这对工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是,


这个厚度△hD的增加并不是固定的,因为切削瘤在不停变化,它是一个产生,长大,最后脱落的周期性变化过程,这样可能在加工中产生振动。

(3)加工后表面粗糙度增大  积屑瘤的变化不但是整体,而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定,而它的顶部极不稳定,经常会破裂,然后再形成。破裂的一部分随切屑排除,另一部分留在加工表面上,使加工表面变得非常粗糙。可以看出,如果想提高表面加工质量,必须控制积屑瘤的发生。

  

图2-9  积屑瘤对加工影响


(4)切削刀具的耐用度降低   从积屑瘤在刀具上的粘附来看,积屑瘤应该对刀具有保护作用,它代替刀具切削,减少了刀具磨损。但积屑瘤的粘附是不稳定的,它会周期性的从刀具上脱落,当他脱落时,可能使刀具表面金属剥落,从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。

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