切削加工生产率（精选7篇）
切削加工生产率 篇1
1 概述
在机械加工生产中, 金属切削液是一种重要的工艺辅助材料。正确使用金属切削液可以减少刀具消耗、降低零件报废率、降低企业成本。金属切削液的应用和管理是机械加工中的一个重要课题, 在精密加工中尤其具有重要的意义。
本文结合生产实践, 对金属切削液的特点及适用性进行了阐述, 提出了选用金属切削液及设备的方法, 并介绍了金属切削液及其设备的管理方法。
2 金属切削液的应用
金属切削液是随着工业发展而产生的, 历史非常悠久。人类注意到切削加工中刀具对材料的直接切削要耗费大量能量且产生大量的热, 导致了工艺的不稳定, 而各类形式的切削液明显改善了加工性能和质量, 于是金属切削液逐渐发展起来。
2.1 金属切削液的工艺作用
2.1.1 减摩作用
减摩作用也可称之为润滑作用, 指切削液在工件、切屑、刀具之间界面上的降摩擦能力[1], 切削液必须能渗透到各个界面上, 并在其中能形成强度较高的吸附性润滑膜, 从而降低工件、切屑及刀具间的摩擦, 减少加工阻力。
2.1.2 冷却作用
金属加工过程中, 所消耗的功95-97%都转变成了切削热。其中, 2/3转化成变形热, 1/3转化成摩擦热。
冷却作用就是在加工过程中切削液将工件和刀具的热量吸收转移的作用。
2.1.3 冲洗作用
金属切削过程中, 刀具碎末及金属碎屑随着加工的进行而不断产生, 冲洗作用就是切削液净化加工界面的能力。意义在于延长刀具寿命并保证了加工质量。
2.1.4 防锈作用
指切削液对完成加工的工件具有短期工序间防锈的作用。
2.2 金属切削液的分类和性能
金属切削液按其性质可分为水基切削液和油基切削液。其中水基切削液又分成全合成型和半合成型切削液。
2.3 金属切削液的构成
全合成型切削液一般是以纯净水为基础液, 还含有稳定剂、乳化剂、抗硬水剂、抗菌剂、防锈剂、润滑剂、抗极压剂、消泡剂和香料等。
稳定剂、抗氧化剂、抗硬水剂是作为体系稳定剂而存在的, 保证了切削液可存贮性和各类工况下的使用寿命;抗菌剂的作用是防止体系内的有机物因微生物的繁殖而变质腐败;防锈剂的作用是短期防锈;润滑剂的作用是减摩润滑;抗极压剂的作用是维持、加强界面间润滑膜的强度。消泡剂的作用在于减少体系中各类添加剂 (一般为各类表面活性剂) 的发泡作用的消极影响;添加香料的目的是改善工作现场的气氛。
半合成型切削液与全合成型的差别在于其中的润滑剂以某些油类为主。
油基型切削液与水基切削液的构成差别较大。其成分主要是基础油, 其次是防锈剂、抗油雾剂、抗极压剂、抗氧化剂等。
油基型切削液的使用效果很大程度上取决于基础油的类别和等级。
一般来说, 该类产品所使用基础油可分为三类。
第一类为溶剂精制油;第二类为加氢精制油;第三类为加氢异构化油[2]。其中第二类油工艺性能较好。
2.4 金属切削液的选用原则
金属切削液的选用应从下面三个方面综合考虑:
2.4.1 工艺适用性
如上所述, 切削液有减摩、冷却、冲洗、防锈四个功能, 但在某一特定的工艺中, 很难保证任何一方面都达到使用者的期望。在选用时应有所侧重。
一般来说, 可以参照下表来对切削液的选用进行考量:
√-适用×-不适用
实际工作中应结合具体工艺需求来分析比较, 常常要通过对比实验和数理统计的方法来确定。
2.4.2 运行成本
这是所有企业用户都比较重视的问题。
水基切削液的运行成本一般为油基型切削液的20%-30%, 但水基切削液不能通用于所有工况;同时, 机床、刀具和工装成本往往在机械加工型生产企业中占有很大一部分, 而切削液选型的正确与否关系到机床维护成本和刀具成本, 因此, 在选择切削液时, 各企业需要根据自身实际情况综合考虑何种切削液最适合本企业的需要。
2.4.3 安全性
市场上销售的切削液中有些成分对操作人员是有人身危害的, 如可导致呼吸器官受损或各类皮炎等。在选用之前, 应要求供方提供产品MSDS (产品安全数据单) , 其中说明了产品中的有害成分和可能的不良反应, 对于产品的存贮要求及是否有燃爆危险都作出了说明。
为了降低风险, 企业应考虑采用低毒、环保型产品。
2.5 金属切削液处理设备
金属切削液处理设备在国内一般归口于机床辅机类产品, 但该类产品的性能往往对于产品加工质量有时具有决定性的影响, 特别是在精加工和超精加工方面。
一般来说, 该类设备可分成单机供回系统和集中净化系统两类。
单机供回系统一般表现为机床回液槽箱的形式, 一般由磁性分离器、粗过滤网、供液泵和槽箱等构成, 复杂些的还带有自动纸带过滤装置。容积一般不大于1m3。
集中净化系统一般由磁性分离器、过滤装置、高/低压供液泵及切削液温度控制装置构成, 容积可从几立方米至数百立方米。
2.6 金属切削液处理设备的选用
如何选用金属切削液处理设备, 需要从两方面考虑:
(1) 切屑类型相近的机床数量。
(2) 切削液处理设备的特点和工厂的产量。
2.6.1 切屑类型相近的机床数量
同一车间切屑类型相近的机床数量超过5台时, 可以考虑采用集中净化系统, 如铣床、车床的加工都产生较大的片状切屑, 可以归为一类;精磨床产生细小粉末状碎屑, 可以归为另一类。切屑类型不同的机床不建议共用同一集中净化系统。
2.6.2 切削液处理设备的特点和工厂的产量
工厂的产量直接影响到切削液处理系统的维护频率和切削液的使用寿命。加工中产生切削热及大量的碎屑。切削液受热后有效成分发生分解或氧化, 单机供回系统上一般没有冷却设施而且容积小, 这种变化尤其明显;碎屑进入切削液导致切削液的乳化状态被破坏, 清洗质量下降, 槽箱内的沉积物逐渐增加, 在加工负荷大时切削液的这种变化可以逐渐从色泽或气味上反映出来, 如从清澈变浑浊或从单一的颜色变成混浊态。产量越大, 切削液受到的影响越显著。
如果工厂中80%的机床在满负荷运转的情况下都已经达到16小时/日或以上, 就应考虑采用集中净化系统。一般来说, 这时单机供回系统的不足已经抵销了设备投资低的优势。
3 金属切削液及处理设备的管理
3.1 金属切削液的管理
3.1.1 水基切削液的管理
水基切削液需要检测pH值、折光浓度及含菌量。
无论是全合成还是半合成型水基切削液的正常pH值一般在8.5以上, 为了准确的控制切削液的状态, 需要使用电子pH计来检测切削液的pH, 应每日进行一次。
折光浓度可以采用折光仪来得出, 每日检测一次。
折光仪是基于折射定律设计的。在实际工作中有一个需关注的问题。
切削液在使用超过两个星期后, 内部往往混入了大量金属碎屑 (对于精磨工艺尤甚) , 其中较轻的一部分悬浮在体系中, 从宏观上看, 切削液变“浓”了, 其折光率因而也发生了变化, 这就导致折光仪的读数无法反映有效成分的真实浓度。
这时, 仅通过折光仪来判定切削液的状态就不够可靠了, 同时应注意切削液的pH及加工后工件的工序间防锈性能, 如果二者出现明显下降, 则要相应提高切削液的浓度。
一般来说, 单机供回系统中切削液的使用周期不应超过两个星期, 集中净化系统中切削液的使用周期不应超过4个月。切削液寿命临近末期的特征是pH逐渐下降, 以致无法控制, 加工后的工件常在数小时内生锈。
为了准确掌握切削液的状态, 还应定期检测切削液中的微生物含量, 微生物的繁殖是导致切削液失效的重要原因之一。实际工作中可以采用德国舒美公司的微生物检测片, 能在48小时内检出液体中的微生物含量。当微生物含量较高时, 必须废弃切削液。如继续使用, 微生物和菌类的迅速繁殖会导致加工质量劣化和零件生锈。
3.1.2 油基切削液的管理
油基切削液一般需要检测粘度、油中颗粒物的含量和颗粒度, 在加工流程中同时使用水基切削液和油基切削液时, 一般还要通过Karl-Fischer实验检测油基切削液中的含水量。
粘度检测是通过粘度仪实验来完成的, 检测粘度的目的是为了判定油基切削液是否发生了氧化分解或其他方面的变化。该检测至少每两星期进行一次。
油中颗粒物含量和颗粒度是通过真空抽滤法实现的, 通过真空抽滤设备和高精度滤片可以将油液和一定尺寸的颗粒物实现分离, 通过分析天平称重后可以得出单位油液中颗粒物的含量, 如果再配合颗粒度分析仪, 则可检出各种尺寸颗粒的相对比例。该检测对于精密加工尤其具有重要意义。
Karl-Fis che r水分测定实验是通过Karl-Fis che r水分测定仪完成的, 该实验的方法详见ASTM D1744。由于Karl-Fischer测定仪比较昂贵, 该实验可以委托切削液供应商来进行, BP、壳牌等公司一般都备有这类设备代为客户进行检测。
油基切削液只能通过管理良好的净化再生过程保持其品质, 需要避免水、灰尘、杂质混入, 对于洒落的油液, 不可以回收再用, 以免污染切削液处理设备中的油液。如果油液发生了明显的劣化, 就只能淘汰换新。一般来说, 在有效的管控下, 集中净化设备中的油基切削液往往可以运行两年甚至更长时间而不发生变质劣化。
3.2 金属切削液处理设备的管理
金属切削液处理设备的管理包括日常管理和定期维护两方面内容。
3.2.1 金属切削液处理设备的日常管理
日常管理工作一般有:
(1) 监控磁性分离装置的功能是否正常。
(2) 监控滤材状态并及时更新。
(3) 及时清空接渣、接布容器。
(4) 监控冷却装置的运行状态。
3.2.2 金属切削液处理设备的维护
该表所列内容只适用于水基切削液处理设备, 油基切削液处理设备只需进行换液和清理工作, 而且在管理状态良好的情况下, 维护周期可以根据实际延长, 在实践中, 曾有油基切削液集中净化设备在良好管控下运行2年未清理换油而状态依然良好的事例。
下面就维护的一些事项进行说明。
杀灭微生物需要使用专用微生物消除剂。目前, 市场上比较好的产品有BP公司的TechnicleanMTC 43, 德国舒美公司的grotan RWS等。具体的施用方法需与供货方进行技术方案设计后确定。
选用集中净化系统的企业在将系统和机床相连接时, 有通过地沟和架设悬吊式管路两种方式, 前者影响车间环境卫生且易污染切削液, 已经不再流行;目前的主流方式都是采用悬吊式管路连接净化系统和各个机床的。
由于切削液中混杂了大量细小的碎屑, 当液体在管路中流速下降或遇到弯头及阀门时, 部分碎末会沉降在管路中, 日积月累会导致管径变窄甚至被封闭住。
为了避免彻底堵死的情况发生, 应制定一个符合工厂实际的维护周期对管路进行疏通、清理。实际操作时, 需要将管路连接分离后从悬吊架上卸下, 在指定的场地上用专用设备或特制工具以机械力进行疏通、清理。工作完毕后再起吊至悬吊架上完成装配复原。
4 结论
金属切削液具有减摩、冷却、清洗、防锈四大功能, 在实践中需要从工艺适用性、运行成本和安全性等三个方面进行综合考虑, 选择合适的品种。水基切削液和油基切削液各有优缺点, 适用工况也不全相同, 在选择时一般应侧重于工艺最需要的性能。选择切削液处理设备需要综合考虑本厂的机床状况、工厂产量和切削液处理设备的特点。水基切削液需要检测pH值、折光浓度及含菌量;油基切削液一般需要检测粘度、油中颗粒物的含量和颗粒度, 必要时还需要做Karl-Fische实验。金属切削液处理设备的管理包含日常管理和设备定期维护两方面。只有两个方面的工作内容都按照规范要求完成, 才能保证设备处于良好的状态, 从而延长切削液的使用寿命。对于机械加工生产来说, 金属切削液及其设备的正确使用、良好管理对于保证加工质量、降低工厂运行成本具有重要的意义。
参考文献
[1]周雍鑫, 周俊《.金属切削液使用指南》[M].1版.北京:中国石化出版社.机械工业出版社.2000:10.
[2]关子杰《.金属切削液基础和应用》[M].1版.北京:中国石化出版社.2006:51.
切削加工生产率 篇2
1 机械加工中的切削加工分析
1.1 切削加工在机械加工生产中的重要作用
在机器制造程序中, 开展机器制造的零件商品, 大都是生产行业制造中关键制造的配件。一般来讲, 开展机器零配件的制作程序中, 针对机器零配件的制作技术方式, 大多是铸造与锻造, 亦或是焊接, 这些机器制造技术方式关键是在机器零配件商品的半成品制作。伴随着机器制造技术措施的持续提升, 在开展机器商品的制造程序中, 制造手段也随之前进, 例如, 精铸造与精锻造制造技术等, 都能够采用来开展机器零配件商品毛坯的制作使用中。除此之外, 在机器制作制造中, 迅速原型生产技术, 也是开展机器零配件模子生产中经常使用的技术方式, 一般来讲, 经常和别的机器生产制作措施一起使用, 在机器商品的制作制造中使用。在开展机器商品的生产制作中, 除了会运用到经常见的切削以及磨削技术, 还能够运用到激光束、电化学、电子束等机器生产技术, 在这些机器制造技术中, 切削技术是机器生产制作中最经常使用到的同时也是最基本的制作措施之一。所以, 切削制作在机器生产制作中很普通、常见, 同时针对机器制造也有着关键的影响。
1.2 机械切削加工与切削应用刀具的分析
在使用切削制造措施开展机器商品的生产制作程序中, 刀具的运用对制造的技术水准与切削品质有着十分重要的意义。一般来讲, 切削生产中切削运用的刀具功能以及品质状况, 对切削生产的速度以及切削生产品质有着关键的作用以及意义, 进而对机器生产制作的速度以及品质也有着影响。在机器制造中切削制造就是经过实用切削刀具把制作的配件中不需要的物料金属切削掉, 以便取得想要的金属商品大小以及样式、外观品质等一种生产制作方式。在开展机器切削生产中, 关键就是使用切削刀具的切削位置和开展切削生产金属配件的切削外层产生功效, 来完成切削制作制造的程序, 这种功效就是刀具具有的切削功效与切削生产配件的反切削功效, 两种功效下开展金属配件的机器切削制作制造, 也是机器切削制作中的关键程序, 通过这些就能够得知刀具在切削制作制造中的关键位置。伴随着机器生产制造业的持续前进, 在开展机器制作制造的程序中, 不光对刀具的生产制作品质关注程度日益提升, 并且伴随着工件生产制作措施的持续提升, 刀具制造品质也在慢慢的改善。在开展切削生产程序中, 珍贵切削使用的刀具, 不光要求其具有高度的可靠性, 同时针对切削功能越高越好。除此之外, 对刀具进行稳固固定的夹具、刀具生产物料以及构造等, 在切削生产使用中对其需求也都是很高的。
2 切削加工中的切削颤振与影响分析
在使用机器制作制造程序中, 加工设备的颤动会给设备制作制造产生非常不良的作用, 不光会使操纵设备的工作人员产生疲惫, 减少制作制造作用速度以及产生生产品质, 并且对于设备制作制造程序中的安全也存在很大的威胁。除此之外, 设备制作制造程序中的设备颤动情况, 还有可能对设备设施与生产工件等带来一定程度的损害, 降低机床设施以及工件的工作时间。
切削颤振是进行切削加工生产过程中, 产生的一种由于动态周期性作用力引发的、并且维持颤振不进行衰减的振动现象, 它对于机械切削加工的工艺技术、产品加工质量、加工生产效率等都有着十分不利的影响。通常情况下, 在进行机械切削加工生产过程中, 切削颤振现象在切削加工的多余切削金属材料的剥离切削加工过程中, 与切削加工中的切削以及进给、切入等操作动作进行叠加出现, 切削颤振对于切削加工中的刀具以及机床使用寿命有着很大的影响。并且在进行切削加工生产的过程中, 一旦出现切削颤振问题, 为了避免切削颤振对于切削加工的不利影响, 通常需要停止切削或者是控制切削用量等, 来对于切削颤振的影响作用进行控制, 这样一来就会对于切削加工的工作效率等产生影响, 而且强烈的切削颤振还容易造成机械加工制造的噪声污染, 对于周围的环境与人们正常生活、健康状况等, 都有十分不利的影响。
3 切削加工中切削颤振的控制措施
根据上述切削加工过程中切削颤振以及影响的分析, 在进行切削加工中的切削颤振的控制中, 首先需要对于切削颤振出现的相关理论进行分析认识, 在此基础上, 结合切削颤振的发生原理, 采取有效的措施对于切削颤振进行控制避免。
在对于切削颤振发生原理的研究中, 认为切削颤振问题发生的物理原因, 主要是由于两次不同切削加工过程中, 切削加工形成的振纹与振动位移之间的相位差, 造成在切削加工过程中由于切削刀具的切削厚度不同引起的颤振问题, 这种切削颤振与原理被称为值再生颤振理论。此外, 在不存在再生颤振条件的切削加工过程, 切削颤振产生的原理现象被称为是振型耦合颤振理论。比如, 切削加工中, 由于切削螺纹在前后两次切削动作中没有重合, 导致的颤振现象就是振型耦合颤振。
总之, 根据上述切削颤振产生的原因以及颤振理论, 在进行切削颤振控制中, 可以通过对于切削加工中切削加工机床主轴运转速度以及切削进给量、切削宽度、切削刀具的安装角度等, 进行适当的调整以满足切削加工的需求, 避免切削颤振问题的发生。其中, 以调整切削加工机床主轴运转速度对于切削颤振的控制效果最为明显。
4 结束语
总而言之, 针对机器切削生产和其在制作制造程序中存在的颤动毛病开展解析研究, 能够使用相关有用的技术改善与防治切削制造中的颤动毛病与风险, 并且还能够提升机器设备切削生产的措施水准、确保切削制造品质等, 也都有着积极主动的影响。
参考文献
[1]张玲, 田守仁.浅谈机械加工中切削加工及切削颤振[J].企业文化, 2012 (2) .
[2]张向慧, 贺建芸, 徐红娟.非线性颤振对切削加工过程影响初探[J].机械工程师, 2002 (3) .
[3]傅惠南, 李锻能, 王成勇, 王晓红.纳米机械加工与材料表面性质研究[J].电子显微学报, 2003 (3) .
车床及其切削加工 篇3
车床的基本部件有:床身、主轴箱组件、尾架组件、溜板组件、丝杠和光杠。
床身是车床的基础件。它通常是由经过充分正火或时效处理的灰铸铁或者球墨铸铁制成。它是一个坚固的刚性框架, 所有其他基本部件都安装在床身上。通常在床身上有内外两组平行的导轨。有些制造厂对全部四条导轨都采用导轨尖顶朝上的三角形导轨 (即山形导轨) , 而有的制造厂则在一组中或者两组中都采用一个三角形导轨和一个矩形导轨。导轨要经过精密加工, 以保证其直线度精度。为了抵抗磨损和擦伤, 大多数现代机床的导轨是经过表面淬硬的, 但是在操作时还应该小心, 以避免损伤导轨。导轨上的任何误差, 常常意味着整个机床的精度遭到破坏。
主轴箱安装在内侧导轨的固定位置上, 一般在床身的左端。它提供动力, 并可使工件在各种速度下回转。它基本上由一个安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮——类似于卡车变速箱一所组成。通过变速齿轮, 主轴可以在许多种转速下旋转。大多数车床有8-18种转速, 一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动2-4个手柄, 就能得到全部转速。一种正在不断增长的趋势是通过电气的或者机械的装置进行无级变速。
由于机床的精度在很大程度上取决于主轴, 因此, 主轴的结构尺寸较大, 通常安装在预紧后的重型圆锥滚子轴承或球轴承中。主轴中有一个贯穿全长的通孔, 长棒料可以通过该孔送料。主轴孔的大小是车床的一个重要尺寸, 因为当工件必须通过主轴孔供料时, 它确定了能够加工的棒料毛坯的最大尺寸。
尾架组件主要由三部分组成。底板与床身的内侧导轨配合, 并可以在导轨上做纵向移动。底板上有一个可以使整个尾架组件夹紧在任意位置上的装置。尾架体安装在底板上, 可以沿某种类型的键槽在底板上横向移动, 使尾架能与主轴箱中的主轴对正。尾架的第三个组成部分是尾架套筒。它是一个直径通常大约在51-76mm (2-3英寸) 之间的钢制空心圆柱体。通过手轮和螺杆, 尾架套筒可以在尾架体中纵向移人和移出几英寸。
车床的规格用两个尺寸表示。第一个称为车床床面上最大加工直径。这是在车床上能够旋转的工件的最大直径。它大约是两顶尖连线与导轨上最近点之间距离的两倍。第二个规格尺寸是两顶尖之间的最大距离。车床床面上最大加工直径表示在车床上能够车削的最大工件直径, 而两顶尖之间的最大距离则表示在两个顶尖之间能够安装的工件的最大长度。
普通车床是生产中最经常使用的车床种类。它们是具有前面所叙述的所有那些部件的重载机床, 并且除了小刀架之外, 全部刀具的运动都有机动进给。它们的规格通常是:车床床面上最大加工直径为305-610mm (12-24英寸) ;两顶尖之间距离为610-1 219mm (24-48英寸) 。但是, 床面上最大加工直径达到1 270mm (50英寸) 和两顶尖之间距离达到3 658mm (12英尺) 的车床也并不少见。这些车床大部分都有切屑盘和一个安装在内部的冷却液循环系统。小型的普通车床———车床床面最大加工直径一般不超过330mm (13英寸) ———被设计成台式车床, 其床身安装在工作台或柜子上。
虽然普通车床有很多用途, 是很有用的机床, 但是更换和调整刀具以及测量工件花费很多时间, 所以它们不适合在大量生产中应用。通常, 它们的实际加工时间少于其总加工时间的30%。此外, 需要技术熟练的工人来操作普通车床, 这种工人的工资高而且很难雇到。然而, 操作工人的大部分时间却花费在简单的重复调整和观察切屑产生过程上。因此, 为了减少或者完全不雇用这类熟练工人, 六角车床、螺纹加工车床和其他类型的半自动和自动车床已经很好地研制出来, 并已经在生产中得到广泛应用。
普通车床作为最早的金属切削机床中的一种, 目前仍然有许多有用的和为人们所需要的特性。现在, 这些机床主要用在规模较小的工厂中, 进行小批量的生产, 而不是进行大批量的生产。
在现代的生产车间中, 普通车床已经被种类繁多的自动车床所取代, 诸如自动仿形车床, 六角车床和自动螺丝车床。现在, 设计人员已经熟知先利用单刃刀具去除大量的金属余量, 然后利用成型刀具获得表面光洁度和精度这种加工方法的优点。这种加工方法的生产速度与现在工厂中使用的最快的加工设备的速度相等。
普通车床的加工偏差主要依赖于操作者的技术熟练程度。设计工程师应该认真地确定由熟练工人在普通车床上加工的试验零件的公差。在把试验零件重新设计为生产零件时, 应该选用经济的公差。
对生产加工设备来说, 目前比过去更着重评价其是否具有精确的和快速的重复加工能力。应用这个标准来评价具体的加工方法, 六角车床可以获得较高的质量评定。
在为小批量的零件 (100-200件) 设计加工方法时, 采用六角车床是最经济的。为了在六角车床上获得尽可能小的公差值, 设计人员应该尽量将加工工序的数目减至最少。
自动螺丝车床通常被分为以下几种类型:单轴自动、多轴自动和自动夹紧车床。自动螺丝车床最初是被用来对螺钉和类似的带有螺纹的零件进行自动化和快速加工的。但是, 这种车床的用途早就超过了这个狭窄的范围。现在, 它在许多种类的精密零件的大批量生产中起着重要的作用。工件的数量对采用自动螺丝车床所加工的零件的经济性有较大的影响。如果工件的数量少于1 000件, 在六角车床上进行加工比在自动螺丝车床上加工要经济得多。如果计算出最小经济批量, 并且针对工件批量正确地选择机床, 就会降低零件的加工成本。
因为零件的表面粗糙度在很大程度上取决于工件材料、刀具、进给量和切削速度, 采用自动仿形车床加工所得到的最小公差不一定是最经济的公差。
在某些情况下, 在连续生产过程中, 只进行一次切削加工时的公差可以达到±0.05mm。对于某些零件, 槽宽的公差可以达到±0.125mm。镗孔和采用单刃刀具进行精加工时, 公差可达到±0.0125mm。在希望获得最大产量的大批量生产中, 进行直径和长度的车削时的最小公差值为土0.125mm是经济的。
金属切削加工在制造业中得到了广泛的应用。其特点是工件在加工前具有足够大的尺寸, 可以将工件最终的几何形状尺寸包容在里面。不需要的材料以切屑、颗粒等形式被去除掉。去除切屑是获得所要求的工件几何形状, 尺寸公差和表面质量的必要手段。切屑量多少不一, 可能占加工前工件体积的百分之几到70%-80%不等。
由于在金属切削加工中, 材料的利用率相当低, 加之预测到材料和能源的短缺以及成本的增加, 最近十年来, 金属成形加工的应用越来越多。然而, 由于金属成形加工的模具成本和设备成本仍然很高, 因此尽管金属切削加工的材料消耗较高, 在许多情况下, 它们仍然是最经济的。由此可以预料, 在最近几年内, 金属切削加工在制造业中仍将占有重要的位置。而且, 金属切削加工的自动生产系统的发展要比金属成形加工的自动生产系统的发展要快得多。
切削加工应用综述 篇4
现代制造技术是一个国家制造业水平高低的主要标志, 直接影响着国家工业的发展[1]。切削加工在机械制造技术中占据重要地位, 占机械加工量的90%以上[2], 它是汽车工业、航空航天工业、能源工业和新兴的模具工业、电子工业等部门迅速发展的重要因素。切削加工是指用刀具从工件上切除多余材料, 从而获得形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件的加工过程。从有切削加工以来, 切削液已广泛应用于金属切削刀具寿命的延长, 表面加工质量的提高, 在获得卓越的性能时, 切削液所涉及的一些重要的问题也限制了其应用[3]。当前的切削加工按切削液的使用情况可分为三类:传统切削、干式切削、半干式切削。本文通过对以上三类切削加工进行的介绍, 分析优缺点, 使读者对切削加工有更加深入的了解, 为操作者提供选择使用何种切削加工的参考。
1 传统切削
传统的切削在此指使用切削液的切削加工, 也叫湿切削加工。自从切削加工问世以来, 人们就知道用切削液可以提高加工效率, 其技术现已十分成熟。切削液一般以液体的形式浇注在切削区内, 它一方面能在切削过程中带走热量, 冷却工件和刀具;另一方面切削液使刀具与工件间的摩擦减小, 从而摩擦产生的热量减少;另外, 切削液还具有排屑与清洗、防锈等作用。利用切削液还可以减少粘结及刀具磨损量, 防止划伤已加工表面和机床导轨面[4]。
但是传统的切削技术也有很大的弊端, 传统切削的切削液浇注方式使得刀刃与工件、刀刃与切屑的结合部由于膜态沸腾的原因并没有得到很好的冷却和润滑, 而只是冷却了刀体和工件的表面[5];使用切削液对环境有很大的污染;各种类型的切削液都会含有除基础油以外的各种添加剂, 工人在操作时容易接触切削液, 引起皮肤伤害;而且切削液的存放困难, 需要避光、避热、避潮室内存放, 理想存放温度为4℃~30℃。这都无形中产生了很高的成本费用, 和绿色的机械制造理念不相符合。
2 干切削
干切削一般是指在无冷却、润滑油剂的作用下的高速切削。高速切削是20世纪90年代迅速走向实际应用的一项新加工技术, 包括高速硬切削、高速软切削以及大进给软切削[6]。在高速切削条件下, 95%—98%切削热被切屑带走, 切削力也可降低30%。
高速干式切削对刀具的要求严格:刀具需要很好的耐高温性能, 可在无切削液条件下工作;切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小 (最有效的方法是刀具表面涂层) , 并辅以排屑良好的刀具结构, 减少热量堆积;切削刀具还需要更高的强度和抗冲击韧性[7]。目前, 国外的工业发达国家非常重视高速干切削研究, 干切削技术已经成功应用到了生产领域, 并获得了良好经济效益[8]。使用高速切削, 在表面形成的残余压应力低于正常的铣削速度, 在表面的残余应力梯度较小和应力分布更合理。应用高速铣削方法加工钛合金获得的工件表面质量能达到通过研磨得到的表面质量的水平, 具有较低的应力, 表面粗糙度低, 较低的冷作硬化深度[9]。
当然, 高速切削加工也有其自身的局限性:在切削加工一些难加工材料时, 切削速度的提高仍会受到刀具急剧磨损的限制;同时切屑因较高的热塑性而难以折断和控制, 切屑的收集和排除较为困难[10];高速切削因为切削力增大, 切削温度上升, 切削振动增强, 影响机床加工性能, 降低了加工质量。另外高速切削所使用的刀具材料价格非常贵, 像铣削这类回转刀具及主轴还需要动平衡;刀具夹持必须安全可靠;所使用的高速加工机床及其控制系统价格昂贵, 这些都使得高速切削的成本加大[8]。
3 半干式切削
半干式切削法是介于干式切削和湿切削之间的一种切削方式, 它综合了干式切削和湿切削的优点, 在保证加工效果的前提下, 尽可能的使用最小量的切削液, 尽可能对环境的污染程度影响最小[11]。它是利用气体加微量无害油剂代替切削液的降温、润滑、排屑的一种切削方式, 常见的有MQL (微量润滑) 切削、氮气流切削、超低温冷却切削和低温冷风切削。
3.1 MQL (微量润滑) 切削
MQL切削是早就在国外应用广泛的半干式切削方法, 是利用常温压缩空气中混入微量的无公害油雾替代大量切削液来进行冷却、润滑和排屑。采用MQL时的切削摩擦系数与使用水溶性切削液和干切削时的摩擦系数相比要低得多, 所以即便是提供非常微量的油剂也能获得润滑作用[12]。
MQL切削技术明显优于干式切削, 其切削力由于切削温度的降低而减小[13], 能获得相当小的表面粗糙度和毛刺尺寸[14], 同时因其使用环保型切削液, 降低了对工作人员的危害。MQL发展很快, 在很多国家都使用普遍, 但是, 有助于大量降低切削废弃物的MQL技术还无法被人们清晰认识, 在技术上更是问题重重, 如需要控制氧气浓度, 以免有氧化物的产生, 使得切削温度升高。
3.2 氮气流切削
氮气流切削是指把空气中的O2、CO2和H2O排出, 提取到比较纯净的氮气, 用氮气代替切削液, 达到降低温升的目的, 并能够解决金属材料的氧化问题。氮气流切削冷却剂的来源丰富, 并不会污染环境, 但是由于只有氮气作为冷却剂, 其冷却效果不太明显, 对于此项技术国内外的研究都较少, 国内更是几乎没有使用。
3.3 超低温冷风切削
超低温冷风切削在特定的压力作用下, 将-180℃的液氮, 或是-76℃的CO2液体喷入切削点, 替换掉使用切削液的切削方式。超低温冷风切削与氮气流切削的不同之处在于使用了低温氮气作为冷却剂, 能够达到较好的冷却效果, 但该方法技术难度大、成本高, 故发展缓慢, 无法广泛用于生产实际。
3.4 低温冷风切削
低温冷风切削技术的工作思路, 就是将压缩空气在特定压力下通过不同类型的制冷设备, 直接用喷管喷射于刀具前后切削刃, 使刀具切削刃得到迅速冷却, 从而能够达到降温、减小切削力和使切屑迅速脱离工件的效果[15]。将压缩空气降温到-20℃~-30℃, 并混入微量植物油润滑剂的切削方式与MQL切削不同之处在于低温冷风切削使切削点低温化[16]。
低温冷风切削技术是最为实用, 也最适合我国国情一种切削加工技术。它的优点如下:加工效率提高了几倍, 低温冷风车削、磨削效率被证实有所提高, 低温冷风钻削的效率甚至提高了甚20倍左右;基本上不产生污染, 改善了加工条件;省去了切削剂采购费, 使得生产成本降低;切屑不用处理便可回收, 使经济效益增加;对自动加工、检测和监控也非常有利;加工温度对工件尺寸影响很小, 质量稳定;刀具寿命延长数倍, 降低了刀具成本、缩短了机床准备时间;特别对于钛、镁、镍铬合金等难切削材料的加工用处极大[17]。
4 结语
目前, 发展先进制造技术的重要性毋庸置疑, 我国国情使得我们尤为要意识到其紧迫感, 经过对三种类型的切削技术的简单对比, 得出如下结论:
(1) 由于现在的环保意识越来越强, 国际上对环境污染的惩罚力度加大, 传统的切削技术由于使用切削液污染环境和成本增加等原因, 不符合绿色制造加工概念, 被越来越多的国家摒弃。
(2) 高速干式切削加工技术在国外的应用十分普遍, 但在国内由于条件限制, 刀具材料问题难以克服, 其发展研究仍存在困难。
切削加工与电加工的合理运用 篇5
随着制造业的快速发展, 传统的机械加工方法已远不能满足很多零件的制造工艺。比如:硬质材料, 超薄零件, 异形零件等。而快速发展起来的电加工方法, 在诸多方面对传统机械加工起到了弥补和完善的作用。但从加工经济精度和加工原理误差等方面考虑, 特种加工的方法并不能完全替代传统机械切削加工, 本人在这里对于传统机械加工和电加工在实际零件的制造中如何合理穿插运用并体现出各自的优越性提出一些自己的看法。
二传统机械切削加工
切削加工的历史可追溯到原始人创造石劈、骨钻等劳动工具的旧石器时期。早在商代中期 (公元前13世纪) , 就已能用研磨的方法加工铜镜;商代晚期 (公元前12世纪) , 曾用青铜钻孔;西汉时期 (公元前206～公元23) , 就已使用杆钻和管钻, 用加砂研磨的方法在"金缕玉衣"的4000多块坚硬的玉片上钻了18000多个直径1～2毫米的孔。17世纪中叶, 中国开始利用畜力代替人力驱动刀具进行切削加工。如公元1668年, 曾在畜力驱动的装置上, 用多齿刀具铣削天文仪上直径达2丈 (古丈) 的大铜环, 然后再用磨石进行精加工。18世纪后半期的英国工业革命开始后, 切削加工开始用蒸汽机作为动力。到19世纪70年代, 切削加工中又开始使用电力。对金属切削原理的研究始于19世纪50年代, 对磨削原理的研究始于19世纪80年代, 此后各种新的刀具相继出现。
19世纪末出现的高速钢刀具, 使刀具许用的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢刀具提高两倍以上, 达到25米/分左右。1923年出现的硬质合金刀具, 使切削速度比高速钢刀具又提高两倍左右。30年代之后出现的金属陶瓷和超硬材料, 进一步提高了切削速度和加工精度。
随着机床和加工刀具的高速发展, 切削加工在整个制造业中扮演着重要的角色, 但也暴露出了一些问题:比如对硬质材料的加工必须要经过热处理工艺, 但是热处理工艺又伴随着相应的零件变形和内应力的产生, 后续必须要进行处理, 较为麻烦。另外, 对于复杂零件, 异形零件, 超薄零件等负面的加工也有很大的局限性。
任何机械切削加工都必须具备以下3个基本条件:切削工具、工件和切削运动。切削工具应有刃口, 其材质必须比工件坚硬。不同的刀具结构和切削运动形式构成不同的切削方法。切削加工是机械制造中最主要的加工方法, 在机械制造工艺中仍占有重要地位。
传统的加工主要依靠车、钳、铇、铣、磨、镗。以钳工为核心, 个人能力的局限性, 过多人为因素的参与, 使得生产的水平、效率和可靠性受到限制, 管理也相当有难度。在精度和产品质量也受到很大限制。人力要求多也是一个难题。
三电加工的原理
电加工是利用电极与工件之间的放电腐蚀效应的一种加工方式, 一般采用高频脉冲回路进行放电。
电加工的一般类型:电火花加工, 电化学加工, 电泳加工, 电解加工和电子束、离子束加工等。
与传统加工相比, 其显著特点有:加工精度高, 能克服传统加工对高硬度材料加工的缺点, “以柔克刚”, 此外还能显著提高加工效率和得到较好的表面质量。这里, 以电火花和电火花数控线切割来说。
1.电火花加工
电火花加工的原理是基于工具电极和工件电极 (分别接在脉冲电源的正极、负极) 之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除毛坯上 (必须是导电材料) 多余的金属, 以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定要求的加工要求。
电火花加工时火花通道中瞬间产生大量的热量, 能达到5000℃以上的温度, 此温度足以使任何金属材料局部熔化、汽化而被腐蚀掉, 从而形成放电凹坑。随着连续不断地重复放电, 工具电极在主轴伺服机构的作用下不断地向工件进给, 从而可将工具的形状复制在工件上, 这样就可以加工出想要加工的零件。
2.线切割加工
线切割加工 (电火花数控线切割) 是在电火花加工的基础上发展起来的, 不同的是它不用制造工具电极, 工具电极用一根金属丝来替代。线切割加工分高速往复走丝的快走丝和低速单向走丝的慢走丝。工件的轮廓形状靠数控系统控制工作台轨迹运动来得到。
四电加工的优缺点
电加工相对于传统机械切削加工主要有以下优点:
1.适用于加工传统机械切削加工难以加工或无法加工的材料。不受材料硬度限制。如淬火钢、硬质合金、耐热合金等。因为材料的去除是靠放电热蚀作用实现的。
2.可加工特殊及复杂的零件。由于在加工过程中不受切削力, 工件与工具间宏观作用力很小, 所以便于加工各种型孔、立体曲面、小孔、深孔、窄缝零件, 而不受工件和工具刚度的限制。
3.电加工可改变机械零件的加工工艺路线, 由于加工时不受材料硬度、脆性等的影响, 所以在淬火后进行加工, 从而避免淬火过程中产生的热处理变形。
4.加工过程中脉冲电源的参数随时可以调节, 所以加工过程中, 只需调整电参数即可切换粗、半精、精、超精加工。
5.线切割加工可用于贵重金属下料、窄缝切割、细微异形孔切割、上下异形切割等。
电加工的缺陷:被加工工件必须是导体;生产率效率不高;设备价格较高;存在电极损耗, 影响成型精度;加工表面有变质层;加工必须在工作液中进行, 否则将引起异常放电;线切割加工有厚度限制。
另外, 电火花加工和线切割加工本身就有加工原理误差。电火花加工时, 工具电极在腐蚀工件的同时, 工件也要同时腐蚀工具电极, 工具电极的损耗会造成型孔上下尺寸不一致 (成为喇叭口的形状) 影响了尺寸精度和形状精度。线切割加工时, 工件的轮廓形状靠工作台的轨迹运动来控制, 而斜线和圆弧是靠折线插补得到的, 影响了表面精度。
可见, 相对于传统机械切削加工而言, 电加工在拥有自身加工优势的同时, 又有着加工的局限性和不足。因此在实际加工中, 应充分发挥各自的优势, 对于不足之处应注意其它的弥补。
五切削加工与电加工的合理运用
由上所述, 我们可以机械加工和电加工在实际加工中各有自己的优缺点, 主要体现在以下几个方面:机械切削加工的经济成本比电加工低;机械加工和电加工对操作人员的技术水平要求不同;工人劳动强度不同;电加工存在加工原理误差。
那么如何把这些方法合理运用呢?我们可以从以下几个方面来考虑。
1.从加工经济精度考虑
我们在分析审核零件图后确定的最后一道加工工序都是从零件的加工经济精度的方面来考虑的, 即在满足零件图精度等级要求的情况下要尽量地考虑加工经济成本。能用机械加工完成的加工任务, 尽量不要用特种加工的方法。在前面提到了, 电火花和线切割加工都存在原理误差, 那么我们要看用电加工方法针对与该零件图的加工是否在电加工的经济精度范围之内 (具体还要看厂家的设备) 如果不能达到, 则应该在电加工工序后面增加一道光整加工的工序了, 而电加工后的光整加工很多时候又是靠机械加工中的钳工研磨来完成的。
2.从被加工零件的材料与形状考虑
传统机械加工, 适应加工简单形状的普通材料, 而电加工由于不受切削力, 所以对于硬质金属, 薄形零件, 异形零件的加工有极为广泛的用途。还可用于对于硬质金属的下料和复杂零件表面处理等。
3.从加工工艺阶段划分考虑
通常我们把加工阶段划分为粗加工, 半精加工和精加工三个阶段来进行。那么, 即使确定了最后一道工序是用电加工的方法来完成, 但是在粗加工时完全可以用机械切削加工的方法去除大量余量, 留下少量的精加工余量用电加工的方法来去除, 这样既可以提高加工效率又可以体现特种加工的优越性。
4.从厂家现有设备考虑
在确定加工方法的时候, 工艺人员考虑厂家的现有设备是必须的, 要达到加工目的有多种工艺途径, 不管确定用哪一种加工方法, 最好是选择厂家的现有设备。实在没有该设备时也要能在周边就近能够找到相应的设备及技术力量支持。当然, 厂家没有该设备还要考虑是否有其它加工方法可以替代。比如:一个单件加工, 要对硬质金属毛坯下料。本来用线切割方法下料最为方便, 但是厂家实在没有线切割机床, 则可考虑是否能够用磨削的方式来替代, 毕竟厂家是不会因为一个单件生产而去购买一台机床设备的。当然, 这只是一个小小的例子, 在生产加工中, 会遇到很多具体的问题, 所谓条条大路通罗马, 我们应该在这一些途径中找到最方便, 经济, 切合厂家实际情况的方法。
六结语
由上分析可见, 虽然电加工在制作中起到了重要作用, 但机械切削加工并不能被它所替代, 工艺人员应根据不同的情况, 合理安排应用这些方法, 设计出切合实际的工艺规程。
参考文献
[1]刘晋春.《特种加工》[M].北京:机械工业出版社, 2008-03
[2]孙庆华.《特种加工》[M].上海:同济大学出版社, 1998
[3]张建华.《精密与特种加工技术》[M].北京:机械工业出版社, 2003
浅谈难加工材料的切削加工方法 篇6
1 切削领域中的难加工材料
在切削加工中, 通常出现的刀具磨损包括如下两种形态:由于机械作用而出现的磨损, 如崩刃或磨粒磨损等;由于热及化学作用而出现的磨损, 如粘结、扩散、腐蚀等磨损, 以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。
切削难加工材料时, 在很短时间内即出现上述刀具磨损, 这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如, 多数难加工材料均具有热传导率较低的特点, 切削时产生的热量很难扩散, 致使刀具刃尖温度很高, 切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降, WC (碳化钨) 等粒子易于分离出去, 从而加速了刀具磨损。另外, 难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应, 出现成分析出、脱落, 或生成其他化合物, 这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。
在切削高硬度、高韧性被加工材料时, 切削刃的温度很高, 也会出现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时, 与切削一般钢材相比, 切削力更大, 刀具刚性不足将会引起崩刃等现象, 使刀具寿命不稳定, 而且会缩短刀具寿命, 尤其是加工生成短切屑的工件材料时, 会在切削刃附近产生月牙洼磨损, 往往在短时间内即出现刀具破损。
在切削超耐热合金时, 由于材料的高温硬度很高, 切削时的应力大量集中在刃尖处, 这将导致切削刃产生塑性变形;同时, 由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。
由于这些特点, 所以要求用户在切削难加工材料时, 必须慎重选择刀具品种和切削条件, 以获得理想的加工效果。
2 难加工材料在切削加工中应注意的问题
切削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削 (钻头、立铣刀的端面切削等) , 这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切削, 刃尖承受的切削力无明显变化, 切削热连续作用于切削刃上;铣削则是一种间断切削, 切削力是断续作用于刃尖, 切削时将发生振动, 刃尖所受的热影响, 是切削时的加热和非切削时的冷却交替进行, 总的受热量比车削时少。
铣削时的切削热是一种断续加热现象, 刀齿在非切削时即被冷却, 这将有利于刀具寿命的延。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验, 铣削所用刀具为球头立铣刀, 车削为一般车刀, 两者在相同的被加工材料和切削条件 (由于切削方式不同, 切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致) 及同一环境条件下进行切削对比试验, 结果表明, 铣削加工对延长刀具寿命更为有利。
切削难加工材料用的刀具材料:CBN的高温硬度是现有刀具材料中最高的, 最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体, 选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理, 这种材料具有优异的耐磨性, 也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高, 热传导率低, 可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工, CBN成分含量越高, 刀具寿命也越长, 切削用量也可相应提高。据报道, 目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。
金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利, 热传导率高, 刃尖滞留的热量较少, 可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时, 选用单晶金刚石刀具切削比较稳定, 可延长刀具寿命。
3 切削难加工材料的刀具形状
在切削难加工材料时, 刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适当处理, 对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响, 因此, 在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是, 随着高速铣削技术的推广应用, 近来已逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷, 采用逆铣并提高进给速度, 因此, 对切削刃形状的设计思路也有所改变。
对难加工材料进行钻削加工时, 增大钻尖角, 进行十字形修磨, 是降低扭矩和切削热的有效途径, 它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内, 这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时, 切削热极易滞留在切削刃附近, 而且排屑也很困难, 在切削难加工材料时, 这些问题更为突出, 必须给以足够的关注。
为了便于排屑, 通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口, 可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等, 使排屑变得更为顺畅, 这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。近年来, 已开发出一些润滑性能良好的涂层物质, 这些物质涂镀在钻头表面后, 用其加工3～5D的浅孔时, 可采用干式钻削方式。
孔的精加工历来采用镗削方式, 不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式, 这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命均更为有利。因此, 这种间断切削用的镗削刀具设计出来后, 立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面, 目前也采用螺旋切削插补方式, 切螺纹用的立铣刀已大量投放市场。
如上所述, 这种由原来连续切削向间断切削的转换, 是随着对CNC切削理解的加深而进行的, 这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时, 可保持切削的平稳性, 且有利于延长工具寿命。
难加工材料的切削条件:难加工材料的切削条件历来都设定得比较低, 随着刀具性能的提高, 高速高精度CNC机床的出现, 以及高速铣削方式的引进等, 目前, 难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。
现在, 采用小切深以减轻刀具切削刃负荷, 从而可提高切削速度和进给速度的加工方式, 已成为切削难加工材料的最佳方式。当然, 选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要, 而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如, 钻削不锈钢等材料时, 由于材料热传导率很低, 因此, 必须防止切削热大量滞留在切削刃上, 为此应尽可能采用间断切削, 以避免切削刃和切削面摩擦生热, 这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗加工时, 工具形状和夹具应很好配合, 这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性, 以便在高速回转条件下, 保证将每齿进给量提高到最大限度, 同时也可延长工具寿命。
结束语
如前所述, 难加工材料的最佳切削方法是不断发展的, 新的难加工材料不断出现, 对新材料的加工总是不断困扰着工程技术人员。最近, 新型加工中心、切削工具、夹具及CNC切削等技术发展非常迅速, 而且在切削加工之外, CNC磨削、CNC电加工等技术也得到空前的发展, 难加工材料的加工技术选择范围已大为扩展。
当然, 有关难加工材料加工信息的收集与对该技术的深入理解, 还不能尽如人意, 正因为如此, 而对难加工材料的不断涌现, 人们总是感到加工技术有些力不从心。
例如, 前述车削加工由连续切削向间断切削转换, 便有利于延长工具寿命, 新型涂层硬质合金刀具的使用, 使难加工材料切削技术水平得到进一步提高。在难加工材料的切削加工中应特别重视工具寿命的稳定, 不仅工件材料要和刀具性能妥善配伍, 而且对加工尺寸、加工表面粗糙度、形状精度等的要求也极严格, 因此, 不仅应特别注意刀具选用, 对工件的夹持方式等相关技术也不能掉以轻心。
今后, 难加工材料零件的加工将采取CAD/CAM、CNC切削加工等计算机控制的生产方式, 因此, 数据库的建构、工具设计与制作等工具管理系统的完善, 都极为重要。难加工材料切削加工中, 适用的刀具、夹具、工序安排、工具轨迹的确定等有关切削条件的数据, 均应作为基础数据加以积累, 使零件生产方式沿着以IT化为基础的方向发展, 这样, 难加工材料的切削加工技术才能较快地步入一个新的阶段。
摘要：随着信息化社会的到来, 难加工材料切削技术信息也可通过因特网互相交流, 因此, 今后有关难加工材料切削加工的数据等信息将会更加充实, 加工效率也必然会进一步提高, 本文以难加工材料的切削加工为核心, 介绍该技术近年来的发展动向。
超精密切削加工技术探析 篇7
1 金刚石刀具切削的机理
超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的, 故一般称为金刚石刀具切削或SPDT (Single Point Diamond Turning) 。金刚石刀具的超精密切削加工虽有很多优点, 但要使金刚石刀具超精密切削达到预期的效果, 并不是很简单的事, 许多因素都对它有影响。
1.1 切削厚度与材料切应力的关系
金刚石刀具超精密切削属微量切削, 其机理和普通切削有较大差别。精密切削时要达到0.1微米的加工精度和Ra0.01微米的表面粗糙度, 刀具必须具有切除亚微米级以下金属层厚度的能力。由于切深一般小于材料晶格尺寸, 切削是将金属晶体一部分一部分地去除。因此, 精密切削在切除多余材料时, 刀具切削要克服的是晶体内部非常大的原子结合力, 于是刀具上的切应力就急剧增大, 刀刃必须能够承受这个比普通加工大得多的切应力。
切削厚度与切应力成反比, 切削厚度越小, 切应力越大。当进行切深为0.1微米的普通车削时, 其切应力只有500MPa;当进行切深为0.8微米的精密切削时, 切应力约为10000MPa。因此精密切削时, 刀具的尖端将会产生根大的应力和很大的热量, 尖端温度极高, 处于高应力高温的工作状态, 这对于一般刀具材料是无法承受的。因为普通材料的刀具, 其刀刃的刃口不可能刃磨得非常锐利, 平刃性也不可能足够好, 这样在高应力和高温下会快速磨损和软化, 不能得到真正的镜面切削表面。而金刚石刀具却有很好的高温强度和高温硬度, 能保持很好的切削性能, 而不被软化和磨损。
1.2 材料缺陷及其对超精密切削的影响
金刚石刀具超精密车削是一种原子、分子级加工单位的去除 (分离) 加工方法, 要从工件上去除材料, 需要相当大的能量, 这种能量可用临界加工能量密度δ (J/cm3) 和单位体积切削能量ω (J/cm3) 来表示。临界加工能量密度就是当应力超过材料弹性极限时, 在切削相应的空间内, 由于材料缺陷而产生破坏时的加工能量密度;单位体积切削能量则是指在产生该加工单位切削时, 消耗在单位体积上的加工能量。从工件上要去除的一块材料的大小 (切削应力所作用的区域) 就是加工单位, 加工单位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同时, 被加工材料的破坏方式就不同。
2 超精密金刚石刀具切削
当加工应力作用在比位错缺陷平均分布间隔一微米则还要狭窄的区域时, 在此狭窄区域内是不会发生由于位错线移动而产生材料滑移变形。当加工应力作用在比位错缺陷平均分布间隔还要宽的范围内时, 位错线就会在位错缺陷的基础上发生滑移, 同时在比剪切应力理论值低得多的加工应力作用下, 晶体产生滑移变形或塑性变形。当加工应力作用在比晶粒大小更宽的范围时, 多数情况易发生由晶界缺陷所引起的破坏。实际上, 在比微错缺陷平均分布间隔还要小的范围内, 还存在着空位、填隙原子等缺陷, 会演变成位错并发生局部塑性滑移.因此实际剪切强度比理论值低, 实际的临界加工能量密度和单位体积切削能量比理论值也要低得多。
2.1 金刚石刀具起精密车削表面的形成
用金刚石刀具超精密车削形成表面的主要影响因素有几何特性、塑性变形和机械加工振动等。几何特性主要是指刀具的形状、几何角度、刀刃的表面粗糙度和进给量等。它主要影响与切削运动力向相垂直的横向表面粗糙度。图a表示了在切削时, 主偏角kr、副偏角kr和进给量f对残留面积高度的影响。图中ap为切削深度, Ry为表面粗糙度的轮廓最大高度, 由几何关系可知:
Ry=f/ (ctgkr+ctgk’) r
图b表示了在切削时, 刀尖圆弧半径re和进给量f对残留面积高度的影响, 其几何关系如下:
Ry≈f2/8re
2.2 金刚石刀具超精密车削的切屑形成
金刚石刀具超精密车削所能切除金属层的厚度标志其加工水平。当前, 最小切削深度可达0.1微米以下, 其主要影响因素是刀具的锋利程度, 一般以刀具的切削刃钝圆半径rn来表示。超精密车削所用的金刚石车刀, 其切削刃钝圆半径一船小于0.5微米, 而切削时的切削深度ap和进给量f都很小, 因此, 在一定的切削刃钝圆半径下, 如果切削深度太小, 则可不能形成切屑。切屑能否形成主要取决于切削刃钝圆圆弧处每个质点的受力情况, 在自由切削条件下, 切削刃钝圆圆弧上某一质点A的受力情况见图。该点有切向分力Fz和法向分力Fy, 合力为Fy, z。切向分力使质点向前移动, 形成切屑;法向分力使质点压向被加工表面, 形成挤压而无切屑。所以, 切屑的形成取决于Fz和Fy的比值, 当Fz>Fy时, 有切削过程, 形成切屑;当Fz
式中:ψ—金刚石刀切削时的摩擦角;
Ff—金刚石刀切削时的摩擦力;
Fn—金刚石刀切削时的正压力。
可见, 切削刃钝圆半径rn是决定切屑形成的关键参数。
金刚石刀具越精密切削时, 刀具切削刃钝圆半径小, 切薄能力强, 形成流动切屑, 因此切削作用是主要的。但由于实际切别刃钝因半径不可能为零, 以及修光刃等的作用, 因此还伴随着挤压作用。所以金刚石刀具超精密车削表面是由微切削和微挤压而形成, 并以微切削为主。
3 结语
近几年来, 切削加工技术得到了突飞猛进的发展, 像计算机用的磁鼓、磁盘, 大功率激光用的金属反射镜, 激光扫描用的多面棱镜, 红外光等用的光学零件和复印机的高精度零件, 都是用切削的方法加工出来的, 超精密切削加工技术在这个技术时代显得尤为重要。
摘要：超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的, 故一般称为金刚石刀具具切削或SPDT。对超精密切削加工技术及其机理进行介绍和总结, 希望对超精密加工行业同事有所指导。
关键词：超精密切削,金刚石,机床
参考文献
[1]骆红云, 焦红, 范猛, 王立江.金刚石刀具与精密超精密加工技术[J].长春光学精密机械学院学报, 2000, (1) .