金屬切削過程的基本規(guī)律解析課件

1、金屬切削過程的基本規(guī)律解析金屬切削過程的基本規(guī)律解析2.7 切削液的合理選擇2022/9/102山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2.7 切削液的合理選擇2022/9/44山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)目的要求掌握切削液的種類及其作用機(jī)理，會根據(jù)實際情況合理選用切削液；主要內(nèi)容 一、切削液的種類 二、切削液的作用機(jī)理 三、切削液的添加劑 四、切削液的選擇 五、切削液的使用方法2022/9/103山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺目的要求掌握切削液的種類及其作用機(jī)理，會根據(jù)實際情況合理選用改善摩擦狀況；降低切削力和切削溫度；減少刀具磨損；抑制積屑瘤和鱗刺（在已加工表面上呈魚鱗狀的毛刺）從而提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。合理使用

2、切削液：2022/9/104山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺改善摩擦狀況；合理使用切削液：2022/9/46山東大學(xué)機(jī)械2.7.1 切削液的種類兩大類：水溶性切削液和非水溶性切削液。水溶性切削液分水溶液和乳化液。非水溶性切削液主要是切削油。2022/9/105山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2.7.1 切削液的種類兩大類：水溶性切削液和非水溶性切削液1水溶性切削液分水溶液和乳化液。水溶液主要是水并加人防銹劑，冷卻性能最好。也可以加人一定量的表面活性劑和油性添加劑，使其具有一定的潤滑性能。乳化液是由礦物油、乳化劑及其它添加劑配制的乳化油和9598的水稀釋而成的乳白色切削液。具有良好的冷卻性能和清洗作用；

3、又有一定的潤滑作用。2022/9/106山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺1水溶性切削液分水溶液和乳化液。2022/9/48山東2非水溶性切削液主要是切削油，其中有各種礦物油、動植物油以及加入油性、極壓添加劑配制的各種混合油。主要起潤滑作用，減少摩擦，提高加工表面質(zhì)量。2022/9/107山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2非水溶性切削液主要是切削油，其中有各種礦物油、動植物油以2.7.2 切削液的作用機(jī)理主要作用：冷卻、潤滑、清洗、防銹作用。此外，要求無毒無異味、不影響人身健康及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不變質(zhì)等。2022/9/108山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2.7.2 切削液的作用機(jī)理主要作用：冷卻、潤滑、

4、清洗、防銹1冷卻作用帶走切削區(qū)大量熱量，降低切削溫度，提高刀具耐用度和加工表面質(zhì)量（對耐熱性低的刀具，切削液的冷卻作用尤其重要）。冷卻效果取決于：切削液性質(zhì)(如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、汽化熱和汽化速度)；用量（如流量、流速和壓力）；使用方法。2022/9/109山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺1冷卻作用帶走切削區(qū)大量熱量，降低切削溫度，提高刀具耐用度2潤滑作用潤滑的主要目的是減小刀具與工件之間的摩擦系數(shù)。實現(xiàn)潤滑的基本原理是在刀具前刀面和切屑之間形成具有潤滑作用的潤滑薄膜。對切削加工進(jìn)行潤滑的方法主要有：(1) 采用具有潤滑作用的切削液；(2) 在刀具表面進(jìn)行潤滑涂層；(3) 使用自潤滑刀具。2022/

5、9/1010山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2潤滑作用潤滑的主要目的是減小刀具與工件之間的摩擦系數(shù)。實2潤滑作用在切削過程中，刀屑和刀工接觸面上摩擦劇烈，壓力很大，溫度很高。在這種條件下，使用切削液后切削區(qū)摩擦界面上也不可能達(dá)到完全流體潤滑狀態(tài)，它屬于邊界潤滑性質(zhì)。切削液將從刀屑和刀工界面的微小間隙并在相對運(yùn)動下形成泵吸現(xiàn)象時滲入其中。在切屑剪切區(qū)的剪切裂紋處，汽化切削液分子直接滲入并吸附在摩擦界面和剪切面上。2022/9/1011山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2潤滑作用在切削過程中，刀屑和刀工接觸面上摩擦劇烈，壓 切削液的滲入途徑2022/9/1012山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺 切削液的滲入途徑

6、2022/9/414山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 切削液可以減小界面上的摩擦，使剪切角增大，刀屑接觸長度縮短，抑制或消除積屑瘤，從而提高刀具耐用度和加工表面質(zhì)量。潤滑性能與切削液的性質(zhì)有關(guān)，如粘度、表面張力等。如粘度、表面張力大則滲透性差，潤滑效果差。潤滑性能還與潤滑膜性質(zhì)有關(guān)：2022/9/1013山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺切削液可以減小界面上的摩擦，使剪切角增大，刀屑接觸長度縮短切削液的潤滑效果2022/9/1014山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺切削液的潤滑效果2022/9/416山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李切削加工中，潤滑膜主要有物理吸附膜、化學(xué)吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜、氧化膜、涂層潤滑膜及自潤滑膜等。油

7、性添加劑能夠與金屬表面形成牢固的物理吸附薄膜；若潤滑劑的極性分子與金屬表面為化學(xué)結(jié)合，則形成化學(xué)吸附膜。潤滑劑中的某些分子與金屬表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成的潤滑膜則稱為化學(xué)反應(yīng)膜。切削中潤滑膜的種類2022/9/1015山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺切削加工中，潤滑膜主要有物理吸附膜、化學(xué)吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜、刀具或工件材料中的某些元素在切削高溫作用下產(chǎn)生氧化也可形成氧化物潤滑膜；通過涂層的辦法也可在刀具表面形成涂層潤滑薄膜；通過對刀具材料進(jìn)行合理的組分設(shè)計，可使刀具材料本身在切削加工過程中形成具有潤滑作用的自潤滑膜。切削中潤滑膜的種類2022/9/1016山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺刀具或工件材料中的

8、某些元素在切削高溫作用下產(chǎn)生氧化也可形成氧物理吸附膜靠切削液中的油性添加劑起作用，隨溫度升高因潤滑膜破裂聲去潤滑效果。只能在較低切削溫度下（200以下）起潤滑作用?；瘜W(xué)吸附膜耐高溫（400800），在高溫、高壓條件下（稱為極壓）仍能起良好的潤滑作用。這種切削液含有硫、磷、氯、碘等元素（極壓添加劑），與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)吸附膜。 2022/9/1017山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺物理吸附膜靠切削液中的油性添加劑起作用，隨溫度升高因潤滑膜破3清洗作用加工脆性工件形成崩碎切屑或塑性工件形成粉屑時（如磨削），要求切削液具有良好的清洗和沖刷作用（保護(hù)機(jī)床導(dǎo)軌）。清洗性能與其滲透性、流動性、使用的

9、壓力和流量有關(guān)。清洗性能好的切削液通常以水為主，添加表面活性劑和少量的礦物油。2022/9/1018山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺3清洗作用加工脆性工件形成崩碎切屑或塑性工件形成粉屑時（如4防銹作用由于切削液的飛濺，工件、機(jī)床、夾具、刀具等受到污染，因此要求切削液具備防銹性能。切削液防銹性能決定于防銹添加劑的作用。2022/9/1019山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺4防銹作用由于切削液的飛濺，工件、機(jī)床、夾具、刀具等受到污2.7.3 切削液的添加劑 添加劑(Additive)為了使切削液具有各種使用性能，通常加入某些化學(xué)物質(zhì)，此為添加劑。油性添加劑、極壓添加劑、防銹添加劑、防霉添加劑、防泡沫添加劑

10、和乳化劑等。2022/9/1020山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2.7.3 切削液的添加劑 添加劑(Additive)為了1. 油性添加劑油性添加劑含有極性分子，它與金屬表面形成牢固吸附膜（物理吸附膜），以減少摩擦。吸附膜耐高溫性差，故主要用于低速精加工。2022/9/1021山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺1. 油性添加劑油性添加劑含有極性分子，它與金屬表面形成牢固2極壓添加劑含有硫、磷、氯、碘的有機(jī)化合物。在高溫下與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)潤滑膜，能在高溫下保持潤滑作用。2022/9/1022山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2極壓添加劑含有硫、磷、氯、碘的有機(jī)化合物。2022/9/3乳化劑乳化劑是使

11、礦物油和水進(jìn)行乳化,形成穩(wěn)定的乳化液。是一種表面活性劑，它有極性端和非極性端。極性端親水，非極性端親油。水包油乳化液乳化劑使水與礦物油連接起來，降低了油水界面張力，使微小的油顆粒穩(wěn)定均勻地分布在水中形成水包油乳化液。金屬切削中應(yīng)用水包油乳化液。油包水乳化液使微小的水顆粒穩(wěn)定均勻地分布在油中。其它添加劑。2022/9/1023山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺3乳化劑乳化劑是使礦物油和水進(jìn)行乳化,形成穩(wěn)定的乳化液。是2.7.4 切削液的選擇 選用切削液應(yīng)根據(jù)：工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求的具體情況合理選用，以取得良好效果。2022/9/1024山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2.7.4 切削液的

12、選擇 選用切削液應(yīng)根據(jù)：工件材料、刀具材1根據(jù)刀具材料和加工要求選用低速刀具如高速鋼刀具：為了降低切削溫度和減少摩擦應(yīng)使用切削液。粗加工時選用冷卻性能好的切削液；精加工時選用潤滑性好的切削液，以保證加工表面質(zhì)量。對硬質(zhì)合金刀具，由于耐熱性好一般不使用切削液。如果必須使用削液時，應(yīng)連續(xù)、充分大流量使用，以防止熱沖擊產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而降低刀具耐用度和已加工表面質(zhì)量。2022/9/1025山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺1根據(jù)刀具材料和加工要求選用低速刀具如高速鋼刀具：為了降低2根據(jù)工件材料選用鋼料等塑性材料時應(yīng)選用切削液（原因：切削溫度較高，且產(chǎn)生帶狀切屑）。鑄鐵等脆性材料時一般不選用切削液（原因：產(chǎn)生崩碎

13、切屑），以免污染工作地。如果必須使用，則采用煤油或輕柴油等切屑容易分離的切削液。對于高強(qiáng)度鋼、高溫合金鋼等難加工材料應(yīng)選用極壓性能優(yōu)良的切削液，以適應(yīng)極壓潤滑摩擦工況，起到降低切削溫度和減少摩擦的效果，提高刀具耐用度和加工表面質(zhì)量。2022/9/1026山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2根據(jù)工件材料選用鋼料等塑性材料時應(yīng)選用切削液（原因：切削3根據(jù)加工方法選用鉆孔、攻絲、鉸孔和拉削等：由于導(dǎo)向和校準(zhǔn)部分與已加工表面摩擦嚴(yán)重，選乳化液、極壓乳化液和極壓切削油；成形刀具、螺紋刀具及齒輪刀具：保證高耐用度，選潤滑性能好的切削油或高濃度的極壓乳化液和極壓切削油；磨削加工：由于磨屑微小而且磨削溫度很高，選冷

14、卻和清洗性能好的切削液如水溶液、乳化液。磨削難加工材料時：選用有一定潤滑性能的水溶液和極壓乳化液。2022/9/1027山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺3根據(jù)加工方法選用鉆孔、攻絲、鉸孔和拉削等：由于導(dǎo)向和校準(zhǔn)2.7.5 切削液的使用方法 1澆注法最常用方法；使用方便，設(shè)備簡單，但流量小，壓力低，切削區(qū)最高溫度處不易進(jìn)人；冷卻、潤滑效果皆不理想。2022/9/1028山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2.7.5 切削液的使用方法 1澆注法2022/9/4302高壓冷卻法原理：利用高壓（110MPa）切削液直接作用于切削區(qū)周圍進(jìn)行冷卻潤滑并沖走切屑，比澆注法效果好得多；需要高壓冷卻裝置；深孔加工常用。20

15、22/9/1029山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2高壓冷卻法原理：利用高壓（110MPa）切削液直接作用3噴霧冷卻法原理：以壓力為0.30.6MPa的壓縮空氣，通過噴霧裝置使切削液霧化，高速噴射到切削區(qū)，在高溫下迅速汽化，吸收大量熱量，達(dá)到良好的效果，顯著的提高刀具耐用度和加工表面質(zhì)量。需要高壓氣源和噴霧裝置。2022/9/1030山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺3噴霧冷卻法原理：以壓力為0.30.6MPa的壓縮空氣，2.8 切削用量的選擇2022/9/1031山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2.8 切削用量的選擇2022/9/433山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)主要內(nèi)容制訂切削用量的原則切削用量優(yōu)化簡介及切削數(shù)據(jù)

16、庫概念2022/9/1032山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺主要內(nèi)容制訂切削用量的原則2022/9/434山東大學(xué)機(jī)械工合理選取切削用量的重要性對保證加工質(zhì)量、降低加工成本和提高生產(chǎn)率有非常重要的影響。切削用量的選擇，隨著機(jī)床、刀具和工件等條件的不同，其合理值有較大的變化。所以，切削用量的合理選擇要遵循一定的原則。2022/9/1033山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺合理選取切削用量的重要性對保證加工質(zhì)量、降低加工成本和提高生2.8.1 制訂切削用量的原則制訂切削用量要考慮：對生產(chǎn)率、刀具耐用度和已加工表面質(zhì)量的影響，最后確定 v、ap、f 合理值。切削用量合理值充分發(fā)揮機(jī)床、刀具的性能，在保證加工質(zhì)

17、量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量的值。2022/9/1034山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2.8.1 制訂切削用量的原則制訂切削用量要考慮：對生產(chǎn)率、1工序工時與生產(chǎn)率圖中，L為一次走刀行程長度，其（一次走刀）切削工時計算公式為tmL/nf(3-1)式中，L=lwy；lw為工件長度；為切入長度；y為切出長度；n為工件每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。則多次進(jìn)給時加工工時為外圓縱車的進(jìn)給行程(3-2)式中，h為工件單邊余量。2022/9/1035山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺1工序工時與生產(chǎn)率圖中，L為一次走刀行程長度，其（一次走刀切削加工生產(chǎn)率P為(3-3)式中，D為工件直徑。因為D、L、h為給定值，

18、令 常數(shù)則 P=A0vfap (3-4)可知：切削用量三要素分別與生產(chǎn)率成線性關(guān)系，即提高哪一要素都能以相同比例提高生產(chǎn)率。2022/9/1036山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺切削加工生產(chǎn)率P為(3-3)式中，D為工件直徑。常數(shù)則 2對刀具耐用度的影響(2-20)由公式（2-20）可知，v、f、ap任一項增大時，都使刀具耐用度下降，影響最大的是v，其次是f，最小是ap(與對切削溫度的影響順序是一致的)。2022/9/1037山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2對刀具耐用度的影響(2-20)由公式（2-20）可知，v因此，從刀具耐用度出發(fā)，應(yīng)首先選取最大的ap，再選取大的f，最后按刀具耐用度公式計算v值

19、。此為粗加工時選擇切削用量的原則。(3-5)硬質(zhì)合金車刀干切碳素鋼時，xv=0.15，yv=0.35。代入式（3-5）得v=C/ap0.15f0.352022/9/1038山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺因此，從刀具耐用度出發(fā)，應(yīng)首先選取最大的ap，再選取大的f，3切削用量與生產(chǎn)率的關(guān)系在常用切削用量范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)毒吣陀枚纫欢〞r，切削用量之間關(guān)系如下：(3-5)硬質(zhì)合金車刀干切碳素鋼時，xv=0.15，yv=0.35。代入式（3-5）得v=C/ap0.15f0.352022/9/1039山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺3切削用量與生產(chǎn)率的關(guān)系在常用切削用量范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)毒吣陀枚犬?dāng)f不變，ap增至3ap時，

20、則即v降低了15%，其生產(chǎn)率即生產(chǎn)率提高至2.6倍。當(dāng)ap不變，f增至3f時，則即v降低了32，其生產(chǎn)率即生產(chǎn)率提高至2倍。由此可見，增大ap比增大f更有利于提高生產(chǎn)率。2022/9/1040山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺當(dāng)f不變，ap增至3ap時，則即v降低了15%，其生產(chǎn)率即生但是ap的選擇常受到工序余量的限制，一旦確定之后，ap=常數(shù)，則式（3-4）為P=A0vf而式（3-5）為上二式中A0=A0ap， 故(3-6)或者(3-7)式中，C1、C2均為合并后的常數(shù)。Yv 為0.35。2022/9/1041山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺但是ap的選擇常受到工序余量的限制，一旦確定之后，ap=常數(shù)

21、f增大至3倍時 (3-6a)當(dāng)v增大到3倍時 (3-7a)由上式可知，當(dāng)f增大至3倍時，生產(chǎn)率增大到2.3倍；v增大至3倍時，生產(chǎn)率反而下降到到0.13倍。 2022/9/1042山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺f增大至3倍時 (3-6a)當(dāng)v增大到3倍時 (3-7a)由4對加工表面粗糙度的影響f直接影響已加工表面的殘留高度，因而對加工表面Ra影響最大。ap對切削變形、摩擦及積屑瘤等無明顯影響，故對Ra也沒有多大影響。但ap增大后，切削力增大，易引起振動，會降低加工精度和表面粗糙度。v增大至一定值時，可抑制積屬瘤、切削變形和Fr，減小Ra。粗加工：以提高生產(chǎn)效率為主，因此在系統(tǒng)強(qiáng)度、剛度允許情況下

22、，選取大的ap和f，按刀具耐用度來計算v。半精加工和精加工：以保證加工質(zhì)量為主，采用較小的ap和f。為避免或減小積屑瘤：硬質(zhì)合金刀具選用較高的v（v=80100m/min）；高速鋼刀具采用較低v（如寬刃精刨刀v=38m/min）。選擇v時，應(yīng)避開顫振區(qū)，以防止因振動而影響加工精度和粗糙度。2022/9/1043山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺4對加工表面粗糙度的影響f直接影響已加工表面的殘留高度，因2.8.2 切削用量優(yōu)化簡介及切削數(shù)據(jù)庫概念 上邊介紹的切削用量選擇方法，通常是根據(jù)生產(chǎn)中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)并輔以必要的計算，其數(shù)據(jù)并非最佳值。隨著優(yōu)化理論的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的廣泛采用，切削用量優(yōu)化成為可能。1

23、切削用量的優(yōu)化概念 切削用量的優(yōu)化按照擬定的目標(biāo)并在一些約束條件下選擇最佳的切削用量。切削用量優(yōu)化目標(biāo)：經(jīng)濟(jì)成本最低（我國常用）、生產(chǎn)效率最高（或單件工時最短）、利潤率最大等。2022/9/1044山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺2.8.2 切削用量優(yōu)化簡介及切削數(shù)據(jù)庫概念 上邊介紹的切削1切削用量的優(yōu)化概念切削用量的優(yōu)化按照擬定的目標(biāo)并在一些約束條件下選擇最佳的切削用量。切削用量優(yōu)化目標(biāo)：經(jīng)濟(jì)成本最低（我國常用）、生產(chǎn)效率最高（或單件工時最短）、利潤率最大等。2022/9/1045山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺1切削用量的優(yōu)化概念切削用量的優(yōu)化按照擬定的目標(biāo)并在一約束條件在保證加工質(zhì)量，充分利用機(jī)

24、床、刀具性能前提下對切削用量最大值設(shè)定的限制。如：機(jī)床方面：機(jī)床功率、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量范圍及走刀機(jī)構(gòu)允許的進(jìn)給力；工件方面：工件剛度、尺寸和形狀精度、加工表面粗糙度；刀具方面：刀具強(qiáng)度及剛度、刀具最大磨損量、刀具耐用度；切削條件方面：最小ap、積屑瘤、斷屑等。2022/9/1046山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺約束條件在保證加工質(zhì)量，充分利用機(jī)床、刀具性能前提下對切切削用量優(yōu)化時，通常將背吃刀量ap視為常數(shù)（因為它決定于加工余量，特別是在一次走刀能將全部余量切除情況下）。因此，優(yōu)化變量只有f和v了。假定優(yōu)化目標(biāo)：經(jīng)濟(jì)成本最低，而單件成本與v、f之間的關(guān)系可用下式描述：將上兩式代入式（2-29）2022/9/1047山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺切削用量優(yōu)化時，通常將背吃刀量ap視為常數(shù)（因為它決定于加工式中，Cl、C2、B1、和B2均為常數(shù)。將式（3-8）分別對v和f求偏導(dǎo)數(shù)并令其等于零，即可求出單件加工成本最低的v和f。即(2-29)得(3-8)(3-9)2022/9/1048山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李凱嶺式中，Cl、C2、B1、和B2均為常數(shù)。(2-29)得(3-將求得的v和f，按約束條件關(guān)系式進(jìn)行檢驗，其結(jié)果有三種可能：v和f值都在約束范圍之內(nèi)，這時v和f即是可采用的最優(yōu)值；v和f值，其中一個在約束范圍之內(nèi)，另一個在約束范圍之外。此時可將在約束范圍之外的那