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薄壁零件车削加工中热变形分析及对策

作者:未知

  摘要:薄壁零件的车削是车削加工中的一个难点,这类零件在切削力作用下,容易引起热变形以及产生振动和受力变形,影响工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。如何减少因“热”引起零件变形,保证薄壁零件质量?本文从切削用量、刀具的几何角度和切削液的选择三个方面对零件产生热变形的因素、解决办法作一些探讨和分析。
  关键词:薄壁零件;变形;切削用量;刀具参数;切削液
  一、薄壁零件加工中产生温升的主要因素
  切削热是切削过程中的重要物理现象之一。切削所消耗的能量,除了1%~2%用以形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潜藏能外,有98%~99%转换为热能。大量的切削热使得切削温度升高,这将直接影响刀具前面上的摩擦因数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨损、工件加工精度和已加工表面质量等,所以研究切削产生的“热”是获得加工质量的重要内容。
  被切削的金属在刀具的作用下,发生弹性和塑性变形而耗功,这是切削热的一个重要来源。此外,切屑与前面、工件与后面之间的摩擦也要耗功,也产生大量的热量。因此,切削时共有三个发热区域,即剪切面、切屑与前面接触区、后面与过渡表面接触区。
  切削塑性材料时,变形和摩擦都比较大,所以发热较多。切削速度提高时,因切屑的变形减小,所以塑性产生的热量百分比降低,而摩擦产生的热量百分比增高。切削脆性材料时,后面上摩擦产生的热量在切削热中所占的百分比增大。切削区域的热量被切屑、工件、刀具和周围介质传出。向周围介质直接传出的热量,在干切削(不用切削液)时,所占比例在1%以下。
  切削热由切屑、刀具、工件及周围介质传出的比例,可举例如下:(1)车削加工时,切屑带走的切削热为50%~86%,车刀传出10%~40%,工件传出3%~9%,周围介质(如空气)传出1%。切削速度愈高或切削厚度愈大,则切屑带走的热量愈多。
  (2)钻削加工时,切屑带走切屑热28%,刀具传出14.5%,工件传出52.5%,周围介质传出5%。
  薄壁工件,受热后,就容易产生整体或者局部变形。根据理论分析和大量的试验研究综合起来:加工温度主要受切削用量、刀具几何参数和切削液的影响。
  二、薄壁零件车削加工中减少热变形的对策
  (1)根据零件特点、工艺要求选择合理的切削用量
  切削用量是影响切削温度的主要因素,切削速度对切削温度影响最大,随切削速度的提高,切削温度迅速上升。进给量对切削温度影响次之,而背吃力量ap变化时,散热面积和产生的热量亦作相应变化,故ap对切削温度的影响很小。在粗加工时,背吃刀量和进给量可以取大些,精加工时,背吃刀量一般在0.2~0.5mm,进给量一般在0.1~0.2mm/min,甚至更小。切削速度对切削力的影响不大,但根据工件材料、工件直径、刀具材料及角度,控制在一定范围内,一般取V=6~120m/min。精车时尽量用高的切削速度。
  (2)根据工艺要求,选择正确的刀具角度
  在薄壁零件的车削中,合理的刀具几何角度对车削时切削力的大小、车削中产生的热变形、工件表面的微观质量都是至观重要的。刀具前角大小,决定着切削变形与刀具前角的锋利程度。前角大,切削变形和摩擦力减小,切削力减小,刀具散热情况差,磨损加快。一般车削钢件材料的薄壁零件时,用高速钢刀具,前角取5°~30°;车削铸铁时,前角取0°~10°;用硬质合金刀具,前角取5°~20°。精车时取较大前角,粗车时取较小前角。工件材料强度好、硬度高取较小前角,反之取较大前角。
  刀具的后角大小,决定着刀具后面与工件表面的摩擦情况。后角大,摩擦力小,切削力也相应减小,但后角过大也会使刀具强度减弱。在车削薄壁零件时;用高速钢车刀,刀具后角取6°~12°;加工铸铁类薄壁件,后角取6°~8°;用硬质合金刀具时,后角取4°~12°。精车时可取较大的后角,粗车时取较小的后角。
  刀具主偏角的大小,决定着轴向切削力和径向切削力的分配情况。主偏角增大,径向切削力减小,而轴向切削力增大;反之径向切削力增大,轴向切削力减小。主偏角一般在75°~90°范围内。车削薄壁零件的内外圆时,取大的主偏角为好。
  刀具副偏角的大小,影响着刀具和已加工表面间的摩擦情况及工件表面粗糙度值的大小。车薄壁零件时,副偏角一般取 8°~15°。粗车时取较大的副偏角,精车时取较小的副偏角。前角和主偏角对切削温度影响较大。前角加大,变形和摩擦减小,因而切削热少。但前角不能过大,刀头部分散热体积减小,不利于切削温度的降低。主偏角减小将使切削刃工作长度加增加,散热条件改善,因而使切削温度降低。
  (3)选择合适的切削液,确保散热要求
  切削液对切削温度的影响,与切削液的导热性能、比热容、流量、注入方式以及本身的温度有很大的关系。冷却液的作用主要是:①降低刀具和工件的加工时的温度,减少热变形和提高刀具使用寿命;②提高加工表面质量,如加工铝合金往往用煤油作冷却液;③改善切削性能,如有些难以断屑的和易粘刀的,往往在冷却液中添加抗胶合的物质,如氯化石腊。在加工薄壁类零件时,要使薄壁类零件得到冷却,应根据零件材料的不同选用较高的切削液来降低切削温度,减小零件受熱而产生变形,以提高加工精度。
  三、总结
  根据本文的薄壁零件车削加工中热变形分析,明白产生“热变形”根源,掌握切削用量、刀具角度、冷却液的选择原则。解决实际中遇到的薄壁件加工问题,保证加工质量和尺寸精度,对加工生产具有重要的参考意义。
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