切削方法（精选十篇）
切削方法 篇1
高速切削理论是20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon提出来的, 20世纪80年代以来, 新型刀具材料的发展为高速切削的实现提供了有利条件, 近些年来, 高速计算机的发展为高速切削数控编程提供了重要的物质基础。
1 高速切削的优点
高速切削技术是相对于常规切削而言, 高速切削的切削速度一般比常规切削高数倍, 但是目前高速切削技术还没有统一的定义, 一般认为高速切削是采用超高硬度材料的刀具, 通过比常规切削高很多的切削速度和进给速度来提高材料的切除率, 提高零部件的表面加工精度和表面加工质量的现代加工技术。与常规切削相比, 高速切削技术具有以下优点:
(1) 提高了工件的加工效率。高速加工的切削速度, 对于不同加工方法也有不同, 车削的切削速度一般为700~7 000 m/min, 铣削的切削速度一般为300~6 000 m/min, 但是一般来说高速切削的进给速度为常规切削的5~10倍, 这样工件切削加工时间减少, 切削效率提高了3~5倍, 加工成本降低了20%~40%。
(2) 提高了切削加工的平稳性。切削理论认为, 在进行切削加工时, 随着切削速度提高, 高速切削时, 切削力可以减少30%以上, 对于减少工件变形具有重要意义。
(3) 有利于提高加工精度。高速切削加工时, 一方面切屑以极高的速度排出, 切削过程中产生的热量绝大部分被切屑带走, 切削速度越高, 切屑带走的热量就越多。高速切削时, 剪切角比常规切削大很多, 进而传递给工件的热量大幅减少, 工件因为加工过程中产生的热量而变形相对比较小, 因此高速切削有利于减少加工工件的热应力, 提高工件的加工精度。另一方面, 高速切削时切削力基本保持恒定, 进给速度及切削量也基本保持恒定, 这样有利于提高工件加工精度。
(4) 提高了加工工件的表面加工质量。一方面, 高速切削加工由于机床主轴的转速提高, 切削系统的工作频率远离了机床固有频率, 加工过程中鳞刺、积屑瘤、加工硬化、残余应力等加工缺陷的产生也受到了抑制;另一方面, 高速切削过程中切削速度、进给量、切削量等参数基本保持恒定, 这样就保证了切削过程的平稳性。因此, 高速切削可以极大地降低工件的表面粗糙度, 提高工件的表面加工质量。相关研究表明, 高速切削加工可以提高工件的表面质量1~2个等级。
(5) 简化了加工工艺。淬火后的工件表面硬度比较高, 表面残余应力比较大, 一般来说常规切削不能加工淬火后的工件, 高速切削则可直接加工淬火后的工件, 可以有效减少放电加工所带来的表面硬化问题, 减少或免除了人工光整加工, 扩大了机加工的适用范围。图1、图2为某模具制造中采用常规加工与高速切削加工的工序比较。
2 高速切削加工与常规切削加工数控编程方法对比分析
高速切削有很多常规切削没有的优点, 在当前数控机床普遍应用的情况下, 适用高速切削技术的CAM系统已经成为了现代制造加工研究的新热点, 其中高速切削的数控编程方法是一项关键技术。目前英国的Del CAM公司针对高速切削加工数控机床开发了Power MILL软件, 还有一些CAM软件在现有软件的基础上增加了高速切削模块, 比如UG NX、Cimatron E等系统。高速切削数控加工从概念和应用上讲仍然属于数控加工的范畴, 但高速切削与普通数控加工不同, 其具有独特的性质, 高速切削数控加工的刀具路径与切削用量等都与普通数控加工有很大差别, 所以对CAM系统的要求也更高, 现有的主流CAM软件, 如Power MILL、Master CAM、UG NX、Cimatron等都提供了高速铣削刀具轨迹策略。
普通数控加工中, 高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程。而在高速切削中, 采用高转速、小切深、快进给, 则更为有利。高速加工并不是简单地将原有的普通切削加工工艺以高的主轴转速和快速的进给速度来运行。相对于传统的数控编程而言, 高速加工要求刀具路径平顺、切削负荷稳定、切削效率更高, 并且刀路必须有很高的安全性, 因而在CAM编程时必须考虑这些特定的工艺要求。在CAD/CAM软件系统中, 针对工件高速铣削不同的加工要求需要选择合适的加工工艺方式, 并可以针对性设置高速加工的参数。通过合理设置创建适合高速切削的数控程序, 可以最大限度发挥机床的效益。
数控编程可以分为手动编程和自动编程, 同时也可分为常规切削数控编程与高速切削数控编程, 常规切削数控编程的方法若用于高速切削数控编程, 如果在程序编制过程中选择的切削加工参数不合理, 会引起数控机床主轴抖动, 甚至损坏数控机床, 影响机加工效率和质量。采用高速切削加工时, 数控程序中, 加工的进给量、切削速度、刀具切削路线、进刀与退刀路线等均与常规数控编程有很大不同, 具体表现如下:
(1) 在高速切削加工时, 由于在切削过程中切削力应恒定, 故要求刀具的进刀、走刀、退刀等路线均为圆弧过渡形式, 常规切削则没有这些要求。图3给出了常规切削与高速切削走刀路线的对比分析, 因此常规切削的数控程序不可以应用到高速切削上, 但高速切削程序可以应用到常规切削上。
(2) 高速切削数控编程时, 切削进给速度与进给量一般要保持恒定, 主要是为了保证切削过程中切削力恒定, 提高工件表面质量, 延长刀具寿命。常规数控切削对切削速度与进给量没有特定的要求, 只要满足生产工艺要求即可。
(3) 切削相同的工件, 高速切削数控编程的程序占的存储空间比常规切削要大, 比如对同一个工件, 常规切削时, 其程序存储空间为10 k B, 在高速切削数控编程时, 其程序的存储空间为230 k B, 差别近20倍。另外, 高速切削数控编程要求更高的传输速率。
(4) 高速切削数控编程对于结构比较小的腔体或内部凸台或突变结构过多时, 走刀、刀具进给等相对于常规数控编程均存在一定的不合理性。
3 结论
(1) 高速切削数控编程方法不但对刀具的走刀路线有限制, 而且对进给速度、进给量均有要求, 切削效率大幅提高。
(2) 高速切削编程技术可以应用到常规切削数控编程中, 但是常规数控编程技术不可以应用于高速切削数控编程。
(3) 高速切削数控编程在小的腔体或内部凸台太多的腔体上应用具有一定的限制, 在这些工件上应用时, 程序存储空间比常规切削要大, 刀具使用寿命受到极大限制。
参考文献
[1]Dr.-Ing.H.舒尔茨.高速加工发展概况[J].机械制造与自动化, 2002 (1) :4-9.
数控车床螺纹切削方法分析与应用 篇2
在目前的数控车床中，螺纹切削一般有两种加工方法：G32直进式切削方法和G76斜进式切削方法，由于切削方法的不同，编程方法不同，造成加工误差也不同。我们在操作使用上要仔细分析，争取加工出精度高的零件。
两种加工方法的编程指令
G32 X（U）＿Z（W）＿ F＿；
说明：X、Z用于绝对编程；U、W用于相对编程；F为螺距；
G32编程切削深度分配方式一般为常量值，双刃切削，其每次切削深度一般由编程人员编程给出。
G76P（m）（r）（a）Q（△dmin）R（d）；
G76X（U）Z（w）R（i）P（k）Q（△d）F（l）；
说明：
m：精加工重复次数；
r：倒角宽度；
a：刀尖角度；
△dmin：最小切削深度，当每次切削深度（△d·n½-△d·（n-1）½）小于△dmin时，切削深度限制在这个值上；
d：精加工留量；
i：螺纹部分的半径差，若i＝0，为直螺纹切削方式；
k：螺纹牙高；
△d：第一次切削的切削深度；
l：螺距。
G76编程切削深度分配方式一般为递减式，其切削为单刃切削，其切削深度由控制系统来计算给出。
加工误差分析及使用
G32直进式切削方法，由于两侧刃同时工作，切削力较大，而且排削困难，因此在切削时，两切削刃容易磨损。在切削螺距较大的螺纹时，由于切削深度较大，刀刃磨损较快，从而造成螺纹中径产生误差；但是其加工的牙形精度较高，因此一般多用于小螺距螺纹加工。由于其刀具移动切削均靠编程来完成，所以加工程序较长；由于刀刃容易磨损，因此加工中要做到勤测量。
G76斜进式切削方法，由于为单侧刃加工，加工刀刃容易损伤和磨损，使加工的螺纹面不直，刀尖角发生变化，而造成牙形精度较差。但由于其为单侧刃工作，刀具负载较小，排屑容易，并且切削深度为递减式。因此，此加工方法一般适用于大螺距螺纹加工。由于此加工方法排屑容易，刀刃加工工况较好，在螺纹精度要求不高的情况下，此加工方法更为方便。在加工较高精度螺纹时，可采用两刀加工完成，既先用G76加工方法进行粗车，然后用G32加工方法精车。但要注意刀具起始点要准确，不然容易乱扣，造成零件报废。根据多年的生产经验“东莞辉亚达精密机械厂”精密度挺高的，得到众多商家的认同。
编程举例
例如加工 M36X1.5的螺纹，如图3所示，用G32直进式切削编程（每次切削深度为0.2mm）：
N10 G00 Z234 N2O G00 X35.6 N30 G32 Z269 F1.5 N40 G00 X38 N50 G00 Z234 N60 G00 X35.2 N70 G32 Z269 F1.5 N80 G00 X38 N90 G00 Z234 N100 G00 X34.8 N110 G32 Z269 F1.5 N120 G00 X38 N130 G00 Z234 N140 G00 X34.38 N150 G32 Z269 F1.5 N160 G00 X300 N170 G0
0 Z300
G76斜进式切削编程：
G76 P010160 Q200 R0.05
G76 X34.38 Z269 P812 Q200 F1.5 说明：
最小切削深度为0.02mm。
第一次切削深度为0.02mm。
螺纹牙高为0.812mm。
切削方法 篇3
[关键词] 数控车床 梯形螺纹 切削 编程
前言
梯形螺纹加工是车削加工中一项基本技术，但由于数控车床的加工方式，特别是经济型数控车床在加工梯形螺纹中的局限较多，因此，梯形螺纹的编程及加工都成为了难加工技术。本文中主要研究了在GSK980T数控系统中如何进行梯形螺纹编程、加工及精度控制。
一、梯形螺纹的切削方法
车削加工梯形螺纹的切削方法有很多，一般有单刀完成和多刀完成两种。
图一
1、单刀完成：这种方法对于螺距小于4mm的梯形螺纹可行，当螺距大于4mm后由于切削力和刀具磨损的影响，单刀完成则效果不好。具体方法有以下几种：
直进法：如图一a所示，刀具采用与牙型槽等宽的尺寸，加工时只做横向进刀。这种方法在加工加工梯形螺纹时，螺纹的牙型精度较高，但由于三刀刃均参与切削，切削力过大容易导致加工变形，只在小螺距螺纹加工时采用。
斜进法：如图一b所示，刀具采用与牙型槽等宽的尺寸，加工中刀具纵向和横向做复合进刀。这种方法在加工中刀具只有两面刀刃受力，可适当减小切削力，
但由于两刃切削，刀具的磨损程度不同，加工中易出现刀尖角发生变化，而造成牙型精度较差。这种方式只在梯形螺纹粗加工或螺纹精度不高时采用。
左右切削法：如图一c所示，刀具采用与牙型槽等宽的尺寸，加工中刀具纵向双向及横向做复合进刀。这种方式加工刀具受力情况与斜进法相似，较易加工出梯形螺纹。但该方式要求刀具纵向左右两侧移动结合横向进刀，对操作者技术要求较高，需多次操作后才能熟练掌握。
2、多刀组合法：一般梯形螺纹加工均采用这种方式。组合方式很多，如单刀加工中的三种只做为粗加工，留一定余量后再采用精加工刀具完成加工。再如图一d所示，这也是多刀组合中的一种，先用小切刀切直槽再用与牙型等宽的螺纹刀具加工。
二、螺纹编程指令
在GSK980T数控系统中，提供了三个加工螺纹的编程指令，分别是逐段加工螺纹指令G32、螺纹加工循环指令G92、复合循环指令G76。三个指令加工螺纹编程上有不同，进刀方式上也有不同，所造成的加工误差也不同。在编程中应仔细分析、合理选用，以加工出合格的工件。
1、逐段加工螺纹指令G32，格式如下：
G32 X(U) Z(W)F
使用本指令编程每次螺纹加工路径都至少需要4个程序段，如果螺纹加工使用斜线退出，每次走刀需要5个程序段。这种方法的缺点是程序过长、难以编辑、错误多并减小控制系统的存储能力。但这种方法也有一定的优点，程序员可以绝对控制螺纹的编程过程，这种控制中有了手的介入，从而可以螺纹加工中应用一些特殊的技巧，例如用比螺纹本身小得多的螺纹刀加工螺纹或使用圆头切槽刀加工大螺距螺纹。
2、螺纹加工循环指令G92，格式如下：
G92 X(U) Z(W)F
使用本指令主要优点是避免了重复数据，一条程序段，就能完成螺纹加工的定位、车削以及退刀，使程序更容易编辑，同时它还有螺纹收尾功能，不开退刀槽，也能实现车削螺纹的退刀。G32与G92一样均为直进式切削方法，在切削螺距较大的螺纹时，由于切削深度较大，刀刃磨损较快，从而是造成螺纹中径误差，但是其加工的牙形精度高，一般多用于小螺距螺纹加工。
3、复合循环指令G76，格式如下：
G76 P(m) (r) (a) Q(Δdmin) R(d);
G76 X(u) Z(w) R(i) P(k) Q(Δd) F(L);
说明：
m:精加工重复次数：
r:倒角宽度：
a:刀尖角度：
ΔDmin:最小切削深度，当每次切削深度（Δd ·n1/2-Δd·（n-1）1/2）小于Δdmin时，切削深度限制在这个值上;
D:精加工余量；
I:螺纹部分的半径差，若I=0,为直螺纹切削方式；
k:螺纹牙高；
Δd:第一次切削的切削深度；
L:螺距。
本指令的加工中的参数的功能十分强大，只需给定螺纹的最终尺寸，螺纹加工中的进刀部分全部由计算机控制。并且任何数目的螺纹加工都只占程序的很少部分，在机床上修改程序也会更快更容易。在GSK980T中，进刀方式为侧面斜进法，这种方式在大螺距的粗加工中比较适用。
综合三种加工指令的特点，在加工梯形螺纹时，使用G76指令不便于控制切削深度，还会增大刀具与工件的接触面，一般不采用；如果单用G92指令，程序量也十分大，即使采用子程序也不能较大地缩短程序量；因此，采用G32指令是最好的选择，并且可以充分发挥子程序的强大功用。
三、加工及编程
在加工Tr36X12（P6），总长为48mm（见附图） 所示的梯形螺纹工件中，综合进刀方式分析，采用两把刀加工，粗精加工均为直进的切槽组合进刀法。这种进刀法的关键在刀具上，根据梯形螺纹牙型各部分尺寸计算可知：牙型高为h3=0.5p+ac=0.5×6+0.5=3.5mm，牙底槽宽为W=0.366p-0.536ac=1.928 mm，如图二所示。
图二
小切刀各部分尺寸及角度如图三所示，刀头宽应在1.91～1.93mm，即使稍宽对螺纹的精度没有影响；刀头的长度应比牙型高长1～2mm左右即4.5～5.5mm；并刃磨出卷屑槽，为不影响排屑，槽型应为直线圆弧型，槽深控制在1.5 mm以内；刀具刃磨表面用油石精修以提高刀具的耐用度，刀尖过渡圆角R0.2 mm左右也用油石修出；由于此次加工为梯形螺纹，再加上螺距较大，因此须考虑螺纹升角对加工的影响，螺纹升角（tanψ）=np/∏d2=(2×6)/3.14×33=0.116，即ψ≈6°36′，为了避免车刀后面与螺纹牙侧发生干涉，保证切削顺利进行，应将车刀沿进给方向一侧的后角磨成工作后角加上螺纹升角，即（3°～5°）+ψ≈10°；为保证车刀强度，应将车刀背着进给方向一侧的后角磨成工作后角减去螺纹升角，即（3°～5°）-ψ≈-3°。刀具角度如图三所示。
图三
这种方式加工时，刀具不会出现三侧刃同时加工的情况，并且进刀方式简单，只需采用直进方式即能完成加工，从而使编程简单、尺寸精度易保证，特别在多线螺纹加工中优势更为明显。在使用这种方法加工时，由于刀具材料及刀具尺寸的影响，切削深度不可过大，否则易出现扎刀甚至断刀情况。将编程零点设在工件右端面，程序如下：
一）主程序：
%
O1111
T0101 小切刀
G99 S2 M3170r/min
G0 X44 Z6起刀点
M98 P700001每次切深0.05mm，共3.5 mm，需70次
G0 X100 Z100退刀
T0303精车刀
G0 X44 Z6
N98 P600001 第一阶段精车，每次切深0.05 mm
M98 P200002第二阶段精车，每次切深0.02 mm
M5
M0停车测量
S2 M3
M98 P100003第二阶段精修，每次0.01 mm，可根据测量结果调整进
G0 X100 Z100 刀次数
M5
M30加工结束
%
在本程序中只进行了单线螺纹加工的编程。在加工Tr36X12（P6）螺纹部分时，还应再对程序进行相应调整。在编程中，可将粗、精加工分别做成子程序，先将两线螺纹的粗加工完成，再进行精加工。这样可提高多线螺纹的分线精度。
二）子程序：
00001
G0 U-8.1
G32 Z-79 F12
G0 U8
Z6
M99
00002
G0 U-8.04
G32 Z-79 F12
G0 U8
Z6
M99
00003
G0 U-8.02
G32 Z-79 F12
G0 U8
Z6
M99
结束语
完成上述的梯形螺纹加工总共用时24分钟，这样比在普通车床上加工要提高近一倍的效率，并且表面质量达到Ra1.6，螺纹各项指标完全符合要求。在编程中我使用了最基本的G32进行编程，原本的程序量是非常大的，由于加工中重复动作多，采用了子程序优化，这样极大的减少了程序量，这也是基本指令的优点。
参考文献：
[1]《数控编程手册》化学工业出版社.
[2]《GSK980T数车编程手册》机床资料.
磨削切削参数计算方法分析 篇4
1 外圆纵向磨削行程L的计算
外圆纵向磨削时, 装夹工件的工作台纵向进给, 把工件送至砂轮。磨削往往需要多次进行走刀, 因此其每次走刀行程应该准确无误。一般来说, 工件的外圆表面分为无轴肩、有轴肩两种情况。
1.1 工件无轴肩。
若工件无轴肩, 砂轮走完一个行程后, 其前端 (图1所示的左端) 应超出工件砂轮宽度Wg的1/3尺寸, 即L1或L2。如图1, 行程L的计算公式为
上式中, L———磨削行程
l———被磨削部位工件长度
Wg——砂轮宽度, 可通过查阅相关手册选择
1.2 工件有轴肩。若工件有轴肩, 其前端应进给到轴肩端面位置 (图2所示轴肩位置) 。如图2, 行程L的计算公式为
上式中, L———磨削行程
l———被磨削部位工件长度
Wg——砂轮宽度, 可通过查阅相关手册选择
2 外圆纵向磨削走刀次数与机动时间计算
外圆纵向磨削的机动时间, 也就是不考虑辅助时间的、纯粹用于磨削加工的时间。由于磨削属于精加工, 每次磨削余量都不大, 往往需要分多次走刀。对于外圆纵向磨削的走刀次数i, 应按如下公式进行计算
上式中, d1———工件毛坯直径
d———工件最终直径
a———磨削深度 (间歇横向进给距离)
2——2次无横向进给的纵向磨削, 以保证磨光工件为了计算机动时间, 还需求出工件的转速n
上式中, vf———进给速度, 可通过查阅手册获得
根据上述计算公式所得结果, 可求出磨削机动时间tp
3 平面磨削行程L及磨削宽度W计算
平面磨削时, 装夹工件的工作台纵向进给, 把工件送至砂轮;每次纵向进给后, 砂轮或工作台横向进给。平面磨削往往需要多次往复走刀, 因此其每次走刀行程、磨削宽度均应该准确无误。以卧轴矩台平面磨削为例, 按工件无台肩、有台肩两种情况进行分析。
3.1 工件无台肩。
若工件无台肩, 砂轮走完一个行程后, 其前端、后端均应超出工件一定的距离, 即切入长度、切出长度。如图3所示, 磨削行程L的计算公式为
上式中, L———磨削行程
Ál———切入长度、切出长度, 其数值取决于砂轮尺寸。
平面磨削的磨削宽度, 应保证完成最后一次切削后, 砂轮横向切入一侧超出工件砂轮宽度Wg的1/3尺寸。如图3所示, 磨削宽度Á的计算公式为
上式中, w———工件宽度
Wg——砂轮宽度
3.2 工件有台肩。
与工件无台肩的情况相同, 砂轮走完一个行程后, 其前端、后端均应超出工件一定的距离, 即切入长度、切出长度。如图4所示, 磨削行程的计算公式为
上式中, L———磨削行程
Ál———切入长度、切出长度, 其数值一般为30mm左右。
工件有台肩的情况下, 砂轮横向切入一侧超出工件砂轮宽度Wg的1/3尺寸。经过多次往复横向进给后, 砂轮在其磨削宽度方向最终进给至台肩位置, 如图4所示, 磨削宽度W的计算公式为
上式中, w———工件宽度
Wg——砂轮宽度
4 平面磨削走刀次数与机动时间计算
平面磨削的机动时间, 也就是不考虑辅助时间的、纯粹用于磨削加工的时间。由于磨削属于精加工, 每次磨削余量都不大, 往往需要分多次走刀。对于卧轴矩台平面磨削的走刀次数i, 应按如下公式进行计算
上式中, t———磨削余量
a———磨削切削深度
2———2次无横向进给的光磨
为了计算机动时间, 还需求出单位时间内的行程次数n
上式中, vf———进给速度, 可通过查阅手册获得
根据上述计算公式所得结果, 可求出磨削机动时间tp
上式中, i———走刀次数
n———单位时间内的行程次数
w———磨削宽度
f——每次往复横向进给量
可通过查阅手册获得
通过上述分析, 磨削加工过程中的切削参数就十分明确了。但需要说明一点的是, 不能仅仅简单计算。具体的切削参数选择和确定, 还要充分考虑砂轮、工件材料、磨床的状况等因素。
参考文献
[1][德]约瑟夫·迪林格等.机械制造工程基础[M].长沙:湖南科学技术出版社, 2010, 1.
数控高速切削加工 篇5
文章介绍了“数控高速切削加工”的内涵、优势、应用现状和发展趋向，提出了在实现高速切削加工中应关注的主要问题。
【关键词】高速;加工机理;优势;推广价值
1.前言
高速切削加工是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用能够得到解决。
“高速切削”的概念是由德国物理学家Carl.J.Salomon提出，于1931年4月提出了著名的切削速度与切削温度理论。
该理论的核心是：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，当到达某一速度极限后，切削温度随着切削速度的提高反而降低。
随后，高速切削技术的发展经历了4个阶段：高速切削的设想与理论探索阶段(193l—l971年)，高速切削的应用探索阶段(1972-1978年)，高速切削实用阶段(1979--1984年)，高速切削推广阶段(20世纪90年代至今)。
对高速切削加工的界定有以下几种划分思路：一是以主轴转速作为界定高速切削加工的尺度，认为主轴转速在10000-0r/min以上即为高速切削加工;二是以主轴直径D和主轴转速n的乘积Dn来界定，当Dn值达到(5～2000)×105mm.r/min，则认为是高速切削加工，新近开发的加工中心主轴DN值大都已超过100万;三是以切削速度高低来区分，认为切削速度跨越常规切削速度5至10倍即为高速切削加工。
2.数控高速切削加工的优势
随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。
同时，高速切削加工的“量小速快”使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，十分有利于刚性差和薄壁零件的加工。
高速切削加工中，主轴转速的提高使切削系统的工作频率远离了机床的低阶固有频率，提高了切削系统的刚性，进而使产品表面质量获得提高。
数控高速切削加工和常规切削相比的主要优势可归纳为：第一，生产效率可提高3～10倍。
第二，切削力可降低30%以上。
第三，切削热95%被切屑及时带走，特别适合加工容易热变形的零件。
第四，机床的激振频率远离工艺系统的固有频率，工作平稳，适合加工精密零件。
第五，经济效益明显。
3.数控高速切削加工的应用
数控高速切削工艺的应用，能使制造成本降低20%左右，产生新的经济增长点。
以某锻造厂加工曲轴和连杆锻模为例，传统的加工工序为：外形粗加工→仿形铣粗加工型槽→热处理→外形精加工→数控电火花粗、精加工型槽→钳工打磨抛光型槽→表面强化处理。
而采用高速切削加工后的工序为：外形粗加工→热处理→外形精加工→高速铣加工型槽→表面强化处理。
通过高速铣削加工直接完成淬硬钢模具，使生产成本从传统工艺的27000多元降到22000元。
高速切削加工具备过程平稳、振动小的特点，与常规切削相比，可提高加工精度1～2级，并能取消后续的光整加工。
同时，采用数控高速切削加工工艺，可以在一台机床上实现对复杂整体结构件的粗、精加工，减少了转工序中多次装夹带来的定位误差，也有利于提高工件的加工精度。
如某企业加工的铝质模具，模具型腔长达1500mm，要求尺寸精度误差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm。
原先的制造工艺为：粗刨→半精刨→精刨→铲刮→抛光，制造周期为60小时。
采用高速切削加工工艺后，改为半精加工和精加工，加工周期仅需6小时，加工效率提高近10倍。
可见，高速切削加工在制造业中有着广阔的应用前景。
4.数控高速切削加工的关键环节
高速切削加工不仅包含着切削过程的高速，还包含了工艺过程的集成和优化，可谓是加工工艺的统一。
高速切削加工是在数控装置、机床结构及材料、机床设计、制造工艺、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造工艺、高效高精度测量测试工艺、高速切削工艺等诸多技术均获得充分成熟之后综合而形成，可谓是一个复杂的系统工程。
高速切削加工应用中还存在着一些有待解决的问题，如对高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损内因的研究，高速切削数据库的建立，适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术的开发等。
数控高速切削加工所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，价格昂贵，初期投资较大，在一定程度上也制约着高速切削技术的推广应用。
实现数控高速切削加工的关键环节如下：
4.1高速切削机理的研究
高速切削加工过程是导致工件表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦行为形成的为热、力耦合不均匀强应力场的制造工艺。
与传统的`切削加工相比，加工中工件材料的力学性能、切屑形成、切削力学、切削温度和已加工表面形成等都有其不同的特征和规律。
各类材料在高速加工前提下，切屑的形成机理，切削力、切削热的转变规律，刀具磨损规律及对加工概况质量的影响规律，都有了极大的变化。
通过对以上理论的研究，有利于促进高速切削工艺规范的确定和切削用量的选择，为具体零件和材料的加工工艺拟定能够提供理论依据。
4.2高速切削机床的配备
高速切削机床是实现高速切削加工的必备条件，高速主轴系统、快速进给系统和高速CNC控制系统是关键。
它要求具备高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。
通常，选用高速数控车床、加工中心，也有釆用专用的高速铣、钻床，它们都具有高速主轴系统和高速进给系统。
一般主轴转速在10000r/min以上，有的甚至高达60000-100000r/min，且要保证动态和热态机能。
也可釆用高速丝杆或直线电机，提高机床进给系统的快速响应。
目前，直线电机最高加速度可达2-10G(G为重力加速度)，最大进给速度可达60-200m/min或更高。
4.3高速切削工艺的刀具
随着切削速度的大幅度提高，刀具材料和刀具制造工艺都要能适应新的环境。
刀具系统必需具有较高的几何精度和装夹再定位精度，以及较高的装夹刚度。
高速切削刀具除了满足静平衡外还必需满足动平衡要求，尽可能减轻刀体质量，以减轻高速扭转时所受到的离心力。
高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石等，高速切削刀具刀刃的外形正向着高刚性、复合化、多刃化和超精加工方向发展。
4.4数控编程系统要求
高速切削有着比传统切削更特殊的工艺要求，除了要具备高速切削机床和高速切削刀具外，还要有合适的CAM编程软件。
高速加工的CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等特点。
高速切削应用程序首先要注意加工的安全性和有效性;其次，要保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命;第三，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。
通常，使用的CNC软件中的编程功能都不能满足在整个切削过程中保证切削载荷不变的要求，需要由人工加以填补和优化，这在一定程序上降低了高速切削的价值。
因此，必需研究一种全新的编程方式，使切削数据适合高速主轴的功率特征，充分发挥数控高速切削加工的优势。
目前，引进的CAM软件，如Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等，都在逐步增添适合于高速切削的编程模块，为高速切削加工的应用提供了良好的条件。
5.结束语
切削方法 篇6
一、全方位的多媒体效果形象直观,有利于突破重难点
PowerPoint集文字、图形、图像、声音、视频、动画制作于一体,具有强大的多媒体演示功能,能化静态为动态,化动态为静态,化无声为有声,化枯燥为生动,化抽象为直观,化微观为宏观,并能跨越时空的限制。各种多媒体素材可信手拈来,为教学所用。下面仅从声音、视频、动画三方面加以说明。
1.声音
点击“插入”菜单中的“影片和声音”,获取“剪辑库中的声音”或从其他位置(如CD-ROM等)插入音效、音乐。恰如其分的背景音乐能烘托出复习的主题,同时也为枯燥紧张的理论学习营造了一点轻松愉快的氛围。如在组合夹具教学时,插入一些音乐可以引起学生的注意力。此外还可视具体情况在幻灯片放映中录制语音旁白或者声音。
2. 视频
点击“插入”——“影片和声音”——“剪辑库中的影片”(或“文件中的影片”,便可在幻灯片中自动播放插入的影片,或通过鼠标随机控制影片的放映。还可使用缩放手柄改变影片视窗的大小,循环放映或为影片添加动画效果。如在学习“工件的六点定位原则”、“定位误差的分析”等时,利用插入的动画辅之教师的讲解,完全能够引导学生轻松突破这些重点难点的问题。
3.动画
在PowerPoint中,教师可根据情况对每张幻灯片及每张幻灯片上的不同对象设计相同或不同的动画效果,从而使演示文稿更加生动、直观,比如在学习车床的六级变速操纵机构时用动画演示其操纵过程,易于学生理解、掌握,突破重难点。
二、精彩生动的电子挂图有利于教学
有人说“图是机械结构的第二语言”此话一点不假。纵览机械专业教材(无论新版、旧版)、各类练习试题,其中各种图、表比比皆是。传统教学中,教师常利用自制的各种挂图进行演示,它对于学生对机构的认识起到了一定的作用,然而挂图在制作、呈现、保存、更新上非常麻烦,可视性、直观性也欠佳。PowerPoint之于专业知识最基本的作用就是作为电子挂图发挥其强大的功效。
1.制作简单
利用“插入”命令,可十分方便地插入各种图片(包括从网上下载、扫描仪输入的现成图片);同时也可导入自己利用绘图软件绘制的图片;PowerPoint本身也自带绘图、制表等功能,可方便地制作各章节的知识体系图表、重难点知识归纳比较表、章节知识的"组织结构图"等,比传统挂图制作上更方便省时。
2.呈现方式生动活泼
这一点是传统挂图根本无法比拟的。PowerPoint具有丰富多彩的"切换方式",教师可根据情况随机掌握控制;而各种"自定义"的动画效果更是生动活泼。一方面在展示时大大节省了时间,另一方面在吸引学生注意力,突出重点上更有独到之处。
3.容量大且保存方便
通常,用PowerPoint制作的两节机床与夹具课的课件(演示文稿)大约为几百KB,可包含许多幅图片和文字等资料。课件制作完毕后可根据需要保存在硬盘、软盘或光盘上,甚至发布到校园网、因特网上实现资源共享。这些是传统挂图无法想象的。
4.修改、更新均很轻松容易
传统挂图在制作中若出现错误,修改后便有失美观。而PowerPoint的每张幻灯片都可任意修改、添加,使之更富有表现力,绝不至于出现补丁、污迹。至于随着知识的更新,对演示文稿作全面或局部的调整更是非常轻松的事。
三、超级链接方便自如,有利于前后联系、综合应用
在专业知识的学习中,经常要对本节的知识进行前后对照,对相关章节知识进行横向联系,对同一专题的知识进行对比综合等,利用PowerPoint在演示文稿中插入超级链接,可以从当前的幻灯片直接跳转至本演示文稿的其他幻灯片、其他演示文稿、文件、局域网或因特网上的地址。这样进一步增大了演示文稿的容量及知识的相互联系,最大限度地适应专业理论知识学习的需要。
此外,由于一个演示文稿的容量可能很大,学生在课堂上来不及作详尽的笔记,教师可以发给学生打印的演示文稿,或者让学生复制到软盘上带回家学习,或登录校园网浏览,这样学生在课堂上可以节省不少时间,从而能较宽松地听老师的讲解和与老师进行交流。
当然,PowerPoint在使用中也有一些局限性,如交互性还不够强,在讲解一些推理推导的知识点时效果不佳等,因此我们应该扬长避短,充分发挥PowerPoint的独特优势,提高学生学习机械专业知识的质量和兴趣。
切削方法 篇7
Ultra-finegrained and nanocrystallinematerials havenovelattributesnottypicallyfoundinconventional materialsbecauseofitssmallgrainsizeanduniquedefectstructure.Theseattributesincludehighhardness, strength, greatwear-resistance[1,2]andsuperplasticity atsometemperature, inadditiontointerestingelectricalandmagneticproperties[3].Itiswellknownthat microstructurerefinementcanberealizedinmetalsand alloyswhich experienced plastic deformation bythe conventionalformingprocesssuchascoldrolled, colddrawn and so on underlow temperature.However, thesemethodsonlycanobtainsubstructurecomposed oflowanglegrainboundaryandthemaximalstrainis generally10atmostwhichcantimprovepropertiesof materialsobviously.Onlysevere plastic deformation (SPD) hastheabilityofgettingnanocrystallinewith highangleboundary.
In recentyears, severalSPD techniques have beendevelopedtocreatthehighstraininmetalswith minimalchangesintheinitialsampledimensionssuchasequalchannelangularextrusion (ECAE) , highpressure torsion (HPT) , accumulative rollbonding (ARB) , cyclicextrusioncompression (CEC) , multi axialforging (MAF) and constrained groovepressing (CGP) .Suchlargestraindeformationnotonlyleadto ultrafinegrainedstructureandnanostructurewithlarge angleboundariesresultingintheimprovementofmaterialperformance, butalsonanostructureareuniform in thewholevolumeofsampleensuringthestabilityofdeformedmaterialperformance.ButtheseSPD approachesdohavesomelimitations.First, multiplestagesof deformationareneededtocreatelargeplasticstrains whichmakethem cumbersometoscaleup forlarge scaleproduction.Second, highstrengthmetalandalloyaredifficulttodeform inthismanner.Lastly, the costofproductioninlargescalewhichisexpensive, typicallyin the range of hundreds of dollars per pound[4], obstructthewiderangeofapplication.
A radicallydifferentapproachforproducingultrafinegrainedmetalsandalloysinasinglestageofdeformationwithsignificantlylargershearstrains, while simultaneouslyissuitabletohighstrengthmetalandalloy, istheprocessofthechipformationinmachining.Ithasbeen demonstrated thatthechip formation by machiningbenotonlyanoveltechniqueforstudying microstructureevolutionandenhancedmaterialpropertiesandbehaviorinthelargestraindeformationbutalsoalow-costmethodformakingnanocrystallinematerialinlargescale.
1 Manufacturingofnanostructuremateri-alsbymachining
1.1 Deformationfieldinmachining
Machiningisaprocessin which ahard, sharp wedge-shapedtoolremoveschipfrom surfaceofworkpiecebyverylargestraindeformation.Fig.1showsa schematicofthemachiningprocessandassociatedgeometricparameters.Whenthetooledgeisperpendiculartothecuttingvelocity (v0) andawislargecomparedtoa0, astateofplanestrain (2—D) deformation prevails.Chipformationoccursbyconcentratedshear withinthenarrowdeformationzonewhichisoftenidealizedasthe“shearplane” (OM) .Withcontinuous machining, the chip is pressed byrake edge and flowedalongrakefacetoform chipsintheseconddeformationzone.Mostofgrain refinementassociated withtheformationofUFG chipscanbeattributedto thelargeshearstrainsimposedinthefirstdeformation zone.Sotheprocessofchipformationisatypicalseverepalsticdeformation.
Intheshearplanemodel, theshearstrain (γ) imposedinthedeformationzonemaybeobtained from Eq.1.
Whereαistherakeangle, ξisthedeformationratio, definedastheratioofactoa0.Itisapparentthatthe shearstrain (γ) canbevariedoverawiderangebyvaryingtherakeangle (α) andthedeformationratio (ξ) .Additionally, thefrictionattool-chipinterfacealsoinfluencesthe shearstrain (γ) .The cutting velocity (v0) hasalsoimportantinfluencesonthetemperature andstrainrateofchipmaterial.
Theprincipalmachiningvariablessuchasα, v0, a0andawhaveeffectonthefrictionattool-chipinterface and the deformation field parameters such as strain, strainrateandtemperaturewhichallinfluence the microstructure and properties ofchips.Among thessmachiningvariables, αandv0playimportantrole onmicrostructureandpropertiesofchips.
1.2 Formationofchipsmaterialswithultra-finegrainedandnanocrystalline
Itisdemonstratedthatchipmaterialswithultrafinegrainedandhighhardnesscanbeproducedwith morenegativetoolrakeangleatsomelowercuttingvelocity.InthestudyofTravisL.Brown[4], itisreported thatultra-finegrainedchipsareutilizedasstartingmaterialstocreatenanostructureparticulatewhichcanbe consolidated into bulk formsmaterialswith sub-micrometermicrostructuresandthecostareestimatedas beingnomorethanafew dollarsperpoundoverthe costofthebulkmaterialswhilethepropertiesofmaterialsareimprovedsignificantly.
Seongeyllee[5]andSwaminathan[6], byapplying aparticleimagevelocimetrytechniquetoobtainthesequencesofhigh-speedimagesofmaterialsflow inthe deformationzone, wasabletomeasurethestrainimposedonthechips.IntheresearchofSwaminathan, theeffectofrakeangleonthestrainimposedonthe chipsandthemicrostructureofchips[6]andtheinfluenceofmicrostructureofthebulkmaterialpriortomachiningonthecharacteristicsofthechipsinsteels[7]arestudied.
1.2.1 Microstructure
Mostofthegrainrefinementassociatedwiththe formationofUFG chipscanbeattributedtothelarge shearstrainsimposed in firstdeformationzone.The shearstrainisdecideonrakeangleanddeformationratioaccordingtoeq. (1) .Thedeformationratioisalso influencedbyrakeangleandcuttingvelocity.Sothe rakeangleandcuttingvelocityhavesignificantinfluenceon themicrostructureand mechanicalpropertities.
(a0=0.11mm, aw=3.81mm, v0=20mm/s) . (a) γ=3 (a=+40°) , elongated grains-length:1 226±704nm, width: (334±122) nm; (b) γ=13 (α=-20°) , equiaxed grains: (216±104) nm
(a) normalizedbulkshowinglargeferritegrainsandpearlitecolonies, (b) chipshowingequiaxedferritegrainsbetweencementitelamellae.
The research on OFHC coppermicrostructures characterized bytransmission electron microscopy (TEM) andsteelmicrostructurescharacterizedbyscan electronmicroscopy (SEM) hasbeendemonstratedin the studies ofSrinivasan Swaminathan[7,8].Fig.2showsthattheeffectofrakeangleontheshearimposed onthe chipsand microstructure ofchips.With the changeofrakeanglefrom+40°to-20°, thestrainis variedform 3to 13, andconsequentlythegrainofchip isfrom enlongedgraintobeequiaxedgrain.
Significantrefinementofthegrainsizeinthe 1045steelchipisprovidedshowninfig.3.Normalizedbulk showslargeferritegrainsand pearlitecolonieswhile chipshowsequiaxed ferritegrainsbetween cementite lamellae.Thecementitelamellaeappeartoshow flow inaparticulardirectioninfig.3.b.Forthermore, the vikersmicor-hardnessofchipsisalmosttwiceasmuch asthatofbulk.
1.2.2 Hardness
Table 1givesasummaryoftheharnessvalues measuredonchipsandbulksamples[6].Ashasbeen reportedin manystudies, nanostructuremetalshave hardnessmoresignificantlygreaterthan thatoftheir coarsegrainedcounterparts.Similarly, thechipsare harderthanbulksamples.Theincreaseinhardnessis about 241%inthecaseofironchips, 236%fornickle chips, 173%forOFHC copperchips, and 131%for stainlesssteelchips.Theseincreasein hardnessare muchhigherthanthosetypicallyresultingfrom strain hardeninginasinglestageofadeformationoperation suchasextrusion, forgingandrolling.
1.3 Researchonthermalstabilityandsizeofchip
Althoughmachiningapproachhasbeendeveloped asalow-costprocessforproducingnanostructuredmetalsandalloysinlargevolume, from apracticalstandpoint, machiningsuffersform aseriousdrawback:the dimensionsofchipsareusuallytoosmallforfabricating anystructuralormechanicalcomponentsdirectly.
Therearetwomethodstoovercomethedrawback.Firstly, the ultra-fine grained chips are utilized as starting materials to create nanostructure particulate whichcan beconsolidated intobulk formsmaterials with sub-micrometermicrostructures.Therefore, the chipsneedtobeconsolidatedusingsomethermalor thero-mechanicalprocessingtoproducingbulkforms.Itisnecessarytocharacterizetheannealingbehaviorof machiningchipstoprovidebackgroundinformationfor effortsaimedatconsolidationofthesechipswhileretaining nanocrystalline microstructure.Shanker[8]analysedthermalstabilityoftheAl6061chipswithdifferentlevelsofstrainbystudyingevolutionofmicro-hardnessandmicrostructureafterdifferentheattreatments whichsuggestsprocessingroutesforconsolidation of thechipsintobulkformswhileretainingtheUFG microstructurewithenhancedmechanicalproperties.
Secondly, large-strain extrusion machining (LSEM) [9]isadoptedwhichchangesthetoolinconventionalmachining.The toolconsistsoftwo componets-abottom sectionwithasharpcuttingedgethat realizesmachiningandawedge-shapetopsectionthat actsasaconstrainingedgetorealizeextrusion.The chipissimultaneouslyforcedthroughanextrusiondie formedbythebottom rakefaceandthetopconstraining edge, therebyeffectingdimensionandashapecontrol.LSEM istheexperimentalconfigurationusedtocreat bulkfoilsamplesundercontrolledconditionsofstrain andstrainrate.Thesechipsamplescanbeproduced micor-scalecomponentswhichoffersanew paradigm formicro-scalemanufacturingthatincorporatesnanoscalemicrostructurecontrol.
2 Conclusion
Machiningapproach hasbeen developed asnot onlyannovelexperimentaltechniqueforstudyingvery largestrain deformation phenomenon, butalow-cost processforproducingnanostructuredmetalsandalloys inlargevolume.Amongmachiningvariables, rakeangleandcuttingvelocityhaveimportanteffectonthedeformationfieldparameterssuchasstrain, strainrate, deformationtemperatureandhydrostaticpressurewhich all influence the microstructure and properties of chips.Itisdemonstratedthatchipmaterialswithultrafinegrainedandhighhardness, comparedtothecorrodingbulk, can beproduced with morenegativetool rakeangleatsomelowercuttingvelocityinavarietyof metalsandalloys.Therearetwomethodstoovercome thedrawbackthatchipsaretoosmalltofabricatemechanicalcomponentsdirectly.Whilemuchremainsto beunderstood.Firstly, themechanism ofrelativecontributionsofgrain size, grain boundaryand defect structurestotheenhancedhardnessofchipneedtobe understood.Secondly, the influence mechanism of highercuttingvelocityonstrainandhardnessandthe criticalcuttingvelocitytoproduceultrafinegrainedmaterialsneedtobeunderstood.Lastly, thethermalstabilityofchipsinavarityofmetalsandalloysandthe toolofLSEM areneedtobestudiedfurthertoimprove thepracticlevalueofchips.
参考文献
[1] Gleiter H: Nanocrystalline materials. Progress in Materials Science. 1989;33 (4) : 223—315
[2] Nieman G W, Weertman J R, Siegel R W . Nanostructured materi- als. Mechanical Behavior of Nanocrystalline Metals. 1992;1 (2) :185—190
[3] Birringer R. Nanocrystalline materials. Materials Science and Engi- neering A, 1989;37 (9) :33—43
[4] Brown TL, Swanminathan S, Chandrasekar S, et al.Low-cost manu- factureing process for nanostructured metals and alloys. Materials Re- search Society Rapid Communications, 2002;17 (10) :2484—2488
[5] Seongeyl L, Hawang J, Shankar MR, et al. Large strain deformation field in machining. Metallurgical and Materials Transactions, 2006;37:1633—1643
[6] Swaminathan S, Shankar MR, Lee S, et al. Large strain deformation and ultrafine grained materials by machining. Materials Science and Engineering A, 2005;410—411, 358—363
[7] Swaminathan S, Swanson C, Brown T L, et al. Microstructured re- finemnet in steels by machining. Materails Research Society. 2004; 821:951—956
[8] Shankar MR, Chandraseker S, Alexander HK, et al.Microstructure and stability of nanocrystalline aluminum6061 created by large strain machining. Acta Materialia, 2005;53: 4781—4793
切削方法 篇8
机床切削加工系统是机械强力加工中目前应用最为广泛、应用最早的制造工艺系统,长期以来,国内外工程技术人员、学者对此进行了大量的研究,如:对高速切削工艺参数优化系统的开发[1],对切削过程的仿真分析[2~4],基于遗传算法的切削工艺参数优化研究[5]。
机床切削加工系统是一个非线性复杂系统,要想准确分析这样一个复杂的系统非常困难,而且该系统呈现高度的非线性,收敛困难,其计算效率较低,为了提高分析效率,并且保证分析精度,必须做适当的分解和简化。本文以机床切削加工系统的典型结构的分析为例,对根据分析目的进行工艺系统的分解、分析及结果评价等进行了深入系统的研究。
1 分析思路
机床切削加工工艺系统分析包括机床设备、工件、机床夹具和加工刀具四个部分的分析,以切削过程分析为核心,切削过程分析属于高度非线性分析,涉及材料非线性、接触非线性、几何非线性,通过切削过程分析得到切削力,通常切削力通过半经验、半理论、半数值模拟的手段得出。具体机床切削加工工艺系统分析思路如图1所示。
2 复杂机床主轴的静态刚度、强度分析
2.1 复杂机床主轴简介
某复杂的机床主轴如图2所示,其中,F1=100N,F2=300N,M2=10000N·mm,E=200Gpa,m=0.3。
2.2 静态刚度、强度分析
应用梁单元对复杂的机床主轴进行分析,有限元模型如图3所示,复杂主轴的弯矩如图4所示,复杂主轴的剪力如图5所示,各个截面最大弯曲应力如图6所示,复杂主轴的挠度如图7所示。
2.3 分析模型的验证
材料力学及梁单元的有限元计算结果对比如表1所示,从表1中,通过对比验证了计算结果的正确性。
3 复杂机床主轴的模态分析
对复杂机床主轴前10阶模态进行了分析,复杂机床主轴第4阶振形如图8所示,复杂机床主轴10阶模态频率如表2所示。
4 结论
本文针对复杂机床切削工艺系统分析,得到以下结论:
1)提出了复杂机床切削工艺系统的分析思路,该方法一方面保证了分析精度,另一方面有效地提高了分析效率。
2)基于该分析思路,以某复杂机床主轴为工程案例进行了静态刚度、强度分析,得到了弯矩、剪力、各个截面弯曲应力、挠度,并对有限元分析模型进行了验证。
3)基于该分析思路,以某复杂机床主轴为工程案例进行了模态分析,得到了其前10阶的模态。
本文的研究为复杂机床切削工艺系统的快速、准确的设计与分析提供了方法和依据。
参考文献
[1]于航,王若平,刘大辉,等.高速切削工艺参数优化系统[J].新技术新工艺,2009(8):57-59.
[2]李蓓智,黄昊,王胜利.切削过程仿真及工艺参数优化[J].东华大学学报(自然科学版),2007,33(3):287-289.
[3]方刚,曾攀.金属正交切削工艺的有限元模拟[J].机械科学与技术,2003,22(4):641-645.
[4]朱江新,阳平.切削工艺参数对切屑形状的影响及其有限元分析[J].工具技术,2010,44(3):25-27.
切削方法 篇9
1 Lagrange方法与Euler方法
有限元分析中常用的计算方法有拉格朗日(Lagrange)方法和欧拉(Euler)方法。拉格朗日法适用于固体变形的分析,它设法追踪每一个质点的运动过程,描述出它的位置随时间的变化,其所描述的网格单元与所分析的结构是一体的,因此分析结构的形状变化和单元网格的变化完全一致,单元之间不会出现物质流动。这种算法较适合用在无约束的切屑边界成形和接触长度确定的切削仿真研究中,而用于处理大变形问题时将会出现严重的网格畸变现象,导致计算困难甚至中止。欧拉法适用于流体的运动分析,它设法描述每一个空间点上的运动随时间的变化,所分析的物质结构与所划分的网格是独立的。在使用欧拉法计算过程中,网格的形状、大小及空间位置不变,物质在网格之间流动,因此对物质边界的捕捉是困难的,金属切削研究中多用于模拟稳定切削状态下刀尖周围的切屑流动。
2 ALE方法
金属切削过程中,局部区域的材料产生高温和大变形,属于几何非线性问题。部分单元严重变形、扭曲,甚至发生网格畸变,严重影响计算结果的精确度,并可能导致运算中止。网格畸变还会引起模拟中工件边界网格对刀具表面的干涉,即刀具嵌入到材料内部,这与实际情况不符,同样使求解无法进行。为了保证求解正常进行及保证计算的精度,可在模拟过程中,运用自适应网格技术对网格即时重新划分。有限元软件中使用的自适应网格划分技术主要有三类:
(1)任意拉格朗日-欧拉自适应法(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)。该方法在重新划分网格时,整体拓扑结构不变,且计算速度快。
(2)自适应网格重划分法(Adaptive Remeshing)。该方法在重新划分网格时,一直根据网格的变形状况来改变拓扑结构,计算速度较慢。
(3)网格到网格法(Mesh-to-mesh)。该方法用于在模拟过程中,初始网格变形严重使得模拟运算无法继续时,自动用新网格去替换初始网格。
ALE方法最早出现在计算流体动力学问题的有限差分法中,结合了Lagrange方法与Euler方法的特征,在结构边界运动的处理上具有Lagrange方法的特点,能有效追踪物质结构边界的运动,在内部网格的划分上,它吸收了Euler法的长处,使内部网格单元独立于物质实体而存在,则网格可以脱离材料而流动,而物质也可以在网格之间流动,从而在分析过程中改善网格状况。ALE网格自适应方法不会改变网格的拓扑结构,这种方法在分析大变形问题时具有很大优势。
3 基于ALE方法的金属切削模拟
ABAQUS是大型通用有限元分析软件,具有内嵌的ALE网格自适应功能,因此选择ABAQUS/Explicit对金属切削过程进行有限元模拟。这里重点介绍ABAQUS/Explicit中ALE方法各项参数的意义与设置。
一个ALE过程包含若干网格remesh子过程。一个remesh子过程又分为两步:第一步create a new mesh,利用各种算法及控制策略生成新的良好的网格;第二步advection variables,把旧网格中的变量信息映射到新网格中。变量包括静变量(应力场,应变场等)与动变量(速度场,加速度场等)。
在ABAQUS/Explicit中应用ALE网格自适应功能,主要设置包括对自适应网格区域的控制(ALE Adaptive Mesh Domain)和对自适应网格算法的控制(ALE Adaptive Mesh Controls)。
3.1 ALE自适应网格区域的控制
(1)Region:ALE自适应网格区域的选择,将整个工件网格选中。
(2)Frequency:对step time中网格remesh的次数进行控制,这里取默认值10。
(3)Remeshing sweeps per increment:用于设定每个remesh过程将对网格sweep的次数,这里取1。
(4)Initial remeshing sweeps:用于设置在一个step开始时对扭曲网格的优化,这里选择“default”。
3.2 ALE自适应网格算法的控制
(1)Priority:有两个选项,“Improve aspect ratio”指在计算中优先考虑改善网格单元长宽比,“Preserve initial mesh grading”指计算中优先保证初始的网格梯度。这里选择“Improve aspect ratio”。
(2)smoothing algorithm:选择推荐项“Use enhanced algorithm based on evolving element geometry”,对所定义的网格扫略算法进行增强,以保证adaptive remesh过程的健壮性。
(3)Meshing Predictor:对网格节点位置的控制,选择Current deformed position。
(4)Curvature refinement:用于控制曲率较大的曲线曲面边界的网格密度,默认值1,这里设为5。
(5)Weights:用于选择扫略网格所用各算法的权重。abaqus提供了三种算法,分别是体积算法(volume smoothing)、拉普拉斯算法(laplacian smoothing)、等位算法(equipotential smoothing)。这三种算法可组合使用,各自所占权值之和应等于1。这里选择volume smoothing和equipotential smoothing,权重各为0.5。
(6)Boundary Region Smoothing:包括initial feature angle、Transition feature angle、Mesh constraint angle三个角度值参数的设置。
initial feature angle,用于设置初始几何特征角度值,一个网格的相邻两面的法向量的夹角不应大于该值,若大于该值则此相邻两面形成的corner会被检测到。网格扫略时,这个corner不被允许通过。这个corner应该是有活性的,对其活性的控制由另一个参数(Transition feature angle)控制,这里取其默认值30°。
Transition feature angle,用于设置过渡特征角度值,以此控制在网格扫略中,因大于initial feature angle参数值而被检测到的corner的活性,如这个corner的两面法线所成夹角大于该值,则它在ale过程中将会被考虑,否则不会考虑。这里取其默认值30°
Mesh constraint angle,网格约束角,默认为60°。
(7)Advection:用于选择将旧网格中的环境变量映射到新网格时所用算法。对于应力场、应变场等静变量的转换,有first order与second order两类算法,这里选择推荐算法second order;对于速度、加速度等动变量的转换,有element center projection method与half-index shift method两类,这里选择推荐算法element center projection method。
3.3 金属材料二维切削有限元模拟
在ABAQUS/Explicit中建立二维正交切削模型,工件材料40Cr Ni Mo,其本构关系选择J-C模型,根据前述对模型进行ALE自适应网格设置,分别选择工件的上表面和刀具的前后刀面将其定义为一对接触表面,定义接触性质为Penalty,对工件底边和两侧边施加全约束,将刀具约束为刚体并添加速度为1m/s,划分网格如图1所示,定义分析步和输出,生成任务并求解。
运算结束后可使用ABAQUS/Viewer查看不同时刻的网格图,图2、图3分别为0.001s及0.002s时刻自适应网格重新划分图,由图可看到网格的重新划分保证了分析中网格处于良好的状态。也可查看不同时刻的应力、应变场分布云图等其他输出结果,如图4、5所示。
4 结论
ALE方法是结合了Lagrange方法与Euler方法特点的一种自适应网格运算方法。由于该方法的使用,在金属切削过程的有限元模拟分析中,网格得以即时重新划分,从而保证了网格质量,有效解决了网格畸变带来的计算精度低、运算非正常中止等问题。
摘要：ALE方法是结合拉格朗日法与欧拉法特点的一种网格自适应方法,在金属切削过程的有限元模拟中,该方法可及时对网格进行重新划分,保证分析中网格的质量。ABAQUS软件内嵌有ALE技术。论述了ALE网格划分区域的控制及ALE过程的控制,对40CrNiMo材料的切削过程进行了模拟仿真。
关键词：金属切削,ALE,有限元
参考文献
[1]庄茁,张帆.ABAQUS非线性有限元分析及实例[M].北京:科学出版社,2005.
[2]庞新福,杜茂华.基于ABAQUS的二维直角切削加工有限元分析[J].工具技术,2008,42(2):39-42.
[3]黄丹,刘成文.金属正交切削加工过程的有限元分析[J].机械强度,2003,25(3):294-297.
[4]张东进.切削加工热力耦合建模及其试验研究[D].上海交通大学硕士论文,2008.
切削方法 篇10
通过生产实践经验的积累, 我们认识到在金属切削加工中某些因素是可以控制和影响材料的表面质量。这些因素主要包括:切削力、切削液及刀具材料。在金属切削加工过程中, 如果对这些因素进行合理的选择以及对金属切削过程进行正确的控制, 我们便能高效率地得到优质的产品, 而且得到更好的收益。
1 切削力对金属切削加工的影响
切削力在金属切削加工过程中, 对切削热、刀具磨损和已加工表面质量等有直接影响, 对控制表面质量有着巨大的作用。因此, 切削力的研究, 对于生产实际效率及控制表面质量都有重要意义。
切削力的产生来自两个因素, 第一因素是金属材料的弹塑性变形;第二因素是刀具与金属表面、切屑的相互摩擦力。因此, 工件材料、刀具几何角度等对切削力有重要影响。
1.1 工件材料对切削力的影响
切削力是由材料的剪切屈服强度、塑性变形等因素来影响的。材料的剪切屈服强度与切削力成正相关关系, 即材料的剪切屈服强度越高, 切削力越大。切削力还受材料塑性、韧性的影响, 材料塑性、韧性越好, 切削力越大。
1.2 刀具几何角度对切削力的影响
从刀具几何角度分析, 切削力主要受前角、主偏角、刃倾角变化的影响。当前角减小时, 切削变形增大, 切削力加强。但是还需注意, 前角对切削力的影响与材料有关。切削力的作用方向主要受主偏角影响, 与此同时, 主偏角对主切削力、进给力及背向力都有一定影响。刃倾角对主切削力影响不大, 但在一定范围内增大刃倾角使进给力增加、背向力减小。
2 切削液对金属切削加工的影响
2.1 切削液的作用
在金属切削加工过程中, 切削液对切削加工有重要作用。主要分为四点:第一, 冷却作用。切削液常以液体形式存在于切削区, 它不仅能够降低切削温度, 起到冷却作用, 还能够减小工件与刀具的热变形。第二, 润滑作用。切削液在工件与刀具、切屑之间形成一层油膜, 减少它们之间的摩擦, 起到润滑作用。第三, 排屑与清洗作用。生产加工时, 切削液处于流动状态, 可将切削区域及机床上的细碎切屑冲走。第四, 防锈作用。将防锈剂加入到切削液中, 使金属表面形成一层保护膜, 可防止工件及刀具出现生锈现象。
2.2 切削液的种类
切削液主要分为三类。第一类, 非水溶性切削液, 主要对工件、刀具等有润滑作用。第二类, 水溶性切削液, 主要用于工件、刀具等的冷却和清洗。第三类, 表面活性剂, 这种物质既溶于水也溶于油, 而且将水和油连接在一起, 故其有乳化作用。
2.3 切削液的选择
切削液的选择常根据工件材料、加工方法以及刀具材料等具体情况而选择。1) 根据工件材料选择。切削加工塑性材料时需用切削液, 脆性材料则不需要;2) 根据加工方法选择。如果对材料进行磨削加工, 选择具有冷却、清洗排泄及防锈功能的切削液。如果对材料进行半封闭或封闭加工, 可以考虑极压切削油和极压乳化液。
3 刀具材料对金属切削加工的影响
刀具的使用寿命及切削效率主要由刀具材料决定。刀具材料的先进与优越, 不仅会使加工质量增强, 切削效率增加, 还会延长刀具的使用寿命, 从而进一步降低生产成本。因此, 刀具材料的发展与创新, 会使切削速率不断增大, 金属切削生产率显著提高, 使得生产者利用固定的设备在同等时间内获得更大的收益。
3.1 刀具材料的性能
通过考虑金属切削加工中的实际因素, 刀具材料应具有高硬度、高强度、以及良好的耐磨性、耐热性和导热性。硬度高的刀具材料才能完成切削加工任务, 足够的强度才能保证切削加工不会产生危险, 良好的耐热性才能保证在高温环境下进行加工工作。只有这样, 才能保证加工安全、高效率的运行。
3.2 刀具材料的种类
刀具材料的种类一般是按照材料的物理化学性能区分。在实际生产中, 高速钢、硬质合金是使用最为广泛的。耐热性较差的碳素、合金工具钢因其抗弯强度较高, 主要用于中、低速切割。高速钢按用途又可分类, 通常分为两类:第一类, 通用型高速钢;第二类, 高性能高速钢。良好的工艺性是通用型高速钢的显著特色, 而高性能高速钢是在通用型高速钢的基础上加入微量元素, 故高性能高速钢的耐磨性、耐热性显著提高。陶瓷材料的主要成分是氧化铝, 是经压制成型后烧结而成。其具备稳定的化学性能, 故适用于较高的切削速度。金刚石是目前最硬的刀具材料, 不仅能够完成有色金属的加工, 而且善用于非金属材料的高速精加工。立方氮化硼, 一种硬度和耐磨性仅次于金刚石的刀具材料。适用于冷硬铸铁和一些难加工材料的加工。
4 金属切削加工中控制表面质量的方法
4.1 合理选择刀具材料
刀具材料的选择一般根据加工材料和具体的加工情况而定。在金属切削加工过程中, 对有色金属及非金属材料进行高速精加工时, 一般采用金刚刀。利用的是金刚刀硬度高, 耐磨性好, 摩擦系数小的性能。对碳钢、合金钢进行高速精加工时, 可以采用涂层硬质合金、或者立方氮化硼刀具材料, 利用的是硬度高, 耐磨性好, 特别是其化学稳定性好的性能。
4.2 合理选择切削液
为了减少切屑、刀具与工件间的摩擦, 可通过选择合理的切削液来实现。切削液的科学应用, 可避免粘结现象, 改善已加工表面质量。但是其使用效果, 还需综合考虑与刀具材料、工件材料、加工方法等因素。
5 结论
综合上述分析, 在进行金属切削加工过程中, 我们要顺利完成工作, 必须做到刀具的受力分析, 切削液的合理选择, 以及刀具材料的科学应用。只有认真负责的完成这些, 我们才能有效的控制工件的表面质量, 在此要求下, 高效率地得到优质的产品, 而且得到更好的效益。
参考文献
[1]高国红, 孙玉刚.提高数控加工中心切削效率的途径[J.才智, 2011 (21) .
[2]刘秋月, 王太勇, 李清.数控加工仿真中铣刀数据库的建立[J].机械设计, 2005 (12) .