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畢業(yè)論文題目
學校代碼：
序 號：
本 科 畢 業(yè) 設 計
題目： 竹木旋切機刀架設計
學 院：
姓 名：
學 號：
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
年 級： 2005級
指導教師：
二OO九年 五 月
17
竹木旋切機刀架設計
摘 要
中國是森林資源極度匱乏的國家之一，同時面臨著全球環(huán)保熱情高漲的形勢。這種環(huán)境造成了我國林木加工資源與市場需求之間的尖銳矛盾。為解決這樣的困境，竹林木的深加工是一條必經(jīng)之路。雖然木頭旋切機已經(jīng)面市而且已經(jīng)發(fā)展完善，但是針對于竹木開發(fā)的旋切機卻依然遲遲未見其面市，這嚴重阻礙了竹木深度開發(fā)的腳步。在本文中重點探討了竹木旋切機的設計。本著經(jīng)濟，可行，可靠的原則，仿照木頭旋切機，從三個方面著手，縱觀國內竹木旋切機的發(fā)展形勢，充分說明竹木旋切機具有非常廣闊的市場前景。其次對竹木旋切機的功能與作用原理進行定性分析，竹木旋切機對竹木旋切產生薄皮多用貼面，其跟卷筆刀類似的工作原理都做了一一介紹。本文中最重要的部分是：對竹木旋切機整體以及刀架的設計。在整體部分中對夾緊方式和推動方式進行了探討和選擇。在刀架部分著重于各類外購件的選擇，如減速機的選擇。和各類標準件的選擇和校核，在最后對刀架的微調機構進行了設計。
關鍵詞：竹木加工，無卡旋切機，機電液一體化
The design of Wood peeling machine tool
Abstract: China is the extreme scarcity of forest resources, one of the countries at the same time facing a global environmental situation enthusiasm. This environment of our forest resources and market demand, the processing of the sharp contradictions between. To address this predicament, the deep processing of bamboo trees is a way that we must follow. Although the wood peeling machines are available now and has been well developed, but for the development of the wood peeling machine is still dragging its feet in keeping its market, which seriously hindered the pace of development of bamboo depth. In this article focuses on the design of wood peeling machine. Based on economic, practical and reliable principles, modeled on wood peeling machine, start from the three areas, when we look at the domestic wood peeling machine of the development of the situation, fully wood peeling machine has a very broad market prospects. Second, wood peeling machine of the function and role of the principle of qualitative analysis, bamboo wood veneer peeling machines have a thin skin on the use of veneer, the pencil sharpener with a similar working principle are introduced one by one done. In this paper, the most important part is: the whole of the wood peeling machine, as well as the design tool. Integral part in the way of clamping and discussed ways to promote and options. Part of the tool focuses on a wide range of options purchased items, such as the choice of reducer. And a variety of standard options and check the final fine-tuning of the tool design agencies.
Key words: Wood processing, non-card peeling machine, hydraulic integration
目錄
1 緒 論 1
1.1 引言 1
1.2 竹木旋切機的功能 2
1.3 竹木旋切機基本參數(shù) 2
2 旋切機整體設計 3
2.1 旋切機的種類和各自的特點 3
2.2 旋切機刀架推動方式 4
2.4 竹木旋切機的工作原理 5
3旋切機刀架設計 6
3.1刀架功用 6
3.2減速機的選擇 6
3.3焊接鋼板的材料選擇 6
3.4鍵的選擇 7
3.4.1鍵的類型選擇： 7
3.4.2 鍵的尺寸選擇: 7
3.4.3鍵的強度校核 7
3.5 關于鏈條與鏈輪的計算與選擇（選用三圓弧一直線齒形鏈輪） 8
3.5.1 選擇鏈輪齒數(shù)與傳動比 8
3.5.2 確定計算功率 8
3.5.3鏈的節(jié)距 8
3.5.4鏈傳動的中心距和鏈節(jié)數(shù) 8
3.5.5小鏈輪轂孔最大直徑 9
3.5.6鏈與鏈輪的選擇 9
3.5.7鏈傳動作用在軸上的力 10
3.5.8 確定鏈條的傳遞速率 10
3.5.9 低速鏈傳動的靜力強度計算 10
3.6軸承與軸承座的選擇和校核 11
3.6.1軸承類型選擇 11
3.6.2預期計算壽命 11
3.6.3 軸承的選擇 11
3.6.4 軸承校核 11
3.6.5軸承座的選擇 12
3.7 摩擦導輥軸的設計 13
3.8微調結構的設計 14
4總結 15
5參 考 文 獻 16
6 致 謝 17
1 緒 論
1.1 引言
中國是森林資源貧乏的國家，但是木材需求量卻非常大，據(jù)有關資料統(tǒng)計，全國森林資源年耗量高達4億m~3，資源赤字約1億m~3。近十年來，蓄積量減少了2800萬m~3，成熟、過成熟林面積減少了近5000萬m~3。本世紀初，木材短缺量已經(jīng)達到近5000萬m~3。與此同時，中國又擁有豐富的人工林、速生林資源，天然林資源的嚴重萎縮和供需矛盾的加劇，為開發(fā)利用竹木造成了客觀上的前提，相對而言，竹木在直徑，厚度，材料韌性等方面與普通樹木有很大的差異，而目前在木材加工的旋切機市場上多是以樹木為加工對象的旋切機，針對于竹木深度加工的旋切機卻較少，特別是在南方竹木林區(qū)。因此竹木旋切機的設計和開發(fā)是具有廣泛的市場前景的。目前全世界都在大力提倡綠色環(huán)保，保護生態(tài)。綠色樹木不僅是綠色環(huán)保的對象，同時也是人們日常生活中不可或缺的材料。在我國森林木材資源極度匱乏，但是目前處于發(fā)展中國家的我國急需綠色環(huán)保，又能重復利用的木材。在南方木材相對稀缺，但是盛產竹木，因此竹木在一定程度上可以用來作為木制品加工材料。在竹木的深度加工中仿照林木旋切機，同喬木相比,竹木在材質上更韌性,在直徑上較小,在致密度更小.因此在仿照過程之中采用了一系列的措施使得我們的設計可以很好的完成切削加工任務.本文中我們設計的竹木旋切機多用于對竹木的深度加工利用。在設計過程中我們仿照喬木旋切機的結構,同時又具有竹木加工的特點使得本文設計的竹木旋切機具有體積適中，質量輕，加工效率高，加工質量高的優(yōu)點,非常適合南方地區(qū)竹木的深度加工
1.2 竹木旋切機的功能
竹木旋切機主要是利用摩擦導輥對竹木予以夾緊，在摩擦導輥的摩擦力的作用下，一起旋轉。在刀具的作用下，竹木被切成薄皮（其厚度大約為（0.4 -4），產品見圖1。本機床適用于旋切毛竹薄皮的專用設備，毛竹經(jīng)軟化后在本機床上用旋切的方法能從外到內的將竹片薄皮旋切下來，所旋切的竹薄皮可廣泛用于家具、建材等的裝飾貼面。做為樹木的旋切機的產品是單板主要用于生產膠合板
圖1
1.3 竹木旋切機基本參數(shù)
綜合目前國內生產的一系列竹木旋切機其參考基本參數(shù)如下
旋切單板厚度（無級
摩擦導輥功率
機床重量
旋切速度
最大旋切長度
最大旋切直徑
外型尺寸
0.4～4mm
10.5kw
4500kg
15～30m/min
1400mm
￠150mm
2900×1600×1050mm
2 旋切機整體設計
2.1 旋切機的種類和各自的特點
木工旋切機大體分為無卡木工旋切機和有卡木工旋切機
無卡木工旋切機（見圖2 ）就是把一定長度的木材平放入機臺內，前后兩側有滾軸轉動，用擠壓轉動木材的方法從而達到旋切目的。無卡木工旋切機的優(yōu)點在于產品厚度比較均勻，容易裝夾。缺點在于由于裝夾力不夠大而造成跑刀，另外最大的缺點是剩木直徑較大
有卡木工旋切機： 就是把一定長度的木材平放入機臺上，左右兩側分別都有卡頭，都可旋轉，兩側卡頭把木材擠住，開始旋轉旋切，達到旋切目的。其優(yōu)點在于可以獲得較大的裝夾力，剩木直徑也較小。但其缺點在于產品的厚薄容易受到裝夾的影響，不太均勻。
由于竹木旋切機的產品是薄皮要求厚薄較為均勻，因此在此設計中選擇了無卡的方式。
圖2
2.2 旋切機刀架推動方式
旋切機刀架放置于機身上，由于無卡方式需要利用摩擦導輥在徑向施加夾緊力，同時竹木在刀具切割的作用下直徑在不斷的減小。因此刀架需要在一定得推力作用下移動，同時也要求刀架是在以恒定的速度移動。旋切機推動方式主要有以下兩種
第一種是在電動機和減速器的作用下利用渦輪和絲桿，對刀架進行恒定推動。
第二種是利用液壓泵和液壓缸對刀架進行恒定推動
在本設計中考慮到經(jīng)濟和結構簡單的因素，選擇了利用液壓泵和液壓缸對刀架進行恒定推動。
2.3 竹木旋切機的結構示意圖
竹木旋切機的結構示意圖（見圖3）
圖3
2.4 竹木旋切機的工作原理
竹木旋切機的工作原理（見圖4）：其工作原理與卷筆刀的工作原理有點相似，在摩擦導輥的摩擦力的作用下，竹木的主運動——旋轉運動產生，與刀具鋒刃的作用下產生切削。
圖4
3旋切機刀架設計
3.1刀架功用
在竹木旋切機的設計過程中，我們是團體合作來完成的，整個設計被分成了三個部分，機身的設計，刀架的設計，液壓系統(tǒng)的設計。我選擇了刀架的設計。刀架在整個竹木旋切機的設計過程中式最重要的一個部分。刀架的作用是將刀具固定，同時要攜帶一個摩擦導輥和減速機，另外還需要在滑軌上移動，因此整個刀架的作用主要是支撐和移動。所以在刀架的設計過程中結構的設計是最重要的。
3.2減速機的選擇
查看國內的現(xiàn)有產品，大多數(shù)生產廠家在設計竹木旋切時要求所加工的竹木的旋轉速度大約為15到20。在本設計中我們設計的磨擦輥的直徑為105（見零件圖）。因此我們需要的轉速大約為86到115。查看減速機的產品樣本標準，我們選擇擺線針輪減速機。這類減速機具有傳動比大，傳動效率高，結構緊湊等優(yōu)點，在絕大多數(shù)情況下已替代兩級，三級普通圓柱齒輪減速機。在本設計中我們根據(jù)其設計轉速要求86到115。我們選擇了XWD4-11-3-6P。
其基本參數(shù)如下表：
型號
輸出軸許用徑向力
輸出軸許用轉矩
輸出轉速
XWD4-11-3-6P
3460N
490
91
3.3焊接鋼板的材料選擇
在本設計中，設計任務要求我設計的是竹木旋切機機架部分。由于加工材料的特殊性，要求在加工過程中竹木具有一定的長度，以提高加工效率。因此整個機架部分具有一定的長度，厚度，所以我們在設計機架部分的過程之中不能對機架采用鑄造的方法來生產，而是采用焊接的方式來加工機架?？紤]到作為承受中等載荷的結構件，我們選擇了Q235作為我們主要的材料。Q235屬于碳素結構鋼，含碳量低。這類鋼通常在熱軋空冷狀態(tài)下使用，其塑性高，可焊性高等特點。
3.4鍵的選擇
3.4.1鍵的類型選擇：
木工機械傳遞的力矩較小，振動沖擊也較小，因此選用較為實用的普通平鍵，具有對中良好，裝拆方便的優(yōu)點應用廣泛，能夠承受高精度，高速的特點，因此適合次場合。我們選擇的時普通平鍵-B型
3.4.2 鍵的尺寸選擇:
由于我們選擇的減速機類型為XWD4-11-3-6P，其輸出軸的直徑為45.輸出軸的長為74.根據(jù)機械零件設計手冊。其尺寸如下
鍵寬b
鍵高h
鍵長l
14
9
60
3.4.3鍵的強度校核
其中依據(jù)減速機產品樣品手冊，可知輸出軸的許用轉矩為
依據(jù)下列表知
許用擠壓應力許用壓力
聯(lián)接工作方式
鍵或轂軸的材料
載荷性質
靜載荷
輕微沖擊
沖擊
靜聯(lián)接
鋼
120-150
100-120
60-90
鑄鐵
70-80
50-60
30-45
動聯(lián)接
鋼
50
40
30
由表查得許用擠壓應力，取平均值
由于，所以選擇這個鍵是合適的
3.5 關于鏈條與鏈輪的計算與選擇（選用三圓弧一直線齒形鏈輪）
3.5.1 選擇鏈輪齒數(shù)與傳動比
由于摩擦導輥低速轉動，因此我們采用的動力源來自于擺線針輪減速機。根據(jù)設計要求摩擦導輥的轉速為30到50 。而根據(jù)減速機產品樣品說明書減速機的轉速為91 。因此我們預選擇傳動比為2。
另外根據(jù)機械設計手冊同時摩擦導輥的要求轉速大約為0.25-0.33 ，優(yōu)先選用以下系列17，19，21等系列。因此選擇小鏈輪的齒數(shù)
3.5.2 確定計算功率
減速機的型號為：XWD4-11-3-6P
從產品樣品手冊易知其許用輸入功率為，許用輸出轉矩為：
3.5.3鏈的節(jié)距
允許采用的鏈條節(jié)距要根據(jù)功率和小鏈輪的轉速來選擇
由機械設計手冊，預選擇節(jié)距
3.5.4鏈傳動的中心距和鏈節(jié)數(shù)
對中心距不能調整的傳動
根據(jù)設計技術要求，通過幾何計算初步估計 。
鏈節(jié)數(shù)與中心距之間的關系為：
最終圓整為：
理論中心距即：
中心距圓整為：
3.5.5小鏈輪轂孔最大直徑
鏈與鏈輪的節(jié)距：，
小鏈輪的齒數(shù)為
則鏈輪的結構和各部分基本尺寸
分度圓直徑：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
3.5.6鏈與鏈輪的選擇
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，查找鏈與鏈輪產品樣品說明書選擇以下型號：
鏈輪
型號：12B
齒部基本尺寸（）：
節(jié)距 19.05 滾子外徑 12.07
齒側半徑 19 倒角寬度 2
齒寬 11.1 齒寬 10.08
齒全寬 30.3 齒全寬 49.8
大小鏈輪的基本參數(shù)如下表：
齒數(shù)
齒頂圓直徑
分度圓直徑
齒側凸緣直徑
19
124.2
115.75
80
38
239
230.69
100
鏈條
型號：
鏈條的基本參數(shù)如下表：
節(jié)距
滾子直徑
內節(jié)內寬
銷軸直徑
內鏈板高度
19.05
12.07
11.68
5.72
16.13
3.5.7鏈傳動作用在軸上的力
鏈傳動作用在軸上的壓軸力可近似取為：
已知減速機輸出轉矩為：
在理論設計上，忽略了軸與孔間的轉矩損失，則可近似認為鏈輪傳遞的轉矩等于
所以徑向圓周力
3.5.8 確定鏈條的傳遞速率
已知減速機的許用輸出轉速為
則
由于竹木的干徑較小，因此在旋切的過程之中不宜采用較高的轉速。另一方面較高的轉速也還會帶來刀具的磨損加快。綜合國內的各類型竹木旋切機的轉速約為0.25——0.33又因為鏈條的傳遞速度為0.55。所以我們在運動傳遞的過程之中，我們選擇了傳動比為2。則摩擦導輥的速度為0.28，而我們的大鏈輪的齒數(shù)選擇為
3.5.9 低速鏈傳動的靜力強度計算
對于鏈速小于0.6的低速鏈傳動，因其抗拉靜力強度不夠而破壞的幾率比較大故需進行抗拉靜力強度計算
即強度符合條件
3.6軸承與軸承座的選擇和校核
3.6.1軸承類型選擇
鑒于摩擦導輥的轉速為低速轉動，同時兼顧使用壽命的考慮。此刀架上的軸承的類型為圓柱滾子軸承
3.6.2預期計算壽命
每日工作8小時并且利用率較高的機械如金屬切削機床，木材加工機械，預期計算壽命為20000——30000小時
3.6.3 軸承的選擇
根據(jù)簡明機械設計手冊初步選擇
選擇理由如下：軸承所受的載荷的大小，方向，和性質是選擇軸承類型的主要依據(jù)
在竹木旋切機中，其工作原理為利用三個摩擦導輥對竹木予以加緊，利用導輥的摩擦力帶動竹木旋轉，使竹木在刀具上切割。因此從上述情況來考慮，軸承受到的徑向力遠比軸向力要大的多，其次導輥的轉速較低。利用導輥的直徑為40，查看手冊選擇： 其基本參數(shù)如下：
軸承代號
外形尺寸
安裝尺寸
額定動載荷
額定靜載荷
d
D
B
D1
D2
N208E
40
80
18
1.1
0.6
48
73
51.5
33.2
3.6.4 軸承校核
由上述給定條件，易知
根據(jù)機械設計：當量動載荷，當量靜載荷
刀架在液壓缸的作用下順著滑軌往復運動，而摩擦導輥對木頭實施夾緊。在竹木旋切機的整體設計中要求液壓缸所能提供的壓強為，另外活塞直徑。
軸承受到的徑向力為
當量動載荷
當量靜載荷
又知預期計算壽命
根據(jù),則所需的軸承應具有的基本額定動載荷。
計算得出
因此選擇的軸承符合條件
3.6.5軸承座的選擇
根據(jù)各廠家的軸承座產品樣品手冊，由于圓柱滾子軸承的外徑80mm。因此查得軸承座型號和基本參數(shù)為（如下表）（見圖5）
型號
圖5
3.7 摩擦導輥軸的設計
進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力。軸1主要承受扭矩，應按扭轉強度條件來計算。
軸的扭轉強度條件為：，由上式可得軸的直徑為：；
式中：τT—扭轉切應力，單位為MPa；
T—軸所受的扭矩，單位為N?mm；
WT—軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm；
n—軸的轉速，單位為r/min；
P—軸傳遞的功率，單位為kW；
d—計算截面處軸的直徑，單位為mm；
[τT]—許用扭轉切應力，單位為MPa。
其中 T1=3.941×10 N?mm, T2=u?T1=13/9×3.941×10 N?mm, p1=7.5kW,n1=164r/min。代人各值得 =110×=39.4mm，
對于直徑100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%—7%，然后將軸徑圓整為標準直徑，則d1min=40mm，，軸1形狀和其他尺寸見零件圖。
軸常用幾種材料的[τT]及A0值
軸的材料
Q235-A、20
Q275、35
（1Cr18Ni9Ti)
45
40Cr、35SiMn
38SiMnMo
[τT]/MPa
15-25
20-35
25-45
35-55
A0
149-126
135-112
126-103
112-97
3.8微調結構的設計
從工作原理易知，在竹木旋切機中產品的厚度是由刀架上部的摩擦導輥和刀具的刀尖間距離決定的，因此厚度的調整需要一個微調機構。綜合多方面因素的考慮，特別是精度和力學方面，由于精度要求較低，同時在受力較小。在本設計中采用了較為普通的微調設計——微調螺栓。
另外在刀具裝夾裝置中，由于刀具的磨損，導致刀具的長度減小，容易造成產品的厚度增大，因此采用上述同樣的微調設計
4總結
本設計雖然經(jīng)過多次校核，但是在很多細節(jié)方面都存在不足，仍然需要在實踐的過程中不斷改進，不過這種設計方案加工精度不高，取材價格比較低廉，從而大大降低了成本。另一方面，木工鋸割對精度要求不是很高，所以本設計生產出的產品會有可觀的市場需求量，可用于批量生產。
本設計從開始設計到結束任務的這一段時期，我學到了很多知識，對我的專業(yè)有了更深入的了解，頭腦中開始有了真正的機械意識。在沒有接觸實際的設計時，我還只是停留在理論的層面，并且沒有接觸實際的理論也是比較容易被遺忘的，在剛剛開始設計任務的那段時間里，我是非常著急的，因為很多理論上的東西不知道怎么與設計結合，并且因為沒有實踐的經(jīng)驗，很多機構都想象不出來，不知道設計怎樣的機構才能達到目的要求。所以我就多次到金工實習工廠去接觸我們曾經(jīng)見過但是都沒有留心的各種機器，深刻了解各種機構的運動原理，并且我的指導老師有著淵博的理論知識和長期的實際工作經(jīng)驗，從他那里我學到了很多知識，老師嚴謹?shù)淖黠L和認真的工作態(tài)度都深刻地影響到了我，我想，這段時期從老師那里學到的東西無論是在今后的工作上還是在生活上對我都將具有非常重要的意義，我會銘記在心，時刻不忘老師對我的教導。在這段時間當中，我不僅對實踐方面的知識有了更深入的體會，在理論上也有了較大的提高，以前的理論可以說是空的理論，只有與實踐相結合的理論才能有說服力，才能讓人銘記于心。同時，在繪圖方面也有了較大的提高，不善電腦繪圖的我在這段時間當中對電腦輔助繪圖了解的更加透徹了，開始的時候對這方面的知識還比較生疏，遇到問題我就及時去請教老師和同學，盡量在我的能力范圍之內將我的圖紙完成到最好，將設計完善到更好的標準。
總的來說這次畢業(yè)設計是比較成功的設計，它使我學到了很多有用的東西，拓寬了知識面。這四年所學的知識運用到畢業(yè)設計當中，為我的大學生活畫上了一個圓滿的句號。
5參 考 文 獻
[1]
于就泗，齊發(fā)主編.機械工程材料.大連:大連理工大學,2003
[2]
吳宗澤主編.機械零件設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2003.11
[3]
吉林大學傳動鏈傳動研究所等編.中國鏈條，鏈輪產品樣本.北京：機械工業(yè)出版社，2000.6
[4]
濮良貴，紀名剛主編。機械設計。北京：高等教育出版社，2001
[5]
曾志新主編。機械制造技術基礎。武漢：武漢理工大學出版社，2004
[6]
譚建榮等編。圖學基礎教程。北京：高等教育出版社，1999.10
[7]
唐金松編。簡明機械設計手冊。上海：上?？茖W技術出版社，2000.10
[8]
汝元功，唐照民主編。機械設計手冊。北京：高等教育出版社，1995
[9]
劉景泉主編。機械實用手冊。北京：人民交通出版社，1998.8
[10]
烏爾曼著;黃靖遠等譯。機械設計過程。北京：機械工業(yè)出版社，2006.6
[11]
孫巖，陳曉羅，熊涌主編。機械設計課程設計。北京：北京理工大學出版社，2007.3
6 致 謝
在這次畢業(yè)設計中我的指導老師龔水泉老師給了我很大的幫助，在我遇到不明白或者不會的知識的時候及時的幫我講解，雖然我問的問題都很簡單，但龔老師還是耐心的一點一點給我講解，讓我以便于及時的進行我的設計。還有教過我的各位老師像吳彥紅，曾一凡，張廬陵、郭一彪、吳瑞梅、雷軍波等老師，雖然這些老師不是我的指導老師，但是他們教了我很多專業(yè)知識，謝謝這些老師多年的培養(yǎng)。還有還有我的同學韋斯，馮彬，陳張，當我向他們請教問題的時候也是及其耐心的給我講解，幫助我解決了許多疑難問題。如果不是老師及同學的幫助，我可能現(xiàn)在還沒做好設計，真的謝謝大家，都不厭其煩地幫助我。在這里還要感謝一位無言的老師：圖書館。我在那里查閱了許多的專業(yè)書籍，并且在電子閱覽室：中國知網(wǎng)里面看了很多專業(yè)期刊雜志，掌握了大量的關于液壓及升降臺方面的知識，沒有它的幫助我也不會這么順利的完成我的畢業(yè)設計。對于上述的各位教授講師同學，我在這里再一次向你們表示最為真誠的感謝，我想老師需要的不是學生們給你們說了多好聽的話，你們最希望看到的是你們的學生會在今后的道路上更加的努力，有一個美好的明天。我想對你們說：敬愛的老師，你們放心，我會努力做好的，在未來的學習中我會嚴格要求自己。把最衷心的感謝再一次獻給你們。
附錄-中英文翻譯
外文翻譯
英文原文
MACHINABILITY
The machinability of a material usually defined in terms of four factors:
1、 Surface finish and integrity of the machined part;
2、 Tool life obtained;
3、 Force and power requirements;
4、 Chip control.
Thus, good machinability good surface finish and integrity, long tool life, and low force And power requirements. As for chip control, long and thin (stringy) cured chips, if not broken up, can severely interfere with the cutting operation by becoming entangled in the cutting zone.
Because of the complex nature of cutting operations, it is difficult to establish relationships that quantitatively define the machinability of a material. In manufacturing plants, tool life and surface roughness are generally considered to be the most important factors in machinability. Although not used much any more, approximate machinability ratings are available in the example below.
1 Machinability Of Steels
Because steels are among the most important engineering materials (as noted in Chapter 5), their machinability has been studied extensively. The machinability of steels has been mainly improved by adding lead and sulfur to obtain so-called free-machining steels.
Resulfurized and Rephosphorized steels. Sulfur in steels forms manganese sulfide inclusions (second-phase particles), which act as stress raisers in the primary shear zone. As a result, the chips produced break up easily and are small; this improves machinability. The size, shape, distribution, and concentration of these inclusions significantly influence machinability. Elements such as tellurium and selenium, which are both chemically similar to sulfur, act as inclusion modifiers in resulfurized steels.
Phosphorus in steels has two major effects. It strengthens the ferrite, causing increased hardness. Harder steels result in better chip formation and surface finish. Note that soft steels can be difficult to machine, with built-up edge formation and poor surface finish. The second effect is that increased hardness causes the formation of short chips instead of continuous stringy ones, thereby improving machinability.
Leaded Steels. A high percentage of lead in steels solidifies at the tip of manganese sulfide inclusions. In non-resulfurized grades of steel, lead takes the form of dispersed fine particles. Lead is insoluble in iron, copper, and aluminum and their alloys. Because of its low shear strength, therefore, lead acts as a solid lubricant (Section 32.11) and is smeared over the tool-chip interface during cutting. This behavior has been verified by the presence of high concentrations of lead on the tool-side face of chips when machining leaded steels.
When the temperature is sufficiently high-for instance, at high cutting speeds and feeds (Section 20.6)—the lead melts directly in front of the tool, acting as a liquid lubricant. In addition to this effect, lead lowers the shear stress in the primary shear zone, reducing cutting forces and power consumption. Lead can be used in every grade of steel, such as 10xx, 11xx, 12xx, 41xx, etc. Leaded steels are identified by the letter L between the second and third numerals (for example, 10L45). (Note that in stainless steels, similar use of the letter L means “l(fā)ow carbon,” a condition that improves their corrosion resistance.)
However, because lead is a well-known toxin and a pollutant, there are serious environmental concerns about its use in steels (estimated at 4500 tons of lead consumption every year in the production of steels). Consequently, there is a continuing trend toward eliminating the use of lead in steels (lead-free steels). Bismuth and tin are now being investigated as possible substitutes for lead in steels.
Calcium-Deoxidized Steels. An important development is calcium-deoxidized steels, in which oxide flakes of calcium silicates (CaSo) are formed. These flakes, in turn, reduce the strength of the secondary shear zone, decreasing tool-chip interface and wear. Temperature is correspondingly reduced. Consequently, these steels produce less crater wear, especially at high cutting speeds.
Stainless Steels. Austenitic (300 series) steels are generally difficult to machine. Chatter can be s problem, necessitating machine tools with high stiffness. However, ferritic stainless steels (also 300 series) have good machinability. Martensitic (400 series) steels are abrasive, tend to form a built-up edge, and require tool materials with high hot hardness and crater-wear resistance. Precipitation-hardening stainless steels are strong and abrasive, requiring hard and abrasion-resistant tool materials.
The Effects of Other Elements in Steels on Machinability. The presence of aluminum and silicon in steels is always harmful because these elements combine with oxygen to form aluminum oxide and silicates, which are hard and abrasive. These compounds increase tool wear and reduce machinability. It is essential to produce and use clean steels.
Carbon and manganese have various effects on the machinability of steels, depending on their composition. Plain low-carbon steels (less than 0.15% C) can produce poor surface finish by forming a built-up edge. Cast steels are more abrasive, although their machinability is similar to that of wrought steels. Tool and die steels are very difficult to machine and usually require annealing prior to machining. Machinability of most steels is improved by cold working, which hardens the material and reduces the tendency for built-up edge formation.
Other alloying elements, such as nickel, chromium, molybdenum, and vanadium, which improve the properties of steels, generally reduce machinability. The effect of boron is negligible. Gaseous elements such as hydrogen and nitrogen can have particularly detrimental effects on the properties of steel. Oxygen has been shown to have a strong effect on the aspect ratio of the manganese sulfide inclusions; the higher the oxygen content, the lower the aspect ratio and the higher the machinability.
In selecting various elements to improve machinability, we should consider the possible detrimental effects of these elements on the properties and strength of the machined part in service. At elevated temperatures, for example, lead causes embrittlement of steels (liquid-metal embrittlement, hot shortness; see Section 1.4.3), although at room temperature it has no effect on mechanical properties.
Sulfur can severely reduce the hot workability of steels, because of the formation of iron sulfide, unless sufficient manganese is present to prevent such formation. At room temperature, the mechanical properties of resulfurized steels depend on the orientation of the deformed manganese sulfide inclusions (anisotropy). Rephosphorized steels are significantly less ductile, and are produced solely to improve machinability.
2 Machinability of Various Other Metals
Aluminum is generally very easy to machine, although the softer grades tend to form a built-up edge, resulting in poor surface finish. High cutting speeds, high rake angles, and high relief angles are recommended. Wrought aluminum alloys with high silicon content and cast aluminum alloys may be abrasive; they require harder tool materials. Dimensional tolerance control may be a problem in machining aluminum, since it has a high thermal coefficient of expansion and a relatively low elastic modulus.
Beryllium is similar to cast irons. Because it is more abrasive and toxic, though, it requires machining in a controlled environment.
Cast gray irons are generally machinable but are. Free carbides in castings reduce their machinability and cause tool chipping or fracture, necessitating tools with high toughness. Nodular and malleable irons are machinable with hard tool materials.
Cobalt-based alloys are abrasive and highly work-hardening. They require sharp, abrasion-resistant tool materials and low feeds and speeds.
Wrought copper can be difficult to machine because of built-up edge formation, although cast copper alloys are easy to machine. Brasses are easy to machine, especially with the addition pf lead (leaded free-machining brass). Bronzes are more difficult to machine than brass.
Magnesium is very easy to machine, with good surface finish and prolonged tool life. However care should be exercised because of its high rate of oxidation and the danger of fire (the element is pyrophoric).
Molybdenum is ductile and work-hardening, so it can produce poor surface finish. Sharp tools are necessary.
Nickel-based alloys are work-hardening, abrasive, and strong at high temperatures. Their machinability is similar to that of stainless steels.
Tantalum is very work-hardening, ductile, and soft. It produces a poor surface finish; tool wear is high.
Titanium and its alloys have poor thermal conductivity (indeed, the lowest of all metals), causing significant temperature rise and built-up edge; they can be difficult to machine.
Tungsten is brittle, strong, and very abrasive, so its machinability is low, although it greatly improves at elevated temperatures.
Zirconium has good machinability. It requires a coolant-type cutting fluid, however, because of the explosion and fire.
3 Machinability of Various Materials
Graphite is abrasive; it requires hard, abrasion-resistant, sharp tools.
Thermoplastics generally have low thermal conductivity, low elastic modulus, and low softening temperature. Consequently, machining them requires tools with positive rake angles (to reduce cutting forces), large relief angles, small depths of cut and feed, relatively high speeds, and
proper support of the workpiece. Tools should be sharp.
External cooling of the cutting zone may be necessary to keep the chips from becoming “gummy” and sticking to the tools. Cooling can usually be achieved with a jet of air, vapor mist, or water-soluble oils. Residual stresses may develop during machining. To relieve these stresses, machined parts can be annealed for a period of time at temperatures ranging from to (to), and then cooled slowly and uniformly to room temperature.
Thermosetting plastics are brittle and sensitive to thermal gradients during cutting. Their machinability is generally similar to that of thermoplastics.
Because of the fibers present, reinforced plastics are very abrasive and are difficult to machine. Fiber tearing, pulling, and edge delamination are significant problems; they can lead to severe reduction in the load-carrying capacity of the component. Furthermore, machining of these materials requires careful removal of machining debris to avoid contact with and inhaling of the fibers.
The machinability of ceramics has improved steadily with the development of nanoceramics (Section 8.2.5) and with the selection of appropriate processing parameters, such as ductile-regime cutting (Section 22.4.2).
Metal-matrix and ceramic-matrix composites can be difficult to machine, depending on the properties of the individual components, i.e., reinforcing or whiskers, as well as the matrix material.
4 Thermally Assisted Machining
Metals and alloys that are difficult to machine at room temperature can be machined more easily at elevated temperatures. In thermally assisted machining (hot machining), the source of heat—a torch, induction coil, high-energy beam (such as laser or electron beam), or plasma arc—is forces, (b) increased tool life, (c) use of inexpensive cutting-tool materials, (d) higher material-removal rates, and (e) reduced tendency for vibration and chatter.
It may be difficult to heat and maintain a uniform temperature distribution within the workpiece. Also, the original microstructure of the workpiece may be adversely affected by elevated temperatures. Most applications of hot machining are in the turning of high-strength metals and alloys, although experiments are in progress to machine ceramics such as silicon nitride.
SUMMARY
Machinability is usually defined in terms of surface finish, tool life, force and power requirements, and chip control. Machinability of materials depends not only on their intrinsic properties and microstructure, but also on proper selection and control of process variables.
中文譯文
切削性能
材料的切削性能通常取決于四個因素：
1. 表面光潔度和被加工部分的完整性；
2. 刀具的壽命期限；
3. 切削力和切削功率的要求；
4. 切屑的控制。
因此,良好的切削加工性能和良好的表面光潔度、完整性、刀具壽命長、低切削力和切削功率要求。至于切削控制,長而薄(纖細)的切屑,如果不斷開,會使切削區(qū)變得錯綜復雜，嚴重干擾切削操作。
因為切削操作的復雜本質,很難建立關系去定量地確定一種材料的切削加工性能。在生產基地、刀具壽命和表面粗糙度通常被認為是影響切削性能的最重要的因素。雖然無法更進一步證明,但是下面的例子都能夠近似劃分切削性能等級。
1鋼的切削性能
因為鋼是最重要的工程材料之一(正如在第5章),他們的切削加工性能已經(jīng)研究得很透徹了。其主要是通過增加鉛、硫提高了鋼的切削加工性能，得到所謂的易切削鋼。
加硫鋼和回磷鋼。 硫化錳夾雜物在鋼中形成(二相粒子),在剪切帶中產生應力集中。結果,產生的切屑很容易斷裂而且都很小,這樣就可以改善切削性能。在大小、形狀、分布等方面,這些夾雜物的濃度顯著影響切削性能。碲和硒等元素,這都是類似硫磺化學物品,作為加硫鋼中的夾雜物
在鋼中磷有兩個非常重要的影響。加強鐵素體,導致硬度增加。更好的切屑形成和表面光潔度導致更硬的鋼。注意, 由于切邊碎粒和低表面光潔度的影響，低碳鋼很難加工,。第二個原因是增加硬度影響而形成、短而不是連續(xù)的切削,從而提高切削性能。
鉛鋼。相當高比例的錳硫化物雜質凝固在鉛鋼的頂端。在不經(jīng)過硫處理的鋼、鉛以分散的形式行程精細顆粒。鉛是不溶于鐵、銅、鋁及其合金的。因為其較低的剪切強度,因此,作為一個領先的固體潤滑劑(32.11節(jié)),涂在切割時切屑界面。這種行為被證實當加工鉛鋼時切屑上的表面存在高濃度的鉛。
當溫度足夠高時,比如說,在高切削速度和進給量(20.6節(jié))-正前方熔化的鉛,成為工具的液體潤滑劑。除了這一效果,還降低了鉛在主要剪切帶的剪切應力、降低切削力等和功耗。鉛可以使用于每一個等級的鋼,如10 xx,xx,xx,十二11 41 xx,等。鉛鋼確認是印刷在第二個和第三個數(shù)字之間(例如,10 L45)。(注意:不銹鋼、一樣用這封信的L的意思是“低碳,”一個條件,那就是提高他們的耐腐蝕性。)
當溫度足夠高時—例如，在高的切削速度和進刀速度下—鉛在刀具前直接熔化，并且充當液體潤滑劑。除了這個作用，鉛降低第一剪切區(qū)中的剪應力，減小切削力和功率消耗。鉛能用于各種鋼號，例如10XX，11XX，12XX，41XX等等。鉛鋼被第二和第三數(shù)碼中的字母L所識別（例如，10L45）。（需要注意的是在不銹鋼中，字母L的相同用法指的是低碳，提高它們的耐蝕性的條件）。
然而，因為鉛是有名的毒素和污染物，因此在鋼的使用中存在著嚴重的環(huán)境隱患（在鋼產品中每年大約有4500噸的鉛消耗）。結果，對于估算鋼中含鉛量的使用存在一個持續(xù)的趨勢。鉍和錫現(xiàn)正作為鋼中的鉛最可能的替代物而被人們所研究。
脫氧鈣鋼 一個重要的發(fā)展是脫氧鈣鋼，在脫氧鈣鋼中矽酸鈣鹽中的氧化物片的形成。這些片狀，依次減小第二剪切區(qū)中的力量，降低刀具和切屑接口處的摩擦和磨損。溫度也相應地降低。結果，這些鋼產生更小的月牙洼磨損，特別是在高切削速度時更是如此。
不銹鋼 奧氏體鋼通常很難機加工。振動能成為一個問題，需要有高硬度的機床。然而，鐵素體不銹鋼有很好的可機加工性。馬氏體鋼易磨蝕，易于形成積屑瘤，并且要求刀具材料有高的熱硬度和耐月牙洼磨損性。經(jīng)沉淀硬化的不銹鋼強度高、磨蝕性強，因此要求刀具材料硬而耐磨。
鋼中其它元素在可機加工性方面的影響 鋼中鋁和矽的存在總是有害的，因為這些元素結合氧會生成氧化鋁和矽酸鹽，而氧化鋁和矽酸鹽硬且具有磨蝕性。這些化合物增加刀具磨損，降低可機加工性。因此生產和使用凈化鋼非常必要。
根據(jù)它們的構成，碳和錳鋼在鋼的可機加工性方面有不同的影響。低碳素鋼（少于0.15%的碳）通過形成一個積屑瘤能生成很差的表面光潔性。盡管鑄鋼的可機加工性和鍛鋼的大致相同，但鑄鋼具有更大的磨蝕性。刀具和模具鋼很難用于機加工，他們通常再煅燒后再機加工。大多數(shù)鋼的可機加工性在冷加工后都有所提高，冷加工能使材料變硬并且減少積屑瘤的形成。
其它合金元素，例如鎳、鉻、鉗和釩，能提高鋼的特性，減小可機加工性。硼的影響可以忽視。氣態(tài)元素比如氫和氮在鋼的特性方面能有特別的有害影響。氧已經(jīng)被證明了在硫化錳夾雜物的縱橫比方面有很強的影響。越高的含氧量，就產生越低的縱橫比和越高的可機加工性。
選擇各種元素以改善可加工性，我們應該考慮到這些元素對已加工零件在使用中的性能和強度的不利影響。例如，當溫度升高時，鋁會使鋼變脆（液體—金屬脆化，熱脆化，見1.4.3節(jié)），盡管其在室溫下對力學性能沒有影響。
因為硫化鐵的構成，硫能嚴重的減少鋼的熱加工性，除非有足夠的錳來防止這種結構的形成。在室溫下，二次磷化鋼的機械性能依賴于變形的硫化錳夾雜物的定位（各向異性）。二次磷化鋼具有更小的延展性，被單獨生成來提高機加工性。
2 其它不同金屬的機加工性
盡管越軟的品種易于生成積屑瘤，但鋁通常很容易被機加工，導致了很差的表面光潔性。高的切削速度，高的前角和高的后角都被推薦了。有高含量的矽的鍛鋁合金鑄鋁合金也許具有磨蝕性，它們要求更硬的刀具材料。尺寸公差控制也許在機加工鋁時會成為一個問題，因為它有膨脹的高導熱系數(shù)和相對低的彈性模數(shù)。
鈹和鑄鐵相同。因為它更具磨蝕性和毒性，盡管它要求在可控人工環(huán)境下進行機加工。
灰鑄鐵普遍地可加工，但也有磨蝕性。鑄造無中的游離碳化物降低它們的可機加工性，引起刀具切屑或裂口。它需要具有強韌性的工具。具有堅硬的刀具材料的球墨鑄鐵和韌性鐵是可加工的。
鈷基合金有磨蝕性且高度加工硬化的。它們要求尖的且具有耐蝕性的刀具材料并且有低的走刀和速度。
盡管鑄銅合金很容易機加工，但因為鍛銅的積屑瘤形成因而鍛銅很難機加工。黃銅很容易機加工，特別是有添加的鉛更容易。青銅比黃銅更難機加工。
鎂很容易機加工，鎂既有很好的表面光潔性和長久的刀具壽命。然而，因為高的氧化速度和火種的危險（這種元素易燃），因此我們應該特別小心使用它。
鉗易拉長且加工硬化，因此它生成很差的表面光潔性。尖的刀具是很必要的。
鎳基合金加工硬化，具有磨蝕性，且在高溫下非常堅硬。它的可機加工性和不銹鋼相同。
鉭非常的加工硬化，具有可延性且柔軟。它生成很差的表面光潔性且刀具磨損非常大。
鈦和它的合金導熱性(的確，是所有金屬中最低的)，因此引起明顯的溫度升高和積屑瘤。它們是難機加工的。
鎢易脆，堅硬，且具有磨蝕性，因此盡管它的性能在高溫下能大大提高，但它的機加工性仍很低。
鋯有很好的機加工性。然而，因為有爆炸和火種的危險性，它要求有一個冷卻性質好的切削液。
3 各種材料的機加工性
石墨具有磨蝕性。它要求硬的、尖的，具有耐蝕性的刀具。
塑性塑料通常有低的導熱性，低的彈性模數(shù)和低的軟化溫度。因此，機加工熱塑性塑料要求有正前角的刀具（以此降低切削力），還要求有大的后角，小的切削和走刀深的，相對高的速度和工件的正確支承。刀具應該很尖。
切削區(qū)的外部冷卻也許很必要，以此來防止切屑變的有黏性且粘在刀具上。有了空氣流，汽霧或水溶性油，通常就能實現(xiàn)冷卻。在機加工時，殘余應力也許能生成并發(fā)展。為了解除這些力，已加工的部分要在（）的溫度范圍內冷卻一段時間，然而慢慢地無變化地冷卻到室溫。
熱固性塑料易脆，并且在切削時對熱梯度很敏感。它的機加工性和熱塑性塑料的相同。
因為纖維的存在，加強塑料具有磨蝕性，且很難機加工。纖維的撕裂、拉出和邊界分層是非常嚴重的問題。它們能導致構成要素的承載能力大大下降。而且，這些材料的機加工要求對加工殘片仔細切除，以此來避免接觸和吸進纖維。
隨著納米陶瓷（見8.2.5節(jié)）的發(fā)展和適當?shù)膮?shù)處理的選擇，例如塑性切削（見22.4.2節(jié)），陶瓷器的可機加工性已大大地提高了。
金屬基復合材料和陶瓷基復合材料很能機加工，它們依賴于單獨的成分的特性，比如說增強纖維或金屬須和基體材料。
4 熱輔助加工
在室溫下很難機加工的金屬和合金在高溫下能更容易地機加工。在熱輔助加工時（高溫切削），熱源—一個火把，感應線圈，高能束流（例如雷射或電子束），或等離子弧—被集中在切削刀具前的一塊區(qū)域內。好處是：（a）低的切削力。（b）增加的刀具壽命。（c）便宜的切削刀具材料的使用。（d）更高的材料切除率。（e）減少振動。
也許很難在工件內加熱和保持一個不變的溫度分布。而且，工件的最初微觀結構也許被高溫影響，且這種影響是相當有害的。盡管實驗在進行中，以此來機加工陶瓷器如氮化矽，但高溫切削仍大多數(shù)應用在高強度金屬和高溫度合金的車削中。
小結
通常，零件的可機加工性能是根據(jù)以下因素來定義的：表面粗糙度，刀具的壽命，切削力和功率的需求以及切屑的控制。材料的可機加工性能不僅取決于起內在特性和微觀結構，而且也依賴于工藝參數(shù)的適當選擇與控制。
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