机械制造技术基础

*,Fundamentals of Mechanical Manufacturing Technology,1,机械制造技术基础,Fundamentals of Mechanical,Manufacturing Technology,2,制造与制造系统,机械制造工业在国民经济中的地位与作用,机械制造（冷加工）学科的范畴、研究内容及特点,本课程的学习目的及要求,学习方法,本章要点,机械制造技术基础,3,1.1,制造与制造系统（,Manufacturing and Manufacturing System,）,生产定义,从系统的观点，生产可以定义为将生产要素转变成生产财富并创造效益的输入输出系统。,输入,输出,+,-,生产过程,效益,生产财富,有形,（产品）,无形,（服务）,图,1-1,生产的定义,转变效率：生产率,=,输出,/,输入,生产要素,生产对象,（原材料）,生产资料,（直接、间接）,能源,劳动力,信息,（知识、技能、情报,）,资金,4,1.1,制造与制造系统（,Manufacturing and Manufacturing System,）,狭义理解：生产过程从原材料成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）。,广义理解：,制造,=,生产,美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业列为制造业。,CIRP,定义,：制造包括制造企业的市场分析，产品设计、材料选择、零件加工、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的运作和活动。,制造,制造业,5,1.1,制造与制造系统（,Manufacturing and Manufacturing System,）,第一产业,农业,林业,渔业,畜牧业,矿业,采石业,石油业,第二产业,航天航空,纺织、服装,汽车、装备、重型机械,冶金、钢铁、金属制品,食品、饮料,化工、石油精炼,计算机、半导体、电器,建筑、建材,日用消费品,玻璃、陶瓷、造纸,制药,橡胶、塑料制品,能源、电力,出版,第三产业,银行、金融服务、保险,通讯、资讯,教育、医疗、保健,娱乐、旅馆、餐饮、旅游,政府,法律机构,房地产,修理与维护,商业（零售、批发）,交通、运输,表,1-1,第一、二、三产业的划分,6,1.1,制造与制造系统（,Manufacturing and Manufacturing System,）,在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术。,运用一定的知识、技能,操纵可以利用的物质、工具,采取有效的方法,手段包括,广义理解制造技术涉及生产活动的各个方面和生产的全过程，制造技术被认为是一个从产品概念到最终产品的集成活动，是一个,功能体系,和,信息处理系统,。,制造技术,7,1.1,制造与制造系统（,Manufacturing and Manufacturing System,）,制造系统结构,图,1-2,制造系统功能结构,经营管理信息流,生产管理信息流,技术信息流,物质流,用户、市 场 与 外 部 环 境,经营管理,市场与销售,研究与开发,资源管理,财务,生产管理,工程设计,采购,车间制造,（加工、装配、检验、输送、,存储,）,质量控制,8,获取阶段,转变阶段,分配阶段,图,1-3,制造系统的物质流,原材料供应者,原材料库存,零件加工,零件库存,装配,成品库存,最终用户,1.1,制造与制造系统（,Manufacturing and Manufacturing System,）,狭义理解制造技术：主要从技术角度出发，如何使转变过程更有效进行。,主要包括：,成形，改性，连接,9,1.1,制造与制造系统（,Manufacturing and Manufacturing System,）,图,1-4,汽车生产物流示意图,10,1.2,制造业的发展及其在国民经济中的地位,Development of Manufacturing Industry and its Position in National Economy,11,制造业的发展历史,作坊式的以手工劳动为主的生产方式。,12,瓦特（,James Watt,）,18,世纪,70,年代，瓦特改进蒸汽机，标志第一次工业革命兴起，工业化大生产从此开始,制造业的发展历史,13,英国工业革命后的棉纺厂,14,19,世纪中，麦克斯韦尔建立电磁场理论，电气化时代开始,赫兹1888年制作的简易电磁波发射和接收装置,制造业的发展历史,15,16,二十世纪初的制造车间,17,18,1.2,制造业的发展,19,1.2,制造业的发展,20,1.2,制造业的发展,21,1.2,制造业的发展历史,信息时代的到来,使世界正在,“,变小,”,。世界大市场的发展，使竞争更加激烈，这一方面极大地促进了社会的发展，另一方面也给企业造成了严酷的,“,生存环境,”,。企业为求得生存和发展，必须在,TQCS,E,五要素上下工夫。,T,（,Time,）,时间，加速新产品研制周期，缩短交货期,Q,（,Quality,）,质量,C,（,Cost,）,成本,S,（,Service,）,服务,E（Environment）,环保,20,世纪,80,年代中、后期，,CIM,逐渐开始实施，并显示出明显的效益,提高企业的生产率和市场竞争能力。以往竞争力主要取决于生产率，现今更重要的是对市场的响应能力。,22,1.2,制造业的发展,23,1.2,制造业的发展历史,24,1.2,制造业的发展历史,25,现代先进制造技术,26,现代制造业的案例,27,数字化,精密化,自动化,集成化,网络化,智能化,绿色制造,制造技术发展趋势,28,数字化及虚拟制造技术,快速原型制造,微纳机械及其制造,几种典型的现代先进制造技术,29,数字化及虚拟制造技术,虚拟制造（,VM,：,Virtual Manufacturing,）,:,在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟,在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以作出前瞻性的决策和优化实施方案。,虚拟制造技术涉及面很广，诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、,虚拟现实技术、建模与仿真技术,等,30,产品装配及运动仿真过程,31,虚拟制造技术,32,难点,基于集成的数字化产品模型技术尚处于概念阶段,产品创新支持工具尚不充分,产品数字化技术,制造过程仿真建模方法和技术,1) CAD,模型的产品信息含量太低,2,）不支持产品的概念设计,3,）缺乏良好的产品重用机制,1),缺少创新设计支持系统,2,）缺乏将知识与,VM,结合的工具,3,）缺少交互式外型设计与,VM,的集成工具,4,）缺少支持反求设计的工具,1),产品数据管理与其他软件的集成问题,2,）产品数据组织体系,3,）与数字化产品模型相关数据的组织和管理,1),虚拟加工过程,2,）虚拟装配过程,3,）虚拟测试过程,33,快速原型制造,快速原型制造,（,Rapid Photograph Manufacturing RPM,）,，又称“快速成形技术”,（,Rapid Photograph RP,）,或“分层制造”,（,Layer Manufacturing LM,）,，是,20世纪,80,年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。,它将计算机辅助设计,（,CAD,）,、计算机辅助制造,（,CAM,）,、计算机数控,（,CNC,）,、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。,按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体。,34,快速原型制造,35,快速原型制造,36,微纳机械及其制造,37,纺织机械,动力机械,家用电器,通讯设备,出版印刷,网络媒体,文化娱乐,冶金机械,建筑机械,交通工具,环保设备,军事装备,医疗设备,机器制造,农业机械,化工设备,制 造 业,图,1-5,当今制造业的社会功能,图示当今制造业的社会功能。,制造业在国民经济中的地位,38,国民经济的支柱产业，国民经济总收入的,60%,以上来自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。,美国：约,1/,4,人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关。,日本由于重视制造业，二次大战后,30,年时间，发展成为世界经济大国。,机械制造业是制造业的基础,是重中之重。,与此相反，美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不敌日本的局面。直至上世纪,80,年代初，美国才开始清醒，重新关注制造业的发展，至,1994,年,美国汽车产量重新超过日本。,制造业在国民经济中的地位,39,1.2.2,制造业在国民经济中的地位,1963,年,1983,年,美日两国汽车产量在世界市场所占份额,图,1-6,美日两国汽车产量变化,40,我国机械制造业与世界发达国家的差距,困难：技术上落后，资金不足，资源短缺，管理体制、周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机,）,机遇：中国已加入,WTO,；,制造业的世界格局已经和正在发生重大变化，欧、亚、美三分天下局面正在形成，世界经济重心开始向亚洲转移已出现征兆，制造业的产品结构、生产模式也在迅速变革之中。,机遇与挑战,发展迅速，成绩瞩目,存在阶段性的差距,:,产品质量和水平不高，技术开发能力不强，基础元器件和基础工艺不过关，生产率低下，科技投入严重不足。,机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一。,41,1.3.3,我国机械制造业面临的机遇和挑战,神州,6,号,图,1-7,神州,6,号宇宙飞船,42,机械制造中与产品生成直接有关的生产过程常被称为机械制造工艺过程,机械制造工艺过程,主要内容,毛坯和零件成形,铸造、锻压、冲压、焊接 、压制、烧结、注塑、压塑,机械加工,切削、磨削、特种加工,材料改性与处理,热处理、电镀、转化膜、涂装、热喷涂,机械装配,把零件按一定的关系和要求连接在一起，组合成部件和整台机械产品，包括零件的固定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作,1.3,机械制造（冷加工）学科的范畴、研究内容及特点,43,零件成形方法,材料成形法,进入工艺过程物料初始重量近似等于加工后最终重量。如铸造、压力加工、粉末冶金、注塑成形等，这些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。,材料累加法,传统的累加方法有焊接、粘接或铆接等，通过不可拆卸连接使物料结合成一个整体，形成零件。近几年才发展起来的快速原型制造技术,Rapid Photograph ManufacturingRPM,是材料累加法的新发展。,材料去除法,零件的最终几何形状局限在毛坯的初始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分材料，减少一部分重量来实现的。如切削与磨削，电火花加工、电解加工等特种加工等。,44,零件成形方法,研究机械加工与装配工艺过程及方法的科学。,机,床，工艺，刀具,45,1.4,本课程的主要内容,46,机械制造基础课程是一门紧密结合机械制造工艺技术实践的专业课程。其内容由以下,四方面,组成：,1,金属切削原理与刀具,主要揭示金属切削过程中的切削规律，如切削过程中刀具与工件之间的切削力、切削热、加工质量等因素之间的内部联系与规律。,2,金属切削机床,主要讲述有关机床的基本概念和常用机床的工作原理、组成、工艺范围、典型结构以及使用等方面的知识。,3,机械制造工艺,主要包括机械加工工艺规程的制定及工艺尺寸链计算、典型零件的加工工艺、机械加工精度与表面质量、装配尺寸链等基本内容。,4,机床夹具,讲述夹具的设计基础、典型机床夹具及设计方法等内容。,1.4,本课程的主要内容,47,课程宗旨,掌握机械制造技术的基础知识、基本理论和基本方法。,掌握切削加工的基本理论和工艺特点，具有选择毛坯和零件加工方法的基本知识和能力。,了解各种主要加工方法所用设备与工具的工作原理、结构与组成，具有选择工艺装备的能力。,学会工艺分析，具有编制中等复杂零件机械加工工艺规程的初步能力。,具有设计中等复杂程度机床夹具的初步能力。,48,课时安排,第一章 绪论,2,学时,第二章 制造工艺装备,20,学时,第三章 切削过程及控制,10,学时,第四章 机械加工质量分析及控制,10,学时,第五章 机械加工工艺规程设计,14,学时,49,教材,主要参考文献,1,天津大学先进制造技术实验室，机械制造技术基础实验指导书，,2004,2,张冠伟等，机械制造技术基础习题集，,200,4,3,张世昌主编，机械制造技术基础网络课程，高教音像出版社，,2003,4,张世昌等，机械制造技术基础电子教案，天津大学机械工程教学网站，,2005,5,Mikell P. Groover. Fundamentals of Modern Manufacturing. JOHN WILEY & SONS, INC. 2002,普通高等教育,“,十五,”,国家级规划教材：,机械制造技术基础,（第三版） 熊良山等主编 华中科技大学出版社,50,学习方式,课堂讲授,讲授重点、难点,自学,课程内容,20,自学，通过作业、答疑保证效果,实践环节,作业、练习、实验、生产实习、课程设计,考核方法,期末考试,70,平时,30,课程特点与学习方法,综合性,注意联系和综合应用以往所学知识,实践性,注意理论联系生产实际，重视实践性环节,灵活性,掌握基本原理，活学活用,51,第,2,章 机械制造工艺装备,Equipment of Mechanical Manufacturing Process,机械制造技术基础,52,第,2,章 机械制造工艺装备,2,1,金属切削刀具 （,Cutting Tool,）,2,2,金属切削机床 （,Machine Tool,）,2,3,机床夹具,（,Fixture,）,53,2,1,金属切削刀具,一、金属切削加工的基本概念,二、刀具角度的标注,三、刀具工作角度的计算,四、刀具材料,五、常用金属切削刀具种类及其用途简介,54,2,1,金属切削加工的基本概念,55,2,1,金属切削加工的基本概念,以车削为例：,车削运动,工件的转动 刀具的直线移动,56,主运动,指,直接切除工件上的切削层，以形成工件新表面的最基本最主要的运动,。,切削加工的成形运动,进给运动,指把金属层不断投入切削，从而加工出完整表面的所需要的运动。,合成切削运动,：,刀具切削刃上某选定点相对于工件的复合运动,。,刀具与工件之间主要的相对运动,使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料使被切削层转变为切屑，从而形成工件的新表面。,切削运动中，主运动速度最高，消耗功率最大,主运动方向,切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向,刀具与工件之间附加的相对运动,配合主运动依次地或连续不断地切除切屑,进给运动方向,切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。,合成速度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和：,合成切削运动速度的方向：车刀相对于工件作螺旋切削运动时螺旋线在刀尖这一点的切线方向。,合成切削速度角为主运动方向和合成速度方向的夹角,57,主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动也可以是回转运动。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。,切削加工的成形运动,58,各种切削运动,59,2,1,金属切削加工的基本概念,已加工表面,：新形成的工件表面。,待加工表面,：即将切除的工件表面。,过渡表面,：刀刃正在形成的工件表面,60,重要概念,:,主运动的速度称为,切削速度,车削时的,切削速度（主运动速度）方向,：刀具绕主轴轴线作反向回转运动时在刀尖这一点的圆周切线方向。,合成切削运动速度的方向：,车刀相对于工件作螺旋切削运动时螺旋线在刀尖这一点的切线方向。,61,切削用量,切削速度,(Cutting speed,),v,c,若主运动为往复运动时，其平均速度为：,式中,n,主运动转速（,r/s,）；,D,刀具或工件的最大直径（,mm,）。,式中,nr,主运动每秒钟往复次数（,str/s,）；,l,往复运动行程长度（,mm,）。,2,1,金属切削加工的基本概念,62,进给量,(Feed),：,工件或刀具每转一周时,(,或主运动一循环时,),，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为,mm/r,。,f,=,vf,/,n,2,1,金属切削加工的基本概念,63,背吃刀量,(Back engagement),：,主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。,2,1,金属切削加工的基本概念,64,金属切除率,：单位时间内切除单位体积的多少,式中单位：,mm/min,mm/r,mm,车外圆时：,切削用量三要素决定了金属切除率的高低,65,例题：,车外圆时工件加工前直径为,62mm,，加工后直径为,56,mm,，工件转速为,4r/s,，刀具每秒钟沿工件轴向移,2mm,，,工件加工长度为,110mm,，,切入长度为,2mm,，求,v,、,f,、,ap,和切削工时,t,。,解：,v =,d,n,/,1000 =,62,4/,1000,= 0.779 m/s,f,=,v,f,/,n,= 2/4 = 0.5 mm/r,t,=(,l,+,l,1,)/,v,f,=(110+,2,)/2=56 s,a,p,= (d,w,-d,m,)/2=(62-56)/2=3,mm,66,切削层截面参数,切削,厚度,切削,宽度,切削层截面面积,2,1,金属切削加工的基本概念,67,2,2,刀具角度的标注,外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。,车刀的切削部分由,3,个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），,2,个刀刃（主切削刃和副切削刃）和,1,个刀尖组成。,68,三面,:,前刀面,:,切屑流经的刀具表面,后刀面,:,切削时,与加工表面相对的刀具表面,副后刀面,:,与已加工表面相对的刀具表面,二刃,:,主切削刃,:,前刀面与主后刀面的交线,副切削刃,:,前刀面与副后刀面的交线,一尖,:,刀尖,:,主、副切削刃相交的一小段切削刃,2,2,刀具角度的标注,69,2,2,刀具角度的标注,70,2,2,刀具角度的标注,确定刀具标注角度参考系的方法：,假定运动条件,：首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运动方向；其次假定进给速度值很小，,可以用主运动向量近似代替合成速度向量,；然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。,假定安装条件,：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线,(,如车刀底面、车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等,),。也可以说，,假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。,71,刀具标注角度坐标系,（主剖面坐标系）,主切削刃,主后刀面,前刀面,副切削刃,主剖面,P,o,A,1,）基面,P,r,：,通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。,切削平面,P,s,基面,P,r,车刀主剖面坐标系,2,）切削平面,P,s,：,通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面,P,r,的平面。,3,）主剖面,P,o,：,通过切削刃选定点垂直于基面,P,r,和切削平面,P,s,的平面。,2,2,刀具角度的标注,72,法剖面参考系和进给、切深剖面参考系,73,主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有,45,、,60,、,75,、,90,几种。,1,）主偏角,r,在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。,r,的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。,r,的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。,A,r,A,向,f,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,r,2,2,刀具角度的标注,74,2,）刃倾角,s,切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。,A,r,A,向,f,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,2,2,刀具角度的标注,75,2,）刃倾角,s,切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s,定为正值；反之位负。,s,影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，,s,常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，,s,常取正值或零。,2,2,刀具角度的标注,76,3,）前角,o,在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时,o,定为正值；位于刀头实体之内时,o,定为负值。,o,影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。,A,r,A,向,f,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,0,用硬质合金车刀切削钢件，,o,取,10,20,；切削灰铸铁，,o,取,5,15,；切削铝及铝台金，,o,取,25,35,；切削高强度钢，,o,取,-5,-10,。,2,2,刀具角度的标注,77,A,r,A,向,f,图,2-50,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,4,）后角,o,后角,o,在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。,后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。,0,粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为,4,6,；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为,8,12,。,2,2,刀具角度的标注,78,r,A,A,向,f,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,5,）副偏角,r,r,在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。,副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。,r,在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。,2,2,刀具角度的标注,79,A,r,A,向,f,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,6,）副后角,o,副后角,o,在副主剖面内测量，是副后刀面与副切削平面的夹角,。,0,2,2,刀具角度的标注,80,小结：以上我们通过,2,个刀刃,和,3,个刀面,的定位，说明了,6,个独立工作角度,的作用和功能。因为所采用的参考系为主剖面参考系，所以此方法称为主剖面参考系标注法。,2,2,刀具角度的标注,81,2,2,刀具角度的标注,A,r,A,向,f,车刀的主要角度,0,0,0,0,r,r,s,派生角度,楔角,o,： 刀尖角,r,：,82,刀具角度标注举例,外圆车刀,角度的标注,例一：,已知某外圆车刀的标注角度参数为： ， ， ， ， ， 。试用主剖面参考系标注其各角度。外圆车刀角度的标注如下左图所示 。,例二 ：,某切断车刀的标注角度参数为： ， ， ， ， ， 。试用主剖面参考系标注切断刀各角度。切断车刀角度的标注如下右图所示。,83,2,2,刀具角度的标注,84,1,、基本概念,上述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑主运动，不考虑进给运动，即在,假定运动条件下,确定的参考系。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度，往往不能确切地反映切削加工的真实情形。,只有用实际切削运动方向或合成切削运动方向,v,e,来确定参考系，才符合切削加工的实际。,例如，如下图所示三把刀具的标注角度完全相同，但由于合成切削运动方向,v,e,不同，后刀面与加工表面之间的接触和摩擦的实际情形有很大的不同。,2,3,刀具工作角度的计算,85,当切削速度方向改变时，刀具的实际后角工作情况：,2,3,刀具工作角度的计算,86,2,3,刀具工作角度的计算,87,刀具安装位置、切削合成运动方向的变化，均会引起刀具工作角度相应变化。所以，必须以刀具与工件相对位置、相对运动为基础建立坐标系，这种坐标系称为,工作坐标参考系,。,用于定义刀具进行切削加工时几何参数的参考系。该参考系考虑了切削运动和实际安装情况对几何参数的影响,。在刀具的工作角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称,刀具工作角度,。,注：,刀具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是：用,v,e,取代,v,c,，即用实际运动方向取代假定运动方向。,2,3,刀具工作角度的计算,88,工作主剖面参考系,:,工作主剖面参考系由三个参考平面：工作基面 、工作,切削面 和工作主剖面 组成。,基本定义：,工作基面,：,它是与主切削刃上选定点的,实际切削速度方向,或,合成切削速度方向垂直,的参考平面；,工作切削平面,：与主切削刃相切且与工作基面垂直的参考平面；,工作主剖面,：过主切削刃上选定点，且与 和 同时垂直的参考平面。,2,3,刀具工作角度的计算,89,有两种情况需要计算刀具工作角度的计算：,第一种情况：,在切削过程中，当刀具的进给运动速度较大（如：切断刀切断工件、螺纹车刀车螺纹等，它们切削时的进给速度都较大）时，刀具的实际工作角度与刀具的标注角度存在较大的差别，有时造成刀具无法正常切削，此时,必须计算刀具的工作角度,。,2,3,刀具工作角度的计算,90,式中,角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。,横切,0e,=,0,-,0,e,=,0,+,0,P,s,P,se,切断刀的工作角度,f,x,0,Pr,Pre,91,纵切,在主剖面，有：,在主剖面内：,92,第二种情况,：当刀具安装位置不正确（如：刀具刀尖安装得高于或低于工件中心等高面）时，也有可能造成刀具无法正常切削。,刀具安装对工作角度的影响,车刀安装高度对工作角度的影响,re,=,r,0,e,=,0,a,）,0,e,0,b,）,0,e,0,c,）,re,r,re,r,2,3,刀具工作角度的计算,93,本课程仅要求计算：切断刀切断工件或内孔切刀切槽时，刀,尖安装高于或低于工件中心等高面时，刀具的工作前角,和工作后角 的计算。,计算方法和步骤：,根据题意，画出,工作角度计算简图,，并,标注刀具各角度,；,从计算图的几何关系推导出,工作角度的计算式,，并进行计算。,2,3,刀具工作角度的计算,94,刀具工作角度计算举例,例题： 已知用 ， ， ， ，,的切断刀切断直径,50 mm,棒料。若刀刃安装时高于中心,0.2,mm,，试计算（不考虑进给运动的影响）切断后工件端面上,留下的剪断芯柱直径。,解： 根据题意，画出计算简图，如下图所示。, 计算,由计算简图的几何关系可知：,2,3,刀具工作角度的计算,95,计算简图,96,由于当工作后角 时刀刃无法切入工,件，刀具继续进给时，后刀面推挤工件料芯，最终,被剪断。故只要计算此时料芯的直径即可：,由,可得：,；,D= = =1.9 mm,即：,切断后工件端面上留下的剪断芯柱直径为,1.9,mm,97,车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时的变化,当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时，将会引起工作主偏角和工作副偏角的变化。,如刀杆右斜：,工作主偏角增大和工作副偏角减小,如刀杆左斜：工作主偏角减小和工作副偏角增大,98,2,4,刀具材料,(,Cutting Tool Materials,),高的硬度,与耐磨性,一般应在,HRC60,以上。刀具材料的硬度越高，刀具的耐磨性就越好；材料中含碳化物越多,晶粒越细，则刀具越耐磨；, 足够大的强度和韧性,一般用抗弯强度和冲击值来衡量。, 高的耐热性,耐热性是指刀具材料在高温下保持材料硬度的能力，可用高温硬度表示。, 好的热物理性能和耐热冲击性能,刀具材料的导热性要好,不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂,.,良好的工艺性能,包括：焊接性能、磨削加工性能和热处理能力,99,刀具材料的发展与切削加工高速化的关系,DLC,涂层硬质合金,切削速度（,m/min,）,2000,1000,500,200,100,50,20,10,1800 1850 1900 1950 2000,年代,碳素工具钢,合金工具钢,WC,系硬质合金,高速钢,WC-TiC,系硬质合金,涂层硬质合金,TiAlN,涂层硬质合金,TiC-TiN,金属陶瓷,聚晶立方氮化硼 （,PCBN,）,陶瓷,聚晶金刚石,（,PCD,）,刀具材料的发展,100,刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。,高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。,特点：,1,）强度高，抗弯强度为硬质合金的,2,3,倍；,2,）韧性高，比硬质合金高几十倍；,3,）硬度,HRc63,以上，且有较好的耐热性,；,4,）可加工性好，热处理变形较小。,应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。,常用刀具材料,101,102,103,普通高速钢,钨钢,典型牌号为,W18Cr4V,（简称,W18,）。含,W18,、,Cr4%,、,V1,。,有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。,但热塑性差，很难用作热成形方法制造的刀具（如热轧钻头）。,钨钼钢,将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为,W6MoCr4V2,（简称,M2,）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；,热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等,；磨加工性也好，目前各国广为应用。,104,高性能高速钢,：,在普通高速钢材料中，加入一些合金元素，使其耐热性、 耐磨性得以提高。,耐用度较通用型高速钢高,1.3,3,倍。,适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。,典型牌号：,高碳高速钢（如,9W18Cr4V,）,高钒高速钢,(,如,W12Cr4V4Mo,),钴高速钢（如,W2Mo9Cr4VCo8,）,铝高速钢（如,W6Mo5Cr4V2Al,）,高性能高速钢,提高高速钢性能主要,途径,：,(1),在高速钢中增添新的元素；,(2),用粉末冶金法消除碳化物的偏析并细化晶粒。,（,3,）采用表面化学渗入法,（,4,）采用表面涂覆硬质薄膜技术,105,常用高速钢牌号及其应用范围,类别,牌 号,主 要 用 途,普通,高速钢,W18Cr4V,广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等,W6Mo5Cr4V2,具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；,W14Cr4VMnRe,用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等,高性能高速钢,高碳,9W18 Cr4V,用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具,高矾,W12Cr4V4 Mo,用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具,超硬,W6Mo5Cr4V2Al,用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具,W10Mo4Cr4V3Al,耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具,W6Mo5Cr4V5SiNbAl,用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头,W12Cr4V3 Mo3Co5Si,耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具,W2Mo9Cr4VCo8,（,M42,）,用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵,106,硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如,WC,、,TiC,、,TaC,、,NbC,等）粉末和金属粘结剂（如,Co,、,Ni,、,Mo,等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。,硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。,硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。,3,、 常用硬质合金牌号、性能及用途,107,钨钴类（,YG,类,K,类）,主要成分：,常用牌号：,YG3,、,YG3X,、,YG6,、,YG8;,数字表示含钴量：如：,YG3,的含钴量为,0.3,、,YG8,的含钴量为,0.8,，含钴量越高，刀具材料的抗弯强度就越大，但硬度和耐磨性下降。,YG3,和,YG3X,：含钴量相对较少，硬度较高，耐磨性好,，,适用于精加工,；,YG6,和,YG8,：含钴量相对较多，抗弯强度大，耐冲击,，,适用于粗加工,。,108,性能特点,：,抗弯强度高，耐冲击；材料的导热性能好,，有利于降低切削区的切削温度；但硬度和耐热性比,YT,类硬质合金低。,用途,：,常用于,铸铁,、不锈钢、高温合金和有色金属工件材料的切削加工。, 钨钛钴类（,YT,类，,P,类）,主要成分：,常用牌号：,YT5,、,YT15,、,YT30,。,数字表示含钛量：如：,YT5,的含钛量为,0.05,、,YT30,的含钛量为,0.3,109,性能特点：,硬度、耐磨性和耐热性比,YG,类硬质合金高，但材料的,抗弯强度低，不耐冲击,。,用途：,常用于,一般钢料,的工件材料的切削加工，适用于切削比较平稳的场合。,由于,YT,类硬质合金材料中含有钛合金元素，切削温度较高时，容易与工件材料中的钛元素,发生亲和现象,，造成刀具表面上的钛元素的流失,而加剧刀具的磨损,，故,YT,类硬质合金不能用来切削不锈钢材料,。,110,通用硬质合金（,YW,类）,主要成分：,常用牌号：,YW1,、,YW2,性能特点：,在,YT,类中加入 可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁，也可加工钢，因而又有通用硬质合金之称。,用途：,适用于切削各种,钢料、铸铁和高强度钢。,YW1,适用于,精加工,，,YW2,适用于,粗加工,。,111,各种硬质合金的应用范围,牌 号,应 用 范 围,YG3X,铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷,YG3,铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷,YG6X,普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工,YG6,铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工,YG8,铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削,YG6A,冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工,YT30,碳素钢、合金钢的精加工,YT15,碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工,YT14,同,YT15,YT5,碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削,YW1,高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工,YW2,高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工,抗弯强度、韧性、进给量,硬度、耐磨性、切削速度,抗弯强度、韧性、进给量,硬度、耐磨性、切削速度,抗弯强度、韧性、进给量,硬度、耐磨性、切削速度,112,为了克服常用硬质合金强度和韧性低、脆性大、易崩刃的缺点，常采用如下,措施,改善其性能：,(1),调整化学成分可以使硬质合金既有高的硬度又有好的韧性；,(2),细化合金的晶粒；,(3),采用涂层刀片。,113,涂层刀具材料,在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。 常用的涂层材料有,TiC,、,TiN,、,Al,2,O,3,等。,涂层刀具具有较高的抗氧化性能，因而,有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力,；有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，,可提高刀具的耐用度,（提高硬质合金耐用度,1,3,倍，高速钢刀具耐用度,2,10,倍）。,但也存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。,114,陶瓷刀具材料,陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（,HRA91,95,）和耐热性，在,1200,的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。,主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。,115,超硬刀具材料,天然金刚石,是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达,0.01m,，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。,聚晶金刚石,(PCD),由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（,HV6500,8000,），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料,金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。,聚晶立方氮化硼（,PCBN,）,由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为,HV 3000,4500,，耐热性达,1200,，化学惰性很好，在,1000,的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度车削铣削时可以代替磨削加工。,116,刀具材料种类,合金 高速钢 硬质合金 陶瓷,天然,聚晶金刚石 聚晶立方氮,工具钢,W18Cr4V YG6 Si,3,N,4,金刚石,PCD,化硼,PCBN,材料性能,硬度,HRC65 HRC66 HRA90 HRA93,HV10000,HV7500,HV4000,抗弯强度,2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa,导热系数,40-50,20-30,70-100,30-40,146.5,100-,120,40-,100,热稳定性,350 620 ,10,00 1,4,00 ,800 ,6,00-800 ,1000 ,化学惰性 低 惰性大,惰性小 惰性小 惰性大,耐磨性 低 低 较高 高,最高 最高 很高,一般精度,Ra0.8,高精度,Ra=0.4-0.2,加工质量,Ra0.8 IT7-8,Ra=0.1-0.05 IT5-6,IT7-8,IT5-6,可替代磨削,加工对象,低速加工一般钢材、铸铁,一般钢材、铸铁粗、精加工,一般钢材、铸铁粗、精加工,高硬度钢材精加工,硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料,淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料,普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比,117,天然金刚石,PCBN,PCD,氧化物陶瓷,氮化物陶瓷,硬质合金涂层,WC,硬质合金涂层,超细粒状硬金属涂层,高速钢,TiN,涂层高速钢,断裂韧性,耐磨性,刀具材料的耐磨性与断裂韧性,小结,118,常用金属切削刀具种类及其用途简介,要求：一般了解各种刀具的种类、形状和用途。,119,1.,刀具,分类,：,(1),按加工方式和具体用途，可分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型。,(2),按所用材料性质，可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼,(CBN),刀具和金刚石刀具等,;,(3),按结构形式，可分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等,;,(4),按是否标准化，可分为标准刀具和非标准刀具等。,120,1,、车刀及其用途,车刀的 构 成,121,1.,车刀的种类,（,1,）直头外圆车刀；,（,2,）弯头车刀；,（,3,）偏刀；,（,4,）切槽或切断刀；,（,5,）镗孔刀；,（,6,）螺纹车刀；,（,7,）成形车刀；,车刀的用途：,车外圆、车端面、倒角、切槽、车螺纹、车圆弧面、镗孔、钻孔、扩孔和绞孔等。,122,车刀及其用途,车刀的种类：,焊接式车刀、机夹重磨式车刀、机夹可转位式车刀,a),整体式,b),焊接式,c),机夹重磨式,d),可转位式,123,2.,车刀的结构形式,刀片夹紧方式：,（,1,）上压式,夹紧力大，,定位可靠，阻碍流屑,（,2,）偏心式,结构简单，,不碍流屑，夹紧力不大,（,3,）综合式,夹紧力大，,耐冲击，结构复杂,（,4,）杠杆式,可转位式车刀的组成：,可转位刀片、刀垫、刀杆、夹紧机构,切削性能好，辅助时间短，生产率高,124,机夹可转位式车刀,125,机夹可转位式车刀,126,其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可看作是车刀的演变和组合。如上图所示，刨刀切削部分的形状与车刀相同,(,图,a);,钻头可看作是两把一正一反并在一起同时车削孔壁的车刀，因而有两个主切削刃，两个副切削刃，还增加了一个横刃,(,图,b);,铣刀可看作由多把车刀组合而成的复合刀具，其每一个刀齿相当于一把车刀,(,图,c),。,127,钻床上可完成钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、钻沉头孔、锪平面,刀具作旋转,主运动,同时沿轴向移动作,进给运动,。,孔加工刀具,128,孔加工刀具,麻花钻,用途：,在工件上,加工,出,孔,，也可用于加工攻丝、绞孔、 镗 孔、磨孔时的,预制孔,。,129,1,）工作部分,分切削部分和导向部分。,两个前刀面、两个后刀面、,两个副后刀面、两个主刃、,两个副刃、一个横刃。,钻芯直径朝柄部方向递增。,2,）柄部,夹持部分，有直柄和锥柄。,3,）颈部,用于磨柄部时砂轮的退刀。,（,2,）麻花钻的修磨,标准麻花钻存在切削刃长、前角变化大、螺旋槽排屑不畅、横刃部分切削条件很差等结构问题，生产中为了提高钻孔的精度和效率，常将标准麻花钻按特定方式刃磨成,“,群钻,”,使用。,磨短横刃增大前角，修磨主刃顶角分屑槽,130,131,132,扩孔钻,扩孔钻的刀齿数一般为,3,4,个，且没有横刃，故不能用来钻孔，,用途：,对工件上已有孔（已铸出孔、钻出孔等）,进行再加工,，以扩大原有孔或,提高原有孔的加工精度和表面质量,。,图： 扩孔钻,133,绞刀,用途：,用于对中小直径孔的精加工，精绞后，孔的表面粗糙度可达,1.6,0.8,m,；还可用来加工锥销孔,绞孔工艺：,钻孔扩孔粗绞精绞,图： 绞刀的种类,(a),直柄机用铰刀,(b),锥柄机用铰刀,(c),硬质合金锥柄机用铰刀,(d),手用铰刀,(e),可调节手用铰