金属工艺-第五章切削加工.ppt

第五章切削加工 主要内容5 1切削加工基础5 2典型表面加工分析5 3切削加工工艺基础5 4零件结构工艺性 5 1切削加工基础 主要内容5 1 1金属切削基本理论5 1 2金属切削过程及主要物理现象5 1 3金属切削机床的基本知识 1 金属切削过程中的各种物理现象2 刀具角度的标注 本节重难点 5 1 1金属切削基本理论 金属切削加工 是用切削工具将坯料或工件上的多余材料切除 以获得所要求的尺寸 形状 位置精度和表面质量的加工方法 金属切削加工 钳工 机械加工 划线 錾 锯 锉 刮 攻螺丝 套螺丝 装配等 车 钻 铣 刨 磨 特种加工等 1 切削运动与切削要素 1 零件表面的形成与切削运动切削运动机床为实现切削加工 刀具与工件间必需具有一定的相对运动 包括主运动和进给运动 主运动 是指在切削加工中 形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动 进给运动 是指在切削加工中 对工件的多余材料不断被去除的工作运动 注释 1 主运动可以是旋转运动 也可以是往复运动 2 主运动可以是工件来实现 车外圆 主运动也可以是刀具来实现 切断 刨 铣加工 3 主运动只有一个 进给运动可以一个以上 工件上形成的表面 待加工表面 指加工时工件上有待切除的表面 已加工表面 指工件上经刀具切削后产生的表面 过渡表面 加工表面 指工件上由刀具切削刃形成的表面 2 切削要素 切削要素包括切削用量和切削层的几何参数 1 切削用量 用来衡量切削运动量的大小 切削三要素 进给量f 切削速度 c 切削深度ap 背吃刀量 指在切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度vc dn 1000 m min 刀具在进给运动方向上相对工件的位移量 所用刀具和切削运动形式不同 进给量的表述和度量方法也不同 如铣削f vf n 待加工表面到已加工表面间的垂直距离ap dw dm 2 不同切削工艺的进给量和切削深度 2 切削层参数 切削层是指零件上正被切削刃切削的一层材料 即两个相邻加工面间的那层材料 切削层参数对切削过程中切削力的大小 刀具的载荷和磨损 零件加工的表面质量和生产率都有决定性影响 切削层参数 切削层面积AD 切削层在垂直于切削速度截面内的面积 AD hD bD f ap mm2 切削宽度bD 沿主切削刃度量的切削层尺寸 bD ap sin r mm 3 切削厚度hD 垂直于加工表面度量的切削层尺寸 hD f sin r mm 只有在车削加工中 当残留面积很小时才近似认为相等 2 刀具切削部分的几何参数 刀具切削部分的组成要素刀杆 起夹持作用刀头 三面 前刀面 切屑流过的表面主后刀面 刀具上与加工表面相对的表面副后刀面 刀具上与已加工表面相对的表面两刃 主切削刃 刀具上前刀面与主后刀面的交线副切削刃 刀具上前刀面与副后刀面的交线一尖 主切削刃与副切削刃的交点 标注坐标系的假定条件1 假定没有进给运动 只考虑主运动 并且限定主运动的方向垂直于水平面 方向向上 2 二是假定刀具的刃磨和安装基准面垂直于切削速度方向 或平行于基面 对车刀来说 规定其刀尖安装在工件的中心高度上 刀杆中心线垂直于工件的回转轴线 所以 刀具标注角度的参考平面是在相对静止状态下 进给运动vf 0 确定的 故称之为 静止系 1 车刀切削角度的坐标平面 基面 Pr 通过主切削刃上的某一点 与主运动方向相垂直的平面切削平面 Ps 通过主切削刃上的某一点 于加工表面相切并垂直于基面的平面正交平面 P0 通过主切削刃上的某一点 并同时垂直于基面和切削平面的平面 2 刀具几何角度 刀具的标注角度1 正交平面参考系中的刀具标注角度 1 在基面Pr上刀具标注角度有 主偏角kr 在过主切削刃选定点的基面内 主切削刃与进给方向间的夹角 影响切削层的形状 切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷 减少 r 主切削刃单位长度上的负荷减少 刀具磨损小 耐用 45 60 75 90 副偏角kr 在过副切削刃选定点的基面内 副切削刃和进给方向间所夹的锐角 影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度 减少 r 减少表面的粗糙度的数值 还可提高刀具强度 过小 会使副切削刃与已加工面的摩擦增加 引起震动 降低表面质量 5 15 粗加工取较大值 副偏角对残留面积的影响 注意 车外圆与车端面主 副偏角的变化 2 在正交平面Po上刀具标注角度有 前角 前刀面 r与基面Pr间的夹角 前角 有正负 前角在基面之下为负 前角在基面这上为正 前角大 刃口锋利 切屑变小 切削力小 切削轻快 但易产生崩刃 应根据刀具和工程材料及加工性质选择 加工塑性材料 取较大的前角 10 20 粗加工或灰铸铁取较小的前角 5 15 后角 O 后刀面与切削平面间的夹角 增大后角可减少摩擦 提高工件加工质量和刀具耐用度 并使切削刃锋利 在保证加工质量和刀具耐用度的前提下 一般粗加工 强力车削 材料较硬时取小值 6 8 反之取8 12 在切削平面 Ps 刃倾角 s 主切削刃与基面间的夹角影响切屑流出方向 刀尖强度 切入切出平稳性 切削分力和切削的工作长度 5 5度 保证加工质量的前提下 尽量取较大的负值 小值 提高刀具耐冲击力 刃倾角有正 负 粗加工取负值精加工取正值 4 刀具的工作角度 车外圆时车刀安装的高低 对前角 后角有影响 车外圆时车刀安装的偏斜 对主偏角 副偏角有影响 思考题 画出如图所示45度端面车刀的主偏角 副偏角 前角 后角 刃倾角 法前角 法后角 刀具结构 常见刀具的结构形式 车刀的结构形式 金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外 还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能 在金属切削加工中 刀具材料的切削性能直接影响着生产效率 工件的加工精度和已加工表面质量 刀具消耗和加工成本 正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一 特别是对某些难加工材料的切削来讲刀具材料的选用显得尤为重要 3 刀具材料及结构 1 刀具材料 1 刀具材料应具备的基本性能刀具切削部分是在高温 高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的 因此 刀具材料应具备以下基本性能 硬度高硬度是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力 刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度 一般高于一倍至几倍 否则在高温高压下 就不能保持刀具锋利的几何形状 目前 切削性能最差的刀具材料 碳素工具钢 其硬度在室温条件下也应在62HRC以上 高速钢的硬度为63 70HRC 足够的强度和韧性 刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力 例如 车削45钢时 当ap 4mm f 0 5mm r时 刀片要承受约4000N的切削力 因此 刀具材料必须要有足够的强度和韧性 一般用刀具材料的抗弯强度 b 单位为Pa N m 表示它的强度大小 用冲击韧度 k 单位为J m 表示其韧性的大小 它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力 耐磨性和耐热性好 刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力 一般说 刀具材料硬度越高 耐磨性也越好 刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系 其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量 或叫热硬性 高温硬度越高 表示耐热性越好 刀具材料在高温时抗塑性变形的能力 抗磨损的能力也越强 耐热性差的刀具材料 由于高温下硬度显著下降而会很快磨损乃至发生塑性变形 丧失其切削能力 导热性好 刀具材料的导热性用热导率 单位为w m K 来表示 热导率大 表示导热性好 切削时产生的热量容易传导出去 从而降低切削部分的温度 减轻刀具磨损 此外 导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热裂的性能增强 这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削 特别在加工导热性能差的工件时尤为重要 2 刀具材料的分类 刀具材料可分为工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 超硬材料五大类 其主要力学物理性能见表 目前应用最多的是高速钢和硬质合金 据统计 我国目前高速钢用量约占刀具的60 以上 硬质合金的用量约占30 以上 随着难加工材料应用的增加 陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增长 1 碳素工具钢 碳素工具钢是含碳量较高的优质钢 含碳量为0 7 1 2 如T10A等 淬火后硬度较高 价廉 但耐热性较差 1 常用牌号 T7A T8A T13A等 2 主要性能 淬火后硬度较高 可达HRC61 65 红硬性为200 250 不耐高温 价格低廉 切削速度因此而不能提高 允许切削速度VC 10m min 3 应用 只能制作低速手用刀具 如板牙 锯条 锉等 2 合金工具钢在碳素工具钢中加入少量的Cr w Mn Si等元素 形成合金工具钢 如9SiCr等 可适当减少热处理变形和提高耐热性 1 主要牌号 9SiCrCrWMn2 主要性能 淬火后的硬度可达HRC61 65 红硬性为300 400 允许切削速度Vc 10 15m min 3 应用 制作低速 形状比较复杂 要求淬火后变形小的刀具 如板牙 拉刀 手用铰刀 孔的精加工 等 3 高速钢高速钢常用的牌号是 18Cr4V 又称 锋钢 或 白钢 其强度 韧性和工艺性均较好 可作形状复杂的刀具 但其耐热性大约为600 左右 因而只能进行中速切削 4 硬质合金硬质合金是以高硬度 高熔点的金属碳化物 C iC等 微米数量级的粉末为基体 用 o o i等作粘接剂在高压下成型 并通过高温烧结而成的一种粉末冶金制品的 硬度高 耐磨性好 耐热性大约为1000 左右 可以高速切削 硬质合金属于脆性材料 其抗弯强度低 冲击韧性差 硬质合金按基体分为两大类 碳化钨基 C 碳化钛基 iC 1 G K 类硬质合金 WC CO 硬度为 HRA 韧性比 类硬质合金好 热硬性为 切削韧性材料时耐磨性较差 固适于加工铸铁 青铜等脆性材料 YT P 类硬质合金WC TiC CO硬度为 5HRA 热硬性为900 1000 韧性差 脆性大 适于加工塑性材料 如钢料等 3 YW M 类硬质合金 WC TiC TaC CO 热硬性为1000 1100 综合性能好 既可加工铸铁 有色金属 又可加工钢 不锈钢等难加工材料 3 其它刀具材料陶瓷 用 L2O3加微量添加剂 如 g 经低压烧结而成 硬度高 耐磨性好 热硬性和化学稳定性好 允许的切削速度高于硬质合金 但抗弯强度和冲击韧性很差 切削时易崩刃 人造金刚石 金刚石分为天然或人造两种 都是碳的同素异形体 人造金刚石是在高压高温的条件下 借合金的触媒作用由石墨转化而成 其硬度极高 接近于10000 不适于加工铁材料 氧化锆陶瓷刀具 聚晶 PCD 金刚石车刀 立方氮化硼 CBN 立方氮化硼是由六方氮化硼 俗称白石墨 在高温高压下加入催化剂转变而成的 硬度很高可达到HV8000 9000 热稳定性好 化学稳定性好 有较高的热导率和较小的摩擦系数 强度及韧性较差 金属的切削过程 金属在切削过程中 会出现一系列物理现象 如金属变形 切削力 切削热 刀具磨损等 这些都是以切屑形成过程为基础而生产中出现的许多问题 如积屑瘤 振动 卷屑 断屑等 都与切削过程密切相关 切屑形成过程及切屑种类 1 切屑形成过程 a 对塑性金属进行切削时 切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程 当工件受到刀具的挤压以后 切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形 在OA面上 应力达到材料的屈服强度 则发生塑性变形 产生滑移现象 随着刀具的连续移动 原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢 应力和变形也逐渐加大 在终滑移面上 应力和变形达到最大值 越过该面 切削层金属将脱离工件基体 沿着前刀面流出而形成切屑 b 三个变形区 切削过程中切削层金属的变形可大致划分为三个变形区 1 第一变形区 剪切变形区 1 区域 OA OM之间 从OA线 称始剪切线 开始发生塑性变形 到OM线 称终剪切线 晶粒的剪切滑移基本完成 这一区域 I 称为第一变形区 2 特征 OA线发生塑性变形 OM线完成晶粒的剪切滑移 2 第二变形区 挤压变形区 1 区域 靠近刀尖与前刀面 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦 使靠近前刀面处的金属纤维化 纤维化方向基本上与前刀面平行 这一区域称为第二变形区 2 特征 靠近前刀面的金属纤维化 方向平行于前刀面 前刀面将继续进一步挤压和摩擦 3 第三变形区 挤压和修光区 1 1 区域 副切削刃与后刀面的部分 已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦 产生变形与回弹 造成纤维化与加工硬化 这部分称为第三变形区 2 特征 对已加工表面挤压 摩擦和回弹 产生纤维化合加工硬化 注 1 变形区均位于切削刃附近 应力集中且变化复杂 2 在这一区域形成被切削层 切屑与工件分离 形成切屑和已加工面 3 切削刃对切屑的切除和已加工面形成影响很大 2 切屑的类型 根据切削层变形特点和变形后形成切屑的外形不同通常将切屑分为以下四类 1 带状切屑 外形连续不断呈带状 1 产生的条件 切削的金属是塑性 切削厚度较小 刀具前角较大 2 特征 它的内表面光滑 外表面毛茸 切削过程平稳 切削力波动 冲击和振动较小 加工表面粗糙度较小 常见的材料 易切钢 碳素钢 合金钢 铜和铝合金 2 挤裂切屑 节状切屑 1 产生的条件 切削塑性材料 切削速度低 切削厚度大 刀具前角小 2 特征 外表面呈锯齿形 内表面有时有裂纹 滑移量太大 加工硬化增大了剪应力 在低速 大进给下 3 常见的材料 H62 不锈钢 3 粒状切屑 单元切屑 1 产生的条件 切削塑性材料 切削量大 切削厚度 切削脆性材料 硬度高 2 特征 切屑成梯形 剪切应力超过材料的破坏强度 切削力波动大 注 1 以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到 其中 带状切屑的切削过程最平稳 单元切屑的切削力波动最大 在生产中最常见的是带状切屑 有时得到挤裂切屑 单元切屑则很少见 2 挤裂切屑与单元切屑在一定条件下可互相转换 减小刀具前角 降低切削速度 加大切削厚度 3 切屑的形态随切削条件而转化的 掌握了它的变化规律 就可以控制切屑的变形 形态和尺寸 以达到卷屑和断屑的目的 4 崩碎切屑1 产生的条件 切削脆性材料 工件材料硬度高 刀具前角小 切削厚度大 2 特征 形状不规则 加工表面质量差 易崩刃 3 常见的材料 铸铁等 3 切屑形状的分类和切屑的控制 1 切屑形状的分类前面按形成机理的差异 把切屑分成带状 节状 粒状和崩碎四类 但是 这种分类法还不能满足切屑的处理和运输的要求 影响切屑的处理和运输的主要因素是切屑的形状 因此 还需按照切屑的形状进行分类 随着工件材料 刀具几何形状和切削用量的差异 所生成的切屑的形状也会不同 切屑的形状大体有带状屑 C形屑 崩碎屑 螺卷屑 长紧卷屑 发条状卷屑 宝塔状卷屑等 如图 切屑的各种形状 高速切削塑性金属材料时 如不采取适当的断屑措施 易形成带状屑 带状屑连绵不断经常会缠绕在工件或刀具上 拉伤工件表面或打坏切削刃 甚至会伤人 所以 通常情况下都希望尽量避免形成带状屑 但也有例外的情况 例如 在立式镗床上镗盲孔时 为了使切屑能顺利地排出孔外甩断 一般都要求形成带状屑或长螺卷屑 车削一般的碳钢和合金钢工件时 采用带卷屑槽的车刀易形成C形屑 C形屑不会缠绕在工件或刀具上也不易伤人 是一种比较好的屑形 但C形屑多数是碰撞在车刀后刀面上折断的 切屑高频率的碰撞和折断会影响切削过程的平稳性 对工件已加工表面的粗糙度有一定的影响 所以 精车时一般多希望形成长螺卷屑 使切削过程比较平稳 长紧卷屑形成过程比较平稳 清理也方便 在普通车床上是一种比较好的屑形 但要求形成长紧卷屑时 必须严格控制刀具的几何参数和切削用量 在重型车床上用大切深 大进给量车削钢件时 切屑宽又厚 若形成C形屑则容易损伤切削刃 甚至会飞崩伤人 通常多将卷屑槽的槽底圆弧半径加大 使切屑卷曲成发条状在工件加工表面上顶断 并靠其自重坠落 在自动机或自动线上 宝塔状卷屑不会缠绕工件或刀具 清理也较方便 是一种比较好的屑形 车削铸铁 脆黄铜等脆性材料时 切屑崩碎成针状或碎片飞溅 可能伤人 并易研损机床滑动面 这时 应设法使切屑变成卷状 如采用波形刃脆铜卷屑车刀 可以使脆铜和铸铁的切屑连成螺状短卷 3 切屑的控制 在实际加工中 应用最广的切屑控制方法就是在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器 槽形 a 折线型b 直线圆弧形c 全圆弧形前角较大时 采用全圆弧形断屑槽刀具的强度较好 断屑槽在前刀面上的位置则外斜式 平行式和内斜式 外斜式常形成C形屑和6字形屑 能在较宽的切削用量范围内实现断屑 内斜式常形成长紧螺卷形屑 但断屑范围窄 平行式的断屑范围居于上述两者之间 外斜式 粗加工 平行式 精加工 内斜式 半精加工和精加工 2 改变刀具角度增大刀具主偏角Kr 切削厚度变大 有利于断屑 减小刀具前角可使切屑变形加大 切屑易于折断 刃倾角 s可以控制切屑的流向 3 调整切削用量提高进给量f使切削厚度增大 对断屑有利 但增大f会增大加工表面粗糙度 适当地降低切削速度使切削变形增大 也有利于断屑 但这会降低材料切除效率 须根据实际条件适当选择切削用量 4 积屑瘤 1 积屑瘤的形成原因 由于金属的挤压和强烈摩擦 使切屑与前刀面之间产生很大的应力和很高的切削温度 条件 当应力和温度条件适当时 切屑底层与前刀面之间的摩擦力很大 使得切屑底层流出速度变得缓慢 形成一层很薄的 滞流层 形成 当滞流层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时 滞流层的金属与切屑分离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤 积屑瘤对切削加工的影响 有利方面 保护刀具 增加工作前角 积屑瘤硬度很高可代替切削刃 可代替切削刃进行切屑 减少刀具的磨损 可减小切削变形和切削力 使切削轻快 可代替切削刃进行切屑 减少刀具的磨损 3 积屑瘤的控制 影响积屑瘤的因素 工件材料切削用量刀具角度切削液等 粗加工时对已加工表面质量要求不高 可利用积屑瘤减小切削力 保户刀具 而精加工时 要保证工件加工质量 必须避免产生积屑瘤 控制措施 要避免在中温 中速加工塑性材料 对材料进行正火或调质增大前角可减小切削变形 降低切削温度 减小积屑瘤的高度采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤 2 切削过程中主要物理现象 金属切削过程中 伴随着切削力 切削温度 切削热和刀具磨损等物理现象 切削合力 前刀面受到切屑的压力和摩擦力后刀面受到工件表面的压力和摩擦力切屑的变形抗力 切削合力的构成与分解 1 切削力 切削合力 主切削力 切向力Fc 背向力 径向力Fp 进给力 轴向力Ff 切削合力在切削速度方向上的分力 垂直于基面 其大小约占总的切削合力的 是计算机床动力的主要依据 切削合力在切削深度方向上的分力 它在基面内 使工件弯曲变形或引起振动 产生形状和尺寸误差 切削合力在进给方向上的分力 它在基面内 是设计和校验机床进给机构强度和刚度的主要依据 2 影响切削合力的因素 工件材料 强度 硬度高 塑性 韧性大 合力大 切削用量 切削深度ap 大 进给量f 中 切削速度 小 刀具角度 前角越大 切屑变形越小 切削合力越小 3 切削功率切削功率是各切削分力消耗功率的总和车外圆时Pz Fz 10 3 kw Fz 主切削力 N 切削速度 m s 2 切削热和切削温度 1 切削热的产生 传出及影响 切削热的来源 切屑层的金属发生弹性变形 塑性变形而产生大量的热 切屑与刀具前刀面产生的摩擦 工件与刀具后刀面产生的摩擦 切削热的传导传入切屑 约占总热量的 对切削加工无不利影响传入工件 约占总热量的 会使工件膨胀或伸长 产生尺寸和形状误差 影响加工精度传入刀具 约占总热量的 使刀具温度升高 硬度下降 磨损加快 耐用度降传入周围介质 约占总热量的 对切削加工无不利影响 2 切削温度及其影响因素 切削温度 是指刀具 切屑 工件接触面上的平均温度 其高低取决于切削时产生热量的多少和传导条件的好坏 切削用量 工件材料 刀具材料及角度等对切削温度均有影响 3 降低切削温度的措施 1 选择合理的几何角度和切削用量 2 使用切削液 切削速度 切削热 进给量和切削深度 切削力大 摩擦力 切削热 工件强度和硬度 消耗的功 切削热 主偏角 参与切削的刃长度 切削温度 前角 切削热 切削温度 3 刀具磨损及刀具耐用度 刀具的磨损形式及过程 刀具的磨损形式 前刀面磨损 后刀面磨损 前 后刀面同时磨损 刀具的磨损过程 初期磨损阶段 刃磨后的刀具开始前 后刀面上的高低不平 受到切屑的冲击和摩擦时 将 凸峰 很快磨去 时间很短 刀具上的高低不平已被磨去 磨损量增加缓慢且比较稳定 切削刃变钝 刀具与工件之间的摩擦变大 切削力增大 切削温度上升 磨损加剧 刀具失去正常的切削能力 正常磨损阶段 急剧磨损阶段 刀具耐用度刀具允许的磨损限度通常用后刀面的磨损高度 表示 但这种磨损标准很难掌握 而引入刀具耐用度的概念 指刀具刃磨后从开始切削直到磨损量达到磨损标准为止的切削时间用 表示 3 影响金属切削加工的主要因素 1 工件材料的切削加工性a 切削加工性是指材料被切削加工的难易程度 b 常用的指标主要有如下几个 1 一定刀具耐用度下的切削速度vT 2 相对加工性Kr 3 已加工表面质量 4 切屑控制或断屑的难易 5 切削力 2 改善材料切削加工性的主要途径 1 通过适当的热处理 可以改变材料的力学性能 从而达到改善其切削加工性的目的 2 改变材料的力学性能 还可以用其他辅助性的加工 3 还可以通过适当调整材料的化学成分来改善其切削加工性 2 刀具几何参数的选择 刀具的切削性能主要是由刀具材料的性能和刀具几何参数两方面决定的 刀具几何参数的选择是否合理对切削力 切削温度及刀具磨损有显著影响 选择刀具的几何参数要综合考虑工件材料 刀具材料 刀具类型及其他加工条件 如切削用量 工艺系统刚性及机床功率等 的影响 1 前角 o 0 变形程度 F T 振动 质量 刀刃和刀头强度 散热面积容热体积 断屑困难在一定的条件下 存在一个合理值 对于不同的刀具材料和工件材料 T随 0的变化趋势为驼峰形 高速钢的合理前角比Y合金的大 加工塑材的合理前角比脆材的大 合理前角的选择原则 粗加工 断续切削 刀材强度韧性低工材强度硬度高 选较小的前角 工材塑韧性大 系统刚性差 易振动或机床功率不足 选较大的前角 成形刀具 自动线刀具取小前角 A 磨损增大前角 A 磨损减小前角 二 后角的选择 1 后角的作用 0 rn 锋利 l 摩擦F 质量 VB一定 磨损体积 T 但NB 刀头强度 散热体积 重磨体积 在一定的条件下 存在一个合理值 2 合理后角的选择原则 粗加工 断续切削 工材强度硬度高 选较小后角 已用大负前角应 0 精加工取较大后角 保证表面质量 成形 复杂 尺寸刀具取小后角 系统刚性差 易振动 取较小后角 工材塑性大取较大后角 脆材 0 3 主偏角的选择1 主偏角的作用 r hD bD 单位刃长负荷 T 刀尖强度 散热体积 Ra Fy 变形 加工精度 易振动 Ra T 在一定的条件下 存在一个合理值 2 合理主偏角的选择原则 主要看系统刚性 若刚性好 不易变形和振动 r取较小值 若刚性差 细长轴 r取较大值 90 考虑工件形状 切屑控制 减小冲击等 车台阶轴 取90 镗盲孔 90 r小切屑成长螺旋屑不易断 较小 r 改善刀具切入条件 不易造成刀尖冲击 副偏角的选择副偏角的主要作用是形成已加工表面 副偏角 Ra 刀尖强度 散热体积 副刃工作长度 摩擦 Fp 易振动 Ra T 在一定条件下 存在一合理值 系统刚性好 取较小值 刚性差 取较大值 4 刃倾角的选择1 刃倾角的作用 影响刀刃锋利性 s 0e rn 锋利性 负刃倾角 刀头强度 散热体积 负刃倾角 Fp 变形 易振动 Ra 正 s切屑流向待加工表面 负 s切屑流向已加工表面2 刃倾角的选择原则 粗加工 有冲击 刀材脆 工材强度硬度高 s取负值 精加工 系统刚性差 细长轴 s取正值 微量极薄切削 取大正刃倾角 2 切削用量的合理选择1 切削用量同加工生产率的关系切削用量三要素同加工生产率均保持线形关系 即提高切削速度 增大进给量和背吃刀量 都可以 同样地 提高劳动生产率 2 切削用量的选用原则 1 切削用量对加工质量的影响 当切削速度增大时 切削力减小 进给量增大使工件残留面积的高度显著增大 切削深度增大时 切削力和工件变形增大 可减小或避免积屑瘤 有利于提高加工质量 表面更粗糙 可能引起振动 使零件的加工精度和表面质量下降 2 切削用量对刀具耐用度的影响在切削用量中 切削速度对刀具耐用度的影响最大 进给量次之 切削深度影响最小3 选择切削用量的原则粗加工较大的切削深度和进给量 取尽可能大的切削切削速度精加工一般取较大的切削速度 较 切削用量的选定 切削深度的选择 粗加工时尽可能一次去除加工余量 精加工时应一次切除精加工工序余量 进给量的选择 粗加工时的进给量应根据机床系统的强度和刀具强度选择 精加工时 一般切削深度不大 切削力较小 粗加工时切削速度受机床功率限制 而精加工时 主要受刀具耐用度的限制 切削速度的选择 切削液的选用1 切削液的作用和种类a 切削液主要通过冷却和润滑作用来改善切削过程 它一方面吸收并带走大量切削热 起到冷却作用 另一方面它能渗入到刀具与工件和切屑的接触表面 形成润滑膜 有效地减小摩擦 b 常用的切削液有以下两大类 1 水基切削液 2 油基切削液2 切削液的选择和使用通常应根据加工性质 工件材料和刀具材料等来选择合适的切削液 切削液的使用 目前以浇注法最为普遍 为了提高其使用效果 可以采用喷雾冷却法或内冷却法 5 1 3金属切削机床的基本知识 1 金属切削机床的分类 1 按机床的加工性能分类车床C钻床Z铣床X镗床T磨床M齿轮加工机床Y拉床L螺纹加工机床S锯床G刨插床B特种加工机床D其他机床Q 2 按机床的通用性分类1 通用机床2 专门化机床3 专用机床 3 按机床的自动化程度分类1 手动机床2 机动机床3 半自动机床4 全自动机床 4 按机床的工作精度分类1 普通精度机床2 精密机床3 高精度机床 5 按机床的主要工作部件数目精度分类1 单刀机床2 多刀机床3 单轴机床4 多轴机床 6 按机床的重量和尺寸分类1 仪表机床2 中型机床3 大型机床4 重型机床5 超大型机床 7 按加工过程的控制方式分类1 普通机床2 数控机床3 加工中心4 柔性制造单元 机床型号的编制方法 机床型号是用来表明机床的类型 通用特性 结构特性 主要技术参数等 2 机床传动 1 车床常用传动组成1 动力源2 传动件3 执行件 2 车床常用传动副1 带传动2 齿轮传动3 蜗轮蜗杆传动4 齿轮齿条传动5 丝杠螺母传动 运动分析 5 2典型零件表面加工分析 主要内容5 2 1外圆面的加工5 2 2内圆的加工5 2 3平面的加工5 2 4成形面的加工5 2 5螺纹的加工5 2 6齿轮齿形的加工 重点内容外圆表面 平面 内圆的加工方法 要求根据零件的基本的几何形状 正确选择加工方法和加工方案 了解螺纹和齿轮齿形的加工方法 5 2 1外圆面的加工方法 外圆表面的典型零件 轴类零件盘类零件 外圆表面的典型加工方法 车削磨削 外圆表面的技术要求 1 尺寸精度2 形状精度3 位置精度4 表面质量 外圆表面的车削加工 车削加工的工艺范围 粗车 半精车 精车 精细车外圆表面车削加工设备及工艺特点生产率高应用广泛加工材料范围较广车削外圆时工件的装夹特点装夹方便快捷易于保证位置精度 外圆表面的磨削加工 外圆表面的磨削加工 可采用的方法有 1 外圆磨削法外圆磨削通常在外圆磨床上进行 外圆磨削可采用纵磨法 横磨法 综合磨法和深磨法 也可在无心磨床上进行 称为无心外圆磨削法 2 高速磨削高速磨削是使用高强度砂轮 磨削砂轮线速度从一般的30m s提高到50m s以上 可以提高生产率 3 细粗糙度磨削使工件表面获得粗糙度为Ra0 1 0 01微米的磨削工艺 通称为细粗糙度磨削 细粗糙度磨削包括精密磨削 超精密磨削和镜面磨削 外圆加工方案的制订 a 影响外圆加工方案的主要因素工件材料加工精度热处理状态b 典型外圆加工方案1 粗车2 粗车 半精车3 粗车 半精车 精车4 粗车 半精车 磨削5 粗磨 精磨 研磨 外圆表面加工方案 5 2 2内圆表面的加工方法 钻 扩 铰 镗 拉孔 孔的加工方案的选择 孔的加工方法钻 扩 铰 镗 拉 磨 珩磨 研磨孔的技术要求尺寸精度形状精度位置精度表面质量 5 2 3平面的加工 平面的车削加工 平面的铣 刨加工 铣和刨是平面加工的两种基本方法 在多数情况下 铣削的生产率明显地高于刨削 刨削的生产率虽然比铣削的生产率低 但由于刨刀结构简单 刨床便宜 调整简便 所以在单件小批生产中具有较好的经济效益 平面磨削1 平面磨削方法 1 周磨a 砂轮与工件接触面积小 磨削热少 排屑和冷却条件好b 加工精度高c 生产率低d 适用于批量生产磨削精度较高的中小型零件 2 端磨a 接触面积大 磨削热多 排屑和冷却条件差b 磨削精度低c 生产率高d 适用于成批大量生产 2 平面磨削工艺特点机床结构简单 系统刚性较强 加工质量及生产率较内外圆磨高 工件装夹简单 生产率高 成批 大量生产中可以磨削代替铣削与刨削去掉毛坯表面上的硬皮 既能提高生产率 又能有效保证加工质量 平面加工方法的选择 5 2 4成形面的加工方法 成形面的种类 回转成形面直线成形面立体成形面 成形面的技术要求 a 尺寸精度b 形状精度c 位置精度d 表面质量 成形面加工方法分析 成形面加工方法分析 用成形刀具加工 车削成形面铣削成形面刨削成形面拉削成形面磨削成形面 工艺特点 a 加工精度主要取决于刀具精度b 易于保证同一批零件形状及尺寸的一致性和互换性c 生产率高d 刀具重磨次数多 使用寿命长e 刀具设计制造复杂 成本高 用简单刀具加工 1 用靠模装置加工成形面a 生产效率高b 加工精度由靠模决定c 靠模形状复杂 成本高d 适合成批生产中应用e 靠模易摩损 2 按运动轨迹法加工成形面 外球面的车削内球面的车削 铣削车削磨削 外球面的铣削内球面的铣削 外球面的磨削内球面的磨削 铣削头结构简单 操作方便 生产率高 刀尖易损 生产率高 表面粗糙度小 Ra1 6um 加工精度 生产率较高 适合于大批量生产 球面直径不宜过小 加工精度高 表面粗糙度小 生产率低 适合小批生产 精度高粗糙度小 球磨机上磨直径大 深度小的零件 5 2 5螺纹的加工方法 螺纹的加工方法很多 主要有车 铣 攻丝 套丝 磨削 滚压等 它们各有不同的特点 必须根据零件的形状 尺寸 产量及技术要求等因素来选择 车螺纹车削螺纹是用螺纹车刀加工螺纹的传统加工方法 这种方法所用的刀具 设备的通用性大 可加工各种形状 尺寸及不同精度的内 外螺纹 特别适用于加工大尺寸的螺纹 适用于单件小批生产 铣螺纹 铣螺纹是在专门的螺纹铣床上用螺纹铣刀加工螺纹的方法 由于铣刀齿多 转速快 切削量大 故比车螺纹生产率高 螺纹铣削的加工精度可达7级 Ra可达1 6um 用丝锥 板牙加工螺纹 用丝锥加工内螺纹称为攻丝 从外形看丝锥似纵向开有沟槽 形成切削刃和容屑槽 头部带有锥度 切削部分 的螺杆 攻丝前需按要求尺寸加工出螺纹底孔 丝锥结构图 板牙是加工或校正外螺纹用的刃具 板牙外形像钻有三孔 形成切削刃和容屑槽 的螺母 且孔的端部具有30o 60o锥角 以起到切削前引导定位作用 用板牙加工螺纹又称套扣 图 板牙结构 磨削螺纹 两种方法 1 用成形砂轮轴向进给磨削 2 用梳刀形砂轮径向进给磨削 5 2 6齿轮加工 齿轮齿形加工 方法 齿轮齿形的加工 按齿形的形成原理可分为两种类型 一种为仿形法 采用与被切齿轮齿槽形状完全相同的成形刀具 直接切出齿形的加工方法叫做仿形法 或成形法 最常用的是铣齿法 另一种为展成法 或创成法 它是利用一对渐开线齿轮 或齿轮齿条相互啮合运动的原理来加工齿形的 展成法加工有滚齿和插齿两种 滚齿法和插齿法 滚齿的加工原理齿轮滚刀可以看成是由很多排齿条装成的 这些齿条的齿形 由于是在螺旋表面上 所以各排之间彼此错开一个距离 这样 滚刀旋转相当于齿条在移动 像齿条与齿轮啮合一样 这个移动着的齿条 其模数 齿形角等都与被加工的齿轮相同 因此能与正在旋转的被加工齿轮相啮合而将齿轮加工出来 滚切原理 插齿的加工原理 插齿过程相当于一对圆柱齿轮作啮合运动 其中一个齿轮是工件 另一个齿轮是在每一个齿上磨出前角和后角 这个具有刀刃的齿轮叫插齿刀 切削时插齿刀作上下往复运动 从工件上切除切屑 插齿加工原理 剃齿原理 剃齿是精加工未淬火齿轮的一种方法 经剃齿加工的齿轮 精度可达到6 7级 齿面粗糙度值Ra可达0 8 0 2 m 剃齿时 剃刀与工件是一对无侧隙的螺旋齿轮啮合 盘形剃齿刀可看成是一个高精度的螺旋齿轮 在齿面上沿渐开线方向上做出许多槽 以形成切削刃 a 剃齿刀 b 剃齿原理 齿轮磨削原理 磨齿是齿形加工中精度最高的一种方法 适用于淬硬齿轮的精加工 其精度可达4 6级 表面粗糙度值Ra可达0 8 0 2 m 磨齿按加工原理分为仿形法和展成法两类 前者精度较差 应用较少 研齿 研齿在研齿机上进行 其加工原理如图所示 被研齿轮安装在3个研轮中间 并相互啮合 在啮合的齿面加人研磨剂 电机驱动被研齿轮 带动三个略带负载 或轻微制动状态 的研轮 作无间隙的自由啮合运动 3 加工余量的确定 1 加工余量定义加工余量 加工过程中从加工表面切去材料层厚度工序 工步 余量 某一表面在某一工序 工步 中所切去的材料层厚度工件加工余量的大小 将直接影响工件的加工质量 生产率和经济性 2 确定加工余量的方法 计算法由计算公式计算出基本余量 一般不用 查表法工厂中广泛应用这种方法 表格是以工厂的生产实践和试验研究所积累的数据为基础 并结合具体加工情况加以修正后制定的 如 金属机械加工工艺人员手册 经验法主要用于单件小批生产 靠经验确定加工余量 因此不够准确 为保证不出废品 余量往往偏大 3 定位基准的选择 工件基准的概念 基准就是根据的意识 零件设计与制造中 需以一些指定的点 线或面作为根据 来确定其他点 线或面的位置 这些作为根据的点 线或面称为基准 工件的基准 工艺基准 设计基准 工艺基准 定位基准度量基准装配基准 定位基准的选择a 粗基准的选择1 选取不加工的表面为粗基准 注意 粗基准只能在第一道工序中使用一次 不能重复使用 2 选取要求余量均匀的表面为粗基准3 选取便于装夹的表面为粗基准 b 精基准的选择1 基准重合原则 定位基准与设计基准重合 可避免产生定位误差 2 基准统一原则 加工零件上某些位置精度要求较高的表面时 应尽可能选同一定位基准 以保证各加工表面的位置精度 3 选择精度高 安装稳定可靠的表面作精基准 定位基准选择 4 工艺路线的拟定 1 加工方法的选择 根据零件各个加工表面的技术要求 来确定其加工方法及加工次数 使工件表面达到同样质量要求的加工方法有多种 因而在选择从粗到精各加工方法及其步骤时 要综合考虑各方面工艺因素的影响 综合考虑各方面工艺因素的影响 各种加工方法的精度和表面粗糙度工件材料的性质要考虑生产类型考虑本厂现有设备及技术条件 2 加工阶段的划分 零件精度要求较高时 往往需要将加工过程划分几个阶段 一般分为粗加工 精加工和光整加工等 保证加工质量 合理使用设备 合理安排热处理工序 目的 3 工序的集中和分散 所谓工序集中 就是整个工艺过程中所安排的工序数量尽量少 每个工序所加工的表面数量尽量多 而工序分散则恰恰相反 安排工序数量多 每道工序加工的表面数量少 分散到极限时 一道工序上只包含一个简单工步的内容 工序集中和工序分散的特点 减少工件安装次数采用高生产率的专用设备和专用工艺装备减少工序数目 缩短工艺路线 减少设备数量 工序集中 工序分散 采用比较简单的机床和工艺装备生产准备工作量小 容易适应产品的变换设备数量和工人数量多 生产面积大 工艺路线长 加工顺序的安排 1 机械加工顺序的安排 先基面后其它先粗后精先主后次先面后孔 2 热处理工序的安排 预先热处理 调整硬度以利切削加工 时效处理 消除应力对加工精度的影响 最终热处理 使零件的性能达到要求 3 辅助工序的安排 包括检验 去毛刺 清洗 涂防锈漆等 5 3 3典型零件的加工工艺过程实例 1 轴的机械加工工艺的制定 传动轴零件工艺过程 1 技术要求分析2 工艺分析3 基准选择4 工艺过程 圆柱齿轮的机械加工工艺过程的制定 盘套类零件加工工艺过程的制定 5 4零件的结构工艺性 主要内容5 4 1结构工艺性的基础知识5 4 2零件结构的切削加工工艺性5 4 3零件结构的装配工艺性 本节重难点在设计零件结构时 不仅要考虑满足使用要求 还应当考虑是否能够制造和便于制造 也就是要考虑零件结构的工艺性 5 4 1结构工艺性的基础知识 零件 部件或整个产品的结构 是根据用途和使用性能设计的 但结构是否完善合理在很大程度上还要看这种结构能否符合工艺方面的要求 在满足使用要求的前提下 设计的结构和规定的技术要求必须能适应相应制造工艺的水平 使生产过程便于实现并能保证在其经济性 结构工艺性是指设计的结构在具体的生产条件下便于制造 可采用最有效的工艺方法的可能性 5 4 2零件结构的切削加工工艺性 1 尽量采用标准化参数 孔的基本尺寸和公差应取标准值 螺纹的公称直径和螺距应选用标准值 锥度和直径采用标准值 2 便于装夹 1 增设工艺凸台 数控铣床床身的结构 2 设凸缘或装夹孔 画线大平板的结构图 3便于加工 1 刀具不应与工件干涉 不合理 合理 刀具不应与工件干涉 2 留出退刀空间 退刀槽 空刀槽和越程槽其中 a 结构不合理 b 结构合理 3 尽量采用标准刀具加工 4 孔的轴线与端面垂直 避免在斜面或曲面上钻孔 5 配合表面尽量避免箱体内表面 外加工面代替内加工面 内表面加工改为外表面加工 6 增加工艺孔 设置工艺孔 7 零件要有足够的刚度 增设加强肋 8 适当地采用零件的组合 4 便于提高生产效率 1 减少机床调整次数 2 减少刀具种类 同类结构要素要统一 3 减少装夹次数 轴上多键槽的布局 4 减少加工面积 5 便于多个零件加工 5 便于测量 便于位置误差测量的图例 5 4 3装配结构工艺性 1 便于装配 1 在有配合要求零件的端部应有倒角 以便装配 且使外露部分较为美观 2 圆柱销与盲孔配合 应该设置排气口 3 在螺钉联接处 应留出一定空间 便于扳手拧紧或松开螺钉 4 同一方向应该只有一对配合表面 2 便于拆卸 便于轴承拆卸的结构便于泵体衬套拆卸的结构 3 应有正确的装配基面 两个有同轴度要求的零件连接时 应该有合理的装配基面