机械制造技术基础知识

1.机床的切削运动用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，该相对运动由主运动和进给运动组成。主运动，是切下切屑所需要的最基本的运动，对切削起主要作用，消耗机床的功率95%以上。机床主运动只有1个。进给运动，使工件不断投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。消耗机床的功率5%以下。机床的进给运动可以有一个或几个。2.切削用量是指切削速度v、进给量f（或进给速度）和切削深度ap。三者又称为切削用量三要素。切削速度v（ms或mmin），切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。即在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。 进给量f，刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mmr（或mm双行程）。切削深度ap（mm），切削深度指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。3.常用刀具材料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如锉刀、铰刀等。 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。强度高，抗弯强度为硬质合金的23倍；韧性高，比硬质合金高几十倍；硬度较高，且有较好的耐热性；可加工性好，热处理变形较小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）。硬质合金，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，且能切削硬材料。硬质合金的不足:抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬质合金被广泛用来制作各种刀具。4车刀切削部分的组成切削部分由3面-2刃-1尖组成，（1）前刀面(前面 ) ：切屑流出所经过的表面。（2）主后刀面(主后面) ：与工件上过渡表面相对的表面。（3）副后刀面(副后面) ：与工件上已加工表面相对的表面。（4）主切削刃(主刀刃)：前刀面与主后刀面的交线，承担主要切削工作。（5）副切削刃(副刀刃)：前刀面与副后刀面的交线，协同主切削刃完成切削工作，（6）刀尖：主切削刃和副切削刀的交点，可以是一段小的圆弧，也可以是一段直线。5变形因数（收缩因数）在切削过程中，刀具切下的切屑厚度ch通常都大于工件切削层厚度c，而切屑长度Lch却小于切削层长度Lc。这种现象称为切屑收缩，可用变形因数表示切削层的变形程度。在切削加工中，应根据情况，采取相应措施，减小切削变形因数，改善切削过程。影响切屑变形因数的因素：工件材料，刀具前角，切削速度，切削层厚度c，摩擦系数6切屑类型及形成条件带状切屑，加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大；节状切屑，加工中等硬度材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小；粒状切屑，工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低；崩碎切屑，加工硬脆材料， 刀具前角较小.7积屑瘤.在速度不高、切削塑性金属形成带状切屑的情况下，滞流层金属粘接在前刀面上，形成硬度很高的硬块，称为积屑瘤。高温、高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘接。积屑瘤硬度比刀具高，可代替刀具切削，保护刀具；增大实际工作前角，减小变形和切削力，使切削轻快；产生过切及犁沟，尺寸精度下降；增大已加工面的表面粗糙度影响积屑瘤的因素；工件材料，塑性大的材料，切削变形大，容易产生积屑瘤；切削脆性材料时，一般不会产生积屑瘤。切削速度，切削速度很低时（小于5m/min），不会产生积屑瘤；切削速度在550m/min范围时，容易产生积屑瘤；当切削速度高于50m/min范围时，由于切削温度很高，切削底面呈微熔状态，也不会产生积屑瘤。积屑瘤对精加工是不利的，应避免产生：（1）降低工件材料塑性，对塑性较高的材料（如低碳钢），进行正火处理；（2）一般精车、精铣时，提高切削速度，而用高速钢刀具拉削、铰削和宽刀精刨时，则采用低速切削；（3）增大前角；（4）减小进给量；（5）采用润滑液等。 8.切削力/切削热切削力来源 ：3个变形区产生的弹、塑性变形抗力；切屑、工件与刀具间摩擦力影响切削力的因素：（1）工件材料：强度、硬度高；材料塑性好,加工硬化倾向大（2）切削用量：（切削深度、进给量为主要影响）切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂。（3）刀具几何角度影响 ：前角0 增大，切削力减小；主偏角r 对主切削力影响不大，对切深抗力和进给抗力影响显著r Fy，Fx，；（ 4 ）其他因素影响：切削液：有润滑作用，使切削力降低 ；后刀面磨损：使切削力增大，对切深抗力Fy的影响最为显著。切削热主要来源:1）切削层变形产生的热量，是切削热的主要来源;2）切屑与前刀面摩擦产生的热量;3）工件与后刀面摩擦产生的热量9.刀具磨损刀具磨损形式后刀面磨损：形式：后刀面磨损后，使后角0的磨损面（参数VB）；形成条件：加工塑性材料时切削厚度c 较小；加工脆性材料；影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量前刀面磨损：形式：月牙洼（参数KT）；形成条件：加工塑性材料时v大，c大；影响：削弱刀刃强度，降低加工质量前、后刀面同时磨损：形式：同时磨损（参数VB、KT）；形成条件：加工塑性材料时，c=0.10.5mm非正常磨损：破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）刀具磨损过程初期磨损阶段：新刃磨的刀具刚投入使用，后刀面与工件的实际接触面积很小，单位面积上承受的正压力较大，再加上刚刃磨后的后刀面微观凸凹不平，刀具磨损速度很快。 正常磨损阶段：经过初期磨损后，刀具后刀面与工件的接触面积增大，单位面积上承受的压力逐渐减小，刀具后刀面的微观粗糙表面已经磨平，因此磨损速度变慢。它是刀具的有效工作阶段急剧磨损阶段：当刀具磨损量增加到一定限度时，切削力、切削温度将急剧增高，刀具磨损速度加快，直至丧失切削能力。在急剧磨损阶段让刀具继续工作是一件得不偿失的事情。刀具在进入急剧磨损阶段之前必须刃磨或更换。10.刀具耐用度概念刀具耐用度T刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T (min)表示。刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。在生产中，确定刀具寿命有两种不同的原则，按单件时间最少的原则确定的刀具寿命叫最高生产率刀具寿命，按单件工艺成本最低的原则确定的刀具寿命叫最小成本刀具寿命。一般情况下，应采用最小成本刀具寿命。在生产任务紧迫或生产中出现节拍不平衡时，可选用最高生产率刀具寿命。影响刀具耐用度的因素：工件材料，刀具材料及其几何角度，切削用量，是否使用切削液等。切削用量中以切削速度v的影响为最大。11.生产率切削加工生产率R0单位时间内生产零件的数量R0=1/tw（件/min）tw 生产一个零件所需要的总时间（min/件）tw=tm+tc+t0tm基本工艺时间，即加工一个零件所需的总切削时间,tc辅助时间，即为了维持切削加工所消耗到各种辅助操作上的时间，如调整机床、空移刀具、装卸或刃磨刀具、安装工件、检验等时间,t0其它时间，如清扫切屑、工间休息等时12.切削用量的选择约束切削用量选择的主要条件有：工件的加工要求，包括加工质量要求和生产效率要求；刀具材料的切削性能；机床性能，包括动力特性（功率、扭矩）和运动特性；刀具寿命要求。选择切削用量的一般方法：粗加工时，选择切削用量主要以提高生产率为主，同时要保证规定的刀具耐用度。实践表明，对刀具耐用度影响最大的是切削速度v ，其次是进给量f ，切削深度ap 的影响最小。因此，选择切削用量的顺序是：apfv。精加工时，主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。 选择切削用量的步骤：（1）切削深度ap的选择，粗加工时，ap由加工余量和工艺系统的刚度决定，尽可能一次走刀切除全部加工余量。在加工余量过大或系统刚性不足情况下，粗加工可分几次走刀。若分两次走刀，第一次走刀的ap取大些，可占全部余量的2/33/4，而第二次走刀的ap取小些，以使刀具具有较高的寿命和加工质量。（2）进给量f 的选择，粗加工时，f 的大小主要受机床进给机构强度、刀具的强度与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制。精加工时，f 的大小主要受加工精度和表面粗糙度的限制。（3）切削速度v的确定，根据已经选定的切削深度ap 、进给量f及刀具使用寿命T，切削速度v可计算求得。13.衡量材料切削加工性的指标以刀具使用寿命T 或切削速度vT来衡量，相同切削条件比T ；T 一定，比速度vT 或切除材料体积；相对加工性Kr；以已加工表面质量来衡量，一般精加工，用Ra，精密零件，用加工硬化、残余应力；以断屑性能来衡量，自动机床、数控机床、自动线等，断屑性能是主要指标；以切削力来衡量，粗加工、机床刚性或功率不足用切削力来衡量14.采用热处理改善材料的切削加工性低碳钢宜选正火处理，均匀组织，降低塑性；高碳钢宜用球化退火,降低硬度,均匀组织,改善加工性；中碳以上的合金钢硬度较高，需退火以降低硬度；不锈钢常要进行调质处理，降低塑性，以便加工；白口铸铁需进行退火处理，降低表皮硬度，消除内应力。15.数控机床的分类按运动方式分类：（1）点位控制数控机床，主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。（2）直线控制数控机床，有数控车床、数控钻床和数控铣床等。（3）轮廓控制数控机床 有数控铣床、数控车床、数控线切割机床和加工中心等。按伺服系统控制方式分类：（1）开环控制数控机床。（2） 半闭环控制数控机床。（3） 闭环控制数控机床。按联动轴数分类：二轴联动，二轴半联动，三轴联动，四轴联动，五轴联动。按工艺用途分类，数控机床可分为：（1）金属切削类，主要包括数控钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床等，及加工中心。（2）金属成形类，主要包括数控压床、冲床、弯管机等。（3）特种加工类，主要包括数控电火花切割机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。16.车削加工用车刀在车床上加工工件的工艺过程称为车削加工。主运动：工件随车床主轴旋转进给运动：刀具沿轴向或径向作进给运动加工精度: 一般车削加工精度可达IT7IT8，表面粗糙度 Ra为6.31.6m。适用范围：各种回转体表面。 车削加工的工艺特点: 1.易于保证工件各加工表面的位置精度;2.加工过程比较平稳;3.适合于有色金属零件的精加工;4.刀具简单17.钻削加工用钻头在实体材料上加工孔的工艺方法称为钻削加工。钻削是孔加工的基本方法之一，通常在钻床或车床上进行，也可以在镗床或铣床上进行。孔加工刀具按用途可分为两大类：一类是从实体材料中加工出孔的刀具，如：麻花钻、扁钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工的刀具，常用的有扩孔钻，铰刀及镗刀。在钻床上钻孔时,钻头的旋转为主运动,钻头沿工件的轴向移动为进给运动；在车床上钻孔时,工件的旋转为主运动, 装在尾架上的钻头沿工件轴向移动为进给运动。钻削加工的工艺特点: 7) 刀具刚性差，容易发生“引偏”；8) 排屑困难;9)切削热不易排出。1）钻孔是孔的粗加工方法；2）一般可加工直径小于50mm的孔；3）孔的尺寸精度在IT10以下；4）孔的表面粗糙度一般大于Ra12.5m；5） 对于精度要求不高的孔，如螺栓的贯穿孔、油孔以及螺纹底孔，可直接采用钻孔；6) 一些内螺纹在攻丝前，要先钻孔；18.扩孔、铰孔扩孔是用扩孔钻对工件上已有的孔进行扩大加工。常用作铰孔或磨床前的预加工扩孔以及毛坯孔的扩大，常作为孔的半精加工，在成批或大量生产时应用较广。扩孔的加工精度可达IT10-IT9，Ra可达6.3-3.2m。铰孔是应用普遍的孔的精加工方法之一，一般加工精度可达IT9-IT7，Ra可达1.6-0.4m。19.镗削加工对于直径较大的孔（一般孔径大于30mm），生产中常采用镗削来代替扩孔和铰孔。因为镗刀结构简单，价格比大直径的扩孔钻和铰刀便宜得多，并且轻便。镗孔的通用性好，可进行粗、半精、精加工，特别适用于加工批量零件。镗孔质量取决于机床精度。车床上镗孔：在车床上镗孔主要适用于回转体零件上的单孔和零件上的轴承孔的加工。镗床上镗孔：对于箱体类和支架类零件上的孔和孔系，常用镗床加工。镗床是一种主要用镗刀在工件上加工孔的机床。通常用于加工尺寸较大，精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上，孔距和位置精度要求较高的孔，如箱体上的孔。还可以铣平面、铣沟槽、钻孔、扩孔、铰孔等。主运动为镗刀的旋转运动，进给运动为镗刀或工件的移动 。镗床加工的工艺特点：1）镗床是加工机床座、箱体、支架等外形复杂的大型零件的主要设备；2）镗床的加工范围广泛，万能性强；3）能获得较高精度，镗孔的加工精度可达IT8IT7；表面粗糙度可控制在Ra1.6 0.8m；4）生产率较低，大批量生产中则需使用镗模，以提高生产率。20.刨削、插削和拉削加工刨削加工的工艺特点:1）刨床与刨刀结构简单，通用性好；2）刨床是直线往复运动的机床，主运动速度不能太高(因为滑枕换向时有大的惯性力)，加之只能单刀加工,且在反向运动时不加工, 所以生产率较低； 3）加工精度较低，一般可达IT9IT7；表面粗糙度Ra可控制在6.3 1.6m。在龙门刨床上用宽刃刨刀精刨时，表面粗糙度Ra达0.8 0.4m。拉削加工:在拉床上用拉刀加工工件的方法称为拉削，拉削加工是一种高生产率和高精度的加工方法。拉削加工的主运动是拉刀的直线运动，进给运动是依靠拉刀的后一个刀齿高出前一个刀齿实现的。刀齿的高出量称为齿升量af.拉削加工的工艺特点:1）生产率高；2）加工范围较广；3）加工精度较高，表面粗糙度较小；4）拉床结构简单，操作方便；5）拉刀寿命长。21.铣削加工铣削加工的切削用量： 1）铣削速度V （m/s）指铣刀最大直径处切削刃的线速度；2）进给量f，铣削时，进给量的表示方法有三种：每齿进给量fz（mm/齿）铣刀每转一齿，工件对铣刀的移动量；每转进给量fr（mm/r）铣刀每转一转，工件对铣刀的移动量； 每秒进给量fs（mm/s）铣刀每转一秒，工件对铣刀的移动量；3）铣削宽度ae （mm）指垂直于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸；4）铣削深度ap（mm）指平行于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。周铣法和端铣法的比较:1）端铣法的加工质量和生产效率比周铣高，在大批量生产中端铣比周铣用得多。在刀齿切入阶段，刀齿完全切入工件的过渡时间越短，刀齿受到的冲击越大。刀齿完全切入工件时间的长短与刀具的接触角有关，接触角越大，刀齿全部切入工件的过渡时间越长，刀齿受到的冲击就越小。端铣时，铣刀与工件的瞬时接触角较大，切削过程比较平稳，有利于提高加工质量；端铣时，铣刀的主切削刃担任主要切削工作，副切削刃进行修光，所以工件的表面粗糙度较小，表面质量较高；端铣刀可以镶装硬质合金刀片，可高速铣削，生产效率较高。2）周铣法可使用多种形式的铣刀，能铣槽、铣成形表面，并可在同一刀杆上安装几把刀具同时加工几个表面，适用性好，在生产中用得也比较多。铣削的工艺特点：1）同时参加切削的刀齿较多,生产率较高；2）刀刃的散热条件好；3）铣削时断续切削，冲击大，易产生振动，影响加工质量；4）铣削加工精度公差等级一般为IT9IT8；表面粗糙度Ra值一般为6.31.6m。22.砂轮磨粒、结合剂和空隙是构成砂轮的三要素砂轮特性：1）磨料，磨料是制造砂轮的主要原料，起切削作用。2）粒度，粒度是指磨料颗粒的大小。它分为磨粒与微粉。3）结合剂，结合剂是砂轮中用来粘结磨料的物质。4）硬度，砂轮硬度是指砂轮表面上的磨粒在外力作用下脱落的难易程度。5）形状与尺寸，根据机床类型与磨削加工的需要，砂轮制成各种标准的形状和尺寸。磨削的工艺特点：1）磨削是一种精加工方法，表面粗糙度低；2）径向分力Fy较大，工件易产生变形，影响尺寸和形状精度；3）砂轮具有自锐性；4）磨削温度高；5）可加工高硬度材料；6）加工工艺范围广泛。23.光整加工常用的光整加工方法有研磨、珩磨、超级光磨、抛光等。研磨特点：1）加工表面质量高，研磨外圆可获得很高的尺寸精度和极小的表面粗糙度以及较高的形状精度，但研磨不能提高位置精度；2）研磨的设备和研具简单、成本低、容易保证质量；3）研磨前加工面要进行良好的精加工，生产效率较低。（各种表面）珩磨是利用带有磨条的珩磨头对孔进行精整、光整加工的方法。珩磨的工艺特点：1）珩磨可提高孔的表面质量、尺寸精度和形状精度，但不能提高位置精度；2）珩磨的设备简单、成本低；3）珩磨有较高的生产率。（主要针对孔加工）超级光磨的工艺特点：1）超级光磨适用于轴类零件圆柱表面的光整加工；2）超级光磨能减小工件的表面粗糙度，但不能提高尺寸精度和形状位置精度，工件精度由前工序保证；3）设备简单、自动化程度较高、操作简便、生产效率高。（各种表面）抛光的工艺特点：1）抛光一般不能提高工件形状精度和尺寸精度，主要用于表面装饰加工及电镀前的预加工；2）可加工外圆、孔、平面，也可加工自由曲面。（各种表面）生产效率：研磨4、珩磨3、超级光磨2、抛光1.24.齿轮齿轮传动的精度要求：1）传递运动的准确性2）传递运动的平稳性3）载荷分布的均匀性4）齿轮副侧隙的合理性。铣齿加工的特点及应用：1）成形法铣齿加工的基本特点：铣刀切削部分剖面形状与被铣齿轮槽的剖面形状相符。2）刀具结构简单，加工成本低，但是加工精度和效率较低。（精度不高的原因是同一模数的铣刀只有8把，每号铣刀的刀齿轮廓只与该号铣刀规定的铣齿范围内最少齿数齿轮的理论轮廓相一致，其它齿数的齿轮只能获得近似的齿形。此外分度的误差也较大。）成形法铣齿主要用于单件、小批量生产和修配，用于制造低于8级精度的齿轮，齿面的表面粗糙度Ra值为6.33.2m。25.圆柱齿轮齿形的展成法加工插齿：是按一对圆柱齿轮相啮合的原理进行加工的。插齿需要下列四个运动： 插削主运动：指插削刀的上下往复直线运动。 范成运动：也叫分齿运动，插齿刀和齿坯的转速按一对齿轮的速比关系计算。 径向切入运动：指插齿刀每往复一次，径向移动的距离。 让刀运动：插齿刀向上运动（空行程）时，为了避免擦伤工件齿面和减少刀具磨损，刀具和工件之间应该让开，使之产生一定间隙，而在插齿刀向下开始工作行程之前，应迅速恢复到原位，以便刀具进行下一次切削。滚齿原理：滚齿就是用齿轮滚刀在滚齿机上加工齿轮的轮齿，实际上是按一对螺旋齿轮相啮合的原理进行加工的。 滚齿需要以下三个运动： 主运动：指滚齿刀的旋转运动。 范成运动：也叫分齿运动，滚齿刀和齿坯的转速按一对齿轮的速比关系计算。 垂直进给运动：为了切出齿全高，滚刀沿被切齿轮的轴线作垂直进给运动。 插齿和滚齿的特点及应用：1）插齿和滚齿的加工精度和生产率比成形法高，应用也最广泛。一般情况下，插齿和滚齿达78级（甚至6级）精度，而铣齿只能达到9级精度；2）插齿的齿面粗糙度较小；3）插齿的生产率高于铣齿，但低于滚齿；4）插齿和滚齿加工齿轮的齿数范围较大。26.圆柱齿轮齿形的精加工齿轮的精加工方法有剃齿、珩齿、磨齿、研齿等。剃齿是利用剃齿刀对未淬过火（HRC35以下）的直齿或斜齿圆柱齿轮进行精加工的一种方法，精度可达76级，表面粗糙度Ra值可达0.80.4m。珩齿是用珩磨轮在专用的珩齿机上对齿轮齿形进行精加工的一种方法。当齿轮的硬度超过 HRC35时，可用珩齿加工，精度可达6级，表面粗糙度Ra值可达0.40.2m。磨齿在专用的磨齿机上进行，主要是对淬硬齿轮齿面的精加工，可修整齿轮预加工的各项误差，其加工精度较高，一般可达63级，齿面的表面粗糙度Ra值可达0.40.2m。磨齿通常分为成形法磨齿和展成法磨齿两大类。27.产生加工误差的主要因素分为三个方面：1.工艺系统的几何误差，指机床、夹具、刀具的制造误差和磨损，尺寸链误差，机床传动的静态和动态调整误差，工件、夹具、刀具的安装误差；2.工艺系统力效应产生的误差，指工艺系统弹性及塑性变形产生的误差、工件的夹紧误差、离心力和传动力所引起的误差，残余应力引起的误差等；3.工艺系统热变形产生的误差，指机床、刀具以及工件热变形产生的误差。28.工艺系统的几何误差机床的几何误差是指在无切削负荷下，来自机床本身的制造误差、安装误差和磨损，主要包括主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。主轴的回转误差是主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量。主轴回转误差的三种基本形式：纯径向跳动：实际回转轴线始终平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动。轴向窜动：实际回转轴线始终沿理想回转轴线作等幅窜动。纯角度摆动：实际回转轴线与理想回转轴线始终成一倾角，在一个平面上作等幅摆动，且交点位置不变。不同形式的主轴回转误差对加工精度的影响是不同的；而同一类型的回转误差在不同的加工方式中的影响也不相同。提高机床主轴的回转精度的措施：选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。减少传动链误差对加工精度的影响的措施： 尽可能缩短传动链，减少传动元件数目；