机械加工工艺系统教学资料

第2章 机械加工工艺系统教学基本要求与目标1认识和理解机械加工工艺系统；2掌握工艺系统中的基本概念（主要是：工件、机床、刀具、夹具四部分。）。教学重点切削用量、刀具的参考系及其角度、工件的定位课时分配本章课时：讲课12学时2.1 零件表面的成形和运动（1.5学时）2.2 工件（0.5学时）2.3 金属切削机床（2学时）2.4 刀具（4学时）2.5 夹具概述（2学时） 单元测验（第1、2章内容）（2学时）授课方式以教师讲授为主，多媒体教学为辅习题与思考题P47习题与思考题2.1，2.2，2.3，2.4，2.12主要教学过程2.1 零件表面的成形和机械加工运动一、零件表面的形成回转体表面：是以直线为母线作旋转运动所形成的表面。成型方法：车削、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、内外圆磨削等。形成发生线的方法:（1）轨迹法（2）成形法（3）展成法（4）相切法二、机械加工的运动1、表面成形运动从几何的角度来分析，为保证得到工件表面的形状所需的运动，称为成形运动。根据工件表面形状和成形方法的不同，成形运动有以下类型：（1）简单成形运动：一个成形运动是由单独的旋转运动或直线运动构成的。（2）复合成形运动：一个成形运动，是由两个或两个以上旋转运动或直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成。从保证金属切削过程的实现和连续进行的角度看，成形运动可分为：（1）主运动：切除切屑所需的基本运动。3个特点：速度最快；消耗功率最大；唯一性。（通常只有一个主运动）。（2）进给运动：使金属层不断投入被切削的运动。3个特点：速度较慢；消耗功率较小；可以为一个或多个。（可以是连续的，也可以是断续的。）成形运动是机床最基本的运动。2、辅助运动除成形运动外，为完成机床工作循环，还需一些其它的辅助运动：（1）空行程运动 刀架、工作台的快速接近与退出工件等，可节省辅运动。（2）切入运动 保证被加工面获得所需尺寸，刀具相对互动式件表面的深入运动。（3）分度运动 使工件或刀具回转到所需要的角度。（4）操纵及控制运动 包括变速、换向、起停及工件的装夹等。常见机床的切削运动三、切削用量和切削层参数1、切削过程中工件上的表面正在加工的工件表面，根据其所处的状态分为：（1）待加工表面：即将进入切削加工的表面。（2）已加工表面：已经加工完成的表面。（3）加工表面（过渡表面）：切削刀具正在进行切削加工的表面。2、切削用量切削用量三要素：（1）切削速度vc：切削速度是主运动的线速度(m/s或m/min) 主运动为旋转运动 vc =d n/1000 往复运动 vc = 2Lnr /1000（2）进给量：刀具相对工件沿进给方向移动的距离。1）进给速度vf（mm/min）进给速度 vf = n f = n fz z （mm/s 或 mm/min)2）进给量f（mm/r）3）每齿进给量fz（mm/z）（3）背吃刀量（切削深度）ap（mm）：已加工表面与待加工表面间的距离。 车削外圆时 ap = (dw-dm)/2 钻孔时 ap = dm/2 2.2 工件一、概述工件是机械加工过程中被加工对象的总称，任何一个工件都经过由毛坯到成品的过程。1、工件的毛坯毛坯是工件的基础，毛坯的种类和质量对机械加工的质量有很大影响。2、工件表面的构成工件的表面一般由多种几何形状构成。3、工件的质量要求工件质量包括加工精度和表面质量两方面。加工精度指工件加工后的几何参数（尺寸、形状和位置）与规定的理想零件的几何参数符合的程度，符合程度越高，加工精度也越高。工件是机械加工工艺系统的核心。二、工件的安装和基准工件在夹具上定位和夹紧的过程称为安装。常用的安装方法有直接找正定位的安装、按划线找正的安装、用夹具找正的安装。为了保证工件的正确安装，必须在工件上选定合理的安装定位基准。基准就是工件上用来确定其他点、线、面的位置的那些点、线、面。一般用中心线、对称线或平面来做基准。基准分为设计基准和工艺基准两大类。 (一)设计基准在零件图上用以确定其它点、线、面的基准，称为设计基准。 (二)工艺基准零件在加工、测量、装配等工艺过程中使用的基准统称工艺基准。工艺基准又可分为：1装配基准 在零件或部件装配时用以确定它在机器中相对位置的基准。2测量基准 用以测量工件已加工表面所依据的基准。例如以内孔定位用百（千）分表测量外圆表面的径向跳动，则内孔就是测量外圆表面径向跳动的测量基准。3工序基准 在工序图中用以确定被加工表面位置所依据的基准。所标注的加工面的位置尺寸称工序尺寸。工序基准也可以看作工序图中的设计基准。图3-1 所示为钻孔工序的工序图，图a、b分别表示两种不同的工序基准和相应的工序尺寸。4定位基准 用以确定工件在机床上或夹具中正确位置所依据的基准。作为基准的点、线、面有时在工件上并不一定实际存在（如孔和轴的轴线、某两面之间的对称中心面等），在定位时是通过有关具体表面起定位作用的，这些表面称定位基面。例如在车床上用顶尖拨盘安装一根长轴，实际的定位表面（基面）是顶尖的锥面，但它体现的定位基准是这根长轴的轴线。因此，选择定位基准，实际上既选择恰当的定位基面。2.3 金属切削机床一、机床概述1、机床的作用和特点金属切削机床是用切削加工的方法将金属毛坯加工成机器零件的工艺装置，它提供刀具与工件之间的相对运动，提供加工过程中所需的动力，经济地完成一定的机械加工工艺。2、机床的构成及布局（图2-5，P26）机床由传动装置、动力装置、执行机构、辅助机构和控制系统联合在一起，形成统一的工艺综合体。它包括以下几部分：（1）支承及定位部分（2）运动部分（3）动力部分（4）控制部分机床的布局是指合理安排机床各组成部件的位置以及相对于被加工零件的位置。从便于维护、工作安全、机床零部件调整、更换和修理迅速而方便、易于排屑及易于观察加工过程等几方面考虑，有如下几种布局：（1）刀具布置在被加工零件的前面或后面；（2）刀具布置在工件的侧面；（3）刀具布置在工件的上方；（4）刀具相对于工件扇形布置。3、机床的分类和型号编制按通用性程度分为：（1）通用机床即万能机床（2）专门化机床（3）专用机床按机床重量分为：轻型机床、中型机床、重型机床。按加工精度分为：普通精度级、精密和超精密级机床。按自动化程度分为：手动、机动、半自动化和自动化机床。二、机床的传动系统和传动原理传动系统是一台机床运动的核心，它决定机床的运动和功能。机床的传动系统就是各种运动的传动链综合。图2-3卧式车床传动原理图实现有级变速方式有两类传动机构：一类是传动比和传动方向固定不变的定传动比传动机构；另一类是可变换传动比和传动方向的传动机构。传动装置把运动源的运动和动力传给执行件，并完成运动形式、方向、运动量的转换等工作，从而在运动源和执行件间建立起运动联系，使执行件获得所需运动。三、数控机床概述1、数控机床的定义数控机床是指采用数字形式信息控制的机床。2、数控机床的组成及分类数控机床的基本组成包括加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统、辅助控制装置、反馈装置和机床本体。数控机床一般按以下几种方法分类：（1）按工艺用途分1）普通数控机床2）数控加工中心机床（2）按运动轨迹分1）点位控制数控机床2）点位直线控制数控机床3）轮廓控制数控机床（3）按伺服系统的控制方式分1）开环控制数控机床2）闭环控制数控机床3）半闭环控制数控机床（4）其他类型数控机床1）金属塑性成形类数控机床2）特种加工数控机床3、数控机床的加工特点（1）数控机床能提高生产效率35倍，使用数控加工中心机床则可提高生产率510倍；（2）数控机床可以获得比机床本身精度还高的加工精度；（3）可加工复杂形状零件，且不需专用夹具；（4）可实现一机多用，减轻劳动强度且节省厂房面积；（5）有利于向计算机控制和管理方面发展，有利于机械加工综合自动化的发展；（6）数控机床初期投资及维修技术等费用较高，要求管理及操作人员的素质也较高。2.4 刀具一、刀具的类型金属切削刀具是完成切削加工的重要工具，它直接参与切削过程，从工件上切除多余的金属层。根据用途和加工方法不同，刀具有如下几大类（P31）：（1）切刀类（2）孔加工刀具（3）拉刀类（4）铣刀类（5）螺纹刀具（6）齿轮刀具（7）磨具类（8）组合刀具、自动线刀具（9）数控机床刀具（10）特种加工刀具二、刀具的结构及几何参数金属切削刀具包含刀柄和切削部分，刀柄是指刀具上的夹持部分，切削部分是刀具上直接参加切削工作的部分。各类金属切削刀具切削部分的形状和几何参数，都可由外圆车刀切削部分演变而来，因此，我们以外圆车刀为例研究金属切削刀具的几何参数。1、刀具切削部分的组成刀具切削部分由刀面、切削刃构成。1前面（前刀面）A刀具上切屑流过的表面。 2后面（后刀面）A与工件上过渡表面相对的表面。3副后面（副后刀面）A/与已加工表面相对的表面。4主切削刃S前刀面与后刀面的交线。它承担主要切削任务。5副切削刃S/切削刃上除主切削刃以外刀刃，它承担部分切削任务。 6刀尖 主、副切削刃汇交的一小段切削刃。前刀面Ar 主切削刃S主后面Aa 刀尖副后面Aa 副切削刃S2、刀具的几何参数为了便于设计时在图样上标注和制造以及刃磨时测量刀具的几何角度，需要假定三个辅助平面，即基面、切削平面和正交平面，它们构成刀具静止参考系，如图2-5 所示：正交平面 Po： Ps P基面P： PVc 刀具安装面（车刀）切削平面Ps: 与 S相切 且P假定主运动方向Vc主切削刃上选定点图2-5 刀具静止参考系刀具的静止参考系（PrPsPo系正交平面参照系）1）正交平面参考系及标注几何参数（1）静止参照系的假设条件：假定运动条件：进给量f=0；假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高；刀杆方向与进给方向垂直。（2）辅助平面：切削平面Ps：过切削刃上一点，与加工表面相切的平面。基面Pr：过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。正交平面Po（主剖面）：过切削刃上同一点，与切削平 和基面相垂直的平面。刀具的标注角度是指静止状态下，在工程图上标注的刀具角度。（下面以车刀为例介绍刀具的标注角度）A、刀具标注前角0：在正交平面内测量的，前刀面与基面的夹角。正负判断：前面于切削平面夹角小于90为正，反之为负。前角的作用：前角 切屑变形切削力刃口强度前刀面磨损 导热体积。刀具前角的选用：加工塑性材料选大前角，加工脆性材料、断续切削选小前角，加工硬材料选用负前角。B、刀具标注后角0：在正交平面内测量的，后刀面与切削面的夹角。正负判断：后面与基面夹角小于90为正，反之为负。后角的作用：后角 后刀面与加工表面间的摩擦 后刀面磨损 刃口强度 导热体积刀具后角的选用：粗加工选小后角，精加工选大后角，选大前角时选小后角以增大刃口强度。C、主偏角Kr：在基面内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。D、副偏角Kr：在基面内测量的，副切削刃与进给反方向的夹角。主偏角的作用：主偏角 切削刃工作长度 刀尖强度 导热体积 径向分力。刀具主偏角的选用：一般为3075，加工细长工件采用9093。副偏角的作用：副偏角 副后面与工件已加工表面摩擦 刀尖强度 表面粗糙度。刀具副偏角的选用：一般为520，特殊要求可采用Kr=0的修光刃。常用车刀主偏角形式E、刃倾角S：在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。刀尖位于主切削刃最高点为正，反之为为负或为零。刃倾角的作用：（1）影响排屑方向： S 0 排向待加工表面； S 0 排向已加工表面； S =0 前刀面上卷曲。（2）影响切入切出的稳定性；（3）影响背向分力大小。刀具刃倾角的选用：精加工取S0 粗加工取S 0 加工细长工件采用S0 刃倾角对排屑方向的影响F、副后角0：过副切削刃上选定点，在副正交平面内测量的副后刀面和副切削平面之间的夹角。外圆车刀正交平面参考系的角度标注刀具角度的选择原则：粗加工塑性材料时，选择大前角0，小后角0，小主偏角Kr，较小或负的刃倾角s；加工脆性材料时可适当减小前角0；加工高硬度难加工材料时，采用负前角(00)。精加工时，一般选择较大后角0，较小的前角0，非负的刃倾角（s0），加工细长轴时选择大主偏角Kr。 2）工作参考系及几何参数刀具标注角度都是在假定运动条件和假定安装条件下定义的，如果考虑合成运动和实际安装情况，则刀具的参考系将发生变化，刀具角度也发生了变化。按照刀具工作中的实际情况，在刀具工作角度参考系中确定的角度称为刀具工作角度。多数情况下，不必进行工作角度的计算，只有在进给运动和刀具安装对工作角度产生较大影响时，需考虑工作角度 。进给运动对工作角度的影响；刀具安装高低对工作角度的影响；刀杆中心线与进给方向不垂直时对工作角度的影响。三、刀具材料1、刀具材料应具备的性能（P38）（1）高硬度 高耐磨性；（2）足够的强度和韧性；（3）高耐热性；（4）导热性和耐热冲击性；（5）抗粘结性；（6）化学稳定性；（7）良好的工艺性和经济性。七个基本性能相互联系，又相互制约，应根据具体加工条件，抓主要性能，兼顾其它。2、几种常见的刀具材料常用刀具材料的种类及应用类型硬度强度韧性耐热耐磨工艺应用高速钢通用性高速钢低高高低好差低高差好切削加工、热处理、刃磨手动工具高性能高速钢低速工具粉末冶金高速钢复杂刀具硬质合金钨钴类(YG)K粉末冶金烧结刃磨脆性金属通用类(YW)M通用钨钛钴(YT)P塑性金属非金属陶瓷烧结连续切塑性材料立方氮化硼结晶精密加工金刚石结晶精密加工目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。（一）碳素工具钢碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.651.35%）。1、常用牌号 T7A、T8AT13A 其中T碳，A高级优质碳素工具钢。2、主要性能淬火后硬度较高，可达HRC6165；红硬性为200250，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度Vc10m/min，只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉刀等；优点：易刃磨，可获得锋利的刀刃。 （二）合金工具钢在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。1、主要牌号9SiCr：9表示平均含C量为0.90%，Si、Cr平均含量均小于1.5%；CrWMn：平均含C量大于1.0%，Cr、W、Mn平均含量均小于1.5%。2、主要性能淬火后的硬度可达HRC6165，红硬性为300400，允许切削速度Vc=1015m/min,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。（三）高速钢高速钢是一种高合金工具钢，钢中含有W、Mo、Cr、V等合金元素，这些合金元素的含量较高，主要改变以往工具钢的性能。一)高速钢的性能1、具有高的强度和韧性；2、良好的耐磨性，6366HRC (加入V元素的作用)；3、红硬性为600（加入W元素的作用）；4、允许切削速度Vc=2530m/min； 高速钢经过适当热处理，可获得良好的切削性能。用高速钢制成的刀具，在切削时显得比一般低合金工具钢刀具更加锋利，因此又俗称锋钢。高速钢区别于其他一般工具钢的主要特性是它具有良好的热硬性（红硬性），当切削温度高达600左右时硬度仍无明显下降，能以比合金工具钢更高的切削速度进行切削，高速钢由此而得名。5、具有良好的制造工艺性；高速钢能锻造，易刃磨，能制造形状复杂的及大型成形刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具、整体铣刀盘等都用高速钢。高速钢的焊接、韧性、热处理性能好。6、可获得锋利的刀刃（锋钢之称）；7、加工范围较大：铸铁、有色金属、钢（指正火状态下，淬火状态不能加工）。二）高速钢的分类高速钢按用途来分可分为普通高速钢和高性能高速钢；按化学成分可分为钨系、钨钼系和钼系等；按制造工艺不同，分为冶炼高速钢和粉末冶金高速钢。1、普通高速钢：工艺性好，可满足一般工程材料的切削加工。又可分为： 2、高性能高速钢通过调整基本化学成分和添加其他合金元素，使其性能比普通高速钢提高一步，可用于切削高强度钢，高温合金、钛合金等难加工材料。分类： 3、粉末冶金高速钢（四）硬质合金指有高硬度、高熔点的碳化物，用金属粘结剂，经过高压成形，在500的高温下烧结而成的材料为硬质合金。（粉末冶金方法*）。组成：硬质相（TiC或WC）+ 粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）。一）主要性能1、常温硬度7481.5HRC，红硬性为8001000，耐磨性优良。2、允许切削速度Vc=100m/min以上，最高不能超过200m/min。硬质合金刀具的切削速度比高速钢提高47倍，刀具寿命可提高580倍。有的金属材料如奥氏体耐热钢和不锈钢等用高速钢无法切削加工，若用含WC的硬质合金就可以切削加工，硬质合金还可加工硬度在HRC50左右的硬质材料。3、脆性较大，怕冲击和振动。容易出现崩刃，因此注意加工条件。4、制造工艺性差。由于硬度太高，不能进行机械加工，因而硬质合金经常制成一定规格的刀片，焊在刀体上使用。如硬质合金端铣刀（非整体式的）。5、加工范围较广。脆性材料、钢材、有色金属等均可加工。二）分类硬质合金分为： 1、钨钛钴类硬质合金（YT）（1）组成：硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）（2）常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC的百分含量）（3）应用：YT5（粗加工） YT14、YT15（半精加工） YT30（精加工） TiC含量 硬度 耐磨性 脆性 韧性 TiC含量 硬度 耐磨性 脆性 韧性 主要用于加工钢材及有色金属，一般不用于加工含Ti的材料，如1Cr15Ni9Ti，Ti与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。2、钨钴类硬质合金（YG）（1）组成：WC+Co（2）常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）当Co的含量较多时，WC的含量较小时，则硬度较低，韧性和强度提高，硬度下降，耐磨性降低；反之，韧性和强度下降，硬度提高，耐磨性、耐热性提高。（3）应用： YG3（精加工） YG6（半精加工） YG8（粗加工） Co的含量 韧性 强度 HRC 耐磨性 Co的含量 韧性 强度 HRC 耐磨性 脆性主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640时发生严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。为了适应各种加工情况的需要，在含Co量相同的情况下，按WC粉末的不同粒度分为粗晶粒（YG3C）、细晶粒（YG3X）、中间晶粒（YG3）。一般硬质合金为中间晶粒。3、添加稀有金属硬质合金钨钽（铌）钴类硬质合金（YA）和钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW），是在钨钴钛类硬质合金（YT）中加入TaC(NbC)，可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。4、碳化钛基硬质合金（YN）这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和粗加工。5、涂层硬质合金的选用*涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅射等方法，对硬质合金表面涂层厚度为512m的涂层材料以提高刀具的抗磨损能力。涂层材料为TiC、TiN、Al2O3等。适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工。三、其他刀具材料1、陶瓷材料主要是以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等为主要成分，经压制成型后烧结而成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加工中。但由于其强度低，韧性差，长期以来主要用于精加工。近几年来采用先进的工艺，使其抗弯强度、抗冲击性能有很大的提高，应用范围在日益扩大。除适于一般的精加工和半精加工外，还可用于冲击负荷下的粗加工。陶瓷刀具和传统硬质合金刀具相比，具有以下优点：1）可加工硬度高达HRC65的高硬度难加工材料；2）可用于扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削；3）耐用度提高几倍至几十倍；4）切削效率提高310倍，可实现以车、铣代磨。2、立方氮化硼它是70年代才发展起来的一种人工合成的新型刀具材料。它是立方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成的。其硬度很高，可达80009000HV,仅次于金刚石，并具有很好的热稳定性，可承受1000以上的切削温度，它的最大的优点是在高温12001300时也不会与铁族金属起反应。因此既能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。3、金刚石分为人造和天然两种，是目前已知最硬的，硬度约为HV10000,故其耐磨性好，不足之处是抗弯强度和韧性差，对铁的亲和作用大，故金刚石刀具不能加工黑色金属，在800时，金刚石中的碳与铁族金属发生扩散反应，刀具急剧磨损。金刚石价格昂贵，刃磨困难，应用较少。主要用作磨具及磨料，有时用于修整砂轮。4、涂层刀具涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅射等方法，对硬质合金表面涂层厚度为512m的涂层材料以提高刀具的抗磨损能力。涂层材料为TiC、TiN、Al2O3等。适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工2.5 夹具概述一、夹具概念及构成在机械制造中，为完成需要的加工工序、装配工序及检验工序等，使用着大量的夹具。利用夹具，可以提高劳动生产率，提高加工精度，减少废品；可以扩大机床的工艺范围，改善操作的劳动条件。因此，夹具是机械制造中的一项重要的工艺装备。机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。夹具由以下几部分构成：1、定位夹紧装置；2、对刀、引导元件；3、联接元件4、夹具