【精品实用】机械工程概论实验指导书

机 械 工 程 概 论 实 验 指 导 书 江苏大学工业中心机制实验室 二 0 0 五 年 一 月 2 机械认识与参观实验指导书 切削原理、刀具、夹具现场教学 一 实验目的 通过现场讲解和观察各种模型，使学生初步了解机械工程基础中各个基本知识点，为今后进入专业基础课和专业课的学习提供工程感性认识，也使学生初步认识到各门课程之间学习内容的相关性和系统性。 二 实验教具 包含切削原理、刀具、夹具模型的陈列柜共 13个。 三 实验内容 本实验内容主要按照现有陈列柜 摆放顺序和参观路线进行编写。 【第 1个陈列柜】 一 车床刀具及车削运动 1、 常用车刀 1） 45偏刀：主要用于加工轴类工件的外圆、端面和倒角。 2） 螺纹车刀：根据刀头形状，主要加工各种螺距的三角形、梯形等外螺纹。 3） 割断刀：用于切断轴类工件。 4） 成形刀：根据成形面设计刀刃几何形状。 5） 90偏刀：主要用于加工轴类工件的外圆、轴肩等。 6） 75偏刀：主要用于加工轴类工件的外圆、端面和倒角。 7） 可转位车刀：一处刀刃磨损，通过转位，利用另外一处刀刃完成加工。 8） 镗刀：主要用于精加工内孔，包括盲孔。 2、 切削分力分析示意模型 1) 切削加工时 ，工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力，称为切削力。 2）切削力来源：一是三个变形区产生的弹性和塑性变形抗力；二是切屑、工件与刀具之间的摩擦力。 3 3）根据测量和计算的需要，通常把切削力按照主运动速度方向、切深方向和进给方向分解成三个相互垂直的分力，分别是切向力 向力 x。 4) 其中，切向力 三个分力中最大的一个力，它消耗了切削总功率的 95左右，是设计与使用刀具的主要依据。 3、 主平面、辅助平面判断示意模型 1）主平面指刀具自身具有的几何面，比如车刀的前刀面、后刀面和 副后刀面。 2）为了便于确定刀具上的各个几何角度，人为规定了多个辅助平面，比如基面、主切削平面、副切削平面和主剖面等。 3）刀具的角度包括标注角度、工作角度和刃磨角度。 4、 切屑流出与刀刃几何角度关系 1） 在现代切削加工中，控制切屑形状和流出方向对正常生产和人身安全具有重要的影响。 2） 切屑流向工件方向，人身较安全，但容易影响已加工表面的粗糙度；反之，切削背离工件流出，结果相反。 3） 切屑的形状主要取决于刀具的前角、主偏角，切屑的流出方向取决于刃倾角的大小和正负值。 5、 车刀的各种类型 1） 成 形刀：根据加工的成形面设计刀刃的几何形状。 2） 切断刀：割断轴类工件。 3） 滚花刀：外圆表面滚花，有直纹、花纹等形状，常用于把手类工件。 二 刨削刀具及用途 1、 滚齿刀：通常在滚齿机上批量加工各种模数的渐开线形状的齿轮。 2、 插床插刀： 比较适合于在插床上加工内孔键槽、内方孔等。 3、 插齿机用插齿刀：比较适合于加工双联或多联齿轮的批量生产。 4、 刨刀：根据工件形状和工艺要求，设计各种类型刀口的刨刀。 5、 刨刀加工用途示例： 1） 刨削单侧燕尾槽 2） 刨削台阶斜面 3） 刨削大斜面 4 4） 刨削双燕尾槽 5） 刨削 【第 2个陈列柜】 一 钳工刀具及应用 1、 麻花钻切削平面角度标注 可以参照车刀几何角度的标注，认为麻花钻切削部分类似由两把车刀和一条横刃组成。初步认识其螺旋角、锋角、主偏角、前角、后角和端面刃倾角等。 2、 钻头各种类型 所有钻头都由切削部分、导向部分、颈部和连接柄部组成，根据结构和用途不同，可分为扁钻、麻花钻、深孔钻和中心钻，为提高加工效率和特殊孔的需要，常改进为多级钻和群钻。 3、 扩孔钻：半精加工孔或者作为铰孔的预加工孔。 4、 丝锥：加工内螺纹的标准刀具，有手用丝锥和机用丝锥。 5、 板牙：常用于加工普通 外螺纹和圆锥外螺纹。 6、 铰刀 ： 1） 作用：可以用作孔的精加工，也可用于磨孔或研孔前的预加工。 2） 分类：包括直柄铰刀、锥柄铰刀、可调节手用铰刀、机用铰刀、硬质合金机用铰刀、各种锥度铰刀。 7、 钳工用錾子 ： 1） 作用：錾削是用手锤打击錾子对金属工件进行切削加工的方法，用于去除凸缘、毛刺、分割材料、錾油槽等。 2） 分类：包括扁錾、尖錾和油槽錾。 8、 钳工用刮刀： 1） 作用：刮削是对工件表面去除很薄一层金属的方法，常用于加工机床导轨面、重要工件的接触面，可以达到很高的尺寸精度和形位精度。 2） 分类：包括三角刮刀、平口刮刀和曲面刮刀。 9、 锪钻：常 用在钻床和车床上，加工沉孔、锥孔、凸台面等 10、 拉刀：在拉床上用来加工各种形状的通孔，适于批量生产。 二 铣削刀具及应用 铣刀是刀齿分布在旋转表面上或断面上的多刃刀具。铣刀 5 的种类很多，常见的有以下类型： 1、 端铣刀：常用于高速铣削大平面，加工效率高，分焊接式和机夹式。 2、 3、 指状铣刀：常用于模具加工。 4、 平面铣刀：也称圆柱铣刀，加工大的平面。 5、 铲齿成形铣刀 6、 铣燕尾槽专用刀 7、 立铣刀：加工小平面。 8、 键槽铣刀：加工轴类键槽。 9、 锯片铣刀：常用于铣削小沟槽或切断工件。 10、 三面刃铣刀：包括整体式和镶片式。 三 铣 削加工示例 铣刀是一种多齿刀具，同时参加切削的齿数较多，适宜切削平面、阶台面、沟槽、成形表面及切断等，效率较高。 铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀，它的切削基本规律与车削相似，但铣削是断续切削，切削厚度和切削面积随时变化，所以铣削具有特殊的规律。 1、 铣凸圆弧台阶 2、 铣凹圆弧 3、 铣侧平面 【第 3个陈列柜】 一 磨具及其加工 为了适应在不同类型的磨床上磨削各种形状和尺寸的工件的需要，砂轮有许多形状和尺寸，常见的有以下几种： 1、 平形砂轮：主要可 以磨削外圆、内孔、无心磨等。 2、 双斜边砂轮：主要可以磨削齿轮和螺纹。 3、 小角度单斜边砂轮：主要磨削刀具角度用。 4、 单斜边砂轮：主要磨削刀具角度用。 5、 单面凹砂轮：可以磨削外圆、内孔、平面。 6、 双面凹砂轮：可以磨削外圆，无心磨的砂轮和导轮，刃磨车刀后刀面。 7、 薄片砂轮：主要用于切断和开槽。 6 8、 蝶形砂轮：主要刃磨刀具前刀面。 9、 双面凹带锥砂轮：主要磨削外圆兼磨两端肩部。 10、 筒形砂轮：用于立式平面磨床上。 11、 碗形砂轮：刃磨刀具或用在导轨磨上磨削机床导轨。 12、 蝶形砂轮：用于刃磨刀具的刀面，也可磨削齿轮的齿面。 13、 磨园角轴肩砂轮 14、 圆形磨头 15、 三阶梯砂轮 16、 杯形砂轮：常用于磨削刀具的后刀面。 17、 砂瓦类型： 1） 双弧面砂瓦 2） 扇形砂瓦 3） 弧面砂瓦 4） 梯形砂瓦 二 砂轮磨削的运用 磨削是机械加工中仅次于车削的常用的一种切削方法，应用范围很广，用于磨削刀具难于切削的高硬、超硬材料；能磨削外圆、内孔、平面、螺纹、齿轮、花键、导轨和成形面等各种表面，实现精加工或超精加工。 1、 磨削成形凹形槽 2、 磨削内孔 3、 磨削花键 4、 磨削外圆 5、 磨削平面 【第 4个陈列柜子】 一 机床常用附件夹具 机床附件一般 作为标准配置，在单件、小批生产和修配中具有实用意义。 1、 莫氏锥套 作为机床和刀具的连接，已经标准化，常有莫氏 1 、 2 、 3 、 4 、 5 锥套。 2、 顶尖： 顶尖是机床上直接与工件接触的定位件，常用于装夹轴类零 7 件，保证同轴度要求，死顶尖与主轴锥孔、尾座套筒皆以莫氏圆锥牢固连接，没有丝毫可动的缝隙。常用的死顶尖有： 1） 圆球顶尖 2） 死顶尖 90 3） 大头顶尖（短锥面） 4） 大头顶尖（长锥面） 3、 活动顶尖 活动顶尖在自身结构间隙内可动，还不影响工件加工精度，适合与高速加工，但定位精度和刚性不如死顶尖。 4、 钻夹头 可以夹持直柄钻头、直柄立铣 刀、直柄键槽铣刀等。 5、 内球面顶尖：通过和外球面接触来支承工件。 6、 平面顶尖：通过和端面接触来支承工件。 7、 台虎钳 1） 工作原理：通过丝杆螺母机构，改变固定钳口和移动钳口的距离，可以夹持不同厚度的工件。 2） 用途：一般安装在钳工工作台上，用来夹持工件进行锯料、修锉、錾削、攻丝等钳工工作。 8、 四爪卡盘 1） 工作原理：通过四个各不相关的卡爪，每个爪后面有一半瓣内螺纹与丝杆啮合，丝杆一端有一方孔，用来安放扳手。 2） 优点：可以夹持椭圆形、方形等异形工件并对其找正。 3） 缺点：找正麻烦、费时。 二 铣削用途 铣削加工是在铣床上利用 铣刀对工件进行切削加工，铣刀是一种多刃刀具，同时参加切削的刀刃总长度较长，切削时刀具作旋转运动，可以使用较高的切削速度，铣削也是金属切削加工的主要方法，可以进行以下加工： 1、 铣沟槽 2、 铣台阶面 3、 铣齿轮 4、 铣圆弧槽 5、 铣特形面 6、 铣 7、 铣螺旋槽 8、 铣轴类键槽 9、 切断工件 8 10、 铣 11、 双刀组合铣台阶 12、铣燕尾槽 【第 5个陈列柜】 一 平面加工方法 1、 平面铣刀 2、 用 45车刀车削端面 3、 用 90车刀车削端面 4、 铣削平面 5、 横向磨削法 6、 纵向磨削法 7、 台阶磨削 8、 砂 带磨削 9、 刨削垂直面 10、 刨削平面 11、 刨削斜面 12、 刨沟槽 二 外圆和内孔加工法 1、 车削圆柱面 2、 车削圆锥面 3、 切断刀割断工件 4、 铰刀加工孔 5、 磨削外圆 6、 无心磨床磨削轴类 7、 磨削成形面 8、 磨削花键 9、 拉刀拉内花键 10、 铰刀加工内孔 11、 镗内孔 【第 6个陈列柜】 9 一 螺纹类型 螺纹从功能和用途来分有联结螺纹与传动螺纹之分；有左旋、右旋之分；有粗、细牙之分；有单线螺纹和多线螺纹之分；从牙型剖面形状分有以下类型： 1、 三角螺纹 2、 锯齿螺纹 3、 圆锥螺纹 4、 管螺纹 5、 梯形螺纹 6、 方牙螺纹 7、 滚珠螺 纹 二 螺纹加工法 联接螺纹应用面广量大，以三角牙形小螺距为主，一般精度不高，但要求有较高生产率。使用的刀具有丝锥、板牙、螺纹滚压工具以及车刀、梳刀等。传动螺纹以梯形大螺距为主，一般精度要求较高，使用的刀具有车刀、旋风铣刀盘、盘形铣刀、拉式丝锥等，也可用滚压工艺冷挤成形。 1、 搓丝法 2、 滚丝 3、 板牙套丝 4、 丝锥加工内螺纹 5、 板牙加工外螺纹 6、 磨削螺纹 7、 车削蜗杆 8、 旋风法切削螺纹 三 零件加工方法 1、 磨削内孔 2、 在立式磨床进行多件磨削 3、 在卧式磨床进行多件磨削 4、 在立式磨床上磨削平面 5、 在卧式磨床上磨削平面 6、 磨削外圆弧面多件磨削 7、 车外螺纹机床模型 10 【第 7个陈列柜】 一 切削原理模型 1、车刀的三个辅助平面 刀具角度是确定刀头几何形状与切削性能的重要参数，确定刀具角度需要选择合理的参考坐标系，而刀具坐标系平面是以刀具结构为基础，需要考虑刀具的安装定位面及假定的切削运动方向。而常用的主剖面系坐标是由以下三个平面组成的： 1） 切削平面 2） 基面 3） 主剖面（正交平面） 2、切削力的分解模型 根据测量和计算的需要，通常把切削力按照主运动速度方向、切深方向和进给方向分解成 三个相互垂直的分力，分别是切向力向力 x。 1） ） ） 、积屑瘤 1）形成原因：在切削塑性金属材料时，在切削速度不高时常有一些从切屑和工件上带来的金属“冷焊”在前刀面上，靠近切削刃处形成一个堆积的小楔块。 2）产生后果：当积屑瘤长大到突出于切削刃之外时，改变了切削几何角度，影响已加工表面，并且一般情况下，积屑瘤不稳定，容易断裂和脱落，使切削过程变得不稳定。 2）影响因素：影响积屑瘤的主要因素有工件材料、切削速度、进给量、前角、冷却液等。 4、车削外圆的方法 5、常用车刀类型（前面 已介绍） 6、刃倾角的类型 1） 正 2） 负 3） 零 刃倾角可以认为是切削平面中测量的前刀面与基面的夹角，即把刃倾角当作切削平面中的前角，判断方法：观察刀尖和切削刃上任意一点到车刀底面距离，刀尖处于最高点，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负。 11 7、刃倾角对切屑流出方向的影响 在负刃倾角影响下，致使切屑流向已加工表面；在正刃倾角影响下，会使切削流向待加工表面。 8、切屑形状 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： a) 粒状 b) 节状 c) 带状 d) 崩碎状 不同切屑形状会影响切削的效果。 二 轴类零件加工原理 1、 常见轴的分类 1） 曲轴 2） 轴上铣键槽 3） 传动轴 4） 光轴：有 5个常见类型 5） 齿轮轴 6） 卷筒轴 7） 花键轴 8） 输出轴 9） 磨床主轴 10） 机床主轴 11） 带有多处键槽的传动轴 2、 阶梯轴常见加工工序： 1） 下料：锻坯或棒料 2） 车外圆，端面打中心孔 3） 车出其它外圆 4） 铣键槽 5） 热处理 6） 磨外圆 7） 倒角、去毛刺 【第 8个陈列柜】 12 一 齿轮加工方法 1、常见工序 i. 制造毛坯：模锻或直接锯棒料； 车毛坯 钻孔 拉内花键 v. 精车内孔 铣齿 插齿：常用于加工双联齿轮 齿形端面倒角 在滚齿机飞刀 10）装配内花键 2、其它说明 二 分离式箱体加工方法 分离式箱体的结构较复杂，加工表面多，其主要加工表面是平面和孔。通常平面的加工精度较易保证，而精度较高的支承孔以及孔与孔之间、孔与平面之间的相互位置精度则较难保证，成为加工中的关键工序。 1、 主要工序 1）铸造箱体：分别制造出箱盖、底座木模，造型，浇注，清砂，时效处理； 2）箱体划线 3）粗刨 4）精刨 5）刨平分合面 6）钻孔 7）合箱，镗轴承孔 8）箱座底面钻连接孔 9）箱体上所有的螺纹孔 10）清 洗、检验，主要项目：外观、粗糙度、孔尺寸、分合面的几何精度、孔系尺寸及其位置精度； 11） 装配 【第 9个陈列柜】 13 一 机床夹具及其用途 夹具是保证在机床上与刀具间正确的相对位置，由于工件未安装前已预先调整好，所以在加工一批工件时，不必再逐个找正定位，就能保证加工的技术要求，在成批和大量生产中广泛使用。 夹具在机械加工中的作用主要有：一是保证加工精度，降低工人等级；二是提高劳动生产率和降低加工成本；三是扩大机床工艺范围。 夹具有夹具体、 定位元件、夹具元件、引导元件、分度元件等组成。 夹具按照夹具的应用范围，可分为：通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和成组夹具等；如果按照所配机床名称，可以分为：钻床夹具、车床夹具、铣床夹具、磨床夹具等等。以下为常见的夹具模型： 1、钻床夹具 1） 定位方法 2） 钻模板 3） 压紧方法 4） 钻套 2、车床改拉床的模型 3、车床夹具 二 工件定位的基本要求 1、 工件的六点定位原则 工件定位的目的是使工件在机床上占有正确位置，也就是使它相对于刀具刀刃有正确的相对位置。任一个刚体如果没有任何约束，在空间有六个自由度，要使工件在机床上完全定位，就必须限制它在空间的这六个自由度，这就是工件的“六点定位原则”。 2、 支承钉 常作为工件平面定位的三点支承或侧面支承，其结构形式有平头 A、圆头 B、网纹顶面 3、 支承板 A B C 支承板多用于工件上已加工平面的定位。一般说来，支承钉用于较小平面，支承板用于较大平面，有时可以用一个支承板代替二个支承钉。支承板的结构形式有 A 、 B、 14 4、 平面零件的定位方式 常采用支承钉、支承板来限制工件的自由度。 5、 轴类零件的定位，以铣键槽为例 6、 圆柱体定位方法 工件以外圆定位，常采用 孔或半圆孔、自动定心机构（如三爪卡盘、弹簧夹套等） 【第 10个陈列柜】 一 工件的夹紧方法 机械加工中，工件的定位和夹紧是相互联系的两个工作过程，工件完成正确定位后，必须采用一定的装置将其压紧夹牢，防止在加工过程中由于重力、切削力和离心力等外力的作用而产生位移或振动。 1、夹紧装置设计的基本要求： 1）在夹紧过程中能保持定位时所获得的正确位置； 2) 夹紧可靠稳定、操作方便安全； 3）复杂程度与工件的生产批量相适宜，结构上尽可能采用标准元件。 2、夹紧力三要素：大小、方向和作用点。 1）夹紧力方向选择应考虑：一是夹紧力作用方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位。二是夹紧力作用方向应使工件夹紧变形小。三是夹紧力作用方向应有利于减少夹紧力。 2）夹紧力作用点选择时应考虑：一是夹紧力作用点不能引起工件产生位移和偏转。二是保证使夹紧变形最小。三是让夹紧力作用点应尽量靠近加工部位。 3、生产实践中常用的基本的夹紧机构有以下类型： 1）螺旋压 板夹紧机构 2）端面斜楔夹紧机构 3）快速螺旋夹紧机构 4）圆偏心轮夹紧机构 二 定心夹紧机构 定心夹紧机构是一种特殊的夹紧机构，同时能实现定位和夹紧，在这种夹紧机构上与工件定位基准相接触的元件，既是定位元件，又是夹紧元件。定心夹紧机构就其各自实现定 15 心和对中的工作原理而言，常有以下两种类型：一是按定位夹紧元件的等速移动或转动原理实现定心或对中夹紧；二是按定位夹紧元件均匀弹性变形原理实现定心夹紧。以下三种为生产中经常运用的定心夹紧机构： 1、车偏心零件时采用的弹簧夹头结构 2、 楔式夹爪自动定心机构 3、虎钳式定心夹紧机构 【第 11 个陈列柜】 一 夹具常用的传动装置 以上介绍的手动夹紧机构，使用时比较费力费时，现代生产中为了改善劳动条件和提高生产效率，特别在大批量生产中均采用气动、液压、电磁、真空等动力装置，来代替人力夹紧。 1、 气液增压器结构与原理 2、 电磁吸盘夹紧原理 3、 真空夹紧工作原理 4、 车夹具气动回路布局图 二 专用夹具设计方法 1） 根据夹具设计任务，消化加工工件的图纸和工艺文件； 2） 选择合理的定位方案，选择定位方法和元件 ； 3） 选择合理的夹紧机构； 4） 选择合理的与机床连接结构； 5） 选择合理的和刀具的对定元件； 6） 绘制夹具装配图； 以下为生产实际中经常使用的各种夹具： 1、 多件联动夹紧铣床夹具 2、 双向作用的偏心夹紧机构 3、 带快速装置的斜楔夹紧机构 4、 四点联动夹紧机构 5、 偏心轴夹紧机构 16 【第 12个陈列柜】 一 气动夹紧实例 它是一种使用压缩空气为动力的一种夹紧传动装置，压缩空气通过泵站传出，通过空气除水滤清器，去除水分和杂质；后经润滑器，使空气与雾化的润滑油混合， 再经调压阀、单向阀、分配阀，进入夹具的工作腔。 以下为生产中运用较为广泛的气动夹具实例： 1、 双臂双作用铰链夹紧机构 2、 多件平行联动夹紧铣床夹具 3、 气动斜楔夹紧机构 4、 双臂单作用铰链夹紧机构 二 分度装置 分度装置是指当加工好一个表面后，在不松开工件的情况下，能使工件与夹具上的活动部分一起转过一定角度或移动一定距离，从而实现风度要求的装置，分度装置一般分为回转式分度装置和直线移动式分度装置。 1、 分度对定机构常见类型 1） 钢球对定 2） 圆柱销对定 3） 削边销对定 4） 锥销对定 5） 双斜面楔形销对定 6） 单斜面楔形槽对定 7） 正多面体对定 8） 滚柱对定 2、 加工圆周等分工件实例 1) 加工工件 2个槽均布 2) 加工工件 4个槽均布 3) 加工盘类工件 6孔等分均布 3、 在夹具中的运用实例 1） 带分度装置的钻床夹具 2） 主轴分度铣床夹具 3） 带分度车床夹具 4、 直线分度加工工件实例 1） 加工工件 4个孔等距分布 17 2） 加工工件 5个矩形槽等距分布 【第 13个陈列柜】 一 典型组合夹具 1、 组合夹具的概念、优点 1） 组合夹具是机床夹具中一种标准化、系列化和通用化程度较高的工艺装备，它预先通过制造好的高度标准化的各种元件，利用这些元件经过 数小时的组装就能成为满足产品要求的成套夹具。 2） 组合夹具最适用于新品试制和小批生产，具有生产准备周期短、生产效率高的优点。 3） 当然组合夹具也有缺点，因为它由许多具有互换的标准元件组合而成的，与针对特定工件的某一工序设计的专用夹具相比，显得重量大、体积大。 2、 常用元件，通常分为 8大类 1） 基础件：是组合夹具中最大的元件，通常用于作为夹具的基础。 2） 支承件：是组合夹具中的骨架元件，起到上下连接的作用。 3） 定位件：保证夹具中各元件的定位精度和连接强度。 4） 导向件：保证切削刀具的正确位置。 5） 压紧件：用于保证工件定位后的正确位置。 6） 紧固件：用于连接组合夹具中各种元件及紧固被加工工件。 7） 其它件：指起辅助作用的元件。 8） 合件：由