典型零件加工论文.doc

摘要本人的毕业设计的题目是数控车床典型零件加工工艺分析与编程，通过本次的毕业设计可以检验出这两年我对本专业的掌握水平，也使我对典型零件的加工有了更深的认识。本次设计主要任务是针对典型零件的加工工艺分析，通过对零件的分析，最终确定工艺路线。其主要包括：分析图纸（零件尺寸、粗糙度分析、基准选择、配合精度分析、技术要求）；根据图形合理选择毛坯，并划出毛坯尺寸；零件的工艺规程，通过对零件结构的分析，确定加工工艺路线，设备的选用，刀具的选用和切削工艺参数的选用，工装的选用和装夹示意图以及加工工序卡片和刀具卡片等；利用CAD、PRO/E、CAXA等软件完成零件的建模与自动生成加工程序。针对零件的具体结构，该零件是三件配合零件。通过零件设计表明该零件能够达到合格的质量和加工工艺的要求。关键词：典型零件、工艺分析、工序卡片、程序、建模AbstractI graduated from the design is the subject of CNC lathes typical part machining processes and programming, through this graduation design can test out the two years I to the professional level of mastery, also make me on the typical parts processing have a deeper understanding of. The design of the main tasks is typical for parts of the process analysis, based on the analysis of the components, and ultimately determine the route. It mainly includes: analysis of drawing ( dimension, roughness, benchmark selection, matching accuracy analysis, technical requirements ); according to the reasonable selection and draw graphics blank, blank size; parts of the process, through parts of the structure analysis, determine the processing technology route, equipment selection, the selection of tool and cutting process parameters selection, tooling selection and clamping diagram and process card and knives cards; using CAD, PRO/E, CAXA etc. software parts modeling and automatic generation of machining program. For parts of the concrete structure, the parts are three mating parts. Through the components design show that the parts can meet the quality and processing requirements.Key words: typical parts, process analysis, process cards, process, modeling目录第一章 绪论11.1数控技术概述11.2数控机床的组成11.3机床的分类31.4数控技术的发展及其方向3第二章 零件图分析72.1件1结构分析72.2件2结构分析72.3件3结构分析8第三章 毛坯的选择103.1毛坯选择的重要性103.2毛坯选择的原则103.3毛坯种类113.4毛坯发展趋势113.5毛坯示意图11第四章 刀具与切削用量的选择144.1车刀的组成144.2车刀的几何角度144.2.1辅助平面144.2.2刀具的标注角度154.2.3车刀几何角度在切削中的作用及选择154.2.4刀具的工作角度164.3车刀的安装164.4刀具的选择164.4.1对数控刀具的要求164.4.2常用刀具材料174.4.3常用车刀种类和用途184.5切削用量的选择194.5.1切削用量的选择原则194.5.2切削用量制定20第五章 零件加工工艺的制定215.1工件的定位与装夹215.2基准选择215.2.1粗基准与精基准215.2.2粗基准的选择215.2.3精基准的选择225.2.4辅助定位基准225.3机床设备与工艺装备的选择225.3.1机床的选择原则225.3.2夹具的选择235.3.3切削工具的选择235.3.4量具的选择235.4工序组合原则235.4.1工序集中235.4.2工序分散235.5加工顺序的安排245.5.1机械加工工序的安排245.5.2热处理工序的安排245.5.3辅助工序的安排245.6零件的加工255.6.1件一加工255.6.2件二加工295.6.3件三加工305.7手工编程34第六章 建模与自动编程426.1Pro/ENGINEER软件建模426.1.1件1426.1.2件2426.1.3件3436.1.4配合436.2CAXA数控车软件自动编程436.2.1件1436.2.2件2496.2.3件351总结56致谢57参考文献58第一章 绪论1.1数控技术概述数控技术是指利用数字信号构成的控制程序对设备的工作实现自动控制的一种技术，简称数控（NC，Numerical Control）。它所控制的一般是位移、角度、速度等机械量，也可以是温度、压力、流量等物理量，这些物理量的大小不仅是可测量到的，而且可经A/D或D/A转换，用数字信号表示。现代数控技术是20世纪40年代后期发展起来的一种自动化加工技术，它综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控和机械制造等学科的内容，目前在机械制造业中已得到广泛的应用。数控设备则是采用数控系统进行控制的机械设备，其操作命令是用数字或数字代码的形式来描述的，工作过程按照指定的程序自动地进行。装备了数控系统的机床成为数控机床。随着微型计算机的发展，当前广泛采用的计算机数控系统（CNC,Computer Numerical Control）采用存储程序的专用计算机实现部分或全部基本数控功能，具有真正的“柔性”，使数控系统的性能大大提高。社会需求的多样化与科学技术的现代化，使机械制造的产品日趋精密、复杂，而且更新频繁。特别是在宇航、造船、模具、军工及计算机工业中，零件精度高、形状复杂、中小批量且频繁改型。这不但对机械制造的精度与效率提出了更高的要求，而且对生产的适应性、灵活性提出了更高的要求。使用普通机床加工这些零件，则存在生产效率低、劳动强度大、加工精度难以保证、有时甚至不能加工等现象。近年来，由于市场竞争日趋激烈，各生产厂家一方面要不断提高产品质量，另一方面又要满足市场不断变化的需要而进行频繁改型，即使是大批量生产，也面临产品改型变化的要求。这样，以组合机床及自动化生产线为特征的刚性自动化在大批量生产中日渐暴露其缺点或不足，即刚性自动化可以有很高的效率和加工精度，但没有生产的灵活性和对单件小批量生产的适应性，尤其是对复杂多变的零件加工没有“柔性”。据统计，单件、中小批量生产的零件品种约占零件的品种的80%，甚至还要多。为了解决上述问题，一种新型的数字程序控制机床应运而生。现代数控机床是综合运用了计算机技术、网络通信技术、成组技术、自动控制技术、传感检测技术、液压气动技术、微电子技术以及精密机械等高新技术而发展起来的具有高精度、高自动化、高效率的一种完全新型的自动化机床，是典型的机电一体化产品。它的产生和发展标志着世界机械加工业进入了一个崭新的时代。数控车床是数字程序控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型普通车床的特点于一身，是目前使用非常广泛的一种数控机床。与普通车床相比，数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过车床X、Z坐标轴的伺服电动机去控制车床是将控制车床进给运动部件的动作顺序、移动量和进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种形状不同的轴类或盘套类回转体零件。1.2数控机床的组成数控机床一般是由输入输出设备、数控装置（CNC）、伺服单元、驱动装置、可编程控制器（PLC）及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。数控机床的硬件构成如图1-1所示图1-1 数控机床的硬件构成（1）输入和输出装置。 是机床数控系统和操作人员进行信息交流、实现人机对话的交互设备。输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。目前，数控机床的输入装置有键盘、磁盘驱动器、光电阅读机等，其相应的程序载体为磁盘、穿孔纸带。输出装置是显示器，有CRT显示器或彩色液晶显示器两种。输出装置的作用是：数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息。显示的信息可以是正在编辑的程序、坐标值以及报警信号等。（2）数控装置（CNC装置）。 是计算机数控系统的核心，是由硬件和软件两部分组成的。它接收的是输入装置送来的脉冲信号，信号经过数控装置的系统软件或逻辑电路的编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，使其进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量指令，还有主轴的变速、换向和启停信号，选择和交换刀具的刀具指令信号，控制冷却液、润滑油启停，控制工件和机床不见松开、夹紧，控制分度工作台转位和辅助指令信号等。数控装置主要包括微处理器、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口等。（3）可编程逻辑控制器（PLC）。 数控机床通过CNC和PLC共同完成控制功能，其中，CNC主要完成与数字运算和管理有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、刀具运动的位置伺服控制等。而PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，它接收CNC和控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等开关量动作信息，对开关量动作信息进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作。它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往数控装置，用于加工过程的控制。（4）伺服单元。 伺服单元接收来自数控装置的速度和位移指令。这些指令经伺服单元变换和放大后，通过驱动装置转变成机床进给运动的速度、方向和位移。因此，伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。伺服单元分为主轴单元和进给单元等，伺服单元就其系统而言又又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分。（5）驱动装置。 驱动装置把经过伺服单元放大的指令信号变为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或按规定和轨迹作严格的相对运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。目前常用的驱动装置有直流伺服电机和交流伺服电机，交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机。（6）机床本体。 即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件（工作台、拖板及其传动部件）和支承部件（床身、立柱等），还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似。由于数控机床高速度、高精度、大切削用量和连续加工的要求，其机械部件在精度、刚度、抗振性等方面要求更高。1.3机床的分类1.按机床的功能分类（1）经济型数控车床。经济型数控车床是在卧式车床的基础上进行改进设计的，一般采用步进电机驱动的开环伺服系统，其控制部分通常用单板机或单片机实现，具有CRT显示、程序存储、程序编辑等功能。但其加工精度不高，主要用于精度要求不高，有一定复杂程度的零件。（2）全功能数控车床。该系列数控车床在结构上突出了精度、精度保持性、可靠性、可扩展性、安全性、易操作和可维修性等特点。适用于对回转体、轴类和盘类零件进行直线、圆弧、曲面、螺纹、沟槽和锥面等高效、精密、自动的车削加工，具有刀尖半径自动补偿、恒线速、固定循环、宏程序等先进功能。（3）车削中心。车削中心的主体是数控车床，配有动力刀座或机械手，可实现车、铣复合加工，如高效率车削、铣削凸轮槽和螺旋槽。（4）数控立式车床。数控立式车床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小，且形状较复杂的大型或重型零件，适用于通用机械、冶金、军工、铁路等行业的直径较大的车轮、法兰盘、大型电机座、箱体等回转体的粗、精车削加工。2.按主轴的配置形式分类（1）卧式数控车床。主轴轴线处于水平位置的数控车床。（2）立式数控车床。主轴轴线处于垂直位置的数控车床。另外，还有具有两根主轴的车床，称为双主轴卧式数控车床或双轴立式数控车床。3.按数控系统控制的轴数分类（1）两轴控制的数控车床。机床上只有一个回转刀架，可实现两坐标控制。（2）四轴控制的数控车床。机床上有两个独立的回转刀架，可实现四轴控制。1.4数控技术的发展及其方向数控机床最早产生于美国，从1952年世界上第一台数控三坐标镗铣床问世后，数据系统先后经历了两个阶段和六代的发展。第一代数控系统采用电子管元件，其体积大、可靠性低、价格高，主要用于军工部门，未得到推广应用，产量较低；第二代是1961年出现的由晶体管构成的数控系统，其可靠性有所提高，体积大大减小；第三代是1965年商品化的集成电路数控系统，它大大缩小了数控装置的体积，其可靠性得到实质性的提高，从而被一般用户所接受，是数控机床的产量和品种均有较大的发展。以上三代数控系统实质上是一种专用的计算机，主要靠硬件来实现各种控制功能，为第一阶段，称为数字控制系统，简称NC系统。1968年，小型计算机在数控系统中得到应用，称为第四代数控系统。1974年，微处理器的应用称为第五代数控系统。1990年，基于PC平台的开放型CNC系统称为第六代数控系统。后三代为第二阶段，称为计算机数控系统，也称为CNC系统。随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。数控技术是制造业实现这些先进制造技术的基础，而数控技术水平的高低和数控设备的拥有量是体现国家综合国立水平、衡量国家工业现代化的重要标志之一。目前，我国已有自主版权的数控系统，但绝大多数全功能型数控机床还是采用国外的CNC系统。从机床的整体看来，无论是可靠性、精度、自动化程度还是生产效率，与国外相比都还有着不小的差距。随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起，对数控加工技术的要求越来越高。随着一些相关技术的发展，如超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的机床结构、主轴驱动、数控系统、伺服系统等提出了更高的性能指标，使数控机床在技术上呈现以下7个方面的发展趋势。1.高精度化数控机床的高精度，包括高的几何精度和高的加工精度，而高的几何精度是提高加工精度的基础。几何精度中最主要的是定位精度。定位精度的提高，加上机床的结构特性和热稳定性的提高，使得数控机床的加工精度得到了大幅度的提高。如加工中心的加工精度从过去的0.01mm提高到0.005mm，甚至更高。2.高速化提高生产效率一直是机床技术发展的目标之一，数控机床的出现和快速发展，其原因之一就是其生产效率要比普通机床的高得多。近年来，数控机床的生产效率又提高了很多，主要方法是减少切削时间和非切削辅助时间。减少切削时间是从提高切削速度，即提高主轴转速的角度来实现的。加工中心的主轴已从10年前的40006000r/min提高到800012000r/min，最高的在100000r/min以上；数控车床的主轴转速也提高到500020000r/min；磨削的砂轮线速度提高到100200m/s。据最新统计，加工中心的切削时间不超过整个工作时间的55%，因此，减少非切削时间是提高生产效率的一个主要手段。非切削时间由两部分组成：一是空程时间，即快速移动所需的时间；另一个是辅助时间，主要是刀具交换时间和工作交换时间。要缩短空程时间，就需要提高快速移动的速度。目前，一般的快速移动速度已经达到2024m/min，有的在30m/min左右，最快的可达60m/min。特别是直线移动进给伺服电机的出现，为进一步提高移动速度带来了可能。另外，要减少辅助动作的时间，就需要缩短自动变换刀具的时间和自动交换工件的时间。目前，数控车床刀架的转位时间已达到0.40.6s，加工中心刀具自动交换时间以达到3s左右，最快的可达到1s以内；而加工中心托板交换时间已从过去的1220s缩短到610s，快的已达到2.5s。3.高自动化从数控系统发展到以微处理器为主的CNC系统后，系统的功能得到不断扩大，因此数控机床的自动化程度也不断提高。除了自动换刀和自动交换工件外，先后出现了如刀具寿命管理、自动更换备用刀具、刀具尺寸自动测量和补偿、工件尺寸自动测量及补偿、切削参数的自动调整等功能，使单机自动化达到了很高的程度。另外，刀具磨损和破损的监控功能也在不断地完善。4.高可靠性数控机床工作的可靠性主要取决于数控系统和各伺服系统的可靠性，目前，主要采用以下措施来提高可靠性：（1）提高数控系统的硬件质量 选用更高集成度的电路芯片，建立并实现对元器件的严格筛选、稳定产品制造、完善性能测试等。（2）模块化、标准化和通用化 目前，现代数控系统功能越来越强大，使得系统的硬件、软件结构实现了模块化、标准化和通用化，便于组织生产、质量把关及用户的维护。5.多功能化（1）数控机床采用一体多能，以提高设备利用率 一体多能就是把不同机床的功能集中于一台机床中体现。其典型代表是配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、扩孔、铰孔、攻螺纹，甚至磨削等多种工序的加工。为了进一步提高功效，现代数控机床有采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加工中心。另外，现代数控系统的控制轴数也在不断增加，有的多大31轴，同时联动的轴数已达7轴。这中机床有更高的加工精度，还可以大大提高工作效率，节约占地面积。（2）良好的人机对话功能 在一台机床上可同时进行零件加工和程序编制，即具有前台操作、后台编辑的功能。现代数控系统利用彩色显示器进行二维图形的轨迹显示，更好的还可以实现彩色三维动态图形的模拟，显示所编程序的加工轨迹，便于零件程序的调试、修改，确保实际加工过程的安全。（3）更强的通信功能 数控机床由单机发展到FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统），进而联网形成计算机集成制造系统（CIMS），需要数控系统具有更强的通信功能。大多数控系统都具有RS232和RS422高速远距离串行接口，可以按照用户级的格式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统应具有DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，现代数控机床已采用了MAP工业控制网络，现已实现了MAP3.0版本，为现代数控机床进入FMS及CIMS创造了条件。6.数控编程自动化CAM自动编程是目前最先进的数控加工编程方法。目前，CAD/CAM图形交互式自动编程软件得到较多的应用。它是利用CAD完成零件几何图形的计算机绘制，再经过计算机内的刀具轨迹数据计算和后置处理，自动生成NC零件加工程序，再通过通信接口传入数控机床，进行自动控制加工，从而达到CAD/CAM集成一体化，实现无图样化设计与制造。另外，随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，它与CAD/CAM系统编程的最大区别，是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，而直接从系统内的CAPP（计算机辅助工艺设计）数据库获得。7.智能化现代数控系统中引进了自适应控制技术。自适应控制（Adaptive Control,AC）技术是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳工作状态的技术。自适应控制技术能根据切削条件的变化，自动调整并保持最佳工作状态，以达到很高的加工精度及较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的寿命和设备的生产效率。智能化的数控系统主要体现在以下几个方面：（1）对工件超差、刀具磨损、破损进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具。（2）出现故障时自动诊断、自动修复。（3）根据加工时的热变形，对滚珠丝杠等的伸缩进行实时补偿。（4）应用图像识别和声控技术，由系统自己辨认图样，按照自然语言命令进行CNC自动加工。第二章 零件图分析本次所给设计任务为配合件，由三个零件组成，均为回转体结构，具体零件机构如图所示。2.1件1结构分析件1两端均为加工内容，左端主要是阶梯轴结构，有一段锥度面加工，右端有内孔，内槽，内螺纹以及外圆加工，其中包括一段圆弧，注意加工时要用外圆尖刀，以防后角干涉。掉头装夹时，要用铜皮包住已加工表面，防止被破坏。图2-1 件一零件图2.2件2结构分析件2主要包括带有锥度的内孔以及外圆的加工。图2-2 件二零件图2.3件3结构分析件3左端主要是退刀槽和外螺纹，右端为半球，不好装夹，要使用夹具。图2-3 件三零件图2.4配合件配合时要注意各尺寸精度的把握以及同轴度的控制，特别是螺纹配合。由图中看出各零件的精度和粗糙度值要求都很高，加工时要注意尺寸的把握，合理地选择切削用量和转速。技术要求1 件1对件2锥体部分涂色检验，接触面积60%2 外锐边及孔口锐边去毛刺3 不允许使用砂布抛光。图2-4零件配合图第三章 毛坯的选择3.1毛坯选择的重要性毛坯是根据零件所要求的形状、工艺尺寸等制成的机械加工对象。它是制订机械加工工艺规程的基础。毛坯的不同种类及制造方法对零件工艺过程影响很大，零件工艺过程中数量、材料消耗、机械加工劳动量等在很大程度上取决于所选的毛坯，故正确选择毛坯具有重要的技术经济意义。3.2毛坯选择的原则在传统工艺设计中，选择毛坯主要考虑经济问题，很少估计毛坯对生产环境的影响。而在绿色制造过程中，选择毛坯不近要考虑各种毛坯及制造方法的经济性，还要考虑它们对环境的影响，对资源、能源的消耗状况以及对社会生产可持续的影响。在绿色制造思想指导下的毛坯选择应遵循一下原则：1、经济合理性原则 选择毛坯时，毛坯的形状和尺寸越接近于成品零件，毛坯材料 就越高，机械加工劳动量就越少，机械加工费用也就越低，但这样对毛坯的制造要求就提高了，相应地毛坯制造设备的投资费用增加。反之，若毛坯制造精度低，毛坯制造设备的投资费用少，但以后的机械加工劳动量就大，材料利用率低，零件加工成本将增加，这两方面是相互矛盾的。但在工艺设计时应遵从“经济合理性”原则，综合考虑毛坯制造和以此为基础的机械加工费用来确定，以最终达到最佳的经济效益为目的。2、功能适应性原则 所选毛坯种类及制造方法要能可靠地保证毛坯在性能、质量、生产率等方面的要求。众所周知，即使相同的材料，当采用不同的毛坯制造方法时，得到的力学性能也往往不同。通常毛坯强度要求高的，多采用锻件。但近年来，随着铸造技术水平的提高，铸铁的力学性能在不断改善，有些指标接近或超过钢。选择毛坯时，还要考虑零件的形状、尺寸等因素，否则会产生铸造缺陷；又如，尺寸较大的毛坯，不能采用模锻、压铸和精铸等毛坯制造方法。3、资源最佳利用原则 资源最佳利用原则包含两层意思：一是节省原材料消耗；二是充分利用现有的设备资源。4、能量消耗最小原则 从使用的能源类型、能量有效利用率等方面采取措施，节省能源，尽量减少能量的消耗，使生产中的能源消耗达到最小。5、环境保护原则 面向绿色制造的毛坯选择，注重毛坯制造过程中的环境保护。人们对环境问题的态度已从过去的生产过程的“末端治理”，发展到“全面预防污染”的源消减阶段。在毛坯生产过程中，无论在毛坯工艺设计、毛坯制造设备选择，还是在毛坯生产过程管理上，都应尽力采用措施避免产生环境污染，“零污染”是绿色制造追求的最终目标。在生产中尽力采用非煤粉型砂，可有效地避免产生污染。又如，在铸造生产中，用射压、静压制造机取代噪声极大的振击式制造机；在模锻生产中，用电液传动的曲柄热模锻压力机、高能螺旋压力机等新原理的设备取代老式噪声、振动、能耗都很大的模锻锤，可大大减小车间的噪声污染和振动污染。6、安全宜人原则 绿色制造还对生产过程中操作者的劳动保护提出要求，避免对操作者身心健康造成伤害。综上所述，面向绿色制造的毛坯选择原则可以归纳为三类：一是经济性原则；二是功能适应性原则；三是环境协调性原则。这三类原则在毛坯选择过程中，互相作用，互相影响，共同影响毛坯的选择。3.3毛坯种类1、铸件 适用于做形状复杂的零件毛坯。2、锻件 适用于要求强度较高、形状比较简单的零件。3、型材 热轧型材的尺寸较大，精度低，多用作一般零件的毛坯；冷拉型材尺寸较小，精度较高，多用于制造毛坯精度较高的中小型零件，适于自动机加工。4、焊接件 对于大件来说，焊接件简单方便，特别是单件小批生产可以大大缩短生产周期。但焊接件的零件变形较大，需要经过时效处理后才能进行机械加工。5、冷冲压件 适用于形状复杂的板料零件，多用于中小尺寸零件的大批、大量生产。3.4毛坯发展趋势随着资源保护和环境保护呼声越来越高，迫使毛坯制造工艺向精密成形工艺方向发展，即毛坯成形的形状、尺寸精度正从近净成形向净成形即近无余量成形方向发展。将来“毛坯”与“零件”的界限可能越来越小，有的毛坯可能已接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可装配。正因如此，精密毛坯制造工艺最近几年来得到快速发展，主要有精密铸造、精密锻造、精密冲裁、精密轧制、粉末冶金以及快速原型制造等先进工艺方法。环境问题已成为国际社会关注的焦点，保护环境以成为人们的共识。生产绿色产品的绿色制造过程将称为未来工业制造过程的规范。目前，我国绿色产品的发展与世界发达国家相比，无论是在范围上还是在数量上都有很大的差距，尚处于初期阶段。要赶上世界发达国家水平，还要付出巨大努力。我国至今仍然沿用这粗放型经营的传统工业模式，能耗高、效益低、环境污染严重。因此，从理论和方法上开展系统的清洁化生产研究，促进我国绿色生产的迅速发展，适应国际市场的需求，迎接未来挑战，已是我国产业发展的当务之急。3.5毛坯示意图选择锻件，材料45#钢。锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件。这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现。锻件过程建造了精致的颗粒结构，并改进了金属的物理属性。在零部件的现实使用中，一个正确的设计能使颗粒流在主压力的方向。锻件的优点有可伸展的长度、可收缩的横截面；可收缩的长度、可伸展的横截面；可改变的长度、可改变的横截面。锻件的种类有：自由锻造/手锻、热模锻/精密锻造、顶锻、滚锻和模锻。由于锻件组织均匀、细小、致密，缺陷少，材质更均匀，所以锻件的机械性能和理化性能更好一些。但是锻件表面存在一层氧化层以及锻造应力，加工之前要去应力，主要方法为人工时效和自然时效。锻造加工能保证金属纤维组织的连续性， 使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。45钢含碳（C）量是0.420.50%，Si含量为0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量=0.25%，广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好， 45号钢可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越的机械性能，常将45钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。1. 45钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）2. 45钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质表面淬火提高零件表面硬度。由于45钢的刚性比锻件稍差一些，所以在加工一些细长轴的时候，需要使用跟刀架等辅助装置，防止工件变形。件1毛坯：图3-1 件一毛坯图件2毛坯：图3-2 件二毛坯图件3毛坯：图3-3 件三毛坯图第四章 刀具与切削用量的选择4.1车刀的组成车刀是切削加工中最常用的一种刀具，它是由切削部分和刀杆组成。外圆车刀的切削部分可以看作是各类刀具切削部分的基本形态，如图4-1所示。车刀切削部分的构成可归纳为“三面、二线、一点”。“三面”包括前刀面、主后刀面和副后刀面；“二线”包括主切削刃和副切削刃；“一点”指刀尖。图4-1 车刀切削部分1）前刀面Ar。 刀具是切屑流过的表面。如果前刀面有几个相交面组成，则从切屑刃开始，依次将它们称为第一前刀面、第二前刀面等。2）主后刀面A。 与工件上切削中产生的过渡表面相对的刀具表面。同样也可分为第一后刀面（又称刃带）、第二后刀面。3）副后刀面A。与工件上的已加工表面相对的刀具表面。4）主切削刃S。 前刀面与主后刀面相交得到的刃边。主切削刃是前刀面上直接进行切削的锋刃，它完成主要的金属切除工作。5）副切削刃S。前刀面与副后刀面相交得到的刃边。副切削刃协同主切削刃完成金属的切除工作，最终形成工件的已加工表面。6）刀尖。也称过渡刃，是指主切削刃与副切削刃连接处相当少的一部分切削刃。它可以是圆弧状的修圆刀尖，也可以是直线状的点状刀尖或倒角刀尖。4.2车刀的几何角度4.2.1辅助平面 车刀的刀面在空间是倾斜相交的，要标注主刀刃上的角度，需要三个辅助平面，如图4-2所示，这三个平面互相垂直。（1）基面Pr：通过主刀刃上的某一点，并与改点切削速度相垂直的平面。在静态时，以主刀刃点与工件中心线等高来考虑基面，应与车刀底面平行。（2）切削平面Ps：通过主刀刃上某一点，与切削平面相切的平面。切削平面包含直线主刀刃，与基面垂直。静态时，切削平面垂直于车刀底面。（3）主剖面Po：通过主刀刃上某一点，并与主刀刃在基面上的投影相垂直的平面。图4-2 正交平面参考系4.2.2刀具的标注角度图4-3 车削刀具的几何角度（1）在正交平面中测量的角度有前角o、后角o、楔角o。（2）在基面中测量的角度有主偏角r、副偏角r和刀尖角r。（3）在切削平面中测量的角度有刃倾角s。如图4-3所示。以上各角度中，前角与后角分别是确定前刀面与后刀面方位的角度，而主偏角与刃倾角是确定主切削刃方位的角度。4.2.3车刀几何角度在切削中的作用及选择（1）主偏角：其主要作用是改变刀具的散热情况，产生轴向力及径向力。因此在加工刚性较差和有垂直阶梯的零件时，应选用较大的主偏角（如90o）。若零件刚性好且无垂直阶梯或粗加工时，可选择较小的主偏角（如75o）。（2）副偏角：其主要作用是减少副刀刃与工件之间的摩擦，并改善工件表面的粗糙度和刀具的散热性，产生径向力。系统刚性不好，会引起振动。副偏角应根据系统刚性和工件表面的粗糙度要求选择，一般副偏角选择在4o15o之间。（3）刃倾角：主要作用是改变切屑的流向，增加刀尖的强度。正的刃倾角，切屑排向待加工表面；负的刃倾角切屑流向已加工表面，容易把已加工表面拉毛。刃倾角应根据零件加工情况而定，一般粗加工时，可选负值，精加工时应选正值。（4）前角：主要作用是产生切削力，降低功率消耗，减少切削变形，降低切削温度及提高刀具的耐用度。前角的大小与工件材料、刀具材料、加工性质有关，影响最大的是工件材料。切削塑料时，由于切屑沿刀面流过，切屑与刀具面产生摩擦，一般应取较大的前角。切削脆性材料时，由于产生碎屑，切削变形大，且不从刀面流过而集中在刀刃附近，一般可取较小的前角或负前角。（5）主后角、副后角：主要作用是减少刀具后刀面与工件之间的摩擦，增加刀具的强度。后角选择的原则是在保证刀具有足够的散热性能和强度的基础上，保持刀具锋利，减少与工件的摩擦。加工塑性材料时，由于工件表面弹性复原会与刀具后面发生摩擦，为减少摩擦应取大些的后角；加工脆性材料时取小些后角；精加工时选择大些的后角。4.2.4刀具的工作角度在实际的切削加工中，切削平面、基面和正交平面位置会发生变化。（1）若刀尖安装的高于工件轴线，当加工外表面时，工作前角变大，工作后角减小，内孔镗削时情况相反。（2）若刀尖安装的低于工件轴线，当加工外表面时，工作前角变小，工作后角增大，内孔镗削时情况相反。4.3车刀的安装1.车刀不要伸出太长，一般不超过刀杆厚度的1.5倍。2.刀尖应与工件中心线等高，否则会影响前角和后角的大小。3.刀杆中心线应与工件中心线垂直，否则会影响主、副偏角的大小。4.车刀垫片要平整，宜少不宜多，以防振动。4.4刀具的选择数控加工过程中，刀具的选择是保证加工质量和提高生产率的重要环节，合理选择数控刀具，需综合考虑机床的自动化程度、工序内加工内容、零件材料的切削性能等因素。4.4.1对数控刀具的要求在金属切削过程中，刀具切削性能的好坏，取决于刀具切削部分的材料，它直接影响着刀具寿命、刀具消耗、加工精度、已加工表面的质量和加工效率等。刀具材料是指刀具切削部分的材料。金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，承受着很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度，也就是说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。（1）高硬度。 刀具材料的硬度必须高于被加工工件材料的硬度，否则在高温下，就不能保持刀具锋利的几何形状，这是刀具材料应具备的最基本的性能。（2）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号钢时，当背吃刀量ap=4mm，进给量为f=0.5mm/r时，刀片要承受约4000N的切削力。因此，刀具必须有足够的强度和韧性。（3）高的耐磨性和耐热性。 刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料硬度越高，耐磨性越好。刀具材料的耐磨性还和金相组织有关，金相组织中的碳化物越多，颗粒越细，分布越均匀，其耐磨性也就越高。刀具材料的耐磨性和耐热性也有着密切的关系。耐热性通常用它在高温下的保持较高硬度的性能来衡量，即高温硬度，或叫“红硬性”。高温硬度越高，表示耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑变的能力和耐磨损的能力也就越强。耐热性差的刀具材料，由于高温下的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。（4）良好的导热性。 刀具材料的导热性用热导率来表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量就容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。导热性好的刀具材料，其耐热冲击和抗热龟裂的性能也都很好，这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削，特别是在加工导热性能差的工件时显得非常重要。（5）良好的工艺性。为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工行，包括锻压、焊接、切削加工、热处理和可磨性等。（6）较好的经济性。经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一，也是正确选用刀具材料、降低产品成本的主要依据之一。刀具材料的选用应结合我国资源状况，以降低刀具的制造成本。（7）抗黏接性和化学稳定性。 刀具的抗黏接性是指工件与刀具材料分子间在高温高压作用下，抵抗互相吸附而产生黏接的能力。刀具的化学稳定性是指刀具材料在高温下，不易与周围介质发生化学反应的能力。刀具材料应具备较高的抗黏接性和化学稳定性。4.4.2常用刀具材料在金属切削领域中，金属切削机床的发展和刀具材料的开发是相辅相成的关系。刀具材料的发展在一定程度上推动着金属切削加工技术的进步。刀具材料从碳素工具钢到今天的硬质合金和超硬材料，都是随着机床主轴转速的提高、功率的增大、主轴精度的提高、机床刚性的增加而逐步发展的。同时，由于新的工程材料不断出现，也对切削刀具材料的发展起到了促进作用。目前，金属切削工艺中应用的刀具材料主要是高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具。在数控机床上普遍应用的是高速钢刀具、硬质合金刀具和涂层硬质合金刀具。（1）高速钢。高速钢是一种含有W（钨）、Mo（钼）、Cr（铬）、V（钒）等合金元素较多的合金工具钢，是综合性能较好的一种刀具材料，热处理后硬度HRC可达6266，抗弯强度约3.3GPa，耐热性为600oC左右，可以承受较大的切削力和冲击力。并且，高速钢还具有热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的刃口等优点，特别是适合于制造各种小型及形状复杂的刀具，如成形车刀、各种钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具和螺纹刀具等。高速钢已从单纯的W系列发展到Wmo系、WmoAl系、WmoGo系，其中，WmoAl系是我国独创的品种。同时，由于高速钢刀具热处理技术的进步以及成形金切工艺的发展，高速钢刀具和红硬性、耐磨性和表面涂层质量都得到了很大提高和改善。因此，高速钢仍是数控机床选用的刀具材料之一。（2）硬质合金。 硬质合金是用高硬度、难熔的金属化合物微米数量级的粉末与Co、Mo、Ni等金属黏接剂烧结而成的粉末冶金制品。常用的黏接剂是Co，碳化钛基硬质合金的黏接剂则是Mo、Ni。硬质合金高温碳化物的含量超过高速钢，具有硬度高、熔点高、化学稳定性好和热稳定性好等特点，切削效率是高速钢刀具的510倍。但硬质合金韧性差、脆性大，承受冲击和振动的能力低。硬质合金现在仍是主要的刀具材料。（3）陶瓷。 近几年来，陶瓷刀具无论在品种和使用领域方面都有较大的发展。一方面由于高硬度难加工材料的不断增多，迫切需要解决刀具寿命问题；另一方面也是由于钨资源的日渐缺乏，钨矿的品味越来越低，而硬质合金刀具材料中要大量使用钨，这在一定程度上也促进了陶瓷刀具的发展。陶瓷刀具是以Al2O3（氧化铝）或以Si3N4（氮化硅）为基体再添加少量的金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料，其硬度HRA可达9195，耐磨性比硬质合金高十几倍，适用于加工冷硬铸铁和淬火钢。陶瓷刀具具有良好的抗黏性能，它与多种金属的亲和力小，化学稳定性好，即使在溶化时与钢也不起化合作用。陶瓷刀具最大的缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧度低，热导率差。（4）立方氮化硼。 立方氮化硼是用六方氮化硼为原料，利用超高温高压技术转化而成的，晶体结构与金刚石类似。立方氮化硼刀片具有很好的“红硬性”，可以高速切削高温合金，切削速度要比硬质合金高35倍，在1300oC高温下能够轻快锋利地切削，性能无比卓越，使用寿命是硬质合金的20200倍。使用立方氮化硼刀具可加工以前只能用磨削方法加工的特种钢材，获得很高的尺寸精度和极好的表面粗糙度，实现以车代磨。它有优良的化学稳定性，适用于加工钢铁类材料。虽然它的导热性比金刚石差，但比其他材料高得多，抗弯强度和断裂韧性介于硬质合金和陶瓷之间，所以，立方氮化硼材料非常适合数控机床加工用刀具。（5）金刚石。 金刚石刀具有天然金刚石、人造聚晶金刚石和复合金刚石刀片三类。金刚石有极高的硬度、良好的导热性及小的摩擦因数，有优秀的使用寿命、稳定的加工尺寸精度以及良好的工件表面粗糙度，并可在纳米级稳定切削。金刚石刀具超精密加工广泛用于激光扫描器和高速摄影机的扫描棱镜，特形光学零件，电视、录像机、照相机零件，计算机磁盘，电子工业的硅片等领域。其缺点是刀具价格昂贵，加工成本高。（6）涂层类刀具。 刀具表面涂层技术是一种优质的表面改性技术，它是在普通高速钢和硬质合金刀片表面，采用化学气相沉积或物理气相沉积的工艺方法，涂覆一薄层（512m）高硬度难熔金属化合物，使刀片既保持了普通刀片基体的强度和韧度，又使表面有高的硬度和耐磨性、更小的摩擦因数和高的耐热性，较好地解决了材料硬度、强度及韧度的矛盾。4.4.3常用车刀种类和用途（1）尖形车刀。 以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。这类车刀的刀尖由直线的主、副切削刃构成，加工零件时，其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到，与另两类车刀加工时所得到零件轮廓形状的原理是截然不同的。如90o内外圆车刀，左右端面车刀，切断车刀以及刀尖倒角很小的各种外圆和内孔车刀。（2）圆弧形车刀。 是较为特殊的数控加工用车刀。其特点是，构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓误差很小的圆弧；该圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上；车刀圆弧半径理论上与被加工零件的形状无关，并可按需要灵活确定或经测定后确认。当某些尖形车刀或成形车刀的刀尖具有一定的圆弧形状时，也可作为这类车刀使用。（3）成形车刀。 俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成形车刀有小半径圆弧车刀、非矩形槽车刀和螺纹车刀等。在数控加工中，应尽量少使用或不实用成形车刀。图4-4为常用车刀的种类、形状和用途。1-