第 一 章 金属切削原理.doc

第 一 章 金属切削原理1、 基本定义（1） 切削运动：工件和刀具之间的相对运动。通常，切削运动按其作用可分为主运动和进给运动，这两个运动的向量和，称为合成切削运动。（2） 切削用量三要素： 1）切削速度 Vc （切削刃上选定点相对于工件沿主运动方向的瞬时速度。单位：m/s 或 m/min（ r/s 或 r/min )2）进给速度 Vf（切削切削刃上选定点相对于工件沿进给运动方向的瞬时速度。单位：mm/s 或 mm/min）或进给量 f（工件或刀具每回转一周或往返一个行程时，两者沿进给运动方向的相对位移。单位：mm/r 或 mm/dstr（double stroke双行程）3）背吃刀量 ap (切削深度)（在基面上）垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸。单位：mm 例如，外圆车削: ap(dw-dm)/2 （3） 刀具几何参数最常用的刀具标注角度参考系1) 正交平面参考系；组成：基面Pr通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。基面中测量的刀具角度：主偏角r主切削刃在基面上的投影与进给运动速度Vf方向之间的夹角。 副偏角r副切削刃在基面上的投影与进给运动速度Vf反方向之间的夹角。 刀尖角r 主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。r=180-(r r)。r是标注角度是否正确的验证公式之一。 切削平面Ps 通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。切削平面中测量的刀具角度：刃倾角s 主切削刃与基面之间的夹角。正交平面Po通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。正交平面中测量的刀具角度 ：前角o 前刀面与基面之间的夹角。后角o 后刀面与切削平面之间的夹角。楔角o 前刀面与后刀面之间的夹角。 书上第九页图11-1 外圆车刀正交平面参考系的标注角度2) 法平面参考系；3)假定工作平面与背平面参考系2、 金属切削过程（1） 切削层的变形第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区； 第变形区 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区； 第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。1）第一变形区 塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间形成AOM塑性变形区。主要特征是金属沿滑移面的剪切变形，随之产生的加工硬化现象。 2） 第二变形区 当切屑沿前刀面流动时，会进一步受到前刀面的强烈挤压和摩擦，进一步发生变形，变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属区域（第变形区）。主要特征是“纤维化”塑性变形，晶粒纤维化的方向和前刀面平行。切屑底面光滑、外侧呈毛茸状。产生积屑瘤 （在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面刃口处形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。）优点：稳定的积屑瘤代替刀刃进行切削，延长刀具寿命；加大刀具的工作前角，使变形下降，切削容易。缺点：形状极不规则，影响加工精度和表面粗糙度；不稳定积屑瘤的频繁脱落，加速刀具的磨损，产生振动。 在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。 3）第三变形区 在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域称为第三变形区（）。主要特征：已加工表面的纤维化，形成加工变质层。塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层的残余应力。 （2）切屑的类型1)带状切屑 形成条件：加工塑性材料、高切削速度、小切削厚度、大的刀具前角。 特 点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙 度小。不易断屑、影响加工过程和安全。2)挤裂切屑：形成条件：加工塑性材料、中等切削速度、切削厚度较大或刀具前角较小。 特 点：切屑冷硬度高，脆且易断，已加工表面粗糙度小。切削力幅值大，且波动明显，易产生振动。3) 单元切屑形成条件：加工塑性较差的材料、切削速度很低、切削厚度很大或刀具前角很小。 特 点：切削力波动大，振动明显，已加工表面非常粗糙、有振纹。4) 崩碎切屑形成条件：切削脆性材料，如铸铁、黄铜等。 特 点：切削力幅值较小但波动幅度大，易产生振动，已加工表面粗糙度较大。3、 刀具磨损和刀具耐用度（1） 刀具磨损的形式 1）前刀面磨损：切削塑性材料，切削速度、切削厚度较大时，在前刀面上磨出一个月牙洼。2）后刀面磨损：加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小（hD0.1mm），由于前刀面上刀屑间的作用相对较弱，主要发生后刀面磨损。3）边界磨损：切削钢材时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损。（2）刀具磨损的原因 1）磨料磨损：低速切削时的主要磨损原因。2）黏结磨损：切屑材料与刀具在压力和摩擦条件下发生冷焊黏结，带走刀具材料，产生表面破坏伤痕。 在形成不稳定积屑瘤的条件下，黏结磨损较为严重。 3）扩散磨损：工件、刀具材料在高温条件下相互扩散，造成刀具磨损。扩散磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因之一。4）化学磨损：高温下刀具材料与周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨损。在高速切削时，产生边界磨损的主要原因。（3）刀具耐用度定义：刀具耐用度是指刃磨后的刀具从开始切削到磨损量达到磨钝标准(VB、NB)为止所用的切削时间。用T表示，单位：min。 （刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要参数。）4、 工件材料的切削加工性 （1） 含义： 工件材料切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。 （2） 衡量指标 1）以一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性； 2）以加工表面质量衡量加工性； 3）以切削力或切削温度衡量加工性； 4）以切屑控制或断屑的难易衡量加工性。 一般生产中，常以保证刀具一定耐用度下的切削速度vT作为衡量材料切削加工性的指标。 第 二 章 金属切削刀具1、 车 刀 车刀是金属切削加工中使用最广泛的刀具，它可以在普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半自动车床上，完成工件的外圆、端面、切槽或切断等不同的加工工序。2、 孔加工刀具 孔加工刀具用途广、种类多，一般可分为两大类： （1）在实体材料上加工孔的刀具，如麻花钻、中心钻、扁钻、深孔钻等； （2）对孔进行再加工的刀具，如扩孔钻、绞刀、镗刀、锪钻等。 （3）绞刀用于孔的精加工或半精加工：加工中的“扩张”与“收缩” 。扩张：实际加工的孔径比绞刀校准部的直径大。 原因：刀齿的径向误差、工件与刀具的安装误差，积屑瘤的作用，工件材料、绞削用量、切削液等因素的影响。收缩：实际加工的孔径比绞刀校准部的直径小。 原因：工件材料的弹性恢复。如加工薄壁的韧性材料、硬质合金绞刀高速绞孔等。3、 铣 刀铣削是一种应用非常广泛的加工方法。加工精度一般为IT9IT8，表面粗糙度为Ra6.31.6。铣刀为多齿刀具，有较高生产率。主要用于平面、台阶、沟槽和各种成形面的粗加工和半精加工。（1） 铣削方式1）圆周铣削：用分布于圆柱面上的刀齿进行的铣削，称为周铣。 逆铣：铣刀切入工件时的切削速度方向与工件的进给方向相反。特点：刀齿的切削厚度从ap=0至apmax； 切入时，出现打滑，刀齿较易磨损； 已加工表面冷硬现象严重； 要求工件装夹紧固； 进给比较平稳。顺铣：铣刀切出工件时的切削速度方向与工件的进给方向相同。特点：刀齿的切削厚度从apmax到ap=0 ； 刀齿磨损较少，提高刀具耐用度； 已加工表面质量较高； 工件表面硬皮易损坏刀齿； 进给速度时快时慢，影响工件表面粗糙度。 2）端面铣削：用分布于铣刀端平面上的刀齿进行的铣削，称为端铣。1）对称铣 ：刀齿切入工件与切出工件的切削厚度ap相同,称为对称铣削。2）不对称逆铣：若切入时的切削厚度小于切出时的切削厚度，则为不对称逆铣。第 三 章 金属切削机床1、 成形运动(1).工件表面的成形方法 零件表面的形成：是一条母线沿一条导线运动而形成。母线和导线统称为表面发生线。 发生线是由刀具的切削刃与工件间的相对运动得到的，由于使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，形成发生线的方法可归纳为四种：轨迹法、成形法、相切法和展成法。 （2）成形运动的种类：简单成形运动、复合成形运动 1） 简单运动之间是相互独立的，没有严格的相对运动关系。 2） 组成复合运动的各个部分必须保持严格的相对运动关系，是相互依存，而不是独立的。(3)传动链1）外联系传动链 联系动力源（如电动机）和执行件（如主轴、刀架、工作台等）之间的传动链，使执行件获得运动（速度和方向）。 保证执行件实现简单运动； 不要求动力源和执行件之间有严格的传动比关系； 如：车床上加工外圆 电机-主轴；主轴-刀架 2）内联系传动链当传动链的两个末端件（执行件）之间的相对运动有严格的比例关系要求，该传动链称为内联系传动链。联系复合运动之内的各个分量，保证执行件实现复合运动； 执行件和执行件之间有严格的传动比关系； 内联系传动链中不得有瞬时传动比发生变化的传动件，如摩擦传动、带传动、链传动等。(4) 传动原理图 :卧式车床的传动原理图如下所示在卧式车床传动系统中，由于换置器官位置的不同，有如下图所示的三种传动方案，试写出每种传动方案的内、外联系传动链；从中选出最优方案，并说明理由。2、 传动系统（1） 传动路线表达式1)传动路线 传动路线表达式如下：2）主轴的转速级数与转速 根据传动系统图和传动路线表达式，主轴正转可获得23(22-1)+23=24级不同转速。同理，主轴反转12级。 主轴的转速可按下列运动平衡式计算： n=1450(130/230)uI-IIuII-IIIuIII-V（2） 设计传动系统1）变速范围 Rn=nmax/nmin 2）公比3）变速级数（3）转速图 级比指数：传动组内相邻两传动比之比值x称为级比，级比的指数x ，称为级比指数。基本组和扩大组：级比指数为1的传动组，称为基本组。将基本组的变速范围进行扩大的传动组，称为扩大组。设计变速系统的一般原则 1）“一个规律”：符合级比规律 2）“两个限制”： 齿轮极限传动比：imax=22.5,imin=1/4。 齿轮变速组的变速范围：rmax=810。 3）“三项原则”：传动副的设计“要前多后少”，传动路线的设计要“前密后疏”，降速比的设计要“前缓后急”。（ 若有升速传动，应遵守“先升后降”的原则。）4）“四项注意”：传动链要短，齿数和要小，齿轮线速度要小，空转件要少。 第 四 章 机床夹具设计原理1、 机床夹具的组成及作用（1）机床夹具的组成1）定位元件2）夹紧装置3）对刀及导向元件 用于确定刀具相对工件上加工表面相对位置的元件。 如钻套、镗套、对刀块等。4）夹具体 用于安装夹具中各种元件或装置的基础件。5）其他元件或装置 如定向键（T型槽定位键）、操作件（启动、液压、电磁等操作杆）、分度装置等。（2）机床夹具的作用1）保证发挥机床的基本性能 2）扩大机床的工艺范围3）提高生产率和降低加工成本4）保证加工精度和加工精度的稳定性5）降低对工人技术水平的要求，减轻劳动强度2、工件在夹具中的定位（1）六点定位原理（能够判断出限制哪些自由度）工件在空间的六个自由度必须用相当于六个支承点的定位元件来限制，且每个支承点只限制一个自由度。 （2）定位状态1） 完全定位：工件在夹具中定位，需要六个自由度都被限制时，称为完全定位。 2） 不完全定位（部分定位）：工件在夹具中定位，不需要全部限制六个自由度数时，称为不完全定位。3） 欠定位：工件在夹具中定位时，实际限制的自由度数少于应限制的自由度数时，称为欠定位。 4） 过定位（重复定位）：工件在夹具中定位时，同一自由度由两个或两个以上的支撑点所限制时，称为过定位。3、 定位误差 由于工件在夹具上定位不准确所引起的工序尺寸误差、方向或位置误差。（1）基准不重合误差B 定位基准与工序基准不重合而引起的工序尺寸的最大变动量，称为基准不重合误差。（2）基准移位误差Y 定位基准（本身）相对其理想位置沿工序尺寸方向变动，而引起的工序尺寸的最大变动量，称为基准移位误差。（3） 计算方法 DB+Y 书上第271页11题第5章 机械加工质量1. 机械加工精度（1）定义机械加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和表面间的位置）与理想零件几何参数相符合的程度。（2） 加工精度的影响因素1) 工艺系统的几何误差原理误差机床的几何误差工艺系统的调整误差刀具、夹具的制造误差及工件的安装误差工艺系统磨损所引起的误差2） 工艺系统受力变形所引起的误差传动力对加工精度的影响惯性力对加工精度的影响夹紧力对加工精度的影响重力对加工精度的影响3） 工艺系统受热变形所引起的误差机床热变形对加工精度的影响刀具热变形对加工精度的影响工件热变形对加工精度的影响4）工件内应力所引起的误差热加工过程中产生的内应力引起的误差切削加工过程中产生的内应力引起的误差。冷塑变形：表面产生压应力；热塑变形：表面产生拉应力冷校直产生内应力，引起的误差（3） 提高加工精度的解决措施1）减小工艺系统受力变形的措施提高工艺系统的刚度：机床构件自身刚度的提高；零部件之间的接触刚度；提高工件安装的刚度提高零部件的刚度：提高加工时刀具的刚度；加预紧力2）减少工艺系统受热变形的措施减少并隔离热源采用热补偿机构稳定机床温度场分布（达到热平衡后在工作）控制环境温度3）减小或消除内应力的措施合理设计零件结构采取适当的热处理合理安排工艺路线2、 表面质量的影响因素（1） 影响表面粗糙度的因素1）切削加工中影响表面粗糙度的因素几何因素物理因素2） 磨削加工中影响表面粗糙度的因素砂轮：砂轮的粒度 粒度 ，表面粗糙度 砂轮的硬度 适宜 砂轮的修整 表面越光滑，表面粗糙度越小