材料与金属工艺学第五篇切削加工3、4.ppt

第三章常用加工方法综述 第一节车削的工艺特点及其应用车工是在车床上利用工件的旋转运动和刀具的移动来改变毛坯形状和尺寸 将其加工成所需零件的一种切削加工方法 其中工件的旋转为主运动 刀具的移动为进给运动 一 车削的工艺特点1 易于保证工件各加工面的位置精度 车削时 工件绕某一固定轴线回转 各表面具有同一的回转轴线 故易于保证加工面间同轴度的要求 用三爪自定心卡盘安装工件 用一夹一顶安装工件 对一般较长的工件 尤其是较重要的工件 不能直接用三爪自定心卡盘装夹 而要用一端夹住 另一端用后顶尖顶住的装夹方法 用一夹一顶安装工件视频 四爪卡盘的外形如图所示 它的四个爪通过4个螺杆独立移动 它的特点是能装夹形状比较复杂的非回转体如方形 长方形等 而且夹紧力大 由于其装夹后不能自动定心 所以装夹效率较低 装夹时必须用划线盘或百分表找正 使工件回转中心与车床主轴中心对齐 如图为用百分表找正外圆的示意图 一般在车削细长轴时 用中心架来增加工件的刚性 在工件装上中心架之前 必须在毛坯中部车出一段支承中心架支承爪的沟槽 其表面粗糙及圆柱误差要小 并在支承爪与工件接触处经常加润滑油 用花盘 穹板及压板 螺栓安装工件 形状不规则的工件 无法使用三爪或四爪卡盘装夹的工件 可用花盘装夹 花盘是安装在车床主轴上的一个大圆盘 盘面上的许多长槽用以穿放螺栓 工件可用螺栓直接安装在花盘上 如下图左所示 也可以把辅助支承角铁 弯板 用螺钉牢固夹持在花盘上 工件则安装在弯板上 下图右所示为加工一轴承座端面和内孔时 在花盘上装夹的情况 为了防止转动时因重心偏向一边而产生振动 在工件的另一边要加平衡铁 工件在花盘上的位置需经仔细找正 在花盘上安装零件在花盘上用弯板安装零件 2 切削过程比较平稳 除了车削断续表面之外 一般情况下车削过程是连续进行的 不像铣削和刨削 在一次走刀过程中刀齿有多次切入和切出 产生冲击 3 适用于有色金属零件的精加工 某些有色金属零件 因材料本身的硬度较低 塑性较大 若用砂轮磨削 软的磨屑易堵塞砂轮 难得到很光洁的表面 用金刚石刀具 在车床上以很小的背吃刀量和进给量以及很高的切削速度进行精细车削 达到很高精度 4 刀具简单 车刀是刀具中最简单的一种 二 车削的应用车床主要用于加工各种回转体表面 加工的尺寸公差等级为IT11 IT6 表面粗糙度Ra值为12 5 0 8 m 车床的种类很多 其中应用最广泛的是卧式车床 看车床用途视频 切槽 在工件表面上车沟槽的方法叫切槽 槽的形状有外槽 内槽和端面槽 切断 切断要用切断刀 切断刀的形状与切槽刀相似 但因刀头窄而长 很容易折断 常用的切断方法有直进法和左右借刀法两种 如图所示 直进法常用于切断铸铁等脆性材料 左右借刀法常用于切断钢等塑性材料 车成型面 表面轴向剖面呈现曲线形特征的这些零件叫成型面 3种方法 车圆弧的样板刀用双手控制纵 横向进给车成形面 滚花 在车床上用滚花刀滚花 看滚花刀滚花视频 车圆锥面 将工件车削成圆锥表面的方法称为车圆锥 常用车削锥面的方法有宽刀法 转动小刀架法 靠模法 尾座偏移法等几种 这里介绍宽刀法 转动小刀架法和尾座偏移法 转动小刀架法 看转动小刀架法视频 尾座偏移法请看 看尾座偏移法视频 钻孔和镗孔 第二节钻 镗削的工艺特点及其应用钻孔是用钻头在实体材料上加工孔 钻孔属粗加工 可达到的尺寸公差等级为IT13 IT11 表面粗糙度Ra值为25 12 5um 麻花钻 两个主切削刃 两上副切削刃 一个横刃一 钻孔的工艺特点钻孔时 钻头工作部分大都处在已加工表面的包围中 受空间限制 1 容易产生 引偏 产生的原因 1 麻花钻细长 刚性较差 2 钻头仅有两条很窄的棱边与孔壁接触 接触刚度和导向作用很差 3 钻头横刃处的前角具有很大的负值 切削条件极差 实际上是挤刮金属 由钻头横刃产生的轴向力很大 稍有偏斜 将产生较大的附加力矩 使钻头弯曲 减小 引偏 产生采取的措施 1 预钻锥形定心坑 2 用钻套为钻头导向 3 刃磨时 尽量把钻头的两个主切削刃刃磨得对称一致 2 排屑困难 排屑过程中 切屑与孔壁发生较大的摩擦 挤压 拉毛和刮伤已加工表面 降低表面质量 切屑可能阻塞在钻头的容屑槽里 卡死钻头 甚至将钻头扭断 改善排屑条件 钻钢料工件时 在钻头上修磨出分屑槽 将宽的切屑分成窄条 以利于排屑 当钻深孔 L D 5 10 时 应采用合适的深孔钻进行加工 3 切削热不易传散 钻削是一种半封闭式的切削 钻削时所产生的热量 热量传散时工件吸收的热量约占52 5 钻头约占14 5 切屑约占28 而介质仅占5 左右 二 钻削的应用单件 小批量生产中 中小型工件上的小孔 一般D小于13mm 常用台式钻床加工 直径较大的孔常用立式钻床加工 大中型工件采用摇臂钻床 成批或大量生产用多轴钻 组合机床 三 扩孔和铰孔1 扩孔扩孔是用扩孔钻对工件上已有的孔进行扩大加工 提高孔的精度和减小表面粗糙度Ra值 扩孔的公差等级为IT10 IT9 表面粗糙度Ra值为6 3 3 2um属于半精加工 扩孔钻与麻花钻在结构上相比有以下特点 1 刚性较好 扩孔的吃刀量小 扩孔钻钻芯比较粗大 增加了工作部分的刚性 2 导向性较好 由于容屑槽浅而窄 可在刀体上做出3 4个刀齿 提高生产率 增强了扩孔时刀具的导向及修光作用 切削平稳 3 切削条件较好 扩孔钻的切削刃不必自外缘延续到中心 避免了横刃和由横刃引起的不良影响 且在一定程度上可校正原孔轴线的偏斜 2 铰孔铰孔是在扩孔或半精镗的基础上进行的 是孔的精加工方法 公差等级为ITB IT6 表面粗糙度Ra值为1 6 0 4um 铰刀铰孔的特点 1 铰刀为定径的精加工刀具 容易保证工件的尺寸精度和形状精度 但一种规格的铰刀只能加工一种尺寸和精度的孔 且不能铰削非标准孔 台阶孔和盲孔 2 机铰刀在机床上常用浮动连接 防止铰刀轴线与机床主轴线偏斜 造成孔的加工误差 铰孔不能校正原孔轴线的偏斜 3 铰削速度较低 可避免产生积屑瘤和引起振动 4 钻一扩一铰是生产中典型的孔加工方案 四 镗孔镗孔是位置精度要求严格的箱体上的孔系加工 可在车床 镗床或铣床上进行 镗孔可分粗镗 半精镗和精镗 在车床上对工件进行镗孔 看镗孔加工视频 在镗床上镗孔 多刃镗刀镗孔 第三节刨 拉的工艺特点及其应用一 刨削的工艺特点刨削加工的尺寸公差等级一般为IT13 IT7 Ra值为25 1 6um用宽刀进行精刨 表面粗糙度Ra值为1 6 0 8um 刨削的工艺特点 1 加工精度低 2 生产率低 3 加工成本低 4 通用性好二 刨削的应用由于刨削的特点 刨削主要用在单件 小批量生产中 在维修车间和模具车间应用较多 1 刨削平面 看刨水平视频 2 刨削垂直面3 刨沟槽刨T形槽刨燕尾槽4 刨斜面 插床及其应用插床如同竖立的牛头刨床 但工作台上多一圆工作台 插孔中键槽或异形孔较慢 单件小批生产用 现时多用数控线切割代替 三 拉削拉削可以认为是刨削的进一步发展 用拉刀加工工件内 外表面的方法称为拉削加工 拉削中只有一个运动 即拉刀的直线运动 送进运动由拉刀中递升的刀齿实现 故拉床结构简单 多为液压驱动 拉刀为复杂刀具 精度和热处理要求均高 故价昂 只适用于大批生产 拉削原理 每相邻两刀齿间有齿升量 第四节铣削的工艺特点铣削是平面的主要加工方法之一 铣削中小型零件上的平面通常在卧式铣床或立式铣床上进行 大型零件上的平面可在龙门铣床上加工 铣削加工公差等级可达IT13 IT7 表面粗糙度Ra值可达25 1 6um 一 铣削的工艺特点1 生产率较高 2 容易产生振动 3 刀齿散热条件较好 二 铣削方式按铣刀旋转轴线是水平的或垂直的可分为周铣和端铣两种 周铣 左 和端铣 右 从提高刀具耐用度和工件表面质量 一般以采用顺铣法为宜 但是工作台进给丝杠与固定螺母之间一般存在间隙 间隙在进给方向的前方 容易引起打刀 而逆铣没这种现象 所以一般在生产中选用逆铣法 三 铣削的应用铣削的加工范围很广 可加工平面 台阶 斜面 沟槽 成形面 齿轮以及切断等 图所示为铣削加工应用的示例 在铣床上还能钻孔和镗孔 利用分度头可以加工多面体 看分度头的应用视频 齿轮 螺旋槽 看铣螺旋槽视频 等分度头原理 万能分度头结构图1 分度手柄2 分度盘3 顶尖4 主轴5 转动体6 底座7 扇形夹 万能分度头的传动示意图1 螺旋齿轮传动2 主轴3 刻度盘4 蜗轮传动5 1齿轮传动6 挂轮轴7 分度盘8 定位销 在卧式铣床上 将齿坯套在心轴上安装于分度头和尾架顶尖中 对刀并调好铣削深度后开始铣第一个齿槽 铣完一齿退出进行分度 依次逐个完成全部齿数的铣削 铣削麻花钻和螺旋铣刀上的螺旋沟是在卧式万能铣床上进行 第五节磨削的工艺特点及其应用磨削加工是用砂轮以较高的线速度对工件表面进加工的方法 其实质是用砂轮上的磨料自工件表面层切除细微切屑的过程 根据工件被加工表面的性质 磨削分为外圆磨削 内圆磨削 平面磨削等几种 一 磨削原理砂轮由无数高硬的粒状磨料与黏结剂粘合而成 砂轮旋转时 每一外露的磨粒犹如铣刀上的一个刀齿 由于磨粒排列无规则 故刀齿的形状和角度都极不一致 有的可能真正起到切削作用 能切下切屑 这在砂轮灰中可用磁铁吸出极细的铁屑可以证明 有的可能太钝了 不能切削 但仍可起到压光作用 故磨削可以得到非常高的精度和很光滑的表面 砂轮的磨削过程 实际上就是切削 刻划和滑擦三种作用的综合 二 磨削的工艺特点1 精度高 表面粗糙度小 2 砂轮有自锐作用 3 背向磨削力FP较大 4 磨削温度高 砂轮用钝后要进行修整 否则磨削效率降低 而且会在工件表面产生烧伤 修整一般用装载修整架上的金刚石笔进行 与外圆车削相似 砂轮的修整 三 磨削的应用和发展1 外圆磨削 1 在外圆磨床上磨外圆 看磨外圆视频 2 在无心外圆磨床上磨外圆 2 孔的磨削孔的磨削可以在内圆磨床上进行 也可以在万能磨床上进行 3 平面磨削 看横向磨削视频 第四章精密加工和特种加工第一节精整和光整加工精整加工是生产中常用的精密加工 它是指在精加工之后从工件上切除很薄的材料层 以提高工件精度和减小表面粗糙度为目的加工方法 一 研磨 IT5 IT3 Ra值0 1 0 008 m 1 研磨原理 研磨是用游离的磨粒通过研具对工件进行微量切削的过程 在加工过程中 工件表面会发生复杂的牧师和化学变化 工件表面上一层极微薄的材料将被切除 2 研磨方法 手工研磨 人手持研具或工件进行研磨 机械研磨 在研磨机上进行 上 下研磨盘 可同向或反向旋转 研磨外圆研磨平面研磨内圆机械研磨分隔盘 由分隔盘带动与下研磨盘反向旋转 研磨时下研磨盘子旋转 偏心轴带动分隔盘旋转 使工件得到既转动又滑动的复杂而又不重复的运动轨迹 对于形状复杂的内孔 难以制造合适的研具时 还可采用挤压研磨 方法是将工件放在专门的夹具内 待研磨的异形孔两端与上下挤压缸相通 挤压缸内充满研磨剂 整套装置放在油压机工作台上 两活塞上下往复运动 推动研磨剂流过异形孔 实现研磨的功能 挤压研磨3 研磨的特点及应用 1 高的尺寸精度 小的Ra值 可提高形状精度 但不能提高位置精度 2 提高零件的耐磨性 抗蚀性 疲劳强度和使用寿命 3 成本低 生产率低 二 珩磨珩磨是利用珩磨头对工件表面施加一定压力 珩磨头同时作相对旋转和实现往复运动 切除极小余量的精密加工方法 多用于珩磨铸铁套和钢套的内孔 珩磨头的结构珩磨头上下运动的轨迹并不重合 而是调节到交叉成网状 这样可以使粗糙度Ra值下降 珩磨余量一般只留0 02 0 15mm 尺寸公差等级可达IT6 IT4 表面粗糙度Ra值为0 8 0 05 m 适宜加工的孔径范围为15 500mm 三 超级光磨1 加工原理超精加工是利用装在振动头上的细磨粒油石在一定压力下对工件进行微量切削的一种光整加工方法 振动头 在工件轴向进给的同时作轴向低频 小振幅振动 从而对工件进行加工 切削液 形成油膜 清除切屑和冷却润滑 控制加工进程 2 工艺特点及应用自动化程度高 成本低 加工余量极小 2 10um 表面质量好 有利于储存润滑油 耐磨性好 生产率高 不能提高尺寸 形状 位置精度 应用较广 四 机械抛光抛光是对零件表面进行修饰的一种方法 抛光一般只能得到光滑的表面或镜面光泽 不能提高甚至不能保留原有的加工精度 抛光后的表面粗糙度Ra值可达1 6 0 008 mm 机械抛光有轮式抛光 滚筒抛光和振动抛光几种 三种轮式抛光示意图滚筒抛光 左 和振动抛光 右 五 电镀电镀是用电化学的方法 在金属 非金属基体表面上沉积所需的另一种金属或合金的过程 将具有导电表面的制件和镀层金属材料浸沉于含有某种金属离子的电解质溶液中 制件为阴极 镀层金属为阳极 在外电流作用下 金属离子向阴极移动 即可在制件表面上形成与基体牢固结合的镀层 阳极悬挂的镀层金属板用来不断向电镀液补充金属离子 保持电镀液的浓度 工业上常用的镀层材料有锌 铜 镍 锡 铬 金 银 铂等多种 以镀镍为例 见图 其电镀液的一种配方是 硫酸镍150g L 250g L 氯化钠8g L 12g L 硼酸30g L 35g L 十二烷基硫酸钠0 05g L 0 1g L 在阴极上的反应为 Ni2 2e Ni 形成镀层 2H 2e H2 在阳极上的反应为 Ni 2e Ni2 阳极溶解 4OH 4e Ni Ni 不但金属可以电镀 目前已发展到塑料 鲜花等非金属材料也可以电镀 关键是要使这些原来不导电的材料表面活化 可以导电 六 喷涂热喷涂将金属或非金属材料溶化 靠压缩气体连续吹喷到制件表面上 形成与基体牢固结合的涂层的方法称为热喷涂 通过热喷涂可使工件表面获得耐磨 耐热 减震 消音 绝缘 导电等物理化学性能 喷涂热源可用燃气火焰 电弧 等离子弧或激光束等 喷涂材料可为金属 合金 金属氧化物和碳化物 陶瓷和塑料等 材料形态可为线材 棒材或粉末 对金属 陶瓷 玻璃 塑料 石膏 木材 布 纸等几乎所有的固体基体都可以进行热喷涂 基体可保持较低的温度 因而可不变形 粉末 火焰喷涂 左 等离子喷涂 中 和电弧喷涂 右 示意图 静电喷涂静电喷涂是用静电喷枪使油漆雾化并带上正电荷 与接地的工件间形成高压静电场 静电引力使漆膜均匀沉积在工件表面 形成均匀的漆膜 此法比普通喷漆有更高的效率和更好的成膜质量 常用于汽车 自行车 家用设施等大批大量生产的自动线上 图示出了汽车车身的静电喷涂情况 汽车车身的静电喷涂 第二节特种加工一 电火花加工 EDM 电火花加工的原理电火花加工是利用脉冲放电对导电材料的腐蚀作用去除材料 以获得一定形状和尺寸的一种加工方法 脉冲电源脉冲电压 工具电极和工件电极上 工作液被电离介质被击穿 放电通道电场力作用下 电子奔向阳极正离子奔向阴极 火花放电电子离子高速运动 轰击阳极和阴极动能转化为热能 10000 电极表面金属迅速熔化甚至汽化 工件表面形成一个极小的圆坑不断进给 工件不断被蚀除 电火花加工的特点及应用可以用硬度不高的紫铜或石墨作工具电极去加工任何硬 脆 韧 软和高熔点的导电材料 加工特殊及复杂形状的工件 没有机械加工时那样的切削力 因此适于加工薄壁 窄槽及微细精密的零件 脉冲电源的参数可以任意调节 能在同一台机床上进行粗加工 半精加工或精加工 精加工时Ra值可达0 04 10um 尺寸精度可达0 003 0 03mm 加工型腔的各种工具电极反拷法加工异形小孔 二 电火花线切割加工电火花线切割原理电火花线切割加工最显著的特点是 工具电极为一金属丝 常用钼丝 所切割出的工件形状 是由数控系统 微机控制器 控制X Y坐标工作台作相应的移动而获得的 为了保证很细的电极丝在火花放电时不致烧断 电极丝以8 10m s的速度不断地作反复运动 为了充分地冷却电极丝 需要往加工区喷注工作液 线切割机床加工原理图 三 电解加工电解加工的原理电解加工是利用金属在电解液中阳极溶解来对工件进行成形加工的一种方法 图所示为电解加工原理图 工件接直流稳压电源正极 工具接负极 两极间保持0 1 1mm间隙 具有一定压力的电解液从两极间高速流过 加工开始时 工具阴极最接近工件阳极处的电流密度最大 单位时间内消耗的电量最多 阳极溶解也最快 随着工具阴极不断缓慢地向工件进给 工件就不断地按工具阴极端部的型面溶解 电解产物不断被高速流过的电解液带走 最后工具的形状就被复制到工件上 电解加工原理图生产率高于电火花加工 但生产附属设备多 占地广 造价高 加工不够稳定 电解液机床有腐蚀作用 会污染环境 故应用不如电火花加工广 四 超声加工超声加工是一种变相的机械加工 工具作超声频振动 工具冲击磨粒 而使被加工工件的材料受到破坏 工具的超声振动 从超声换能器获得的 超声换能器的铁芯由磁致伸缩材料制成的 镍 铁镍合金 铁铝合金 铁氧体等 超声加工的能源 振动频率为16 30hz的超声波发生器 产生共振 共振变幅杆振幅扩大传到工具上击碎工件 超声波加工原理图 五 激光加工激光加工的原理与特点激光加工是利用激光发生器产生的高能激光束经光学系统聚焦成直径几十微米到几微米的极小光斑 达到极高的能量密度 温度达10000度以上 可使任何工件材料熔化甚至汽化 材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀 压力突然增大 熔融物被爆射到外面 从而实现加工的过程 应用1 打孔如火箭发动机和柴油机上喷油嘴 化学纤维的喷丝板 钟表上的宝石轴承 聚晶金刚石拉丝模上的微细孔等2 激光切割可以切割任何材料 可以透过真空管外壁在其内部聚焦而进行切割 3 水晶内部雕刻使激光穿透水晶实体的表面 使之成为别具一格的工艺品 六 水射流切割技术原理水射流切割技术是利用高速高压的水流冲击工件 因水流的压强大于工件材料的破坏强度而实现切割的方法 水流速度高达每秒数百米 水压达到100 1000Mpa 切割软且要求无污染的材料时用纯水 切割硬材料时往往向水中加入些硬度不是太高的磨料粉 有时还加入一些泡沫生成剂 可以