金属加工工艺学 第五篇

一 、 切削加工 用刀具从金属材料（毛坯）上切去多余的金属层，获得几何形状、尺寸精度和表面质量都符合要求的零件的生产方法。 二、切削加工的分类 1. 钳工 第八章 切削加工基础知识 2. 机械加工 工人手持工具，对工件进行各种加工的方法。如 划线 、打样、冲眼、锯削、錾削、锉削、刮研攻丝等。 工人操作机床，对工件进行各种加工的方法。如 车削 、刨削、铣削、钻削、磨削、齿轮加工等。 1 切削运动与切削要素 一 、 零件表面的形成 平面、外圆面、内圆面（孔）、锥面、曲面（成形面） 二、切削运动 为了形成零件表面形状， 刀具与工件之间的相对运动 。 1. 主运动： 切下切屑最主要的运动。 特点： 在整个运动系统中 速度最高、消耗的功率最大。 主运动 只有一个。 2. 进给运动 ： 使金属层不断投入切削，加工出完整表面所需的运动。 特点： 速度低、消耗的功率小。有一个或多个。 3. 零件上的三个表面 已加工表面 加工表面 待加工表面 n f 已加工表面 加工表面 待加工表面 三、切削要素 1. 切削用量三要素 1）切削速度（ vc） m/s 在单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移。 d wd m 601 00 0 ndv wc601 00 02rcLnv旋转运动： （ m/s） 往复直线运动： （ m/s） 2）进给量（ f） （ mm） 在单位时间内（主运动的一个循环内），刀具或工件沿进给运动方向的相对位移。 单位时间的进给量 进给速度（ vf） nfv f （ mm/s） d md wf n 3）背吃刀量（ ap） （ mm） 2mwpdda （ mm） 2. 切削层几何参数 切削层 指工件上正在被切削刃切削的那一层金属。 近似为两个相邻加工表面之间的那一层金属。 1 2 f a p Kr f a p Kr 1)切削层公称宽度（ bD） （ mm） 两相邻加工表面之间的垂直距离。 f a p Kr rD kfh s in（ mm） 2)切削层公称厚度（ hD）（ mm） 沿主刀刃度量的切削层的长度。 rpD kabs in（ mm） 3)切削层公称面积（ AD） （ mm2） pDDD afhbA （ mm2） 2 金属切削刀具 一、刀具的组成 切削部分（刀头） 夹持部分（刀体） 前刀面： 主后刀面： 副后刀面： 主刀刃 副刀刃 刀尖 切屑流出 所经过的表面。 刀具上与工件的加工表面相对的表面。 刀具上与工件的已加工表面相对的表面。 二、刀具材料 1. 对刀具材料的基本要求 较高的硬度。 一般要求在 HRC 60以上。 有足够的强度和韧性。 有较好的耐磨性。 较高的耐热性。 有较好的工艺性。 2. 常用刀具材料 碳素工具钢 C= 0.71.4%； T8、 T10、 T10A、 T12等 HRC6165 特点 a. 淬火后硬度高； HRC6165 b. 价格低； .耐热温度低； .淬火后应力、变形大。 250300 应用：速度低、形状简单的手动工具。如锉刀、锯条等。 合金工具钢 Me1 影响切屑变形的因素： 刀具角度： 0 切削速度： v 材料塑性： 刀具与切屑之间的摩擦系数 ， 。 2. 切屑的种类 1) 带状切屑 特征：内表面光滑，外表面呈毛茸状。 形成条件：塑性材料、速度中等、较大的 0 、较小的 f 和 ap。 2) 节状切屑 特征：内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿状。 形成条件：中等硬度的塑性材料、速度较低、较小的 0 、较大的 f 和 ap。 3) 崩碎状切屑 特征：不规则的碎块状。 形成条件：脆性材料。 二、积屑瘤 在一定的切削速度下切削塑性材料时，常发现在刀具前刀面 上靠近刀刃的部位粘附着一小块很硬的金属 称为积屑瘤。 1. 积屑瘤的形成 o M 滞留层 1) 积屑瘤的形成过程 2) 积屑瘤的形成条件 工件材料：塑性材料； 切削速度：中等（ 1050m/min），温度约 300 ； 刀具角度： 0 偏小； 冷却条件：不加切削液。 2. 积屑瘤对加工过程的影响 有利 使 0 增大，使切削过程变得轻快。 可代替主刀刃和前刀面进行切削，保护刀具。 所以：粗加工时可以利用。 3. 积屑瘤的抑制 不利 积屑瘤不稳定，易引起振动，使 Ra 增大。 会引起 ap的变化，使加工精度降低。 所以：精加工时应尽量避免。 利用 切削液 ； 控制切削速度； 加大刀具前角 0 ； 对工件进行正火、调质处理，降低 、 ak。 三、切削力和切削功率 1. 切削力 1) 切削力的构成 o M 材料的弹性变形和塑性抗力； 切屑、工件表面与刀具的摩擦力。 2) 切削力的分解 刀具切削工件时作用在刀具或工件上的力。 将 Fr沿速度方向、轴向和径向三个相互垂直的方向分解为 Fz、 Fx、 Fy。 F弹、塑 F摩 1 F摩 2 Fr 主切削力（切向分力） Fz Fz 是 Fr在切削速度方向上的分力。 主切削力占总切削力的 80%90%，消耗的功率占总功率的 95%以上。是计算机床动力及主要传动零件强度和刚度的依据。 进给抗力（轴向分力） Fx Fx 是 Fr在进给方向上的分力。 消耗的功率仅占总功率的 15%。是设计和计算进给机构零件强度和刚度的依据。 切深抗力（径向分力） Fy 是 Fr在切削深度方向上的分力。 Fr Fz Fx Fy FX、 Y 3) 影响切削力的因素 工件材料：材料的强度、硬度越高，塑性韧性越好， Fr越大。 切削用量： ap 、 f 增大， Fr越大。 刀具角度： 增大 0 ， Fr 减小；增大 kr ， Fy减小、 Fx增大。 冷却条件：加切削液， Fr 减小。 4) 切削力的估算 生产中常用单位切削力 p 估算切削力的大小。 单位切削力 切削单位面积所需要的切削力。 单位： N/MM2 pafpAcpFz （ N） 2. 切削功率（ Pm） vFzPmvFxvFzPm f（ W） （ W） 四、切削热和切削温度 1. 切削热的来源与传散 1) 切削热的来源 a . 切屑变形所产生的热； b . 切屑与前刀面之间的摩擦； c . 工件与后刀面之间的摩擦。 切屑： 介质： 工件： 刀具： 5080% 1% 4010% 93% 2) 切削热的传散 2. 切削温度及其影响因素 切削温度 切削区的平均温度。 切削区 切屑、工件、刀具相接触的区域。 影响切削温度的因素： 工件材料：材料的强度、硬度越高，塑性、韧性越好， 切削温度越高；材料的导热性愈好，切削温度愈低。 刀具 冷却条件：加切削液，切削温度降低。 刀具角度： 增大 0 ，切削温度降低；减小 kr 、 kr ，切削温度降低。 刀具材料：导热性愈好，切削温度愈低。 切削用量： 、 、 愈大，切削温度愈高。但 的影响 最大 、 次之、 最小。 v f pa vfpa3. 切削液 在切削过程中，正确的选择和使用切削液。对降低切削温度、减小刀具磨损，提高生产率和加工质量有着重要的意义。 1) 切削液的作用 a . 冷却作用： b . 润滑作用： c . 洗涤与排屑作用： d . 防锈作用： 2) 切削液的种类 乳化液：乳化油 +水；呈乳白色。应用最广泛。 切削油：矿物油；润滑作用。 水溶液：水 +防锈剂等；呈透明状。 3) 切削液的选用 粗加工：以冷却为主。 如水溶液、低浓度的乳化液等。 精加工：以润滑为主。 高浓度的乳化液、切削油等。 五、刀具磨损和刀具寿命 1. 刀具磨损的形式及过程 1) 刀具磨损形式 后刀面磨损： VB 这种磨损一般发生在切削脆性材料或以较小的切 削厚度（ hD0.5mm）切削塑性材料的条件下。 前后刀面同时磨损： KT VB 这种磨损一般发生在以中等切削厚（ hD=0.10.5mm）切削塑性材料的条件下。 由于多数情况下，后刀面都有磨损，它的磨损对加工质量的影响较大，而且测量相对方便，所以一般都用后刀面的磨损高度 VB来表示刀具的磨损程度。 2) 刀具的磨损过程 VB t O A B C 初期磨损阶段 正常磨损阶段 急剧磨损阶段 初期磨损阶段 (OA) : 磨合阶段 正常磨损阶段 (AB) : 急剧磨损阶段 (BC) : 所以：应在刀具正常磨损阶段后期，急剧磨损阶段之前刃磨刀具。 判断刀具钝化的方法： 观察法： 测定（限定）刀具后刀面的磨损高度 VB： 精加工： VB = 0.10.3mm 粗加工 粗车中碳钢： VB = 0.60.8mm 粗车合金钢： VB = 0.40.5mm 但 VB的测量 a.须经验丰富； b.影响生产率。 所以：在数控机床、加工中心得到广泛应用。 规定刀具使用时间： 刀具的寿命（刀具耐用度） T。 2. 刀具寿命 t、耐用度 T 指刀具由开始切削到磨钝为止的实际切削总时间。 刀具在两次刃磨之间的实际切削总时间。 如粗加工： 硬质合金车刀： T = 60min 高速钢钻头： T = 60120min 3.影响 刀具磨损与刀具寿命的因素 75.05.25pTafvGT 切削用量： 、 、 愈大， 刀具磨损加剧。但 的影 响最大 、 次之、 最小。 v vfpafpa 工件材料：材料的强度、硬度越高，温度越高；材料的 导热性愈差，刀具磨损愈快，降低刀具耐用度。 刀具 冷却条件：合理使用切削液，可降低切削温度降低、减小 摩擦，提高刀具耐用度。 a. 刀具角度： 增大 0 、 0，可减小切屑变形、减 小摩擦，从而减小刀具磨损，提高刀具耐用度。 b.刀具材料：耐磨性、耐热性愈好，刀具耐用度愈高。 4 材料的切削加工性 60vTvTv材料的切削加工性是指材料被切削加工的难易程度。 一、衡量材料切削加工性的指标 2.相对加工性 kr 1.一定 刀具寿命下的切削速度 当刀具的耐用度为 T时，切削某种材料所允许的切削速度。 材料的切削加工性越好。 Tv若 T = 60min，则 60v60v各种材料 与 45钢（正火态） 之比值。 60v jv )( 60若把 45钢的 作为基准，写为 jr vvk)( 60601rk1rk材料具有良好的切削加工性。 材料的切削加工性较差。 常用材料的切削加工性分为八级 3.已加工表面质量 5.切削力 4.切屑的控制或断屑的难易 凡较容易获得好的表面质量的材料，其切削加工性较好； 反之则较差。精加工时，常以此为衡量指标。 凡切屑较容易控制或易于断屑的材料，其切削加工性较好； 反之则较差。在自动机床或自动线上加工时，常以此为衡 量指标。 在相同切削条件下，凡切削力较小的材料，其切削 加工性较好；反之则较差。在粗加工中，当机床刚 性或动力不足时，常以此为衡量指标。 二、影响材料切削加工性的因素 1.物理性能 2.材料的力学性能 材料的导热性愈好、一定刀具耐用度下的切削速度愈 高，材料的切削加工性愈好。 材料的 强度、硬度 愈高，切削力愈大，切削温度愈高， 刀具磨损加剧， 切削加工性愈差。 材料的 塑性、韧性 愈高，切削时切屑的变形加大，摩擦 力提高，切削力愈大，切削温度愈高，刀具磨损加 剧， 切削加工性愈差。 三、改善材料切削加工性的途径 1.调整材料的化学成分 2.热处理 在钢中加入 S、 Pb 等元素，可有效的改善材料的切削 加工性。 “ 易切削钢”。 高碳钢 退火 低碳钢 正火 第九章 零件表面的切削加工方法 1-1 车削加工 车削 用车刀在车床上加工工件的工艺过程。 加工精度： IT8IT7，表面粗糙度： Ra=1.66.3um 主运动 工件 的 旋转 运动。 进给运动 刀具 的 直线 运动。 所以：车削加工适宜各种回转体表面的加工。 第一节 切削加工方法 普通车床 适于各种中、小型轴、盘、套类零件的单件、小批量生产。 转塔式六角车床 适于加工零件尺寸较小、形状较复杂的中、小型轴、盘、套类零件。 立式车床 适于直径较大、长度较短的重型零件。（ L/D=0.30.8） 数控车床 适于多品种、小批量生产复杂形状的零件。 主轴箱 刀架 尾座 床身 右床腿 进给箱 溜板箱 左床腿 操纵 车床 一、工件装夹的方法 1.卡盘装夹 适用于 L/D 4的工件。 2.顶尖装夹 适用于 L/D = 410的工件。 3.心轴装夹 适用于盘、套类零件的精加工 。 4.其它附件 跟刀架、中心架、花盘等。 二、车削加工的应用 pa f v1.车 外圆面 2.车内园面（车床上镗孔） 3.车端面、切槽、切断 粗车： 精车： v f pa 实体零件： 钻孔 车（镗） 扩、铰 已铸出、锻出孔： 镗孔 4.车锥面 D dl1) 转动小刀架法 2) 成形刀法 3) 偏移尾架法 4) 靠模尺法 可加工内外圆锥面，且不受工件锥角大小的限制。 适于加工锥面较短的内外圆锥面，且不受工件锥角大小的限制。 可加工较长的锥面，但不能加工锥孔及锥角较大的锥面。 08适用于大批量生产，可加工内外锥面。 0125.车成形面 1) 双手控制法 2) 成形刀法 3) 靠模尺法 (轨迹法） 6.车螺纹 7. 滚花 二、车削的工艺特点 1. 易于保证各表面的位置精度。 2. 加工过程平稳。 3. 适合有色零件的精加工。 钢铁：粗车 半精车 精车 磨削 有色金属：粗车 半精车 精车 精细车 4. 刀具简单。 1-2 钻、扩、铰、镗削加工 一、钻削加工 钻削加工 用钻头在实体零件上加工孔的方法。 加工精度： IT13IT11，表面粗糙度： Ra=2512.5um 刀具 钻头； 设备 钻床（车床、镗床、铣床） 钻床 台式钻床 立式钻床 摇臂钻床 1. 钻头 柄部（尾部） 夹持 颈部 连接（过渡）作用 工作部分 导向部分 导向作用 切削部分 担负主要的切削工作 2. 钻削用量 背吃刀量 ： pa2wpda f进给量 ： 钻削速度 ： v601 00 0 ndv w （ m/s） L 柄部 工作部分 颈部 导向部分 切削部分 3. 钻削工艺特点 1) 钻孔时钻头易产生 “ 引偏 ” “ 引偏 ” 方式 轴线引偏 刀具旋转 钻床上钻孔 孔径扩大 工件旋转 车床上钻孔 “ 引偏 ” 原因 横刃的存在 钻头的刚性和导向性差 防止 “ 引偏 ” 的措施： 预钻锥形定心坑； 采用钻套导向钻孔 ； 刃磨时，应尽量使两个主刀刃对称一致。 2) 排屑困难 3) 散热条件差 使工件表面质量降低； 卡死、甚至折断钻头。 钻削产生的热量大部分集中在工件和钻头中，而且不易传散出去。使刀具磨损加剧。 4. 钻削的应用 钻孔主要用于粗加工。如螺钉孔、油孔、内螺纹底孔等。 单件、小批生产中、小型工件上的 小孔（ D1000 5000 50000 生产类型的划分： 单件、小批生产 成批生产 大批大量生产 机床设备 通用（万能）的设 备 通用和部分专用设 备 广泛使用高效专用 设备 夹具 通用夹具 广泛使用专用夹具 广泛使用高效专用 夹具 刀具和量具 一般刀具和通用量 具 部分的采用专用刀 具和量具 广泛采用高效率专 用刀具和量具 毛坯 木模手工造型和自 由锻造 部分的采用机器造 型和模锻 机器造型、压力铸造、模锻、滚锻等 对工人的技术要求 高 一般 操作工 低 调整工 高 各种生产类型的特征和要求： 2 工件的安装与夹具 定位 夹紧 = 安装 + 一、工件的安装 1. 直接安装法 工件直接安装在机床工作台或通用夹具上。 找正比较费时，定位精度的高低主要取决于所有工具或仪表的精度，以及工人的技术水平。 所以：定位精度不易保证，生产率低，仅适用于单件小批量生产。 2. 利用专用夹具安装法 工件安装在为其加工专门设 计和制造的夹具上中。 所以：定位精度高，生产率高， 适用于大批量生产。 二、工件定位的基本原理 1) 工件的六点定位原理 xyzxyzxyz：xoyo：yoz：xozx y zx zy注意： 定位支承点限制工件自由度时，必须使支承点与工件定位基准面始终紧密贴紧。 一个支承点只限制工件的一个自由度，工件的同一自由度只能有一个支承点限制。 夹紧 定位 2）定位现象分析 完全定位 工件在夹具中六个自由度都被限制，工件具有唯一确定的位臵。 ab cA B C abcx y zx zyaA bC abx y zzyax y z 不 完全定位 工件在夹具中被限制的自由度数少于六个，仍能保证加工质量。 aA 欠定位 过定位 x y z只限制： 夹具中用 两个或两个以上 的支承点重复限制工件的某一个自由度。 aA bC 三、夹具简介 夹具 是加工工件时，为完成某道工序，用来正确迅速安装工件的装臵。 工件在夹具中被限制的自由度数少于六个，但加工质量无法保证。 所以：定位精度不易保证，生产率低，仅适用于单件小 批量生产。 2) 专用夹具 为某一特定零件的特定工序专门设计和制造的夹具 。 所以：定位精度高，生产率高，适用于大批量生产。 3) 其它夹具 可调夹具；组合夹具；随行夹具等 。 1) 通用夹具 已标准化的夹具。 如：三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳等。 1. 夹具的种类 2. 夹具的组成 工件 挡铁 V形块 夹紧机构 钻套 夹具体 1) 定位元件及装置 夹具上用来确定工件正确位臵的元件及装臵。 2) 夹紧机构及装置 3) 导向及对刀元件 5) 其它元件及装置 4) 联接元件 6) 夹具体 夹具上工件定位后，将其夹紧以承受切削力等作用的机构或装臵。 夹具上用来对刀和引导刀具进入正确加工位臵的元件。 分度机构、导向键、平衡块等。 夹具上用来确定夹具和机床正确位臵的元件。 是夹具的基准零件。 3 工艺规程的制定 为了保证产品质量、提高生产效率和经济效益，须根据具体生产条件拟定合理的工艺过程，用图表（或 文字）的形式写成文件 工艺规程。 一、对加工零件进行工艺分析 1. 检查零件的图纸是否完整正确； 2. 审查零件材料的选择是否恰当； 3. 审查零件的结构工艺性； 4. 分析零件的技术要求； 二、选择毛坯 三、确定加工余量 1. 确定毛坯的种类； 毛坯 锻件、铸件、型材、焊接件等。 2. 确定毛坯的形状； 加工余量：为了得到一个合格的零件，必须从毛坯上切去 的那层金属。 毛坯尺寸与零件图的相应设计尺寸之差 加工 总余量 相邻两道工序的工序尺寸之差 工序余量 总余量 =工序余量之和 余量的大小 与生产类型有关 与生产方法有关 与零件的形状和尺寸有关 与工序有关 加工外圆面： 粗车： 35mm 精车： 11.6mm 磨削 粗磨： 0.30.5mm 精磨： 0.1mm以下 目的：为了切除上一道工序所留下来的加工误差和表面缺陷， 从而提高工件的加工精度、减小表面粗糙度。 确定加工余量的方法： 1) 估算法 2) 查表法 3) 计算法 仅适用单件、小批量生产。 适用一般的加工生产。应用最广泛。 适用大批量生产和自动机床及数控机床加工。 四、定位基准的选择 11. 基准的概念及分类； 1) 基准 在产品的设计、制造和装配过程中，在零件图、工艺图和装配图上作为 依据 的点、线、面。 2) 基准的分类 设计基准： 在零件图上（设计图样上）所使用的基准。 2 工艺基准 ： 在工艺过程中所依据的基准。 定位基准： 装配基准： 测量基准： 装配时，用来确定零件、部件在产品中的相对位臵所依据的基准。 在加工过程中，用作工件定位的基准。 测量工件被加工表面尺寸和相互位臵所依据的基准。 2. 定位基准的选择 1）粗基准的选择 粗基准 没有经过切削加工就被用作定位基准的表面。 保证各重要加工表面都有足够的加工余量 保证加工表面与非加工表面之间的相互位臵精度 选取非加工表面为粗基准； 若工件必须首先保证 某重要表面的加工余量均匀 ， 则应选择该表面为粗基准。 选取与加工表面相互位臵精度高的表面为粗基准； 在同一尺寸方向上，粗基准只允许使用一次。 2） 精基准的选择 精基准 经过切削加工才用作定位基准的表面。 “ 基准”重合原则； 尽可能选用设计基准为定位基准。可以避免由于基准不重合而引起的定位误差。 选作粗基准的表面应尽量平整、光洁， 不应有飞边、 浇口、冒口及其它缺陷， 以便定位准确、夹紧可靠。 “ 基准同一”原则； “互为基准”原则； 1、 2 轴颈 3、 4 锥孔 选精基准的表面应能保证零件定位准确、夹紧可靠。 五、工艺路线的拟定 1. 确定加工方案 加工一个直径 25H7表面粗糙度 Ra0.8m的孔。 可有四种加工方案： a.钻孔 -扩孔 -粗绞 -精绞； b.钻孔 -粗镗 -半精镗 -磨削； c.钻孔 -粗镗 -半精镗 -精镗 -精细镗； d.钻 -粗拉 -精拉 。 应根据零件加工表面的特点和产量等条件，确定采用其中一种加工方案。 2. 加工阶段的划分； 粗加工阶段： 切除各加工表面上的大部分余量，并做出精基准。 生产率 半精加工阶段 ： 减小粗加工留下的误差，为主要表面的精加工作好准备，并完成一些次要表面的加工。 精加工阶段 ： 保证各主要表面达到图纸规定的要求。 光整加工阶段 ： 进一步减小表面粗糙度、提高精度。 划分加工阶段的目的： 保证加工质量； 及早发现毛坯的缺陷； 合理使用设备 便于组织生产。 3. 加工顺序的安排 1) 切削加工工序的安排 先粗后精； 先基准后其它； 先主后次； 先面后孔。 2) 热处理工序的安排 预备热处理： 安排在机械加工之前。 最终热处理： 安排在半精加工之后，磨削加工之前。 时效热处理 ： 安排在粗加工之后。 3) 检验工序的安排 零件从一个车间送往另一个车间的前后； 零件粗加工阶段结束之后； 重要工序加工的前后； 零件全部加工结束之后。 六、机床与工艺装备的选择 1. 机床的选择 机床的精度应与工序要求的精度相适应； 机床的生产率应与该零件生产类型相适应； 机床的加工尺寸范围应与零件的外形尺寸相适应； 应符合本厂现有的实际情况。 2. 工艺装备的选择 夹