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机械制造技术基础 机械工程学院姜志明 1 绪论 1 机械制造业和制造技术的重要性 1 机械制造业是国家工业体系的重要基础和国民经济的重要组成部分 是衡量一个国家科技水平的重要标志之一 2 制造技术是参与国际经济竟争一种重要手段 基础机械 基础零部件 基础工艺的发展 其关键在于制造技术的发展 3 第三次科技革命离不开现代制造技术的发展 2 第三次科技革命是人类文明史上继蒸汽技术革命和电力技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃 它以原子能 电子计算机 空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志 涉及信息技术 新能源技术 新材料技术 生物技术 空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命 3 4 在国防中举足轻重 5 航空母舰 制造业的颠峰 6 2 机械制造技术的发展方向 设备 向数控技术 精密 超精密 高速 超高速方向发展 普通设备加工精度10 m 0 01mm 精密加工1 m超精密加工0 1 m 刀具材料 向超硬 高硬度 耐热方向发展 生产规模 向大批量 变批量 多品种方向发展 生产方式 向柔性自动化 智能自动化方向发展 提倡绿色制造技术 7 目前研究热点 超高速切削精密及超精密加工 微细加工和纳米级加工复杂曲面加工 复杂刀具CAD CAM新型高难加工材料的切削加工新型刀具材料的设计与开发自动化加工中刀具可靠性研究切削过程在线检测 监控和预报其它新型加工方法 如 基于环保意识的绿色干切削 硬切削 低温切削 加热切削 振动切削等 8 3 本课程的性质 研究内容及作用 性质 是机械类各专业的主干专业技术基础课程 研究内容 金属切削原理 金属切削机床与刀具 机床夹具设计原理以及机械制造工艺 包括机械加工和装配 以及机械加工精度和表面质量的分析与控制 作用 9 决策阶段 机械产品的生产过程 三个阶段 设计与研究阶段 制造阶段 根据市场需求做出产品生产决策 产品设计研究 工艺规程设计工艺装备设计 生产准备毛坯准备 机械加工装配调试 产品 市场 10 生产准备毛坯准备 产品 各种工艺规程设计和工艺文件的制订及编制 各种夹具 模具 专用刀具 工具 工位器具 专用机床设备的设计 原材料 标准件 外购件等的采购 外协制造件的调研 商谈签订协议等 工艺装备的制造 标准刀具的采购 设备调试数控编程等 生产计划制订 协调等 11 课程的特点 涉及面广 综合性强 灵活性大 实践性强 与许多课程所讲述的基本理论 基础知识都有联系 内容丰富 学习时要融会贯通 切忌生搬硬套 重视实践环节积累的知识 学会理论联系实际 12 课程的学习要求 1 以金属切削理论为基础 要求掌握金属切削的基本原理和基本知识 并有根据具体情况合理选择加工方法 机床 刀具 切削用量 切削液等 的初步能力 2 掌握机械加工的基础理论和知识 如定位理论 工艺尺寸链理论 加工精度理论等 3 了解影响加工质量的各种因素 学会分析研究加工质量的方法 4 学会制定零件机械加工工艺过程的方法 5 掌握机床夹具设计的基本原理和方法 13 学习内容及学时安排 1 6 2 10 3 14 5 12 7 7 8 5 9 4 考核办法平时成绩占30 考勤和课堂纪律10 课外作业等20 期末闭卷考试 70 14 第一章金属切削过程的基础知识 15 本章重点一 基本定义切削运动的概念 切削用量三要素 刀具标注角度的参考系 基面 切削平面 主剖面 刀具 外圆车刀 端面车刀 切断刀 角度的标注 切削层参数等 二 刀具材料刀具材料应具备的性能 5个方面的性能 两种常用的刀具材料 高速钢 硬质合金 的牌号 性能特点 应用场合 了解其它刀具材料 16 1 1基本定义 切削加工须具备的三个条件 工件与刀具之间要有相对运动 切削运动 由切削机床完成 刀具材料必须具备一定的切削性能 刀具必须有合理的几何参数 刀具的角度 机械加工工艺系统 机床 夹具 刀具和工件 构成一个机械加工工艺系统 切削过程的各种现象和规律都在这个系统的运动状态中去研究 17 一 切削运动与切削用量 1 工件的加工表面待加工表面 即将被切去金属层的表面 加工表面 切削刃正在切削着的表面 已加工表面 已经切去一部分金属形成的新表面 18 平面刨削的切削运动及工件上三表面 19 课堂问题 指出钻 铣削的切削运动及工件上三个表面 待加工表面 已加工表面 加工表面 已加工表面 加工表面 20 2 切削运动 主运动 切削时最主要的 速度最高 消耗动力最多的运动 如图1 3中的Vc 说明 主运动是刀具与工件之间产生的相对运动 可由刀具 也可由工件实现 主运动可是直线运动 也可旋转运动 切削加工中 机床的主运动一般只有一个 唯一性 21 进给运动 使新的金属不断投入切削的运动 它是刀具与工件之间产生的附加运动 如图1 3中的Vf 说明 a 进给运动通常消耗功率较小 进给运动可以是一个或几个 甚至没有 如拉削 它可以是连续的 也可以是间歇的 22 拉削加工 23 b 进给运动可是直线运动 旋转运动或两者的组合 可由刀具或工件完成 24 合成切削运动与合成切削速度 主运动与进给运动合成的运动称合成切削运动 刀具切削刃上选定点相对工件的合成切削运动的瞬时速度称为合成切削速度 如图1 3中的Ve 25 常见加工方法的主运动和进给运动 26 27 28 29 3 切削用量三要素 vc f ap 1 切削速度vc 刀具切削刃上选定点相对工件沿主运动方向的瞬时速度 如图1 3中的vc 当主运动为回转运动时 如车 镗 钻 铣 磨等 m min或m s 30 进给量f 进给速度vf进给量 在主运动每转一转或每一行程时 刀具在进给运动方向上相对工件的位移量 根据加工方法的不同 进给量有三种表达方式 工件或刀具回转 车 镗 钻 时 进给量的含义为工件或刀具每转一周时 刀具相对工件沿进给运动方向的相对位移 用f表示 单位mm r 对于刨 插削等主运动为往复直线运动的加工 进给量的单位为mm d st 对于铣刀 铰刀 滚刀等多刃刀具 规定每一个刀齿的进给量时 用fz表示 单位为mm z 31 进给速度vf 切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度 单位 mm min或mm s 进给速度与进给量的关系 vf f n fz z n 32 3 背吃刀量ap 车削和刨削时 背吃刀量为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离 钻削时 33 二 刀具切削部分的基本定义 1 刀具切削部分的构造要素 34 主后刀面Aa 是指与工件加工表面相对的刀具表面 副后刀面Aa 指与工件已加工表面相对的刀具表面 3 切削刃 主切削刃指前刀面与主后刀面相交的锋边 副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边 车刀的组成 三面两刃一尖 1 前刀面Ar 是切屑流出的表面 2 后刀面 分为主后刀面与副后刀面 35 4 刀尖 可以是主 副切削刃的实际交点 也可以是圆弧或直线 通常称为过渡刃 36 焊接式车刀 37 机夹式可转位车刀 38 2 刀具标注角度的参考系 刀具静止参考系 刀具的工作角度 实际角度 把刀具同工件和实际切削运动联系起来确定的刀具角度 它是刀具在使用状态下的工作角度 刀具的标注角度 刃磨角度 设计 制造和刃磨刀具时所标注的角度 它是刀具在设计图纸上所标注的角度 39 两个假定条件 假定运动条件 首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运动方向 其次假定进给速度值很小 可以用主运动向量vc近似代替合成速度向量ve 该假定的实质 不考虑进给运动的影响 即设vf 0 假定安装条件 刀具的安装位置处于 标准 位置 即忽略刀具安装位置变化对刀具角度的影响 40 刀具标注角度参考系的构成 1 基面Pr通过切削刃上选定点 垂直假定主运动方向的平面 2 切削平面Ps通过主切削刃上选定点 与主切削刃相切 并垂直于基面Pr的平面 也就是主切削刃 或过选定点的切线 与切削速度方向 假定主运动方向 构成的平面 41 注意 基面Pr和切削平面Ps是十分重要的两个平面 它们是参考系中两个基本的参考平面 又称 基本参考平面 基本参考平面 与不同的 测量平面 组合就构成了不同的刀具标注角度参考系 42 3 主剖面Po和主剖面参考系主剖面Po是通过切削刃选定点 同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面 由Pr Ps Po组成一个正交的参考系称为主剖面参考系 43 主剖面参考系 44 4 法剖面Pn和法剖面参考系法剖面Pn是通过切削刃选定点 垂直于切削刃的平面 Pr Ps Pn组成法剖面参考系 45 5 进给剖面Pf和背平面Pp及进给 背平面参考系 进给剖面Pf是通过切削刃选定点 平行于进给运动方向并垂直于基面Pr的平面 背平面Pp是通过切削刃选定点 同时垂直于Pr和Pf的平面 Pr Pf Pp组成一个进给 背平面参考系 46 3 刀具的标注角度 刀具标注角度 在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度 称为刀具标注角度 亦即在刀具工作图上需要标注的角度 在不同的参考系中 所标注的角度有所不同 47 1 主剖面参考系中的标注角度 主偏角 r 在基面中测量的 主切削刃的投影与进给运动方向的夹角 r 48 1 主剖面参考系中的标注角度 主偏角 r 在基面中测量的 主切削刃的投影与进给运动方向的夹角 刃倾角 s 在切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角 49 r s 50 刃倾角的符号及其对排屑方向的影响 51 1 主剖面参考系中的标注角度 主偏角 r 在基面中测量的 主切削刃的投影与进给运动方向的夹角 刃倾角 s 在切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角 前角 0 前刀面与基面之间的夹角 在主剖面中测量 后角 0 后刀面与切削平面之间的夹角 在主剖面中测量 52 r s 0 0 53 前角 0和后角 0正 负号的规定 54 副偏角 r 在基面中测量的 副切削刃的投影与进给运动方向的夹角 副后角 0 副后刀面与过副切削刃的切削平面Ps 之间的夹角 55 r s 0 0 r 0 56 主偏角 r 刃倾角 s 前角 0 后角 0 副偏角 r 副后角 0 是车刀在主剖面参考系中必须标注的6个基本角度 根据需要还可标注以下角度 派生角度 楔角 0 主剖面中测量的前 后刀面间夹角 0 90 0 0 刀尖角 r 基面中测量的主 副切削刃在基面内投影间的夹角 r 180 r r 57 r s 0 0 r 0 0 r 58 刀具角度标注举例 f 59 刀具角度标注举例 切断 切槽 刀具角度标注 60 右偏刀车端面的标注角度 车槽刀的标注角度 刀具角度标注举例 61 62 2 法剖面参考系中的标注角度在基面和切削平面内标注的角度主偏角 r 刃倾角 s 副偏角 r 与主剖面参考系相同 只需将主剖面内标注的角度前角 0 后角 0 副后角 0 改在法剖面内标注法前角 n 法后角 n 法向副后角 n 即可 63 法剖面参考系中的标注角度 64 前角 0与在法剖面内前角 n的关系 图1 13 65 不同参考系刀具角度标注比较 66 三 刀具角度的换算 自学 67 四 刀具的工作角度 工作角度参考系与刀具标注角度参考系的区别 用Ve取代Vc 用实际进给运动方向取代假定进给运动方向 68 在刀具工作角度参考系中 工作基面Pre通过切削刃选定点 垂直于该点合成切削运动方向的平面 2 工作切削平面Pse通过切削刃选定点 与切削刃相切 并垂直于工作基面Pre的平面 也就是切削刃 或过选定点的切线 与合成切削速度Ve方向构成的平面 显然Pre Pse 69 1 进给运动对工作角度的影响 横车 横向进给运动的影响 由于基面位置的变化导致 工作前角 0e 工作后角 0e 0e 0 0e 0 tg vf vc f d Ve Vf Vc 70 讨论 tg vf vc f d式中 f 刀具横向进给量 mm r d 切削刃上选定点在横向进给时的切削直径 当f一定时 越接近工件中心 d值越小 急剧增加 由 0e 0 可知 0e将变为负值 当f增大时 增大 0e也可能变成负值 71 2 纵车 纵向进给运动的影响 由于基面位置的变化导致 工作前角 fe 工作后角 fe fe f fe f tg vf vc f dw 72 讨论 tg vf vc f dw式中 f 刀具纵向进给量 mm r dw 切削刃上选定点在A点时工件待加工表面直径 将上述角度换算至主剖面内 得tg 0 tg sin r 0e 0 0由上式可知 值不仅与进给量f有关 也同工件直径dw有关 dw越小 角度变化值越大 实际上 一般外圆车削的 值很小 可以忽略不计 但在车螺纹 蜗杆 尤其是多头螺纹或蜗杆时 的数值很大 必须进行工作角度计算 加工时 刀具常采用 法向安装 73 车刀的 法向安装 74 2 刀具安装对工作角度的影响 刀尖安装高低对工作角度的影响车削时 应用 粗车外圆 刀尖高于工件中心 增大前角 降低切削力精车外圆 刀尖低于工件中心 增大后角 减少后刀面磨损车成形面 刀尖与工件中心等高 避免误差 75 分析 当刀尖安装的高于工件中心线时 工作切削平面将变为Pse 工作基面变为Pre 工作角度 pe增大 pe减小 76 在背平面 P P为标注背平面 内角度变化值为 p 当刀尖低于工件中心时 上述计算公式符号相反 镗孔时的计算公式同外圆车削相反 77 课堂问题 镗孔时 当镗刀刀尖安装得高于或低于工件中心线时 工作前角和工作后角的变化如何 78 刀杆安装倾斜对工作角度的影响车刀刀杆与进给方向不垂直时 工作主偏角 re和工作副偏角 re 将发生变化 79 中心线安装偏斜对工作角度的影响 80 五 切削层参数与切削形式 切削层 切削中 刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的材料层称为切削层 切削层参数 指切削层的截面尺寸 它决定了刀具切削部分所受的负荷大小及切下切屑的形状和尺寸大小 加工方法 刀具形状不同 切削参数也不同 81 切削层参数 切削厚度hD 垂直于加工表面来度量的切削层尺寸 纵车外圆时 hD f sin r 切削宽度bD 沿加工表面度量的切削层尺寸 纵车外圆时 bD ap sin r 82 讨论 由切削层参数计算公式hD f sin r和bD ap sin r可见 在f与ap一定的条件下 主偏角 r越大 切削厚度hD也就越大 但切削宽度bD越小 即 切屑厚而窄 反之 主偏角 r越小 切削厚度hD也就越小 但切削宽度bD越大 即 切屑薄而宽 当 r 90 时 hD f 83 切削面积AD 切削层在基面Pr上的面积 AD hD bD对于车削来说 不论切削刃形状如何 名义 理论 切削面积均为 AD hD bD fsin r ap sin r f ap 84 85 上面所计算的均为名义切削面积 实际切削面积等于名义切削面积减去残留面积 图1 22 残留面积 是指刀具副偏角 r 0 刀具经过切削后 残留在已加工表面上的不平部分的剖面面积 残留面积的大小直接影响已加工表面的粗糙度 86 2 切削形式 自学 正切削与斜切削 自由切削与非自由切削 87 1 2刀具材料 88 有关刀具材料的一组 名言 好钢用在刀刃上机床与刀具材料交替进展 成为切削技术不断向前发展的历史规律刀具材料的每一次进步几乎都给机械加工业带来一次革命金属切削的发展史 从某种意义上说 可归结为刀具材料的发展史 89 一 刀具材料应具备的性能 高的硬度和耐磨性 足够的强度和韧性 高的耐热性 热硬性 良好的工艺性 良好的经济性 90 二 常用的刀具材料 1 高速钢高速钢 是一种加入较多的钨W 钼Mo 铬Cr 钒V等合金元素的高合金工具钢 特性 高速钢强度和韧性较高 具有一定的硬度和耐磨性 工艺性较好 适合制造各类切削刀具 特别是一些形状复杂的刀具和小型刀具 分类 高速钢按用途分为通用 普通 型高速钢和高性能高速钢 按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢 91 通用型高速钢 普通高速钢 钨钢典型牌号W18Cr4V 含W18 Cr4 V1 有良好的综合性能 常温硬度63 66HRC 600oC时的高温硬度为HRC48 5 可以制造各种复杂刀具 钨钼钢典型牌号W6Mo5Cr4V2 简称M2 含W6 Mo5 Cr4 V2 碳化物分布细小 具有良好的机械性能 抗弯曲度 韧性优于W18Cr4V 可制作尺寸较小 承受冲击力较大的刀具 热塑性特别好 更适用于制造热轧钻头等 各国广为应用 92 高性能高速钢典型牌号有高碳高速钢 9W18Cr4V 高钒高速钢 W6MoCr4V3 钴高速钢 W6MoCr4V2Co8 W2Mo9Cr4VCo8 M42 超硬高速钢等 它是在通用高速钢的基础上再增加一些C V及添加Co Al等元素 比通用形高速钢具有更为优越的切削性能 适合于加工高温合金 钛合金 超高强度钢等难加工材料 粉末冶金高速钢用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水 直接得到细小的高速钢粉末 高温下压制成致密的钢坯 而后锻压成材或刀具形状 适合制造切削难加工材料的刀具 大尺寸刀具 如滚刀 插齿刀 精密刀具等 93 高速钢性能比较 94 2 硬质合金 1 组成硬质合金是由难熔金属碳化物 如WC TiC TaC NbC等 和金属粘结剂 如Co Ni等 经粉末冶金方法制成的 2 性能特点碳化物含量较高时 硬度高 但抗弯强度低 粘结剂含量较高时 抗弯强度高 但硬度低 特性 硬质合金的硬度 耐磨性 耐热性都很高 但抗弯强度较低 冲击韧性差 切削时不能承受大的切削振动和冲击负荷 95 硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料 约占50 如大多数的车刀 端铣刀以至深孔钻 铰刀 拉刀 齿轮刀具等 它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料 3 分类ISO组织和我国都将切削用的硬质合金分为三类 分别对应为K YG P YT 和M YW 96 YG K 类 WC Co 钨钴 类硬质合金 组成 由WC和Co组成 常用牌号及含义 常用牌号 YG3X YG6X YG6 YG8牌号含义 Y 硬质合金 G 钴 后面的数字为钴含量的百分数 X C 分别表示细 粗晶粒 不标时为中晶粒 性能特点 硬度为HRA89 91 5 抗弯强度为1 1 1 5GPa 韧性 磨削性 导热性较好 细晶粒 比 中晶粒 硬度 耐磨性高 但抗弯强度 韧性要低一些 适用场合 较适合加工产生崩碎切屑 有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料 如铸铁 有色金属及其合金 和导热系数低的不锈钢等 97 2 YT P 类 WC TiC Co 钨钛钴 类硬质合金 组成 由WC TiC 5 30 和Co组成 常用牌号及含义 常用牌号 YT5 YT15 YT30牌号含义 Y 硬质合金 T 钛 后面的数字为TiC含量的百分数 性能特点 硬度为HRA91 5 92 5 抗弯强度为0 9 1 4GPa 有较高的硬度和耐磨性 抗粘结扩散能力和抗氧化能力好 但抗弯强度 磨削性能和导热系数下降 低温脆性大 韧性差 适用场合 适于高速切削钢料 不适于加工不锈钢和钛合金 98 3 YW M 类 即WC TiC TaC Co类硬质合金成份及性能 在YT类中加入TaC NbC 可提高其抗弯强度 疲劳强度 冲击韧性 高温硬度 强度和抗氧化能力 耐磨性等 适用场合 既可用于加工铸铁 也可加工钢 常用的牌号为YW1 YW2 99 各种硬质合金牌号的应用范围小结 被加工材料 YG用于脆性材料 YT用于钢料 YW脆性和钢料均可 粗 精加工用刀具材料的选择 在同类刀具材料中 含钴量增加 抗弯强度和冲击韧性提高 适于粗加工 含钴量减少 则硬质相增加 硬度 耐磨性及耐热性增加 适于精加工 YG3 脆性材料精加工 YT30 钢的精加工 YG8 脆性材料粗加工 YT5 钢的粗加工 YG6 YT15 一般用于半精加工 具体见表1 1 100 三 其它刀具材料 1 涂层刀具它是在韧性较好的硬质合金的基体上 或在高速钢刀具基体上 涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的 既提高了刀具材料的耐磨性 又不降低其韧性 常用的涂层材料有TiC TiN Al2O3等 涂层后的表层硬度大大提高 应用较为广泛 1 TiC涂层 硬度高 耐磨性好 抗氧化性好 切削时能产生氧化钛膜 减小摩擦及刀具磨损 2 TiN