第1章 机械加工方法概述.ppt

机械制造工程学 主讲教师叶仲新 机械制造教研室 第1章机械加工方法概述 1 1零件加工表面的形成方法1 2机械加工方法 零件表面是由若干个表面元素组成的 这些形状都要通过各种成形方法来完成 零件表面在由原材料或毛坯制造方法来实现的过程中 按照质量m减小或增大的变化状态 可将获得方式分为 m 0 m 0 m 0三种类型 不同类型将采用不同的工艺方法 1 1零件的成形方法 m 0 毛坯制造方法 铸造 锻造及模具成形 注塑 冲压等 工艺中 在成形前后 材料主要是发生形状变化 而质量基本不变 m 0 切削加工方法 包括磨料磨削 特种加工等 在制造过程中通过材料逐渐被切除而获得需要的几何形状 m 0 快速成型制造方法 在成形中通过材料累加获得所需形状 这种制造方法又称为材料累加法 1 1零件的成形方法 m 0的制造过程是指利用材料塑性变形的工艺来获得零件形状的方法 属无屑加工方法 包括铸造 锻造 冲压等毛坯制造方法 锻压设备包括锻造机 冲压机 挤压机和轧制机四大类 模具是用来将材料填充在其型腔中 以获得所需形状和尺寸制件的工具 按填充方法和填充材料的不同 模具可分为 锻压具模 冲裁具模 拉伸具模 压铸模具 冷冲模具 注射模具 吹塑模具 粉末冶金模具等 1 m 0的制造过程 m 0制造过程是指从表面去除材料来获得零件形状的方法 包括切削加工和特种加工 切削加工是指零件在切削机床上 通过机床的传动系统 使零件与刀具按一定规律作相对运动 从而获得所需要的表面几何形状的方法 包括车 铣 钻 镗 刨 拉 磨等加工方法 在切削过程中 有力 变形 热 振动 磨损等现象发生 这些运动的综合决定了零件最终获得的几何形状及表面质量 2 m 0的制造过程 特种加工是指利用电或化学等方法以完成零件材料的去除 从而获得所需要的表面几何形状 这些方法主要适合于加工超硬度 易碎等常规加工方法难加工的场合 也称为高能束流加工 包括激光束 电子束 离子束 高压水射流等加工方法 特种加工机床近年来发展很快 按其加工原理可分成 电加工 超声波加工 激光加工 电子束加工 离子束加工 水射流等加工机床 2 m 0的制造过程 m 0的制造过程是指通过材料逐渐堆积形成三维实体工艺方法 成形后与成形前相比 m 0 零件是逐渐生长出来的 称为快速成型制造 RPM 方法 RPM方法是综合利用CAD技术 数控技术 材料科学 机械工程 电子技术及激光技术的技术集成 以实现从设计到三维实体造型的制造一体化系统技术 RPM方法是通过采用粘结 熔结 聚合作用或化学反应等手段 逐层可选择地固化树脂 切割薄片 烧结粉末 材料熔覆或材料喷洒等方式来实现的 3 m 0的制造过程 采用机械加工方法获得零件的形状 是通过机床利用刀具将毛坯上多余的材料切除来获得的 根据机床运动的不同和刀具的不同 可分为不同的加工方法 刀具切削加工的方式有 车削加工 铣削加工 钻削加工 镗削加工 刨削加工 拉削加工 齿轮加工 螺纹加工等 磨料切削加工的方式有 磨削加工 珩磨加工 研磨加工 超精加工等 1 2机械加工方法 车削方法的是工件旋转 形成主切削运动 车削时通过刀具相对工件实现不同的进给运动 可以获得不同的工件形状 加工后形成的工件表面主要是回转表面 还可以加工螺纹面 端平面及偏心轴等 车削加工精度一般为IT8 IT7 表面粗糙度为Ra6 3 1 6 m 精车时 可达IT6 IT5 表面粗糙度可达Ra0 4 0 1 m 特点有 工艺范围广 加工精度范围大 生产率高 可实现超精密加工 生产成本较低 1 2 1车削加工 铣削的主切削运动是刀具的旋转运动 工件本身不动 由机床的工作台完成进给运动 铣削刀具较复杂 一般为多刃刀具 铣削可加工平面 沟槽以及螺旋面 齿面 成形表面 在专用铣床上还可加工外圆 不同的铣削方法 铣刀完成切削的方式不同 卧铣时 平面的形成是由铣刀的外圆面上的切削刃形成的 立铣时 平面是由铣刀的端面刃形成的 铣削可获得较高的切削速度 因此生产率较高 1 2 2铣削加工 要分别看周铣 即侧铣 AP为背吃刀量 AE为侧吃刀量如果为端铣 AP为背吃刀量 AE为侧吃刀量 但表现的加工部位是不同的 普通铣削一般能加工平面或槽面等 用成形铣刀也可以加工出特定的曲面 如铣削齿轮等 数控铣床可通过数控系统控制几个轴按一定关系联动 铣出复杂曲面来 这时刀具一般采用球头铣刀 数控铣床在加工模具的模芯和型腔 叶轮机械的叶片等形状复杂的工件时 应用非常广泛的 因而得到了很快的发展 1 2 2铣削加工 由于铣刀刀齿的切入 切出 形成冲击 切削过程容易产生振动 因而限制了表面质量的提高 这种冲击 也加剧了刀具的磨损和破损 往往导致硬质合金刀片的碎裂 铣削时 铣刀在切离工件的一段时间内 可以得到一定冷却 因此散热条件较好 由于铣削加工属多刃断续切削 冲击振动较大 多用于粗加工或半精加工 加工精度为IT10 IT7 表面粗糙度为Ra6 3 1 6 m 1 2 2铣削加工 按照铣削时主运动速度方向与工件进给方向的相同或相反 又分为顺铣和逆铣 顺铣时 铣削力的水平分力与工件的进给方向相同 而工作台进给丝杠与固定螺母之间一般又有间隙存在 因此切削力容易引起工件和工作台一起向前窜动 使进给量突然增大 容易引起打刀 逆铣则可以避免这一现象 因此 生产中多采用逆铣 1 2 2铣削加工 在铣削铸件或锻件等表面较硬的工件时 顺铣时铣刀齿首先接触工件的硬皮 加剧了铣刀的磨损 逆铣则无这一缺点 但逆铣时 切削厚度从零开始逐渐增大 因而切削刃开始经历了一段在切削硬化的已加工表面上挤压滑行的阶段 也会加速刀具的磨损 同时 逆铣时 铣削力具有将工件上抬的趋势 也易引起振动 这是逆铣的不利之处 1 2 2铣削加工 端铣时的顺铣与逆铣a 对称端铣b 不对称逆铣c 不对称顺铣 刨削时的主运动和进给运动均为直线运动 刨床主要用于加工各种平面和沟槽 因此 刨削速度不可能太高 故生产率较低 刨削比铣削平稳 其加工精度一般可达IT8 IT7 表面粗糙度为Ra6 3 1 6 m 1 刨削加工 1 2 3刨 插 拉削加工 1 刨削加工 刨床可分为牛头刨床和龙门刨床 牛头刨床的主运动为滑枕带动刀具作直线往复运动 进给运动为工作台带动工件作间歇横向运动 一般只用于单件生产 加工中小型工件 龙门刨床的主运动为工作台带动工件作纵向往复运动 进给运动为刀架在龙门架上作横向间歇运动 主要用来加工大型工件 加工精度和生产率都高于牛头刨床 1 刨削加工 插削主要用于加工工件的内表面 如键槽 内孔等 相当于立式刨削 2 插削加工 拉削可使加工表面一次切削成形 机床运动简单 切削速度低 效率高 刀具成本高 适用于大批量生产 拉床可分为卧式和立式 内拉和外拉等 2 拉削加工 在钻床上 用旋转的钻头钻削孔是孔加工最常用的方法 钻头的旋转运动为主切削运动 钻削的加工精度较低 一般只能达到IT10 表面粗糙度一般为Ra12 5 6 3 m 在单件 小批生产中 中小型工件上较大的孔 D 50mm 常用立式钻床加工 大中型工件上的孔 用摇臂钻床加工 精度高 表面质量要求高的小孔 在钻削后常常采用扩孔和铰孔来进行半精加工和精加工 4 钻削与镗削加工 4 1 钻削加工 镗孔可在镗床上或车床上进行 在镗床上镗孔时 镗刀与车刀基本相同 不同之处是镗刀随镗杆一起转动 形成主切削运动 而工件不动 镗孔加工精度一般为IT9 IT7 表面粗糙度为Ra6 3 0 8 m 数控钻床 数控镗床主要是实现孔轴线的位置控制 因此只要控制刀具移到孔中心的坐标上即可即实现点位控制 4 2 镗削加工 扩孔采用扩孔钻头 铰孔采用铰刀进行加工 铰削加工精度一般为IT9 IT6 表面粗糙度为Ra1 6 0 4 m 扩孔 铰孔时 扩孔钻和铰刀均在原底孔的基础上进行加工 因此无法提高孔轴线的位置精度以及直线度 齿轮齿形的加工 按其形成齿形的工作原理可分为成形法和展成法 用成形法加工齿轮齿形时 刀刃的形状应与被加工齿轮的齿槽的横截面形状相同 这类刀具有盘状和指状铣刀 刨刀 拉刀 用展成法加工齿轮齿形时 要求刀具与工件之间模拟一对齿轮的啮合 用刀齿的运动轨迹包络出工件的齿形 这类刀具有滚刀 插齿刀 剃齿刀等 5 齿轮齿形 面 加工 5 1 齿形 面 成形法加工 滚齿加工就是在滚齿机上用齿轮滚刀加工齿面 其过程相当于一对螺旋齿轮啮合的过程 5 2 齿形 面 展成法加工 5 2 齿形 面 展成法加工 5 2 齿形 面 展成法加工 5 2 滚齿机 滚齿刀 插齿加工就是在插齿机床用插齿刀加工齿面 加工原理为一对圆柱齿轮的啮合按展成法加工圆柱齿轮 5 2 齿形 面 展成法加工 2 齿形 面 展成法加工 插齿刀 三维曲面的切削加工 主要采用仿形铣和数控铣的方法或特种加工方法 仿形铣必须有型体作为靠模 加工中球头仿形头始终以一定压力接触原型曲面 仿形头的运动变换为电感量 信号经过放大控制铣床三个轴的运动 形成刀头沿曲面运动的轨迹 铣刀多采用与仿形头等半径的球头铣刀 6 复杂曲面加工 数控技术的出现为曲面加工提供了更有效的方法 在数控铣床或加工中心上加工时 曲面是通过球头铣刀逐点按曲面坐标值加工而成 在编制数控程序时 要考虑刀具半径补偿 因为数控系统控制的是球头铣刀球心位置轨迹 而成形面是球头铣刀切削刃运动的包络面 6 复杂曲面加工 磨削加工是一种历史悠久的加工方法 又是一种具有发展前景的加工方法 这种加工方法既能作为精加工 超精加工 也能作为粗加工 既能加工普通材 也能加工超硬材料 磨削可分为外圆磨 内孔磨 平磨等 分别用于外圆柱面 圆锥面 平面 螺旋面 齿面等各种成形表面的加工 磨削加工的主运动是砂轮的旋转运动 磨削加工所用的刀具以砂轮和砂带为主 与前述的刀具切削有着不同的加工机理 7 磨削加工 7 磨削加工 7 磨削加工 7 磨削加工 7 磨削加工 7 磨削加工 砂轮可看成是一把具有无数微小刀刃所构成的铣刀 其磨削过程实际上是磨粒对工件表面的切削 刻削和滑擦三种作用的综合效应 磨削中 磨粒本身也会由尖锐逐渐磨钝 使切削能力变差 切削力变大 当切削力超过粘结剂强度时 磨钝的磨粒会脱落 露出一层新的磨粒 这就是砂轮的 自锐性 但切屑和碎磨粒仍会阻塞砂轮 因而 磨削一定时间后 需用金刚石车刀等对砂轮进行修整 7 磨削加工 7 磨削加工 7 磨削加工 7 磨削加工 磨削时 由于切削刃很多 所以加工时平稳 精度高 表面粗糙度小 磨床是精加工机床 磨削精度可达IT6 IT4 表面粗糙度可达Ra1 25 0 01 m 甚至可达Ra0 1 0 008 m 磨削的另一特点是可以对淬硬的工件进行加工 因此 磨削往往作为最终加工工序 但磨削时 产生热量大 需要有充分的切削液进行冷却 否则会产生磨削烧伤 降低表面质量 强力磨削技术 可以在单位时间内达到很大的切除量 因而可以一次完成粗精加工 7 磨削加工 随着科学技术的不断发展 许多具有高硬度 高强度 高脆性或高熔点的难加工新型材料 如硬质合金 钛合金 淬火工具钢 陶瓷 玻璃等 以及具有较低刚度或复杂曲面形状的特殊零件 如薄壁件 弹性元件 具有复杂曲面形状的模具 叶轮机械的叶片 喷埋头等 的出现 采用传统切削加工方法以无法完成其加工任务 特种加工方法正是在为完成这些加工任务而产生和发展起来的 8 特种加工 特种加工方法不同于传统切削加工方法 它是利用化学 物理 电 声 光 热 磁 或电化学方法对工件材料进行去除的一系列加厂方法的总称 这些加工方法包括 化学加工 电化学加工 电化学机械加工 电火花加工 电接触加工 超声波加工 激光束加工 离子束加工 电子束加工 等离子体加工 电液加工 磨料流加工 磨料喷射加工 液体喷射加工等各类复合加工 8 特种加工 8 1 电火花加工 电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温 熔蚀工件材料来形成所需的工件表面 电火花加工机床一般由脉冲电源 自动进给机构 机床本体及工作液及其循环过滤系统等部分组成 工件固定在机床工作台上 脉冲电源提供加工所需的能量 其两极分别接在工具电极与工件上 当工具电极与工件在进给机构的驱动下在工作液中相互靠近时 极间电压击穿间隙而产生火花放电 释放大量的热 工件表层吸收热量后达到很高的温度 10000 以上 其局部材料因熔化甚至气化而被蚀除下来 形成一个微小的凹坑 工作液循环过滤系统强迫清洁的工作液以一定的压力通过工具电极与工件之间的间隙及时排除电蚀产物 并将电蚀产物从工作液中过滤出去 8 1 电火花加工 第1章机械加工方法概述 多次放电的结果 工件表面产生大量凹坑 工具电极在进给机构的驱动下不断下降 其轮廓形状便被 复印 到工件上 工具电极材料尽管也会被蚀除 但其速度远小于工件材料 电火花加工机床根据加工方式分成两种类型 一种是用特殊形状的电极工具加工相应工件的电火花成形加工机床 8 1 电火花加工 另一种是用线 一般为钼丝 钨丝或铜丝 电极加工二维轮廓形状工件的电火花线切割机床 电火花加工的应用范围很广 适用于加工各种硬 脆 韧 软和高熔点的导电材料 可以加工各种形孔 曲线孔和微小孔 也可以加工各种立体曲面型腔 如锻模 压铸模 塑料模的模膛 既可以用来进行切断 切割 也可以用来进行表面强化 刻写 打印铭牌和标记等 8 1 电火花加工 电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成形加工的一种方法 电解加工的原理为 工件接直流电源正极 工具接负极 两极之间保持0 1 0 8mm间隙 将具有0 5 2 5Mpa压力的电解液从两极间的间隙中 以15 60min s的速度流过 当阴极工具向阳极工件不断进给时 在面对阴极的工件表面上 金属材料按阴极形面的形状不断溶解 电解产物被高速电解液带走 于是工具形面的形状就相应地 复印 在工件上 8 2 电解加工 电解加工具有以下特点 1 工作电压小 24V 工作电流大 20000A 2 能以运动一次加工出形状复杂的形面或型腔3 可加工难加工材料4 生产率较高 约为电火花加工的1 10倍5 加工中无机械切削力或切削热6 平均加工公差可达 0 1mm左右7 附屑设备多 占地面积大 造价高8 电解液既腐蚀机床 又容易污染环境 激光是一种能量密度高 方向性好 发散角小 单色性好 波长和频率单一 相干性好的光 通过光学系统可使激光聚焦成一个直径几微米至几十微米极小的光斑 以获得极大的能量密度 100 1000W cm2 和极高的温度 10000 C 在此高温下 被加工材料将瞬时急剧熔化和蒸发 并产生强烈的冲击波 使熔化的物质爆炸式地喷射去除 8 3 激光加工 激光加工具有的特点 1 不需要工具 不存在断屑 排屑的麻烦 2 对任何难加工的金属和非金属材料 如高熔点材料 耐热合金及陶瓷 宝石 金刚石等硬脆材料 都可以加工 3 非接触加工 工件无受力变形 8 3 激光加工 4 打孔切割的速度很高 加工部位周围的材料几乎