七种常用金属加工方法

1 七种常用的金属加工方法七种常用的金属加工方法 组成机器的零件大小不一 金属切削加工方法也多种多样 常用的形状和结构各不相 同 有车削 钻削 镗削 刨削 拉削 铣削和磨削等 尽管它加工原理方面有许多共同 之处 切削运动形式不同 但由于所用机床和刀具不同 所以它有各自的工艺特点及应用 范围 一一 车车削削 1 1 车削的定义 英文名称 turning 定义 工件旋转作主运动 车刀作进给运动的切削加工方法 车削的主运动为零件旋转运动 特别适用于加工回转面 刀具直线移动为进给运动 如图 1 1 所示 图 1 1 车削加工示意图 由于车削比其他加工方法应用的普遍 车床往往占机床总数的一般的机械加工车间 中 20 50 甚至更多 根据加工的需要 如卧式车床 立式车床 转塔车床有很多类 型车床 自动车床和数控车床等 卧式车床和立式车床结构如图1 2 1 3 1 4 所 示 2 图 1 2 卧式车床和立式车床结构图 图 1 3 转塔车床示意图 图 1 4 转塔刀架结构图 1 2 车削的工艺特点 1 易于保证零件各加工面的位置精度 零件各表面具有相同的回转轴线 车床主轴的回转轴线 一次装夹中加工车削 时 同一零件的外圆 内孔 端平面 沟槽等 能保证各外圆轴线之间及外圆与内孔 轴线间的同轴度要求 2 生产率较高 一般情况下车削过程是连续进行的 不易产生冲击 切削力基本上不发生变化 并且 当车刀几何形状 吃刀量和进给量次走刀过程中刀齿多次切入和切出一定时 切削过程可 采用高速切削和强切削层 公称横截面积 是不变的切削力变化很小 车削加工既适于单 件小批量生产 生产效率高 也适宜大批量生产 3 生产成本较低 车刀是刀具中最简单的一种 故刀具费用低 制造 刃磨和安装均较方便 车床 附件多 加之切削生产率高 装夹及调整时间较短 故车削成本较低 4 适于车削加工的 材料广泛 可以车削黑色金属 铁 锰 铬 有色金属 非金 除难以切削的 30HRC 洛氏硬度 以上高硬度的淬火钢件外 塑性材料 有机玻璃 橡胶等 特别适合于有色金属零件的精加工 某些有色金属零件的硬度较低 塑性较大 若 用砂轮磨削 软的磨屑易堵塞砂轮 难以得到很光洁的表面 因此不宜采用磨削加 工 当有色金属零件外表粗糙度值要求较小时 而要用车削或铣削等方法精加工 1 3 车削的应用 车床上使用不同的车刀或其他刀具 如内外圆柱面 内外可以加工各种回转表面 如 圆锥面 螺纹 沟槽 端面和成形面等 加工精度可达 IT8 IT7 外表粗糙度 Ra 值为 1 6 0 8 m 3 精细车的尺寸公差等级可达 IT6 IT5 表面粗糙度 Ra 值为 0 4 0 1 m 车削常用来加工 单一轴线的零件 还可以加工多轴线的零件 如曲轴 偏心轴等 或盘形凸轮 只需将刀具 位置或将车床适当改装 1 车外圆 图 1 5 车外圆的方法 左偏刀主要用于需要从左向右进给车削右边有直角轴肩的外圆以及右偏刀无法车削的 外圆 2 车孔 车孔是用车削方法扩大工件的孔或加工空心工件的内表面 车盲孔和台阶孔时 车刀 先纵向进给 当车到孔的根部时再横向从外向中心进给车端面或台阶端面 图 1 6 车孔的方法 3 车端面 车平面主要是车端面 图 a 是用弯头刀车平面 可采用较大背吃刀量 切削顺利 表面光洁 大小平面均可切削 图 b 是 90 右偏刀从外向中心进给车平面 适宜车削 尺寸较小的平面或一般的台肩端面 图 c 是 90 右偏刀从中心向外进给车平面 适宜 车削中心带孔的端面或一般的台肩端面 图 d 是左偏刀车平面 刀头强度较好 适宜 车削较大平面 尤其是铸锻件的大平面 4 图 1 7 车平面的方法 4 车锥面 锥面可看作是内外圆的一种特殊形式 内锥面具有配合紧密 拆卸方便 多次拆卸后 仍能保持准确对中的特点 广泛用于要求对中准确和需要经常拆卸的配合件上 常用的标 准圆锥有莫氏圆锥 米制圆锥和专用圆锥三种 种类规格说明应用 莫氏 圆锥 0 1 2 6 等 7 个号 0 号尺寸最小 大端直径 9 045mm 6 号最大 大端直径 63 348mm 其 中锥角 2 在 1 30 左右 米制 圆锥 4 6 80 100 120 14 0 160 200 共 8 个号 号数系指大端直径尺寸 mm 各 号锥度固定不变 均为 1 20 车床主轴锥孔及 顶尖 钻头 铰 刀的锥柄等 专用 圆锥 1 4 1 12 1 50 7 24 等 多用于机器零件或某些刀具的特殊部位 例如 1 50 圆锥用于圆锥定位销和锥铰刀 7 24 用于铣床主轴锥 孔及铣刀杆的锥柄 车锥面的方法 1 小滑板转位法 主要用于单件小批生产中精度较低和长度较短 100mm 的 内锥面 2 尾座偏移法 用于单件或成批生产中轴类零件上较长的外锥面 3 靠模法 用于成批和大量生产中较长的内外锥面 4 宽刀法 用于成批和大量生产中较短 20mm 的内外锥面 5 图 1 8 车锥面的方法 单件小批生产中 各种轴 盘 套等类零件多选用适应性广的卧式车床或数控车床进 行加工 直径大而长度短 长径比 L D 0 3 0 8 的重型零件 多用立式车床加工 成批生产外形较复杂 且具有内孔及螺纹的中小型轴 套类零件时 应选用转塔车床 进行加工 大批 大量生产形状不太复杂的小型零件 如螺钉 螺母 管接头 轴套类等时 多 选用半自动和自动车床进行加工 它的生产率很高但精度较低 二 钻削二 钻削 2 1 钻削的定义 中文名称 钻削 英文名称 drilling 其他名称 钻孔 定义 钻削刀具与工件作相对运动并作轴向进给运动 在工件上加工孔的方法 钻孔是一种最基本的孔加工方法 钻孔经常在钻床和 车床上进行 也可以在镗床 和铣床上进行 常用的钻床 有台式钻床 立式钻床和摇 臂钻床 钻孔与车削外圆相比 钻头工作局部处在已加工表面工作条件要困难得多 因 而引起一些 特殊问题 例如钻头的刚度和强度 容屑和排屑 导向和冷却润解围中 滑等 其特点可概括如下 图 2 5 钻孔示意图 6 1 钻头易引偏 引偏 指加工时由于钻头弯曲而引起的孔径扩大 孔不圆或孔的轴线歪斜等 见图 2 6 原因 由于钻头横刃定心不准 钻头刚性和导向作用较差 切入时钻头易偏移 弯曲 图图 2 6 引偏引偏 a 在钻床上钻孔 在钻床上钻孔 b 在车床上钻孔 在车床上钻孔 2 排屑困难 钻孔的切屑较宽 容屑槽尺寸又受到限制 流出时与孔壁发生剧烈摩表面 孔内 被迫卷成螺旋状 使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 甚至会切屑阻塞在容屑槽里 卡死或折断钻头 刀具磨损快 为了改善排屑条件 可在钻头上修磨出分屑槽 将宽的切屑分成窄条 以利于排屑 当钻深孔时 应采用合适的深孔钻进行加工 3 切削温度高 由于钻削是一种半封闭式的切削 主切削刃上近钻芯处和横刃上皆有很大的负前 角 钻削时所产生的热量由工件吸收的很多 大量高温切屑不能及时排出 切削液难 以注入到切削区 切削热不易传散 切屑 刀具与工件之间的摩擦很大 因此切削 温度较高 刀具磨损大 并限制了钻削用量和生产率的提高 4 精度低 钻削的精度较低 表面较粗糙 一般加工精度在IT10 以下 表面粗糙度 Ra 值 大于 12 5 m 生产效率也较低 因此 钻孔主要用于粗加工或预加工工序 7 图 2 7 立式钻床和摇臂钻床结构图 2 2 钻削的应用 单件 小批生产中 中小型工件上的小孔 D 13 mm 常用台式钻床加工 较大的孔 D 50 mm 常用立式钻床加工 大中型工件上的孔应采用摇臂钻床加工 回转体工件上的 孔在车床上加工 在成批和大量生产中 为了保证加工精度 提高生产效率和降低加工成本 广泛使用钻 模 多轴钻或组合机床进行孔的加工 精度高 粗糙度小的中小直径孔 D100m min 生产率高 主要加工 大平面 2 套式立铣刀 高速钢 切削速度 Vc 为 30 40 100m min 生产率低 用于铣削 各种中小平面和台阶面 3 圆柱铣刀 高速钢 卧铣铣削中小平面 4 三面刃铣刀 卧铣铣削小型台阶面和四方 六方螺钉头等小平面 5 立铣刀 铣削中小平面 4 铣沟槽铣沟槽 图 6 7 铣沟槽的方法 18 七 磨削 7 1 磨削的定义 中文名称 磨削 英文名称 grinding 定义 磨具以较高的线速度旋转 对工件表面进行加工的方法 如图 7 1 所示 通常 把使用磨具进行加工称为磨床 常用的磨具有固结磨具 如砂轮 油石等 和涂附磨 具 如砂带 砂布等 磨床按加工用途的不同可分为外圆磨床 内圆磨床和平面磨床 等 图 7 1 磨削 图 7 2 砂轮磨削 7 1 砂轮的特征要素 砂轮是由一定比例的硬度很高的粒状磨料和结合剂压制烧结而成的多孔物体 磨削 时与砂轮的选择合理与否至关重要 砂轮的性能主要取能否取得较高的加工质量和生 产率 决于砂轮的磨料 粒度 结合剂 硬度 组织及形状尺寸等因素 这些称为砂 轮的特征要素 如图 7 2 所示 7 2 磨粒的切削过程 如图 7 3 所示 磨削过程的实质是切削 刻划和摩擦抛光的综合作用过程 由此可获得较小的表面粗 糙度值 粗磨时以切削作用为主 精磨时切削作用和摩擦抛光作用同时并存 1 砂轮表面突起高度较大和较为锋利的磨粒 切入工件较深且有切屑产生 起切削作 用 图 a 2 突起高度较小和较钝的磨粒 只能在工件表面刻画细微的沟痕 工件材料被挤向两 旁而隆起 此时无明显切屑产生 仅起刻划作用 图 b 3 比较凹下和已经钝化的磨粒 既不切削也不刻划 只能从工件表面滑擦而过 起摩 擦抛光作用 图 c 19 图 7 3 磨粒的磨削过程 7 3 磨削工艺的特点 1 精度高 外表粗糙度小 磨削时 砂轮表面有极多的切削刃 并且刃口圆弧半径较小 磨粒上较锋利的 切削刃 能够切下一层很薄的金属 切削厚度可以小到数微米 这是精密加工 必须具备的条件之一 磨削所用的磨床 比一般切削加工机床精度高 刚度及稳定性较好 并且具有 微量进给的机构 可以进行微量切削 从而保证了精密加工的实现 磨削时 切削速度很高 当磨粒以很高的切削速度从工件表面切过时 同时有 很多切削刃进行切削 每个磨刃仅从工件上切下极少量的金属 残留面积高度 很小 有利于形成光洁的表面 加工精度为 IT7 IT6 表面粗糙度 Ra 值为 0 2 0 8 m 2 砂轮有自锐作用 磨削过程中 磨砂轮的自锐作用是其他切削刀具所没有的一般刀具的切削刃 如果钝损 坏 则切削不能继续进行 必需换刀或重磨 而砂轮由于本身的自锐性 使得磨粒能够以 较锋利的刃囗对零件进行切削 实际生产中 有时就利用这一原理进行强力连续磨削以提 高磨削加工的生产效率 磨削过程中 磨粒在高速 高压与高温的作用下 将逐渐磨损而变得圆钝 圆钝的 磨粒 切削能力下降 作用于磨粒上的力不断增大 当此力超过磨粒强度极限时 磨 粒就会破碎 产生新的较锋利的棱角 代替旧的圆钝磨粒进行磨削 当此力超过砂轮 结合剂的粘结力时 圆钝的磨粒就会从砂轮表面脱落 露出一层新鲜锋利的磨粒 继 续进行磨削 3 背向磨削力 Fp较大 20 图 7 4 总磨削力及其分解 图 7 5 磨削加工前后工件形变 如图 7 4 所示 磨削时砂轮作用在工件的力为总磨削力F F 可分解为三个相互 垂直方向的分力 即磨削力Fc 背向力 Fp 和进给磨削力 Ff 磨削时 由于背吃刀 量很小 所以磨削力 Fc 较小 进给磨削力 Fc 则更小 一般可忽略不计 但背向磨 削力 Fp 很大 这是因为砂轮的宽度较大 磨粒又是以很大的负前角切削4 5 1 c p F F 的缘故 在刀具切削加工中 一般切削力 Fc 最大 而磨削时是背向磨削力 Fp 最大 这是 磨削加工的一个显著特点 影响 Fp 作用于砂轮切入方向 砂轮以很大的力推压工件 加速砂轮钝化 使砂 轮轴和工件均产生弯曲变形 工件易出现圆柱度误差 直接影响工件的形状精度和 表面质量 如图 7 5 所示 解决方法 采用精磨 增加光磨次数 或采用辅助支承 以消除或减少因 Fp 所引起的 形状误差 光磨 工件磨到接近最后尺寸 余量一般为 0 005 0 01mm 时不再吃刀的磨削 光磨可 提高工件的形状精度 降低表面粗糙度 磨削质量随着光磨次数的增多而提高 4 磨削温度高 磨削速度高 为一般切削加工的 1020 倍 且为负前角切削 这样高的切削速度 下 磨削时滑擦 刻划和切削 3 个阶段所消耗的能量绝大挤压和摩擦较严重 局 部转化为热量 加上磨粒多 又因为砂轮本身的传热性很差 大量的磨削热在短时 间内传散不出去 磨削区形成瞬时高温 并且大部分磨削热将传入零件 一般有 80 切削热传入工件 刀具切削低于20 而且瞬时聚集在工件表层 形成很大 的温度梯度 工件表层温度可高达1000 以上 而表层 1mm 以下接近室温 当局 部温度很高时 表面易产生热变形 甚至烧伤 因此 磨削时需施加大量切削液 以 降低磨削温度 5 表面变形强化和残余应力严重 与刀具切削加工相比 虽然磨削的表面变形强化和残余应力层要浅很多 但程度更为 21 严重 影响零件的加工工艺 加工精度和使用性能 解决方法 及时用金刚石工具修整砂轮 施加足够切削液 增加光磨次数 7 4 磨削的应用 1 外圆磨削 一般在普通外圆磨床或万能外圆磨床上进行 外圆磨削有纵 横 综合 深 磨法等 如图 7 6 所示 图 7 6 外圆磨削图解 纵磨法纵磨法 主运动 砂轮高速旋转 圆周进给运动 工件旋转运动 纵向进给运动 工件和磨床工作台的往复直线运动 横向进给运动 砂轮周期性横向进给 特点 每次磨削量小 磨削力小 产生的热量少 散热条件较好 加工精度和表面 质量好 适应性强 生产率较低 应用 单件小批生产 精磨 特别是细长轴的磨削 实际中用的最多 横磨法横磨法 切削运动 工件不作纵向移动 砂轮以慢速作连续的横向进给 特点 生产率高 工件与砂轮接触面积大 磨削力较大 发热量多 磨削温度高 工件易发生变形和烧伤 应用 成批及大量生产 尤其是工件上的成形表面 加工表面不太宽且刚性较好的 工件 轴的磨削 综合磨法综合磨法 先用横磨法将工件表面分段进行粗磨 相邻两段间有 5 10mm 的搭接 工件上留 22 下 0 0l 0 03mm 的余量 然后用纵磨法进行精磨 综合了横磨法和纵磨法的优点 深磨法深磨法 磨削时用较小的纵向进给量 较大的背吃刀量 一般为 0 3mm 左右 在一次行程中 切除全部余量 前端锥面进行粗磨 圆柱部分精磨和修光 应用 大批大量生产中加工刚度较大的工件 且被加工表面两端有较大的距离 允 许砂轮切入切出 2 在无心外圆磨床上磨外圆在无心外圆磨床上磨外圆 图 7 7 无心外圆磨削 磨削时 工件放在两个砂轮之间 下方用托板托住 不用顶尖支持 较小的一个用橡 胶结合剂做的 磨粒较粗 称为导轮 另一个是用来磨削工件的砂轮 称为磨削轮 导轮 轴线相对于砂轮轴线倾斜一角度 以比磨削轮低得多的速度转动 靠摩擦力带动工件旋转 工件一方面旋转作圆周进给 另一方面作轴向进给运动 如图 7 7 所示 无心外圆磨床特点 工件两端不需预先打中心孔 安装比较方便 机床调整好之后 可连续进行加工 易于实现自动化 生产效率较高 工件被夹持在两个砂轮之间 不会因背向磨削力而被顶弯 有利于细长轴类零件的 磨削 无心外圆磨削要求工件的外圆面在圆周上必须是连续的 如果圆柱表面上有较长的 键槽或平面等 导轮将无法带动工件连续旋转 故不能磨削 因为工件被托在托板上 依靠本身的外圆面定位 若磨削带孔的工件 则不能保证 外圆面与孔的同轴度 无心外圆磨床的调整比较复杂 3 孔的磨削孔的磨削 可以在内圆磨床上进行 也可以在万能外圆磨床上进行 它 可以加工圆柱孔 圆锥孔和成形内圆面等 磨削过程 23 纵磨圆柱孔时 工件安装在卡盘上旋转 并沿轴向作往复直线运动 砂轮高速旋转 并作周期性的横向进给 若磨圆锥孔 只需将磨床的头架在水平方向偏转半个锥角 4 平面磨削平面磨削 周磨 利用砂轮的外圆面进行磨削 特点 砂轮与工件的接触面积小 散热 冷却和排屑情况较好 加工质量较高 应用 加工质量要求较高的工件 设备 卧轴平面磨床 端磨 利用