机械加工工艺基础 第三章

第三章 主要切削加工方法,3.1 车削3.2 铣削3.3 刨削、插削和拉削3.4 镗削3.5 钻、扩、铰、锪3.6 磨削3.7 精密加工3.8 超精密加工和微细加工,下一页,3.1 车削,3.1.1 车削成形原理及应用工件旋转做主运动，刀具作进给运动的切削加工方法称为车削。其成形原理也可以看作是以刀具进给运动的轨迹作为母线，绕车床的回转轴线旋转而形成的曲面。这一形成过程可以在AutoCAD、AutoCAD是美国AutoDesk公司开发的一种著名的计算机制图软件。在该软件中可以使用Revolve命令由一条母线和一根轴线生成回转体表面。 车削加工可以加工多种外表面、内表面、端面、螺纹及成形面，如图3-1所示。,下一页,图3-1 车削加工表面类型,返回,3.1 车削,3.1.2 车刀车刀按用途划分可以包括外圆车刀（图3-2）、端面车刀（图3-3）、内孔车刀（图3-4）及切断刀（图3-5）。 1 高速钢车刀高速钢车刀整体由高速钢制造，由工人在使用中根据具体需要磨出所需的形状。这种刀具使用灵活，但是由于高速钢本身的切削性能有限，在大批量生产中应用很少。 2 焊接式车刀焊接式车刀（图3-6）是将一定形状的硬质合金刀片，用黄铜、紫铜或其他焊料经钎焊固定在刀杆上。这种车刀的优点是结构简单、制造方便，可以根据需要进行刃磨，硬质合金利用比较充分。,下一页,上一页,图3-2 外圆车刀,返回,图3-3 端面车刀,返回,图3-4 内孔车刀,返回,图3-5 切断刀,返回,图3-6 焊接式车刀,返回,3.1 车削,3 机夹重磨车刀机夹重磨式车刀（图3-7）是用机械夹固的办法将刀片固定在刀杆上。这种刀具的优点是刀杆可以重复使用，刀片不经高温焊接，不会产生焊接裂纹； 缺点是刀片用钝后仍然需要刃磨，因此刃磨水平会影响刀具的使用性能。常用的夹紧形式有上压式和侧压式。 4 机夹不重磨车刀机夹不重磨车刀（图3-8）把可转位刀片用机械夹固的方法装夹在特制的刀杆上，在使用过程中，当切削刃磨钝后，通过刀片的转位即可用新的切削刃继续切削。只有当刀片上所有可用切削刃都磨钝后，才需要换新刀片。 ,下一页,上一页,图3-7 上压式和侧压式机夹车刀,返回,图3-8 机夹不重磨刀,返回,3.1 车削,3.1.3 车床一、 普通车床图3-9所示为普通车床CA6140外观。普通车床的传动系统由主运动传动链、螺纹传动链、纵向进给传动链、横向进给传动链组成。主运动传动链的两端是主电机与主轴。主轴需要有多种不同的转速，以满足不同工件及不同工序的加工要求。二、 CA6140车床的传动系统CA6140型普通车床的传动系统如图3-10所示，其性能优越、结构先进、操作方便，除了能够车削普通内外表面及端面外，还可以加工常用的公制、英制、模数制（蜗杆）和径节制（英制蜗杆）四种标准螺纹，加大螺距螺纹、非标准螺纹及精度较高的螺纹。,下一页,上一页,图3-9 普通车床CA6140外观,返回,图3-10 CA6140车床的传动系统,返回,3.1 车削,三、 其他类型的车床1 六角车床为了适应批量生产的要求，在普通车床的基础上又发展起来了六角车床。它适于加工形状比较复杂的工件。图3-11（a）所示为转塔式六角车床。2 立式车床立式车床结构上的主要特点是主轴垂直布置，并有一个直径很大的圆形工件台，供安装工件使用。目前常用的立式车床有单柱立式车床和双柱立式车床两类。前者加工直径较小（D1600mm），后者加工直径较大（D2000mm）。单柱立式车床外形如图3-11（b）所示。,下一页,上一页,图3-11 转塔式六角车床和单柱立式车床,返回,3.1 车削,3.1.4 车削技术的发展一、 高速车削车削时的切削温度并非总是随着切削速度的提高而升高。在切削速度提高到某个特定水平Vcr时，切削温度会有一个峰值Tcr。 当切削速度VVcr时，切削温度反而会随着切削速度的提高而下降，如图3-12所示。根据高速切削实验研究可以得到如下结论： (1) 以73 000 m/min的超高速加工高强度材料是可行的。 (2) 超高速加工可减小工件的表面粗糙度，提高尺寸精度。 (3) 高速加工的材料切除率可达常规切削的240倍，但生产率的提高一般不超过10倍。,下一页,上一页,图3-12 切削温度-速度实验曲线图,返回,3.1 车削,(4) 加工淬火材料时，切削速度为36 500 m/min时刀具的磨损量最少，并比低速切削（12m/min）时的磨损量少。 (5) 加工退火材料时，切削速度对刀具的磨损几乎没有影响。 (6) 高速切削力大于常规切削力，但在实际应用中是可以控制的；二、 加热车削加热车削一般采用激光加热或者等离子电弧加热作为辅助，再进行车削。1 激光辅助车削（Laser Aided Turning, LAT）LAT以激光作为热源，在切屑形成的过程中加热剪切面上的工件材料，主要应用于一般金属材料的加工。 2 等离子电弧加热车削,返回,上一页,3.2 铣削,3.2.1 铣削成形原理及应用一、 铣削运动刀具旋转做主运动，工件移动作进给运动的切削加工一般称为铣削。如图3-13所示。有些镗削加工的运动形式与此相同。二、 铣削深度和铣削宽度在铣削加工中，铣削深度ap是指平行于铣刀轴线方向测得的切削层尺寸，如图3-14所示，立式铣削的铣削深度一般是指切削层的深度，而卧式铣削的铣削深度一般指加工表面的宽度。,下一页,图3-13 铣削运动,返回,图3-14 铣削深度和铣削宽度,返回,3.2 铣削,三、 铣削方式铣削方式可以分为顺铣和逆铣。利用刀具圆周上的刀齿进行加工称为周铣，利用刀具端面刀齿进行加工称为端铣。如图3-16所示，周铣时当铣刀的旋转方向与工件的进给方向相同时为顺铣，相反时为逆铣。图中画出了两种铣削方式下刀具、工件的受力情况及丝杠的工作状态。 老式铣床的工作台丝杠螺母副存在间隙，如果这时采用顺铣，当进给力Ff逐渐增大，超过工作台摩擦力时，工作台会带动丝杠向左窜动，造成进给不均，严重时会使铣刀崩刃。逆铣时由于进给力Ff的作用，丝杠与螺母始终贴紧，故铣削过程不会出现窜动现象。端铣时，根据端铣刀与工件安装位置的不同，也可以分为逆铣与顺铣，如图3-17所示。,下一页,上一页,图3-16 周铣时的逆铣与顺铣,返回,图3-17 端铣时的顺铣与逆铣,返回,3.2 铣削,3.2.2 铣刀一、 铣刀类型铣刀种类很多，对于一些常加工的表面一般使用具有专门形状的铣刀，如图3-18所示。除了单独使用的刀具外，在批量生产中还常将多把铣刀装在同一刀杆上组合起来使用，同时加工一个工件或者几个工件的多个表面，如图3-19所示。二、 铣刀几何角度在研究铣刀几何角度的时候，端铣刀一般以每个刀齿为单位，按照车刀的方法进行分析，其静止参考系中的角度与前文对车刀定义基本相同。对于圆柱铣刀，出于设计和制造的需要，通常定义其螺旋角、法向前角n和端面后角o，如图3-20所示。,下一页,上一页,图3-18 铣刀和铣削加工,返回,图3-19 组合铣刀,返回,图3-20 圆柱形铣刀的几何角度,返回,3.2 铣削,1 螺旋角指螺旋切削刃展开成直线后，与铣刀轴线间的夹角。螺旋角就是圆柱铣刀的刃倾角。2 前角n为便于刀具的制造和测量，通常用法向前角表示。 3 后角o圆柱铣刀的后角规定在正交平面中测量。由于圆柱铣刀的正交平面就是铣刀的端剖面，所以刀齿的端面后角就是圆柱铣刀的主后角o。,下一页,上一页,3.2 铣削,3.2.3 铣床1 卧式铣床卧式铣床的主要特征是机床主轴轴线与工作台台面平行。如图3-21所示。2 立式铣床立式铣床的主轴轴线与工作台台面垂直，如图3-22所示。卧式铣床与立式铣床都是通用机床，通常适用于单件及批量生产。 3 工作台不升降铣床工作台不升降铣床没有升降台，工作台只能做纵向、横向两个方向的运动，主轴箱可以沿床身导轨上下移动。这种机床承载能力大，刚性好，适于加工大而重的工件，如图3-23所示。4 圆工作台铣床圆工作台铣床的主轴箱有两根主轴，可分别安装粗铣和半精铣用的端铣刀，图3-24所示为一台双柱圆工作台铣床。,下一页,上一页,图3-21 卧式铣床,返回,图3-22 立式铣床,返回,图3-23 工作台不升降铣床,返回,图3-24 双柱圆工作台铣床,返回,3.2 铣削,5 龙门铣床龙门铣床是一种大型设备，适用于加工大型或重型工件。图3-25所示为一台三轴龙门铣床，有三个铣头，分别装在横梁和两侧立柱上，可用于对工件的三个表面进行铣削加工。 6 专用铣床专用铣床是用来专门加工某一类零件的铣床。这类铣床适用面窄，生产率高，易于保证加工质量，如键槽铣床、凸轮铣床等。7 数控铣床数控铣床是一种由计算机控制的、具有广泛通用性和较大灵活性、高度自动化的机床，适于加工形状复杂、精度要求高的工件，如模具、样板等。,下一页,上一页,图3-25 三轴龙门铣床,返回,3.2 铣削,3.2.4 铣削技术的发展一、 强力铣削和高速铣削模具钢、不锈钢、耐热合金等难加工材料的出现，对机床和刀具都提出了更高的要求。在这种背景下产生了强力铣削，它要求机床具有大功率、高刚度，要求刀具有良好的切削性能。随着机床与刀具技术的提高，强力铣削也随之而提高。 二、 精密铣削铣削的效率高于磨削，特别是在加工大平面及长宽都较大的导轨面时，采用精密铣削代替磨削能够大大提高生产率。,返回,上一页,3.3 刨削、插削和拉削,3.3.1 刨削原理及应用用刨刀对工件作水平相对直线往复运动进行切削加工的方法称为刨削。刨削可以加工平面，也可以加工形状不很复杂的通槽。如图3-26、图3-27所示。3.3.2 插削原理及应用用插刀对工件作上下相对直线往复运动的切削加工方法称为插削加工。插削在插床上进行，可以看作是“立式刨削”，主要用于加工单件小批生产中零件的某些内表面，也可以加工某些外表面，如图3-28所示。,下一页,图3-26 刨削平面,返回,图3-27 刨削沟槽,返回,图3-28 插削加工的典型表面,返回,3.3 刨削、插削和拉削,3.3.3 拉削原理及应用用拉刀加工工件内、外表面的方法称为拉削加工。拉床有卧式和立式两类，拉刀的直线运动为主运动。拉削无进给运动，其进给靠拉刀每齿的齿升量实现。拉削可加工内表面（如各种形状的通孔）和外表面，如图3-29所示，图中阴影部分表示拉削余量。,返回,上一页,图3-29 拉削加工的表面,返回,3.4 镗削,镗削的切削运动与铣削类似，主要在铣镗床、镗床上进行加工，是孔加工的常用方法之一。普通铣镗床上镗孔精度最高为IT8IT7，Ra1.60.8m。由于镗床本身工作台运动精度较高，因此可以保证相关各孔之间的位置精度，而且加工灵活。 在铣镗床上镗孔的方法如图3-30和图3-31所示。单刃镗刀安装在镗刀杆上，加工的孔径大小由调整刀头的伸出长度来保证，多用于单件小批量生产中。可调浮动镗刀也通过两切削刃之间的距离来保证孔径尺寸。,返回,图3-30 单刃镗刀在铣镗床上镗孔,返回,图3-31 浮动镗刀在铣镗床上镗孔,返回,3.5 钻、扩、铰、锪,3.5.1 钻削和麻花钻用钻头在实体材料上加工孔的方法称为钻孔，其精度为IT12IT11，Ra值为2512.5m，属于粗加工。麻花钻是钻孔最常用的刀具。麻花钻切削部分的直径如图3-32所示，它由两条对称的主切削刃、两条副切削刃和一条横刃组成。 钻孔的加工方法如图3-33所示。由于麻花钻有两条又宽又深的螺旋槽，只有两条很窄的棱边与孔壁接触，因此刚度差、导向性差，而且横刃还会产生很大的轴向力。,下一页,图3-32 麻花钻的切削部分,返回,图3-33 钻孔的实现方法,返回,3.5 钻、扩、铰、锪,3.5.2 扩孔和铰孔一、 扩孔 用扩孔钻扩大工件孔径的方法称为扩孔。扩孔所用的机床与钻孔相同，如图3-35所示。扩孔可以使用扩孔钻，也可以使用直径较大的麻花钻。扩孔钻常用来加工直径为1550mm的孔，扩孔余量一般为孔径的1/8。二、 铰孔用铰刀在工件孔壁上切除微量金属层，以提高尺寸精度和降低表面粗糙度的方法称为铰孔。铰孔所用机床与钻孔相同。铰孔可以加工圆柱孔和圆锥孔，可以在机床上进行（机铰），也可以手工进行（手铰），如图3-36所示。,下一页,上一页,图3-35 钻床扩孔,返回,图3-36 铰孔方法,返回,3.5 钻、扩、铰、锪,3.5.3 锪孔及其他孔加工刀具一、 锪孔用锪钻（或其他代用刀具）加工沉头孔的方法称为锪孔。锪孔一般在钻床上进行，如图3-37和3-38所示。其中两图的（a）图都使用专用锪钻，（b）图则使用了代用刀具。 二、 其他孔加工刀具孔的切削加工方法还有很多。1 扁钻2 内排屑深孔钻图3-40所示为内排屑深孔钻，切削液在较高的压力下由工件孔壁与钻杆外表面之间的空隙进入切削区进行冷却、润滑，并将切屑经钻头的排屑孔冲入钻杆内部向后排出。3 套料钻图3-41所示为套料钻，适于加工直径大于60 mm的深孔。,返回,上一页,图3-37 锪平底沉头孔,返回,图3-38 锪锥形沉头孔,返回,图3-40 内排屑深孔钻工作原理,返回,图3-41 四齿硬质合金套料钻,返回,3.6 磨削,3.6.1 磨削特点与砂轮一、 磨削特点磨削与车削、铣削等切削加工相比还有很多特点。1 切削刃（磨粒）形状不规则2 磨削过程是切削、刻划与抛光作用的综合 3 磨削速度高，切削厚度小 4 可以加工高硬度材料 5 砂轮具有自锐性,下一页,3.6 磨削,二、 砂轮砂轮是一种固结式磨具，由磨粒、结合剂和气孔三要素组成。 1 磨料制造普通砂轮的磨料主要有氧化物系和碳化物系两大类。 2 粒度砂轮的粒度是指磨料颗粒的大小，以磨粒刚好能通过的筛网号来表示。 3 结合剂是用于把细小的磨粒粘固成砂轮的结合物质，有以下几种： (1) 陶瓷结合剂 (2) 树脂结合剂 (3) 橡胶结合剂 (4) 金属结合剂,下一页,上一页,3.6 磨削,4 组织表示砂轮中磨料、结合剂和气孔三者之间不同体积的比例关系，用气孔率和磨粒率表示。气孔率指砂轮中气孔所占体积的多少；磨粒率指磨料在砂轮中所占体积的百分比。5 硬度砂轮硬度是指砂轮工作时在外力作用下磨粒脱落的难易程度。易脱落则砂轮硬度低；不易脱落则砂轮硬度高，主要取决于结合剂的黏结能力。,下一页,上一页,3.6 磨削,3.6.2 普通磨削一、 磨外圆（包括外锥面）磨外圆在普通外圆磨床和万能外圆磨床上进行，具体方法有纵磨法和横磨法两种，如图3-44和3-45所示。 二、 磨内圆（包括内锥面）磨内圆在内圆磨床和万能外圆磨床上进行，其方法如图3-46所示。 三、 磨平面磨平面在平面磨床上进行，其方法有周磨法和端磨法两种，如图3-47所示。,下一页,上一页,图3-44 纵磨法,返回,图3-45 横磨法,返回,图3-46 磨内圆的方法,返回,图3-47 磨平面的方法,返回,3.6 磨削,3.6.3 无心磨削一、 无心纵磨法如图3-49所示，大轮为工作砂轮，起切削作用。小轮为导轮，无切削能力。两轮与托板构成倾斜定位面托住工件。 二、 无心横磨法如图3-50所示，导轮的轴线与砂轮轴线平行，工件不作轴向移动。无心横磨法主要用于磨削带台肩而且较短的外圆、锥面和成形面等。 3.6.4 高效磨削 一、 高速磨削普通磨削砂轮线速度通常在3035m/s左右。当砂轮线速度提高到45 m/s以上时则称为高速磨削。,下一页,上一页,图3-49 无心纵磨法磨外圆,返回,图3-50 无心横磨法磨外圆,返回,3.6 磨削,二、 缓进给深磨削缓进给深磨削的切削深度约为普通磨削的1001 000倍，可达330mm，是一种强力磨削方法，如图3-51所示。 三、 宽砂轮与多砂轮磨削1 宽砂轮磨削宽砂轮磨削是用增大磨削宽度来提高磨削效率的，如图3-52所示。 2 多砂轮磨削多砂轮磨削如图3-53所示。它实际上是宽砂轮磨削的另一种形式，加工精度和表面粗糙度与宽砂轮磨削相同。,下一页,上一页,图3-51 缓进给深磨削与普通磨削的比较,返回,图3-52 宽砂轮磨削,返回,图3-53 多砂轮磨削,返回,3.6 磨削,3.6.5 砂带磨削利用砂带，根据加工要求以相应的接触方式对工件进行加工的方法称为砂带磨削，如图3-54所示，是近年来发展起来的一种新型高效工艺方法。 砂带所用磨料大多是精选出来的针状磨粒，应用静电植砂工艺，使磨粒均直立于砂带基体上，锋刃向上，定向整齐均匀排列。磨粒具有良好的等高性，磨粒间容屑空间大，磨粒与工件接触面积小，可使全部磨粒参加切削。,返回,上一页,图3-54 砂带磨削,返回,3.7 精密加工,3.7.1 刮削刮削是用刮刀刮除工件表面薄层材料的加工方法，一般在普通精刨和精铣的基础上，由钳工手工操作进行，如图3-56所示。3.7.2 宽刀细刨宽刀细刨是在普通精刨的基础上，通过改善切削条件，使工件获得较高的形状精度和较小表面粗糙度值的一种平面精密加工方法，如图3-57所示3.7.3 研磨研磨是利用研磨工具和研磨剂，从工件表面研去一层极薄材料的精密加工方法。研磨剂由磨料、研磨液及辅料配成。磨料一般使用微粉。研磨液用煤油或煤油加机油，起润滑、冷却以及使磨料均匀地分布在研具表面的作用。,下一页,图3-56 刮削,返回,图3-57 宽刀细刨,返回,3.7 精密加工,3.7.4 珩磨珩磨是利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作相对旋转和直线往复运动，切除工件极小余量的一种精密加工方法，如图3-62(a)所示。珩磨多在精镗的基础上，在珩床上进行，多用于加工圆柱孔。3.7.5 低粗糙度磨削工件表面粗糙度Ra值小于0.2 m的磨削工艺统称为低粗糙度磨削。低粗糙度磨削不仅可获得较小的Ra值，而且可以获得很高的加工精度。 3.7.6 超级光磨超级光磨是用极细磨料的油石，以恒定的压力（520MPa）和复杂的相对运动对工件进行微量切削，以减小表面粗糙度值的一种精密加工方法。,返回,上一页,图3-62 珩磨,返回,3.8 超精密加工和微细加工,3.8.1 超精密加工一、 超精密加工概念超精密加工尺寸公差可达0.10.01m，表面粗糙度Rz值为0.001m（在超精密加工中，表面粗糙度常用Rz表示）。二、 超精密加工的金刚石刀具超精密切削加工的典型代表是采用天然单晶金刚石刀具切削铝、铜或其他软金属材料。 三、 超精密加工机床用于超精密加工的机床必须要有很高的精度，如主轴必须能够稳定地