模具设计与制造专业英语译文

LESSON1TOOLMATERIALS第一课工具材料如何为特定工具而选择专门的材料通常由工具正确操作时所具备的必要的力学性能决定。只有在对拟用刀具的功能及需求进行了细致的研究和计算后才可以选择这些材料。在大多数应用中，满足要求的通常不止一种材料，而最终的选择通常由材料的可获得性决定，并且要考虑经济性。用于工具的主要材料可以分为三大类黒色金属、有色金属和非金属。黒色金属材料有铁作为基体金属，包括工具钢、合金钢、碳素钢和铸铁。有色金属材料中基体金属除了铁以外还有铝、锰、锌、铅、铋、铜及各种合金元素。非金属材料如木材、塑料、橡胶、环氧树脂、陶瓷及金钢石等，它们不含有基体金属。为了选择工具材料，我们应当掌握材料的一些物理性能和力学性能，以便确定所选材料对工具的功能和操作会有影响。物理性能和力学性能是指材料如何控制材料在特定条件下的所作反应的性能。物理性能是指材料固有的性能，如果不改变材料本身，它是还会被永久改变的。这些特性包括重量、颜色、导热性及导电性、热膨胀率及熔点。材料的力学性能是指通过热处理或机械加工可以永久改变的性能。这些性能包括强度、硬度、耐磨性、韧性、脆性、塑性、延展性、可锻性和弹性模量。从使用的角度出发，工具钢用于把像金属、塑料及木材等基本材料加工成型。从结构的观点出发，工具钢是碳素合金钢，它可以被淬火和回火。理想的工具钢性能是高耐磨性和高硬度，隔热性能好以及加工材料时要有足够的强度。有时，尺寸稳定性相当重要。工具钢在使用上也必需经济，工具应可以通过成型或机械的方法加工成理想的形状。由于对材料性能的需求非常特殊，工具钢通常靠细致的冶金质量控制来确定其在电炉里的冶炼。要最大限度地使钢中的气孔、偏析、杂质以及非金属夹杂物等含量尽可能地低一些。工具钢要进行细致的宏观和微观的检测来保证它们能满足严格的“工具”钢规格要求。尽管工具钢在整个钢产品中只占相对很小的一部分，但它们在有用到它的其它钢产品和工程材料中占有战略地位。工具钢的应用包括钻头、深拉模、剪切刃、冲头、挤出模和切削刀具。在一些应用中，尤其是在高速切削时，其它工具材料如烧结碳化物产品是工具钢的较为经济的替代物。高硬度和高挤压强度使得烧结碳化物具有优越的性能。工业上，其它工具材料的应用也越来越广泛。LESSON2HEATTREATINGOFTOOLSTEELS工具钢的热处理热处理的目的是通过把金属或合金加热到确定的温度，然后以不同的速率冷却，从而改变其结构，控制其性能。加热与冷却控制相结合的方法不仅决定着材料中的微观组织的分布和性质，进而决定了该材料的性能，而且也决定了材料内部晶粒的大小。热处理应能提高合金或金属的使用性能。热处理的一些各种目的如下1去除冷加工产生的变形。2支队由拉深、弯曲或焊接所产生的内应力。3提高材料的硬度。4提高机加工性能。5提高刀具的切削能力。6增加耐磨性能。7使材料变软，如退火。8提高或改变材料的性能，如耐腐蚀性、耐热性、磁性或其它需要的性能。黒色金属材料的处理。铁是工具钢中最主要的组成部分，在铁中加入碳是为了使钢变硬。在钢中加入合金能提升普通碳素钢所不具备的性能，例如空冷或油冷可提高耐磨性、韧性，淬硬过程更安全。黒色金属热处理包括几个重要的操作，通常指的是不同的标题，如正火、球化处理、去应力、退火、淬火、回火和表面淬火。正火是指把材料加热到临界温度以上大约100200（55100），然后空冷。这比常规淬火温度高大约100（55）。正火的目的通常是使锻造加工中变粗的晶粒结构细化。对于大多数中碳锻钢来说，它是否合金化，在锻造后或加工前推荐采用正火处理工艺，从而有利于形成更均匀的组织，并且在大多数情况下可改善材料的切削加工性能。高合金空气硬化钢无需正火，因为这么做会使它们变硬，达不到主要目的。球化处理是退火的一种，在加热和钢的过程中产生圆形的或球状的碳钢中的硬质组成部分。工具钢通常通过球化处理来提高机加工性。把碳素钢加热到13801400（749760），对多数合金工具钢加热到更高的温度，保温14小时，然后在炉中缓慢冷却即可实现球化处理。去应力。这是去除钢在成型、冷加工，焊接或机加工后冷却过程中产生的内应的方法。这是最简单的热处理方法，把钢加热到12001350（649732）后空冷或炉冷即可完成。大型模具通常先进行粗加工，然后去除内应力再精加工。这将使机加工及随后的热处理过程中的所产生的变形最小。由于冷热循环交替及横截面的变化，焊接截面也会产生应力，该应力会使材料在机加工操作时产生显著的位移。退火。退火过程包括把钢加热到某个温度，保温，通常缓慢冷却。由于有相同的特性，退火可以生成相同的组织结构，建立标准的平衡条件。人们所购买的工具钢通常为退火状态。有时有必要对已经淬硬的工具进行再次加工，则该工具必须要退火。对于这种类型的退火，钢通常加热到临界温度范围上一点点然后慢慢冷却。淬火。这是把钢加热到临界温度范围上，然后从临界温度以足够快的速度迅速冷却，使钢明显变硬的过程。回火。这是把淬硬钢和淬硬合金加热到下临界温度下的某些温度，减少在淬火过程中产生的内应力的过程。表面淬火。把碳增加到钢件表面，然后进行淬火处理是热处理中一个重要的部分。该过程可能包括使用熔融的钠氰化物，使用活性固体材料如木碳或焦碳进行固体渗碳，空气或油渗碳及气体氰化。LESSON3CUTTINGTOOLDESIGN切削刀具设计金属切削的过程为人们对切削刀具设计中所有其它元素的检验提供了理论框架。工件材料从很软、呈黄油状到很硬、剪切强度高。每一个工件材料必须根据本身情况进行处理；随着工件间性能差别的增加，能应用到每一个工件材料上主要信息的数量被缩减。不仅仅是工件材料有很大不同，而且刀具形状及刀具组成也多种多样。刀具设计人员必须比较各种变量以提供最可能的切削刀具的几何形状。以前通常是采用试凑法来作出决定，而如今，随着刀具种类的不断增加，试凑法显得相当昂贵。设计人员必须提高应用数据及根据他人经验基础作出比较这方面的技能。例如刀具制造商及材料销售商会提供其公司的相关数据。这些数据就可以作为准则；然而，对著作中的数据进行仔细的检验将会提供一个很好的出发点，这比试凑法要便宜得多。用机械加工来去除材料包括五方面的相互作用切削刀具，刀具夹紧及导向装置，工件夹紧装置，工作及机床。切削刀具可能是单刃，也可能是多刃。它可能是用来进行线性切削，也可能是旋转切削。切削刀具的几何形状取决于其预定功能。刀具夹紧装置可能，也许不可能用于导向或定位。应根据设计的刀具及预定功能来选择刀夹。实际工件的组成极大地影响着对加工方法、刀具组成与几何形状以及切削速度的选择。工件的预期形状影响着加工方法及刀具运动（线性或旋转）的选择。工件的组成和几何形状在很大程度上决定了所需的工件夹紧装置。工件夹紧装置的选择同样也取决于刀具作用在工件上的切削力。工件夹紧功能应包括刀具导向。首先，按材料去除过程的需求进行成功的刀具设计，要求设计人员完全掌握切削刀具的功能及形状。这的方面的知识使设计人员能根据给定任务指定正确的刀具。同样，刀具也决定了刀具夹紧装置及导向方法。刀具上的切削力决定了工件夹紧装置的选择。尽管切削过程包括五方面因素的相互作用，但一切都基于工件与切削刀具接触点处所发生的情况。给工件赋予形状及尺寸的主要方法是使用切削刃去除材料。工人通过切削去除超出尺寸部分的材料，获得预定形状。从工件上去除材料的过程叫做通过机加工生成形状，或简称为机加工。形状和尺寸的获得也可以通过一系列像热挤或冷挤、砂型浇铸、模铸和精密铸造等其它过程。在金属板上施加压力可以进行成形加工或拉伸。除机加工外，还可以通过化学加工或电加工等方法去除材料。大多数工件的制造可能无需机加工操作。然而，考虑到经济性，通常规定采用机加工的方法，可能是整个过程，也可是与其它过程一起进行加工。切削刀具上设计有锋利的切削刃，减小了刀具与工件接触处的摩擦力。切削刀具形状的变化影响了刀具的寿命、工件的表面精度及从母材上切下切屑所需的力。刀具的各个角度组成了刀具形状。刀具的命名是以希腊字母“”和一些数字构成的一个有序排列，其中的数字代表着一些刀具的角度、重要尺寸、特殊性能以及刀头半径的大小。对于碳素钢和高速钢，这种识别的方法已经由美国国家标准协会标准化，如图31所示，同样还包括了组成刀具标记的各要素。阅读材料切屑成形大多数金属切削操作是指小段或切屑从工件上分离，使被加工零件得到所需的形状和尺寸。切屑成形包含三方面的基本要求（1）切削刀具的硬度及耐磨性应比工件材料要高；（2）刀具与工件必须相互干涉，这由进给率及切削深度来表示；（3）刀具与工件之间必须有相对运动或切削速率，产生足够的切削力来克服工件材料的阻力。只要这三个条件成立，刀具被加工材料中形成切屑。有多种可能和组合能满足这种要求。刀具材料和刀具形状的变化、进给和切削深度、切削速度和工件材料不仅对切屑的形成，而且对切削力、切削功率、切削温度、刀具磨损、刀具寿命、尺寸稳定性及新生成表面的质量都有影响。这些“控制因素”之间的相互关系构成了切削加工性研究的基础一项通常定义为材料在加工时的反应的研究。图32所示为几种常见机加工过程中切屑形成时切削刀具与工件材料之间的必要关系。尽管每一个基本过程中所产生的切屑形状和尺寸明显不同，但不管加工过程如何，所有的切屑通常是根据它们在成形过程中的表现来分类的。刀具寿命先前已描述过刀具失效的类型和机制，结果表明过高的切削速度会导致切削刃迅速失效；因此，刀具的寿命更短。下列为评估刀具寿命的其它准则1机加工表面的质量的变化。2切削力大小的变化使得机床与工件之间产生变形，导致工件尺寸变化。3切削温度的变化。4成本，包括人工成本、刀具成本、换刀时间，等等。正确地选择切削速度对所有金属切削加工的经济性有着重要的意义。幸运的是，通过刀具寿命图或刀具寿命TAYLOR公式所提供的数据，可以较合理地估计出正确的切削速度。LESSON4WORKHOLDINGPRINCIPLES工件夹紧原则工件夹紧装置包括加工操作过程中所有用来夹持、紧握或卡紧工件的装置。可以通过机械地、电动、液压或气动的施加夹紧力。本节考虑的是用于材料去除操作中的工件夹紧装置。工件夹紧是机加工操作中最重要的构件之一。图41所示为把工件加工成预定形状的材料去除操作中几乎所有的基本构件。右手为刀具夹紧装置，左手为工件夹紧装置，小刀是切削刀具，木头为工件。双手联合运动，去除材料，产生切屑使这块木头成形。图示双手的人的身体可以认为是机器，把动力、运动、位置及控制传给图示构件。除了构件的力增加以外，在所有用到刀具夹紧装置及工件夹紧装置的各种形式的制造装备中，都可以找到这些基本构件。图42所示为用一副老虎钳或钳子夹紧圆棒来磨或锉圆棒上某个地方。这个简单的工件夹紧装置说明构件的力通过杠杆作用得到了放大，同样，在与圆棒接触的地方为锯齿状，可以提高防打滑的能力。图43所示为一种应用广泛的工件夹紧装置，螺旋丝杠操作虎钳。螺旋丝杠推动活动钳口运动，力得到了放大。虎钳是由螺旋的自锁特性来保持锁紧的，它提供了一个使其它部件附着到机床上的一种手段，从而确保加工时的精确定位。图44描述的是通常用于工件夹紧装置中经改善后的虎钳。液压缸提供主要夹紧力，螺旋仅用来使钳口与工件接触。钳口可能是可替换成型镶件，用来定位和夹紧图示特殊工件。此外，更复杂的钳口形式用来与更复杂的工件相适应。另一大类的工件夹紧装置为卡盘。它们附加在各种各样的机床上，在车削、镗孔、钻孔、磨削和其它旋转加工中夹紧工件。有多种类型的卡盘。一些用板手手工紧固，其它的通过气动或液压或电动的方式操作。一些卡盘上每一个钳口都是独立松开和锁紧，而有些则是所有的钳口同时运动。图45所示为用四爪独立卡盘严紧工件。钻孔去除夹紧在万能卡盘上工件的材料。工件夹紧装置的目的和功能。工件夹紧装置必须使工件与切削刀具之间有明确的位置关系，能承受夹紧力和切削力，并保持精确的定位。工件夹紧装置由几部分组成，每一部分都执行一项特定的功能。定位元件使工件定位；本体或机床本身承受力；支架把工件夹紧装置连接在机床上；夹子、螺旋和钳口施加夹紧力。构件可能是人工驱动，也可能是动力驱动。所有功能必须保证所需的稳固的夹紧、定位精度，对操作者和设备保证高度安全。工件夹紧装置的设计和选择有许多影响因素，首先是工件的物理性能。工件夹紧装置强度必须足够，夹紧工件时不产生变形。在考虑工件材料的前提下，必须细心选择制造工件夹紧装置的材料，只有这样才不会引起接触性破坏，例如若选用硬的钢质虎钳口，就会引起比较软的铜质工件材料受到破坏。由加工操作所产生的切削力的大小和方向各不相同。钻孔操作会产生扭矩，而刨削操作则引起线性推力。工件夹紧装置必须把工件夹紧在与切削力相反的方向，通常针对特定的加工操作而设计工件夹紧装置。工业中所用的许多工件夹紧装置并不用于材料去除操作中。工件夹紧装置可能用于工件的检验、装配、焊接，等等。它们的基本设计和外观可能有一点不同。很多时候，标准的工业设计既可以用于车削加工，也可以用于同一工件或不同工件的检验。阅读材料定位原则为保证工件夹紧装置的成功操作，工件必须要准确地定位，使切削刀具与工件上某些点或表面之间建立明确的关系。这个关系由工件夹紧装置中定位元件建立，它限定了工件的运动，防止它从预定位置移开。定位装置按所要求的关系带动工件向切削刀具运动。定位装置的设计应能保证每一个被夹紧的工件，在工件夹紧装置中处于同样的位置。人们设计出不同的方法来保证工件运动受到有效的限制。为一给定工件夹紧装置所设计的定位装置取决于工件本身、所选用金属去除操作的需求和工件夹紧装置的其它限制。工件表面为工件选择定位面所需考虑的主要因素是定位表面的形状。就定位而论，所有工件表面可分为三种基本类型平面、圆柱面和不规则表面。而大多数工件是不同表面的组合，设计人员必须能区分可以用于任何零件定位的特定的表面。平面，正如其名，是指那些不管其位置如何，对于定位器来说都有一个平的支承面的那些表面。典型的平面有筋条、法兰、台阶、底座、轴肩和狭槽。圆柱表面是指用圆周或直径定位的表面。典型的圆柱表面有内孔或外圆。不规则表面即没有平的，也没有圆柱定位表面。典型的不规则包括许多铸造或锻造工件。由于不规则定位表面范围如此之广也就是说这些表面包括所有即不是平的，也不是圆柱的表面的定位面每一个定位表面都可归为一类，而且仅仅只是三类表面中的一类。定位类型基本的工件定位可分为三种基本类型平面、同心和径向。多数情况下，对于某个特定的工件可能用到不止一种定位类型。然而，为了区分和解释，在这将分别讨论。平面定位通常是指对平面的定位过程。但多数情况下，不规则表面也采用这种定位方式。平面定位是指参考特定的表面或平面进行的简单的定位。（图46）同心定位是指以工件内径或外径进行定位的过程。（图47）径向定位通常是同心定位的补充。径向定位（图48），工件首先靠同心定位，然后以工件上特定点定位，该点与同心定位器间形成了特定的固定关系。大多数工件夹紧装置联合使用多种定位方法来完成工件的定位。图49所示零件就是用到三种基本定位方式来对工件进行定位的一个例子。LESSON5JIGANDFIXTUREDESIGN夹具和夹紧装置的设计在整个切削循环中，夹具是设计用来引导切削刀具，夹持、定位和支承工件的工件夹紧装置。夹具可分为两大类钻孔夹具和镗孔夹具。在这，钻孔夹具是最常见的。钻孔夹具通常用于钻削、攻丝和铰孔，但同样也用于钻埋头孔、扩孔、倒角和定点钻孔。另一方面，镗孔夹具通常广泛用于把孔镗削至一个精确的预定尺寸。两类夹具的基本设计从本质上来说是一样的。唯一主要的区别是镗孔夹具通常装有导向衬套或轴承，在机械加工过程中，支承镗杆的外端。在设计任何夹具时，必须要提到所要考虑的多个因素。尽管已经包含了其中几点如定位、支承和夹紧，在本节中还是包含它们，因为它们同样适用于夹具的设计。由于所有的夹具都有相同的结构，一类夹具所涵盖的几点，通常同样也适用于其它类型。夹具的设计和选择始于对工件和所执行的加工操作的分析。在设计工件夹持装置时，首先要考虑的问题是制造该工具的成本和使用该工具进行生产所希望产生的效益之间应保持相对平衡。所有工件夹紧装置的设计及其结构必须要较刀具成本能节约更多的生产成本。多数情况下，刀具设计人员必须要细化预算以证明采用特殊工具是合理的。这包括进一步查看零件绘制、工艺规程和其它相关文件。一般来说，零件的复杂性、定位及孔的数量、所需精度和所加工零件的数量是选择特殊夹具保证其成本所必须要考虑的所有因素。一旦设计人员认为特殊工具的成本是合理的，为制造一个合适的工件夹具装置所需的剩余数据就是编程和分析。夹紧装置是在机加工循环中设计用来夹持、定位和支承工件的工件夹紧装置。不夹具不同，夹紧装置不能引导切削刀具运动，但仍能提供一种使刀具相对工件参考和定位的方法。夹紧装置通常根据它们所使用的机床来分类。有时会对夹紧装置进行进一步细分。这种细分区分了特定类型机加工操作所用到的夹紧装置。例如铣床上用到的夹紧装置称为铣床夹具，而若是进行排铣，它则可能被称为排铣夹具。同样，设计用来执行切口操作的带锯夹具同样也可以称为带锯切口夹具。最后可以得出夹具与夹紧装置之间的相同点为工具本身的设计。就绝大部分情况而言，FIXTURES（夹紧装置）在设计上比JIG（夹具）能够承受更大的应力，并且总能可靠地将工件夹紧到机床上。基于这些原因，在夹紧任何零件时，设计人员必须知道正确的定位、支承和夹紧方法。在设计任何完整的成功的夹紧装置时，除了零件本身外，还要考虑其它影响因素。设计夹紧装置时，成本、生产能力、加工过程和刀具寿命是与工件同样重要的几个因素。对于所有的工具，夹紧装置的设计首先要考虑的是成本与效益。生产数量、速率或精度必须保证对于特殊工具所增加的费用。此外，夹紧装置必须靠在使用中尽可能地快来负担其本身的费用。阅读材料夹具的类型夹具有多种不同的类型。特定格式或类型的夹具通常有着特殊的应用，通常由工件本身决定。通常夹具分为开式和闭式两大类。开式夹具通常用于只需加工一个表面或边的零件。闭式夹具用于需加工一个以上边或面的零件。该术语通常用于描述特定类型的夹具，每一类夹具通常都与其基本外形和结构有关。钻模。钻模通常是平的，开式夹具，用于钻削孔时确定孔的位置。这类夹具通常不包括任何把夹具夹紧或固定在工件上的装置，但如有必要则依靠辅助的夹钳来夹持夹具。钻模是最便宜的夹具，经常用于精度要求不高的场合。在生产量有限的场合钻模通常不包含钻套。取而代之整个钻模都经淬硬。图51所示为适合应用钻模的几个例子。钻模板。钻模板在某种程度上比基本的钻模板更复杂。通常这些夹具比钻模板精度更高，耐久性更强，同样也包含能安全地夹具工件的方法。固定工件夹紧装置中，钻模板的主要变化通常用于是平式钻模板、台式钻模板和多层钻模板。普通平式钻模板。平式钻模板（图52）包含构成夹具主体的钻模板、钻套（有用时）、定位部分和夹紧装置。根据工件和复杂程度，做几个钻模板通常比整个箱式或闭式夹具要便宜得多。台式夹具。台式夹具（图53）是钻模板的另一种变化形式，它把钻模板当成主要构件，上面附加其它元件。主要的不同是上面加了几条腿，把夹具从机床工作台上提升上来。多层夹具。多层夹具（图54）包含两块板把工件包在其中。这类夹具用一块钻模板来确定钻套的定位和所加工零件的位置。斜钻模板。斜钻模板（图55）主用于钻或加工与定位面或参考平面成一定角度的零件。斜钻模板有两个主要类型普通斜钻模板和经改进的斜钻模板。普通斜钻模板用于加工与固定轴成直角的零件，而经改进的斜钻模板设计用来不是90度面或孔的加工。活动夹具。活动夹具与多层夹具板相同，但它有两片铰接在一起的夹具板而不是两片结构。根据它们的设计，在加工循环中，这类夹具可能用不同的装置来固定活动部分。图56所示为两种最常用的固定方法，使用直角回转螺杆和凸轮锁紧杠杆。箱式夹具。箱式或滚筒式夹具的结构能完全包含工件。如图57所示，箱式夹具几乎能从任何角度来加工零件，而且几乎能加工到各个表面。这些夹具是最昂贵的夹具，但由于零件在整个加工过程中不从夹具上移开，大大地缩短了零件处理的时间。夹紧装置的类型夹紧装置既可以根据所用机床，也可以根据在特定机床上所进行的加工过程进行分类。然而，夹紧装置也可以根据它们的基本结构特征进行区分。例如，加工圆周的车床夹紧装置可以分为车床径向车削夹具。但如果这个同样的夹具是面板装有各种各样的定位及夹紧装置，这也是平板夹紧装置。与夹具一样，夹紧装置也有各种不同形式。而许多夹紧装置是不同特征的组合，几乎所有的都可以分成不同的五组。包括平板夹紧装置、直角夹紧装置、虎钳钳口夹紧装置、分度头夹紧装置和多零件或多位置夹紧装置。平板夹紧装置，正如其名，其结构为平板上装有定位、支承和夹紧元件（图58）。平板夹紧装置是最常见的夹紧装置类型。它们的通用性使得它们能应用于各种不同的机床。平板夹紧装置可能由多种不同的材料制成，这取决于夹紧装置的应用。直角板式夹紧装置（图59）是平板夹紧装置的形式。在这，参考平面不是与安装表面平行，直角板式夹紧装置的参考平面与安装表面垂直。这种结构对于与夹具主要参考表面相垂直的面上进行的机加工非常有用。虎钳钳口夹紧装置是对虎钳钳口进行基本的改进以适应特殊的工件。在使用中，这些改进后的虎钳钳口安装在标准的、淬硬的、通常提供给铣床虎钳钳口的位置。虎钳钳口夹紧装置是最便宜的夹紧装置，由于涉及到的零件较少，对它们的修改也最容易。图510所示为采用这类工件夹紧装置能容易地夹紧零件的几个例子。分度头夹紧装置，如分度头夹具，用于参考工件规定间距处需加工细节的场合。LESSON16FUNDAMENTALSOFCHIPTYPEMACHININGPROCESSES切削加工过程的基本原理机加工是以切屑的形式除去工件上不需要的材料的过程。如果工件是金属，该过程通常称为金属切削或金属去除。美国工业界每年耗资600亿美元用于完成金属切削加工，这是因为非常巨量的产品在制造阶段需要进行金属切削加工。其范围有相对粗糙和没有精度要求的产品，如铸件和锻件的去黒皮加工；也包括公差为00001英寸或更小要求的高精度和高表面质量的产品。因此机毫无疑问是最重要的基本制造过程。在过去的80年里，人们通过对金属切削加工工艺的大量研究和试验，从而增进了人们对加工工艺性能和被加工表面特性的了解。尽管这项研究的影响导致机加工生产率的提高，但过程的复杂性使得获得完整的切屑成形理论的进程缓慢。什么使得这个过程如此与众不同而且难以分析不同的材料表现不一样。过程不平衡且不受约束，仅受到切削刀具的约束。应变值很大。变形速率很快。过程对刀具几何形状、刀具材料、温度、环境（切削液）和过程动力学（颤动和振动）的变化敏感。本章的目的是为工程师从不同的角度提出这些问题。有七种基本的切屑成形过程刨削、车削、铣削、钻孔、锯削、拉削和磨削（研磨）。对于所有金属切削过程，必须要能区分速度、进给和切削深度。我们以车削过程来介绍这些术语（见图161）。通常切削速度V是主要的切削运动，它表达旋转的工件相对于固定不动的刀具的速度。通常单位是每分钟表面进给量或英寸/分钟，或米/分钟，或米/秒。图161所示速度V为黒色箭头。进给FR是每转或刀具每经过工件所去除材料的量。在车削中，进给是英寸/转，刀具进给与工件转轴平行。进给单位是英寸/转，英寸/分钟或英寸/齿，这取决于加工过程。图中进给为长箭头。切削深度（DOC），D，表示第三方向。在车削中，指的是刀具插入工件表面的距离。它是工件最初直径D1和加工后直径D2差值的一半。D（D1D2）/2（161）始于每分钟表面进给量的速度是指切削刃处圆周速度。车削中每转进给量是与工件旋转轴平行的刀具的线性运动。切削深度则反映了第三方向。旋转工件的表面速度与工件的外径有关VD1N/12（162）式中D1初始直径，英寸；V每分钟表面进给速度；N工件转速；另一幅图（由编辑删节）所示为用于车削加工的典型机床，车床。工件安装在工件夹紧装置中，在本例中，三爪卡盘用来夹紧工件并使之相对刀具旋转。卡盘与主轴相连，可以通过齿轮由电动机驱动。切削刀具用来加工工件，它是是关键的零件。必须在确定速度和进给之前选择切削刀具材料和几何形状。机床、切削刀具和工件夹紧装置通常由各个不同的公司制造，而且工具的花费可能比机床还要高得多。为加工不同的金属，必须要确定机床的输入参数。对于车床，输入参数为DOC，进给和主轴转速。转速大小取决于切削速度V的选择。切削速度、进给和DOC的选择取决于许多因素，这要求经验丰富和多次实验以寻找最佳组合。最好的方法是咨询推荐表格（由编辑删节）。大多数表格根据所用加工、被加工材料、硬度、和切削刀具材料来排列。所给出的表格仅仅是本书中用于解决车削问题的一个例子，并不适用于工业界计算。这个摘自工具及制造工程师手册的表格仅用于车削加工。每转所除去的金属的数量决定了DOC。在实践中，粗加工的进给量和DOC比精加工的要大，其表面进给速度要低。基于完成加工所需的DOC值，一些表格提供了英制和公制V和F的推荐值。表中数值通常是保守的，可以作为确定加工操作参数的起点。一旦选好切削速度V，就可以用等式（161）来确定主轴转速NS。可以用速度、进给和DOC来估计某个加工的金属去除率，MRR。对于车削以英寸3/分钟表示的MRR是MRR12VFRD（163）这是MRR的近似等式。对于车削，MRR的范围为01600英寸3/分钟。MRR可以用于估计执行加工所需的功率。阅读材料加工金属的基本操作通过机床可以对金属零件进行上百种的加工，但它们基本上可以分为下列五种基本类型1钻孔。钻孔是在实体在加工孔的操作。用的是被称为麻花钻的旋转钻头。用于钻削孔的机床称为钻床有多种类型和规格的钻床。这些机床除了钻孔外还可以执行其它操作。工件被牢固地，也就是在位置上夹紧，当钻头旋转时，向工件进给。2车削和镗削。普通车床几乎是车削加工中最常见的机床类型。车削是从工件切削或去除金属的操作。当工件旋转时，切削刀具向或沿着工件进给。镗削是扩孔或加工已经钻出的或金属上铸造出孔的操作。车床上的镗削通过把单刃切削刀具向旋转工件进给来完成。3铣削。铣削是通过旋转的切削刀具来去除金属的操作。切削刀具上有多个切削刃，称为铣刀。4磨削。磨削是通过砂轮来切削或去除金属的操作。磨削完的表面精度非常高，而且光滑。当磨削圆形工件，工件向旋转的砂轮进给时是旋转的。当磨削平面工件时，工件在放置的砂轮下面往复运动。5平面刨削和立刨。这些操作用单刃切削刀具加工精确的平表面。必须要理解牛头刨床、龙门刨床和立式刨床之间的不同。在牛头刨床上，切削刀具在工件上往复运动，而工件向刀具进给。在龙门刨床上，工件在切削刀具下往复运动，切削刀具向工件进给。立式刨床实际上是立式牛头刨床，其上切削刀具上下运动。这样，工件以直线或圆弧向切削刀具进给，取决于加工工件的类型。铰削用于铰削加工的夹具的设计与整章中所讨论的钻孔夹具相同。主要的不同是夹具或钻套需要保证更紧的公差，提供额外的支承来引导铰刀。对于长孔，如图162A所示，重要的是铰刀两端的导向，为此设计了特殊的导向铰刀。必须要设计夹具，使得铰刀进入工件之前，导向部分进入钻套，而且在完成铰削操作时仍保持导向。对于短孔铰刀通常只在一端导向，如图162B所示，钻套的尺寸与铰刀的外径相配。此外，用于铰削的钻套通常比钻削的要长，通常是铰刀直径的34倍。铰削的切屑尺寸也比钻削小，从1/4刀具直径到1/2刀具直径，不考虑铰刀直径时，最大为0125024英寸。钻套孔必须要严格控制。钻套太小会导致刀具卡住和破裂。钻套太大将会导致喇叭口或孔不圆。可以选用夹具及夹紧装置设计皓月中的数据作为参考。当加工时间较长或在研磨条件下，必须考虑采用硬质合金钻套。在大载荷下保持紧公差，滚珠或球轴承、转动的钻套同样也可以产生最大磨损。阅读材料模具钢热处理尽管合金钢包含铬、钼及钒等元素，进行热处理时必须要用到以下两种元素铁冶金学中称为铁素体，碳与铁组成渗碳体，最硬的中间金属合成物碳化三铁（FE3C）。当钢以足够慢的速度冷却达到平衡时，这两种元素组成的共析结构被称为珠光体，但若快速冷却则钢被硬化。当淬硬钢回火时，形成了力学性能介于慢冷与淬火条件之间的结构。近来，在相位变换图的帮助下，人们对在热处理过程中所产生的复杂结构变化有了更深的理解。使用这些图表可能会使人们能更好地控制热处理循环，同样，这将保证可以获得优化的性能，模具寿命最长。钢的表面处理在过去的二十年，介绍了几种可以增强钢表面硬度的方法。其中一些由表面淬火和渗氮演变而来，可以在更好的环境控制下获得更快的加工时间，并且提高性能。也有用到各种盐浴加工，如今有很多新的方法。在模铸工业中，对钢进行表面处理可以提高喷嘴、顶针、型芯和套筒的性能，提高最大的耐腐蚀、防浸蚀和接合的能力。由于在大型模具零件上所产生的复杂的热流状态会产生应力，该应力足以破坏较薄的表面处理层，导致模具过早的失效，因而对模具型腔的处理只得到了少数人的称赞。锤锻加工的经验同样表明其模具表面处理并没有带来特别的成功。模铸中模具零件采用热化学处理；引入氮、碳，有时是其它元素，将会改变钢表面化学成分；主要的加工类型如下。1渗氮。2碳氮共渗，如TUFFTRIDE，SULFINUZ和SURAULF3喷镀，如渗磞和TOYOTA渗析过程。4渗碳和碳氮共渗。LESSON17FUNDAMENTALSOFTURNINGANDBORINGONLATHE车床车削和镗削基本原理车削是外圆或圆锥面的加工。通常在车床上进行。本章后面有车床的图片和简图。如图171所示，车削圆柱表面时，工件和刀具的运动相对简单。工件转向沿轴向进给的单刃切削刀具。如果刀具沿与转轴成一定角度的方向进给，将会形成外圆锥表面。这称为车锥体。如果车刀沿与旋转轴成90角方向进给，所用刀具宽度比要车削的宽度宽，就形成了一个平面，这种操作叫作端面车削。使用具有特殊形式或形状的刀具，沿径向进给或从工件内部进给，可以加工外圆、圆锥和有限长度上的不规则表面。最终表面的形状由切削刀具的形状和尺寸决定。这样的加工称为成型车削。如果刀具总是向工件的轴进给，最终会被切成两部分。这称为切断加工，用一把简单的、薄的刀具。在切退刀槽或部分切断加工中用到了相同的刀具。镗削是车削的变异形式。实际上镗削就是内部车削。镗削可以用单刃切削刀具来加工内圆柱面或圆锥面。它不生成孔，但它把已有的孔加工或扩大至规定的尺寸。在所有进行车削加工的机床上同样可以完成镗削。然而，镗削也可以由工件固定，刀具旋转来完成。同样，人们研制出可以进行镗削、钻孔和铰削的专用机床，但不可以进行车削。其它操作，如车螺纹和滚花，可以在用于车削的机床上完成。此外，工件轴转动也可以实现钻孔、铰孔和车锥体。车削占车床工作的大部分。切削力是因为车刀自右向左进给的结果。切削力指向床头变速箱，并强迫工件紧靠在夹头上，用这种方式提供较好的工作支持。如果想要高表面质量和精确的尺寸，在一次或多次粗加工后要进行一次或多次的精加工。只要有正确的切屑厚度、刀具寿命、车床功率和工件允许就可以进行粗加工。优先选用大切深、小进给，而不是逆过程，因为所需的切削次数少，用于后续切削中换刀架和换刀的时间更少。工件有硬质表面，如铸造或热轧，材料包含表面氧化皮，初始的粗加工深度应足够大以切入硬质材料。否则，整个切削加工都是在硬质材料下进行，刀具很快磨损。如果（材料）表面比常规硬，在第一次粗车时切削速度应降低。精加工比较轻，通常切削深度不到0015英寸，其进给必须小到实现理想的表面精度。有时用到特殊的精加工刀具，但通常同一把刀既用于粗加工，也用于精加工。大多数情况下只需一次精加工就可以。然而，如有额外的精度要求，可能要两次精加工。如果由人工控制直径，则应在完成全部精车之前，先车一小段（如1/4英寸长），检查一下直径。由于在粗加工表面上先进行了显微测量，有必要重设刀具以进行在更光滑表面上的最终测量，检验得更仔细。在车削中，主切削运动是转动，刀具沿与旋转轴平行的方向进给（图171）。旋转工件的RPM值N确定了切削刀具的速度V。进给FR的单位为英寸/转。切削深度D值D（D1D2）/2（171）切削长度是沿轴向移动的距离，L加一些允差或越程，A是允许刀具进入和/或超出切削的量。对于用已知材料刀具加工给定材料时，一旦选好切削速度、进给和切削深度机床的RPM值就可以由下式确定N12V/D1（172）（用到更大直径），式中数值12是把英尺转为英寸。切削时间CTLA/FRN（173）式中A越程允差。金属去除率（174）忽略允差。通常重组和替代N，MRR的准确表达式为（175）注意等式（175）是近似等式，式中假定深度D与未切削部分直径D1相比要小。镗削总是扩大已有的孔，这个孔可能是钻出的，也可能是铸造时型芯形成的。同样重要阅读材料车床车床是车间里最有用的机床，它可以执行多种加工操作。车床的主要部件是床头箱和床身另一端的尾架，两者之间有刀架，刀架用来夹持切削刀具。刀架位于横滑板上，横滑板可以使刀架沿溜板横向或纵向移动，这取决于所执行的操作。普通车床一次只提供刀架上的一把刀，但转塔车床能在旋转的六角刀架上夹持五把或五把以上的刀具。床身刚性要足够好以防止机床因应力而产生弯曲或扭转。床头箱包括驱动系统和主轴夹持工件并使工件以一定的速度旋转，旋转速度很大程度上取决于工件的直径。大直径棒料通常比小棒料旋转速度慢，切削速度也一样。在主轴和尾架顶尖孔内的顶尖把其间的工件牢牢地夹持住。床头箱内的进给轴驱动刀架沿床身移动，以固定的相同速度向前或向后。这使得操作者可以进行精确的切削，工件表面精度好。主轴与进给轴之间的齿轮控制了轴的转动速度，因此也就决定了刀架向前或向后移动的速度。操作者将要选择的齿轮取决于所加工金属的类型及所要除去金属的数量。对于切削深度较深的加工或粗加工，刀具向前移动速度比精加工必须要低。车床上的顶尖并不适合所有的工件。操作者可以通过各种各样的卡盘来代替，卡盘可以用卡爪夹紧工件或通过前板，这取决于工件的形状和特殊的操作类型。例如，他可以使用卡盘来夹紧短工件或进行钻孔、镗孔或车螺纹。刀架沿溜板的横向移动可以使刀具沿工件端面切削，得到平的表面。对于车螺纹，操作者使用丝杠，一根在床身前移动并与主轴一起转动的长螺纹轴。丝杠驱动刀架以正确的速度沿溜板箱向前移动，这保证螺纹的节距非常准确。操作者可以选择不同的齿轮速度，这将会改变主轴和丝杠速度比，因此就可以改变螺纹节距。床头箱上的反向杠杆可以使溜板箱反向移动，把刀具带回初始位置。车床卡盘车床卡盘包括主体及在沿着主体上槽径向移动的卡爪，它由各种机构驱动，如螺纹、杠杆和凸轮单独驱动，也可以是各种组合控制。卡爪的数量各不相同。所有卡爪都同时移动的是自动定心的卡盘，主要用于圆形工件。两爪卡盘有些像虎钳，通过使用合适形状的卡爪或卡爪镶块，可能用于圆形或不规则形状的工件。由于磨损、灰尘和过度夹紧，卡盘的精度在使用中会降低。独立卡爪卡盘在夹紧不规则形状工件或圆形工件定心时，允许每一个卡爪单独移动。大多数车床卡盘的卡爪可以反向，可以从外部夹紧到内部夹紧。卡爪可以调整以适应非圆形工件。把机床卡盘安装到各种不同机床上的方法已经标准化，因此，由各个不同制造商生产的卡盘可以容易地进行互换。除了标准卡爪外，车床卡盘也可能有各种特殊用途的卡爪以适应不同类型工件表面和结构。用于这些目的的主要类型的卡盘卡爪称为软钢卡爪，通常由铸铝制成。LESSON18MILLING铣削铣削是一基本加工过程，通过逐步去除切屑产生表面。工件向旋转的切削刀具进给。有时工件保持固定，刀具向工件进给。几乎所有的情况会用到多齿刀具，所以材料去除率高。通常刀具或工件移动一次就可获得想要的表面，而且由于工件表面质量较好，铣削特别适合并广泛应用于大批量生产。使用多种型号的铣床，范围包括在加工车间中用于大量生产的常规简易铣床和万能铣床，也包括在工模具车间使用的高度专门化的各种铣床。毫无疑问，更多的平表面是通过铣削加工完成，而不是其它加工过程。铣削中用到的切削刀具称为铣刀。圆周上均布的刀刃周期性地切入并加工工件。这称为间歇切削。铣削可以分为两大类，圆周铣削和端面铣削。每一类都有多种变异形式。在圆周铣削中，表面由铣刀圆周上的刀刃产生（图181）。表面与刀具转动轴平行。用这种方法可以进行平面铣削和成型铣削，铣削的横截面与铣刀的轴向轮廓一致。这个过程通常称为平面铣削，通常在卧式铣床上完成。在平面铣削中，刀具以NRPM的速度旋转，而工件以每分钟FM英寸的工作台进给率向刀具进给。在其它的加工中，切削速度V和每齿进给率由工程师或机床操作人员“选择”。如前所述，这些变量取决于工件材料、刀具材料和特定的加工。切削速度就是指铣刀齿切削刃上的速度。主轴的RPM由表面切削速度决定，式中刀具D，单位为英寸。N12V/D（181）图181中，切削深度T是旧表面与新加工表面之间的距离。切削宽度是铣刀或工件的宽度，单位为英寸，用W表示。切削长度L是工件长度加上一些近似允差LA和越程。工作台的进给量是与铣刀每一齿在铣刀每一转中切削金属量有关的一个量，以FM表示，其单位为英寸/分钟，而每一齿的进给叫做齿进给，以F1表示，根据FMF1NN（182）式中N是刀具中刀刃的数量（齿数/转）。切削时间（183）式中，近似长度LA（184）（185）（忽略LA）。F1值由表给出（由编辑省略），同样还有推荐的切削速度，单位为英尺/分钟。在端面铣削和立铣削中，所生成的表面与铣刀軕成直角（图182）。大多数切削由圆周方向上部分刀刃完成，端面部分刀刃提供一些精加工。端面铣削既可以在卧式铣床也可以在立式铣床上完成。工件向刀具进给时，刀具（端铣刀）以一定的速率（N）旋转。RPM值与表面切削速度有关，根据等式（181）切削直径为D。切削深度T的单位为英寸。切削宽度W，单位为英寸，它可能是工件的宽度，也可能是刀具的宽度，这取决于加工情况。切削长度L是工件长度加上近似允差LA和越程LO，单位为英寸。工作台进给率FM，单位为英寸/分钟，与刀具每转过一圈，每齿除去金属的数量有关，这称为每齿进给率F1，其中FMF1NN。刀具的齿数为N。切削时间金属去除率（忽略LA和LO）。近似长度通常与越程长度相等，通常等于D/2英寸。对于刀具没有完全越过工件的加工来说。对于平面铣或端面铣，表面由两种完全不同的方法生成。逆铣是铣削的传统方法，也称为传统铣削。刀具转动方向与工件进给的方向相反。而同向或向下铣削，刀具转动方向与进给方向相同。两种情况下切屑成形完全不同。阅读材料铣刀铣刀为圆周方向上分布着切削刃的圆柱形切削刀具（图183）。另一幅图（由编辑省略）显示整体圆柱平面铣刀的基本刀齿角度。工件在刀具下，以与刀具轴垂直平面内所测得进给的方式移动。工件很快插入刀具，有时，很少情况下，刀具也会是轴向进给，工件上也会生成表面。铣刀齿间歇地切入工件，切屑的厚度由工件的运动、刀具上刀齿的数量、刀具的旋转速度、刀具前置角及工件上铣刀悬空长度决定。铣刀的操作有两种方式。逆铣时工件运动方向与刀具转动方向相反（图184A），而顺铣时转动与进给运动方向相同（图184B）。由于顺铣可提供更好的金属切削过程，通常产生更好的表面质量，因而凡是有用到，都优选顺铣。顺铣要求装置刚性更高，工件进给机构必须不能松动，因为刀具总是要拉动工件。镶嵌式铣刀刀体周围镶有精磨的硬质合金刀片，它们由销或楔来夹紧，分度时可以松开。一些铣刀可能有成形齿或铲齿。成形刀具在普通刀具刃机床上磨出凹凸表面。铲齿铣刀由切削刃后相同的径向凹凸形成。它们都由磨削刀面来使其锋利。轮廓类型为加工中调整表面角度提供了更大的灵活性。在铲齿中，由于铣刀在制造时就固定了，所以不可以改变其表面角度。然而，铲齿结构能很好地适应错综复杂的刀具，因为重新刃磨后轮廓形状不发生改变。大多数大型铣刀有轴向孔，使其安装在连接器或刀轴上，而且通常有驱动键槽。某些小直径刀具和一些特殊用途刀具通常做成整体式，切削面在安装于机床主轴或连接器内直刀杆或圆锥刀杆的末端。同样，一些大的端面铣刀直接安装在机床主轴端部。卧式铣床的控制图185所示为典型卧式铣床的各种控制。这些与其它的卧式机床一样杠杆4可以选择主轴速度，速度由交换刻度盘5显示当机床在运行时，不能改变速度。微调按钮3设在齿轮转换面板下面，如果按下它，主轴一点一点地移动，在进行换速时，使得齿轮滑向位置。靠在微调按钮旁边的是控制切削液泵的开关1，和控制主轴转向的开关2。进给率由杠杆9来选择，显示在进给率刻度盘上。进行纵向工作台进给时，杠杆8移动到所需方向右为向右进给，左为向左进给。可调整的止动钩6可在行程范围内任何一点使进给运动停下来。铣床上装有限位挡块可使所有超出位置的进给运动停止，防止因丢失限位挡块而导致机器损坏。上下移动杠杆12，可产生横向或垂直方向进给。然后通过把杠杆11移动到要求的位置，获得进给。选择了横向进给，杠杆11向上运动滑板向内进给，向下运动则滑板向外进给。选择了垂直方向进给，杠杆11向上运动，升降台向上进给，向下运动，升降台向下进给。向上拉杠杆10可以获得上述任何进给方向的快速进给。只要有向上的压力，就一直进行快速进给。一旦松开，杠杆就会牌非进给位置。用很小的力把手摇曲柄7压向机床就能提供可变换的手动进给。出于安全目的，弹簧顶杆可使摇把在完成操作时松开，例如，在进给或快速进给时，摇把不会飞出。工作台、滑板、和升降台移动时用到的手摇曲柄可以相互转换。LESSON19ELECTROCHEMICALMACHINES电化学加工机床电化学加工的基本原理是建立在电解液中带正电的作为阳极的工件与带负电的作为阴极的工具之间电荷与材料互换的基础上的。这时，阳极溶解而阴极不受影响。金属去除量可根据法拉第法则来计算VCIT式中C取决于工件材料的常数；I流经工具与材料之间的电流；T腐蚀时间。电流取决于工件与材料之间的间隙、腐蚀区域和电解液的导电能力，同样还有所提供的电压。电极和工件之间保持的加工间隙，这既避免了物理接触，又能完成加工。电解液（例如NACL或NANO3的水溶液）被泵进工作间隙，它也用作冷却液，这点非常有必要，因为工作时会产生高能量通量。从工件上腐蚀下来的材料形成了残渣，必须由过滤器或离心机把它从电解液中分离出去。电化学刻模机。图191以图表的形式表示了电化学刻模机的主要元件。进给装置依据金属除去率使工具向工件进给。当加工内孔时，在设计中会产生与工具形状及尺寸相关的一些问题。间隙不再是常量，而是被腐蚀表面状态和工具进给率的函数。例如，如果要加工圆柱孔，简单的圆柱形工具（如图192）并不适合。这将会使间隙尺寸持续增加，而电流强度按比例下降（图192左）。若在工具侧面适当绝缘（图192右），圆柱侧面的过度损坏得到遏制。表中总结出机床中独立元件的功能。由于电化学加工的间隙很小，因而必须要用到高电解液压力（20BAR），这样，就会形成足够的流动以保证有效的冷却和除去被腐蚀材料。若腐蚀面积为10000MM2，根据经验，力应大于20KN，而且工具进给系统和机床结构也必须能解决这个问题。由于电解液包含盐溶解，机床上所有可能与其接触的零件必须应防腐。一个重要的附加装置是短路切断保护，当出现被腐蚀材料的外形尺寸不适合和工具与材料之间间隙不足的情况时，它可以立即切断电能。小型及中型电化学刻模机为开式“C”型结构，对于有较大工作区域的机床，其结构为闭式“O”型结构。工具进给的优选方向为垂直方向。图193所示为建立在标准组件上的机床，可以得到各种组合形式的床身、框架和工作台。工具进给主要是用电液装置来实现的，但也可以用电装置来实现。例如，可以把伺服电机连接到一个带有螺母的滚珠丝