机械加工工艺基础(完整版)

,中南大学CentralSouthUniversity,机械制造工程训练,中南大学工程训练中心,多媒体教学课件,制造技术是将原材料转变为产品的应用技术，它既是科学技术走向实际应用的接口和桥梁，又是推动科学技术向前发展的基础。先进的制造技术对于创造物质财富和发展科学技术，具有十分重要的意义。世界各工业发达国家都无不拥有先进的制造技术和庞大的制造业，制造业已成为各工业发达国家的基本支柱产业。所创造的物质财富达到国民经济总值的一半以上。所以，要使国家繁荣富强，必须大力创新制造技术，大力发展现代制造业。机械制造工程训练是一门以工艺理论教学与制造工程实践相结合的学科基础课程，本课程包括“材料成形工艺基础”、“机械加工工艺基础”两大部分。,材料成形工艺基础：主要介绍机械零件毛坯成形方法的工艺特点、工艺参数的选择、各类零件毛坯的结构工艺性、零件的材料选择与成形方法选择的基本原则。,机械加工工艺基础：主要介绍机械加工的基本概念、切削基本原理、切削机床与刀具、切削加工基本工艺过程、选择切削加工方法的基本原则，以及零件机械加工结构工艺性。,机械加工工艺基础,中南大学工业训练中心,中南大学CentralSouthUniversity,第一章.切削加工的基础知识第二章.金属切削机床第三章.机械加工工艺过程第四章.零件表面的加工方案第五章.零件的结构工艺性第六章.数控加工技术第七章.加工中心自动编程与操作第八章.装配第九章.快速第九章成形制造技术第十章.先进制造技术,索引,第一章切削加工的基础知识,返回索引,切削加工是利用刀具和工件的相对运动，刀具从毛坯或型材上切除多余的材料，以便获得精度和表面粗糙度均符合要求的零件的加工过程。切削加工分为机械加工和钳工。,1.切削加工的概念,1.1钳工与机械加工,钳工：通过工人手持工具进行切削加工。机械加工：采用不同的机床（如车床、铣床、刨床、磨床、钻床等）对工件进行切削加工。,2.零件表面质量的概念,零件几何参数：宏观几何参数：包括：尺寸、形状、位置等要素。微观几何参数：指：微观表面粗糙程度。,2.1加工精度,加工精度：指零件经切削加工后，其尺寸、形状、位置等参数同理论参数的相符合的程度，偏差越小，加工精度越高，它包括：a.尺寸精度：零件尺寸参数的准确程度。b.形状精度：零件形状与理想形状接近程度。c.位置精度：零件上实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度。,2.1加工精度,国家标准规定：常用的精度等级分为20级，分别用IT01、IT0、IT1、IT2IT18表示。数字越大，精度越低。其中IT5-IT13常用。高精度：IT5、IT6通常由磨削加工获得。中等精度：IT7-IT10通常由精车、铣、刨获得。低精度：IT11-IT13通常由粗车、铣、刨、钻等加工方法获得。,2.1.1尺寸精度,25,0-0.04,零件尺寸要素的误差大小。问：精度的高低与哪两个因素有关？,基本尺寸和公差大小。,2.1.2形状精度,25轴加工后可能产生的形状误差,00.013,2.1.2形状精度,指零件上实际要素的形状与理想形状相符合的程度；国家标准规定了六类形状公差（见下表）形状精度的标注：框格分为2格，箭头指向待表达的表面，数字表示允许误差的大小，单位为毫米。,2.1.3位置精度,指零件的实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度。,圆圈中的英文字母表示基准，框格分3格，箭头指向待表达的表面,零件精度等级及其相应的加工方法,2.2表面粗糙度,表面粗糙度：零件微观表面高低不平的程度。产生的原因：1）切削时刀具与工件相对运动产生的磨擦；2）机床、刀具和工件在加工时的振动；3）切削时从零件表面撕裂的切屑产生的痕迹；4）加工时零件表面发生塑性变形。,2.2表面粗糙度,表面粗糙度对零件质量的影响：零件的表面粗糙度对机器零件的性能和使用寿命影响较大，主要有以下几个方面：1）零件表面粗糙，将使接触面积减小，单位面积压力加大，接触变形加大，磨擦阻力增大，磨损加快；2)表面粗糙度影响配合性质。对于间隙配合，表面粗糙易磨损，造成间隙迅速加大；对于过盈配合，在装配时，可使微小凸峰挤平，有效过盈量减少，使配合件强度降低；3）零件表面粗糙，低谷处容易聚积腐蚀性物质，且不易清除，造成表面腐蚀；4）当零件承受载荷时，凹谷处易产生应力集中，以致产生裂纹而造成零件断裂。,2.2表面粗糙度评定参数：常用的是轮廓算术平均偏差Ra,2.2表面粗糙度,Ra,h1h2h3hn,2.2表面粗糙度,国家标准规定：表面粗糙度分为14个等级，分别用表示，数字越大，表面越粗糙。表面粗糙度符号上的数值Ra,单位是微米（m）。,2.2表面粗糙度表面粗糙度符号的意义及应用,2.3常见加工方法的Ra表面特征,2.4零件的加工精度与表面粗糙度的关系,精度：宏观几何参数的误差表面粗糙度：微观几何参数的误差加工精度高，必须采用一系列的高精度的加工方法，而经过高精度的加工后零件表面粗糙度一定低，反之，表面粗糙度低，零件必须采用一系列的降低表面粗糙度的加工方法，而低表面粗糙度的加工方法不一定是高精度的加工方法。实例：各种机床上的手柄：表面粗糙度非常低，但精度不高。,零件的加工精度与表面粗糙度的关系如何？,提问,机器零件的基本表面包括：外圆、内圆（孔）、平面和成型面基本表面主要由如下的加工方法获得,3.切削运动与切削用量,要完成零件表面的切削加工，刀具和工件应具备形成表面的基本运动，即切削运动切削运动：刀具和工件的相对运动切削运动分为主运动和进给运动主运动：提供切削可能性的运动。主运动只有一个进给运动：提供连续切削可能性的运动。进给运动可以有多个,3.1切削运动,3.1切削运动,机床的切削运动,3.2切削用量,切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量切削速度：切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度,用V表示，单位为m/s进给量：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用f表示，车、钻和铣削时单位为mm/r背吃刀量:已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，用ap表示，单位为mm，如下图：,3.2.1车削切削速度、背吃刀量的计算,V:切削速度d:工件直径n:工件转速,背吃刀量：,切削速度：,dmax:待加工表面直径dmin:已加工表面直径ap:背吃刀量,3.3切削用量的合理选择问题,(1)粗加工按apfv的顺序选择a、粗加工的主要目的是用最少的走刀次数尽快切除多余金属，只留后续工序的加工余量，所以应根据毛坯尺寸首先选择apb、粗加工不必考虑表面粗糙度，在ap确定后，选取大的f，减少走刀时间c、ap和f确定后，在机床功率和刀具耐用度允许的前提下选择v(2)精加工按vfap的顺序选择精加工的主要目的是保证产品质量和降低零件的表面粗糙度。因此首先应选择尽可能高的v，然后选择达到表面粗糙度要求的f，最后再根据精加工余量决定ap,4.切削刀具,刀具性能的好坏也是直接影响切削效果的一个重要因素，刀具性能主要取决于两个因素：即刀具材料和刀具的几何角度,4.1刀具材料应具备如下五个基本特性：,1.高硬度：HRC60以上;2.高的强度与韧性：保证能够承受切削力的作用而不破坏；3.高的热硬性：材料在高温下仍然保持高硬度的性能，热硬性用热硬温度表示；4.良好的耐磨性；5.良好的工艺性和经济性；,碳素工具钢：如T7、T8、T9T13等。适合于制造简单的手工工具，如锉刀、手用锯条等；合金工具钢：在碳素工具钢中加入少量的钨、铬、锰、硅等元素，耐热性较低，如9SiCr等，适合于制造低速成型刀具，如丝锥、板牙；高速钢：含较多的钨、铬、钒等合金元素、常用的有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V等。适合于制造中速精加工刀具，如铣刀、钻花；硬质合金：成分由WC、TiC和Co组成，采用烧结方法获得,4.1.1常用的刀具材料,4.1.1常用的刀具材料,常用的硬质合金有：钨钴钛类（牌号YT）硬质合金：适合于加工钢等塑性材料，其代号有YT5、YT15、YT30等，粗加工用YT5,精加工用YT30;钨钴类（牌号YG）硬质合金：适合于加工铸铁、青铜等脆性材料，其代号有YG3、YG6、YG8等，粗加工用YG8，精加工用YG3。,4.1.2其它刀具材料,陶瓷：常用的刀具陶瓷有两种：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。陶瓷刀具的最大特点是具有很高的硬度、很高的耐磨性和耐热性，其主要缺点是抗弯强度低，冲击韧性很差，不能承受较大的冲击载荷。金刚石：它分三种天然单晶金刚石刀具整体人造聚晶金刚石刀具金刚石复合刀片立方氧化硼：由软的立方氧化硼在高温高压下加入催化剂转变而成,常用的刀具材料,各种多齿刀具或复杂刀具，就其一个刀齿而言，都相当于一把车刀。车刀分为切削部分和夹持部分，切削部分由三个刀面组成：前刀面、主后刀面、副后刀面。,前刀面和主后刀面的交线叫主切削刃前刀面和副后刀面的交线叫副切削刃两条切削刃的交点叫刀尖，但刀尖并非绝对尖锐,为了研究刀具的几何角度，建立三个辅助平面：基面：通过主切削刃上的某一点，与该点切削速度方向垂直的平面。切削平面：通过主切削刃上的某一点，与该点加工表面相切的平面。正交平面：通过主切削刃上的某一点，与主切削刃在基面上的投影垂直的平面,4.2刀具的几何角度(车刀的基本形状),前角。：在正交平面中，前刀面与基面之间的夹角；后角。：在正交平面中，主后刀面与切削平面之间的夹角；主偏角Kr：在基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角。副偏角Kr：在基面上，副切削刃的投影与进给反方向的夹角。刃倾角s,4.2.1车刀的几何角度,4.2.2前角的正与负一般加工韧性材料，应取较大的前角；加工脆性材料，应取较小的前角；前角的取值范围常在-5+25之间。,4.2.3刃倾角s,刃倾角s：在切削平面中，主切削刃与基面之间的夹角。它主要影响刀头的强度和排屑方向。一般取s=10+10,粗加工时常取负值，增加刀头强度；精加工时常取正值，避免切屑擦伤已加工表面。,4.2.4刃倾角s的正与负,当刀尖在主切削刃上最高点时，s为正值，反之为负值。,4.3刀具角度的合理选择问题,原则：粗加工时，为了提高切削效率，切削力会较大，因此强度要高；精加工时，切削力较小，为了保证零件质量因此刀具较锋利。粗加工：前角、后角均小，强度高精加工：前角、后角均大，刀具锋利主偏角：车台阶轴：取90度既车外圆又车端面，取45度副偏角：为降低表面粗糙度，取小值：一般为：5-15度刃倾角：粗加工常取负值，精加工取正值,麻花钻由工作部分、颈部和柄部组成，工作部分又包括导向部分和切削部分,4.4麻花钻的基本形状,螺旋角：刃带切线与钻头轴线的夹角,一般=18-30度；前角：。后角：f顶角2：两个主切削刃在垂直钻头轴线平面上投影的夹角，通常2=116-120度之间；横刃斜角：它是横刃与主切削刃在钻头垂直轴线平面上投影的夹角。通常为47-55度；,4.4.1麻花钻的主要几何角度,砂轮：是磨削加工的刀具，它是由磨料和结合剂烧结而成的。磨料：磨料是砂轮的主要组成因素，担负切削作用，所以磨料有很高的硬度。粒度：是指磨料颗粒的大小。结合剂：结合剂起粘结磨粒的作用。硬度：指砂轮上的磨粒脱落的难以程度。,4.5砂轮的材料及形状,4.5.1常用的磨料的特性及用途,4.5.2砂轮的形状、代号及用途,5.刀具磨损和刀具耐用度,刀具经过一定时间的使用后，由于摩擦和切削热的作用，使刀具变钝，切削温度上升，影响加工精度和表面质量，因此必须及时刃磨。刀具耐用度是刀具从开始切削至达到磨损限度为止的切削时间。例：硬质合金焊接刀具的耐用度规定为60分钟。,刀具使用,磨钝,刃磨刀具,包括：三种磨损形式与三个磨损阶段,5.1刀具的使用过程,金属切削过程是指从工件表面切除一层多余的金属，从而形成切屑的过程：1.金属在刀具前刀面的作用下，受到挤压产生弹性变形。2.应力逐渐变大，产生塑性变形滑移。3.应力达到强度极限，剪切滑移被挤裂形成切屑。4.切离。,1弹性变形2塑性变形3挤裂切屑,6.金属的切削过程,常见的切屑有如下三种：a.带状切屑：用大前角刀具、高切削速度、小进给量加工塑性材料时出现。形成带状切屑时，切削力平稳，表面光洁，但切屑连续不断，不安全或容易刮伤已加工表面。b.节状切屑：用低切削速度，大进给量加工中等硬度的钢材时出现。形成这种切屑时，金属经弹性变形、塑性变形、挤裂和切离阶段，是典型的切削过程，但切削力波动大，工件表面粗糙。c.崩碎切屑：加工铸铁、黄铜等脆性材料时出现，形成这种切屑时，切削热和切削力均集中在刀刃和刀尖，刀具容易磨损。,6.1金属的切屑类型,6.2积屑瘤,积屑瘤：当切屑沿前刀面流出时，与前刀面接触的切屑底层受到摩擦阻力，速度变慢，形成滞流层，于是，金属粘附在切削刃附近，形成了积屑瘤。,积屑瘤的影响：1、保护切削刃，粗加工时，希望产生积屑瘤2、本身不断形成和脱落，会引起振动，影响工件表面粗糙度，精加工不希望产生积屑瘤。,6.3切削力,1、切向力（切削力）Fz：总切削力在主运动方向上的正投影，其大小约占总切削力的9599%,是三个分力中最大的。消耗功率最多的分力，它是机床动力、重要零件的强度和刚度设计和校核的主要依据；2、轴向力（进给力）Fx:总切削力在进给方向上的正投影，其大小约占总切削力的15%,它是设计和验算机床进给机构必须的参数；3、径向力（背向力）Fy:总切削力在垂直工作平面上的分力，它作用在工件刚性较差的方向，容易使工件变形，同时引起振动，影响加工精度。所以加工刚性较差的工件（如细长轴）时，应该力求减少切削力。,6.3切削力,Fy,切削力Fr的方向如左下图：可以沿三个方向分解为：1.切向力Fz2.轴向力Fx3.径向力Fy,6.3切削力,主偏角影响径向力的分配：,6.4切削热,切削热产生原因：1.切屑变形；2.工件与刀具的摩擦；切削热传出途径：a.由切屑带走，带走越多越有利；b.由周围空气和冷却介质带走，同样带走越多越有利；c.传入工件，使工件温度升高，引起工件变形，产生误差；d.传入刀具，使刀具温度升高。刀具硬度降低，磨损加快。,6.5降低切削温度的措施,1.减少切削热的产生：包括选择合理的刀具几何角度和切削用量，比如适当增大刀具的前角以减少切屑变形，选用大的背吃刀量和小的进给量。2.改善散热条件：包括使用冷却液等各种冷却措施；冷却液一般有：水溶液：比热大，导热性好，但不能起润滑作用，如苏打水，苏打用于防锈。用于粗磨。切削油：如矿物油；比热小，但有润滑作用。乳化液：具有良好的流动性和导热性，它由乳化油加水稀释而成，应用最广泛。,第八章零件表面的加工方案,复习思考题1、试说明下列加工方法的主运动和进给运动：（1）车端面；（2）在车床上钻孔；（3）在钻床上钻孔；（4）在铣床上铣平面；（5）在平面磨床上磨平面；（6）在外圆磨床上磨孔。2、试说明车削的切削用量（包括名称、定义、代号和单位），简述切削用量选择的原则。,3、对刀具材料的性能有那些要求？4、高速钢和硬质合金在性能上的主要区别是什么？各适合做什么刀具？5、积屑瘤是如何形成的？它对切削加工有何影响？6、试分析车外圆时各切削分力的作用和影响。7、切削热对切削加工有什么影响？8、简述车刀前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角的作用及选择原则。,第八章零件表面的加工方案,9、切削液的主要作用是什么？常根据哪些主要因素选用切削液？10、已知下列车刀的主要角度，试画出它们切削部分的示意图：（1）外圆车刀：o=10o=8=60=10s=4(2)切断刀：o=10o=6=90=2s=011、车削外圆时，工件转速n360r/min，切削速度v=150m/min,试求工件直径d。12、为什么不宜用碳素工具钢制造铣刀、钻花等复杂刀具？为什么目前常采用高速钢制造这类刀具？而较少采用硬质合金？,课间休息,第二章金属切削机床,返回索引,1、机床的类型,金属切削机床是用来对工件进行加工的机器，故称为“工作母机”，习惯上称机床。按加工性质和所用刀具分类：分为车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床等12大类；按精度分类：分为普通精度、精密和高精度三种；按重量分类：分为一般机床、大型机床和重型机床。机床的型号：如：C6136表示,2、机床的基本结构,1.主传动部件：用来实现机床主运动；2.进给传动部件：主要用来实现机床进给运动；3.工件安装装置：用来安装工件；4.刀具安装装置：用来安装刀具；5.支承件：用来支承和连接机床各零部件，是机床的基础构件；6.机床动力部件：为机床提供动力。,3、机床的传动,机床的传动有机械、液压、气动、电气等多种形式，最常见的是机械传动和液压传动。机械传动包括皮带传动、齿轮传动、涡轮蜗杆传动、齿轮齿条传动和丝杆螺母传动,3.1皮带传动,皮带传动是靠胶带与带轮之间的磨擦作用，将主动皮带轮的转动传递到另一个被动皮带轮上去的。皮带传动的优点是传动平稳、轴间距较大，结构简单、制造维修方便，过载时皮带打滑。不易引起机器损坏；其缺点是不能保证精确的传动比，且磨擦损失大，传动效率较低。,3.1皮带传动,如果考虑皮带与皮带轮之间的滑动，其传动比为：i=(d1/d2)=(n2/n1)式中：d1主动皮带轮的直径d2被动皮带轮的直径n1主动皮带轮的转速n2被动皮带轮的转速滑动系数，约为0.98,3.2齿轮传动,齿轮传动是目前机床中应用最多的一种传动方式，这种传动方式种类多，如直齿、斜齿、人字齿、圆弧齿轮传动等，最常见的是直齿圆柱齿轮。设：z1和n1分别为主动轮的齿数和转速z2和n2分别为被动轮的齿数和转速传动比i=(z1/z2)=(n2/n1),3.3涡轮、蜗杆传动,采用这种方式，只能由蜗杆带动蜗轮传动，其传动的优点是：可获得较大的降速比，传动平稳、噪音小，结构紧凑。其缺点是传动效率低，并需要良好的润滑条件,3.4齿轮、齿条传动,齿轮齿条传动机构可将旋转运动转变为直线运动（当齿轮为主动轮时），也可将直线运动转变为旋转运动（当齿条为主动件时），在实际运用中，以前者居多。齿轮齿条传动的效率很高，但制造精度不高时，传动的平稳性和准确性较差。,3.5丝杆、螺母传动,丝杆、螺母传动可使旋转运动变成直线运动，例如在车床上车螺纹时，丝杆旋转，合上开合螺母后，刀架便作纵向运动。其传动的优点是工作平稳，无噪音，其缺点是传动效率较低。,4、机床的变速机构,在一般的通用机床上通过变速机构实现接近理想值的切削速度。变换机床转速的主要装置是机床的齿轮箱，齿轮箱变速机构的形式多样，最常见的为滑动齿轮变速机构和离合器式齿轮变速机构,4.1滑动齿轮变速机构,带长键的从动轴上装有滑动齿轮z2,z4,z6,通过手柄上的拨叉可使它们分别与固定在主动轴上的齿轮z1,z3,z5相啮合，其传动比i1=z1/z2i2=z3/z4i3=z5/z6轴的转速分别为：n2=i1n1或n2=i2n1或n2=i3n1（式中n1为轴的转速,n2为轴的转速）,4.2离合器式齿轮变速机构,从动轴两端空套有齿轮z2和z4，它们分别与固定在主动轴上的齿轮z1和z3啮合。轴中部带有键3，并装有压嵌式离合器4。当手柄左移或右移离合器时，离合器的爪1与齿轮z2啮合或爪2与齿轮z4啮合，这样轴可得到两种不同的转速，其传动比是：i1=z1/z2i2=z3/z4,5、车床的基本结构,主电机及变速机构,挂轮箱,床头箱,进给箱,卡盘,中心架,溜板箱,尾架,丝杆,光杆,5.1车床的主传动,5.1.1车床的传动框图,车削的进给量,如果工件的转速加快，进给量是否会变化？答：所谓进给量，是指主轴转一圈（一个工作循环）、刀架沿进给方向移动的距离，只要进给箱的挂轮手柄没有调整，主轴到进给箱的传动比没有变化，进给量就不会发生变化。,5.2车削的加工范围,车削是以加工回转体为主要加工目的。在车床上可以加工：外圆、端面、锥度、钻孔、钻中心孔、镗孔、铰孔、切断、切槽、滚花、车螺纹、车成型面、绕弹簧等。,5.3车削的工艺特点,粗加工：经济精度可达到IT10，表面粗糙度在25-12.5之间;精加工：经济精度可达IT7左右，表面粗糙度Ra6.3-1.6之间。2.易于保证相互位置精度要求。一次装夹可加工几个不同的表面，避免安装误差。3.刀具简单，制造、刃磨和安装方便，容易选用合理的几何形状和角度，有利于提高生产率。4.应用范围广泛，几乎所有绕定轴心旋转的内外回转体表面及端面，均可以用车削方法达到要求。5.可以用精细车的办法实现有色金属零件的高精度的加工（有色金属的高精度零件不适合采用磨削）,6铣削加工,主轴箱,主轴,横溜板,工作台,升降台,底座,6.1立式铣床的基本结构,6.2铣削的主要加工范围,6.3铣床的分度加工功能,在铣削六方、齿轮、花键和刻线等加工中，工件每铣过一个面（或一个齿）之后，需要转过一定的角度，再铣第二个面（或第二个齿），这种工作叫做分度。分度头就是根据加工需要，对工件在水平、垂直和倾斜位置进行分度的附件。,6.3铣床的分度加工功能,分度头手柄,工件,铣刀,卡盘,尾架,扇形夹,1.分度头手柄与卡盘中心轴之间的传动比为40：1，即手柄转40圈，卡盘或工件转1圈。2.孔圈和扇形夹的张开角度用于非整数圈的定位,孔圈,问题：今欲在铣床上加工一个12等分的零件，分度手柄应转多少圈，用分度盘的哪个孔圈，扇形夹应张开多少个孔距？（已知：分度盘孔圈孔数有：24、25、28、30、37）解：因为主轴上固定有齿数为40的蜗轮，它与单头蜗杆相啮合。当分度手柄转一圈的同时，主轴(工件)转动了1/40转即设工件等分数为Z，则每次分度时，工件应转过1/Z，因此手柄转数根据题中已知条件，可选孔圈数24、扇形夹张开孔距为8孔，可选孔圈数30，扇形夹张开孔距为10孔,6.3铣床的分度加工功能,6.4逆铣和顺铣,逆铣：铣刀旋向（或铣削力）与进给方向相反顺铣：铣刀旋向与进给方向一致,F,F,V,V,6.5铣削的工艺特点,1.铣削加工的精度可达IT10-IT7，表面粗糙度可达6.3-1.6左右2.生产效率高，铣刀是多刀齿刀具，铣削时有几个刀齿同时参加切削，主运动是刀具的旋转，所以铣削的生产效率比刨削高。3.容易产生振动，铣刀的刀齿切入和切出时产生振动，加工过程中切削面积和切削力变化较大。4.刀齿的散热条件较好，在刀具旋转过程的不切削时间内，刀具可以得到一定的冷却。5.与刨床相比，铣床价格高，适用于批量生产。,7.刨（插）削加工,刨床主要有牛头刨床和龙门刨床两种,牛头刨床:刨刀的直线往复运动是主运动，工件在刨刀返回行程将结束时作横向进给运动。牛头刨床主要用于加工中小型零件,龙门刨床:工作台往复运动，横梁上的刀架可以水平或垂直运动龙门刨床主要用于加工大型零件,7.1牛头刨床的摆杆机构,牛头刨床的摆杆机构摆杆齿轮带动摇杆左右摆动，摇杆带动滑枕做往复运动。摆杆机构的特点：返回行程比工作行程时间快。,7.2刨削加工的范围,3.1插削加工,插床又称立式刨床，其运动原理与牛头刨床相似，主要用于孔内表面加工，如方孔、多边形孔、键槽等的加工。,工件在工作台上可做纵向、横向和回转的运动，滑枕做上下往复运动。,7.3插削主要加工范围,7.4刨削加工的工艺特点,1.加工精度通常为：精刨：IT7-IT10，粗糙度Ra为6.3-1.6之间。2.通用性好，刨床简单、价格低、调整和操作简便，刨刀形状简单，制造、刃磨方便。3.生产率一般比较低，主运动为往复直线运动，返回行程不参加切削。4.适用于单件小批生产。,8.钻削加工,钻床包括台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。如图：工件直径12mm的孔一般使用台式钻床加工，孔径0;若点（X,Z）在直线下方，则：ZXe-XZe0时，NC发出移动微指令，使控制轴向+X方向移动一个步长；当F移动”，选择该菜单后，系统弹出如图6所示的对话框。该对话框设定工作台中心点坐标沿当前CLI模型的中心点坐标沿XY方向平移的距离（均为相对坐标）。,图5工具菜单,图6移动菜单对话框,（4）造型菜单造型菜单如图7所示，造型的第一步就是初始化系统，然后应按照工艺要求一步步进行操作，造型过程中应严格按操作步骤进行。系统初始化：单击“造型系统初始化”后，系统将自动测试各电机的状态；X、Y轴回原点；上图左图为未进行系统初始化时的菜单状态；右图为进行过系统初始化后的菜单状态；系统初始化后运动命令和造型等命令才可使用。,图7造型菜单,控制面板：单击“造型控制面板”或单击右侧的控制面板图标，系统弹出如图8所示窗口；该窗口分为三个区域:XY轴扫描区域、喷头区域、工作台区域。,图8控制面板,造型：单击“造型造型”，系统弹出是否加热和选择造型层确认对话框，“选择造型层”可以设定造型的起始层和结束层,如图9。,图9,“Start”按钮启动造型过程。启动后该按钮变为“Pause”，单击该按钮可以让系统随时暂停造型，按“Stop”按钮则停止造型，XY轴电机回零点。,当用户全部选择确定后，弹出如图10所示的造型对话框。,图10造型状态,（5）系统菜单系统菜单如图11所示，单击“系统工艺参数菜单可以设定系统的工艺参数。,图11系统菜单,单击后系统状态栏（参数栏）为激活可写入状态，见图12所示。单击“系统系统参数菜单可以设定系统的基本参数,见图13所示；,图12系统工艺参数栏图13系统参数栏,2、操作说明,使用控制软件进行造型步骤如下：,（1）成形准备打开电源材料及成形室预热数控初始化挤丝工作台水平校准工作台高度校准（2）造型设定好参数后，选择菜单“造型造型”，此时弹出如图14所示的提示对话框，此时又弹出如图9所示的“选择造型层”提示对话框，如需要请输入起始层和结束层的层数。单击“Start”，系统开始估算造型时间。造型时如果需要修改参数,选择菜单“系统工艺参数”，修改后的下一层会按照新参数进行加工。,图14造型准备提示对话框,（3）后处理后处理包括设备降温、零件保温、去除支撑、表面处理等步骤。设备降温原型制作完毕后，如不继续造型。即可直接关闭温控按钮。零件保温零件加工完毕，下降工作台，将原型留在成形室内,保温一段时间，保温时间视零件的大小及形状确定，否则过早取出零件会出现应力变形。,模型处理用小铲子小心取出原型。关闭系统其它按钮和电源，关闭计算机。小心去除支撑，避免破坏零件。,三、大法师软件的应用,大法师（Daphne）是专门针对MEM、SLA等多种工艺而研究开发的快速成形数据处理软件，它以STL文件为数据接口，将数字CAD造型转化为快速成形制造系统接受的层片模型，用于产品设计、功能测试、模具制造等领域。,（一）软件启动,软件启动后的界面如图15所示。大法师工作界面由三部分构成：上部为菜单和工具条，左侧为工作区窗口，显示STL模型列表等，右侧为图形窗口，显示三维STL或CLI模型。,图15大法师工作界面,载入STL模型的方式有多种：选择菜单“文件输入STL模型”；在工作区窗口的空白处单击鼠标右键，弹出如图16的弹出式菜单，选择“STL模型”；或者按快捷键“CTRLL”。,图16载入菜单,（二）载入STL模型,选择一个STL文件后，系统开始读入STL模型，并在最下端的状态条显示已读入的面片数和顶点数，如图17所示。,图17STL模型读入进程,（三）查看STL模型,如果STL模型显示的比较小，则可以选择菜单中“显示重置窗口”项或工具条中的重置按钮，刷新图形。系统会选择一个合适的缩放比例显示该模型。,图18重置窗口后显示,观察STL模型有关的命令集中在“查看”菜单和查看工具条中。要有关STL模型的信息，可以选择菜单“查看模型信息”，系统弹出如图19所示对话框，其中包括尺寸及面片数，顶点数。,图19查看菜单、查看工具条、模型信息对话框,（四）STL模型操作,坐标变换是对STL模型进行缩放、平移、旋转、镜像等。坐标变换命令集中在“模型变换”菜单中，分别为：平移、旋转、移至底板、移至中心等。1、平移：平移是最常用的坐标变换命令，它将模型从一个位置移动到另一个位置。选择“模型变换平移”命令后，系统弹出如图20所示的对话框。,图20平移对话框,2、旋转：旋转也是一个常用的坐标变换命令，该命令以某点为中心点对模型进行旋转。选择“模型变换旋转”命令后，系统弹出如图21所示的对话框。,图21旋转对话框,图22为以中心点绕X轴旋转90度的结果。,原模型旋转90,图22旋转模型,3、移至底板：将模型移动到工作台面上，将模型的最低点Z坐标变为零，XY坐标不变。4、移至中心：将模型几何中心移动到工作台的成形中心处，模型的Z坐标不变。,（五）MEM工艺模型处理,1、MEM模型处理基本步骤（1）载入原型的STL文件。（2）将模型放置在合适的位置和方向。一般将模型放在距工作台23毫米的高度上、工作台面的中心处。（3）提取支撑面。MEM工艺必须添加支撑，选择菜单“支撑处理支撑参数”，系统弹出如图28所示对话框。在该对话框中设定支撑角度，支撑填充线的角度和间距。,图23支撑参数对话框,设定完参数后，选择“支撑处理提取支撑面”，系统自动提取需要添加支撑的表面，并将其写入工作区窗口的树形列表中，如图24所示。,图24提取支撑面,（4）显示支撑面选择“支撑处理显示支撑面”，图形窗口中将显示各个支撑面,图25显示支撑面,（5）分层填充。选择“STL模型处理MEM模型处理（精确）”或“STL模型处理MEM模型处理（快速）”，系统开始对STL模型添加支撑，进行分层。一般使用“MEM模型处理（快速）”命令，以获得更快的处理速度。,（6）系统开始分层状态条将显示分层的进程，可以看到层片高度不断降低，直至起始高度。,（7）分层完毕系统弹出提示对话框，单击“确定”按钮，MEM模型处理结束,第十章先进制造技术,10.1非传统加工技术,10.1.1激光加工10.1.2高压水射流加工10.1.3高速加工,10.1.1激光加工,定义：激光加工技术是涉及光、机、电、计算机和材料等多个学科的综合性高新技术。激光加工是利用能量密度很高的激光束使工件材料熔化、汽化和蒸发而予以去除的高能束加工。原理激光束照射材料材料吸收光能光能转变为热能使材料加热经由熔融和气化使材料去除或破坏。激光加工的特点（1）可以加工任何材料。（2）可用于精密微细加工。（3）激光加工是属于非接触性加工。（4）激光加工装置比较简单。（5）是一种热加工，影响因素很多。,激光加工的应用激光切割可切割任意的自由形状，不需要更换工具，效率高激光打孔原理：先在工件表面瞬间发生熔融、蒸发、去除表层材料；其次，表层下的材料迅速达到蒸发温度以上，发生爆炸，附近的熔融区域和松散状态的部分飞散而形成孔。特点：1.激光打孔速度快,效率高,经济效益好。2.激光打孔可获得大的深径比。3.激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。4.激光打孔无工具损耗。5.激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。6.用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔,激光加工的应用(续)激光焊接热导焊：激光功率密度较低，工件吸收激光后，仅达到表面融化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。深熔焊：激光功率密度高，工件吸收激光后迅速熔化乃至汽化，熔化后的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。,激光加工的应用(续)激光焊接深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。由于经聚焦后的激光束光斑小，功率密度高，比电弧焊高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。,10.1.2高压水射流加工,高压水射流加工是以水为介质，通过高压发生设备，其压力可达70400Mpa，再经过贮液能器使高压流体平稳，最后由喷嘴形成300900m/s的高速流体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的在普通射流中加入磨料磨粒则形成磨料水射流，此时，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大，硬度高，所以，磨料射流较之水射流动能更大，切割效果更强。高压水射流加工装置基本上由液压系统（供水系统、增压系统、高压水路系统、磨料供给系统）、切割系统（WJ/AWJ喷嘴切割装置）、数控运动控制系统和外围设备（CAD/CAM系统和全封闭防护罩等）组成。喷嘴的材料应具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和承受高压的性能。常用的材料有硬质合金、蓝宝石、红宝石和金刚石。,10.1.3高速加工,定义：通常采用的切削速度和进给速度比常规加工高510倍的加工方式就是高速加工，但它并非普通意义上的采用大的切削用量来提高加工效率的一种加工方式，而是采用高转速、快进给、小切深和小步距来去除余量，完成零件加工的过程。优势：单位时间内的材料切除率可增加36倍，缩短零件的切削加工工时，提高生产效率；切削力至少降低30，径向切削力小，有利于加工薄壁、细长等刚性差的零件；95以上的切削热被切屑带走，工件保持冷态，适合于加工易热变形工件；激振频率高，工作平稳振动小，可加工非常紧密、光洁的零件，表面残余应力小，可省去铣削后的精加工工序。,10.2超精加工技术和纳米加工技术,10.2.1超精密加工方法和设备10.2.2LIGA技术10.2.3虚拟轴机床,10.2.1超精密加工方法和设备,超精密加工技术是一门集机械、光学、电子、计算机、测量和材料科学等先进技术于一体的综合性技术。超精密加工技术通常是指被加工零件的尺寸精度低于0.1m，表面粗糙度Ra小于0.025m的加工技术。目前超精密加工的零件精度已达到亚微米级，正在向纳米级工艺发展。按照加工方式的不同，超精密加工可分为超精密切削、超精密磨料（固结磨料和游离磨料）加工、超精密特种加工及复合加工。,图1LLNL的LODTM大直径光学超精密车床,镜面铣技术镜面铣在超精密机床中属于最简单的一类。其关键部件为高精度主轴和低摩擦高平稳定性的滑台。滑台的驱动系统是达到高精度表面的关键，最初采用气液缸驱动，后发展为平稳的钢带驱动，最近又出现了高精度、高平稳性的滚珠丝杠驱动和直线电机驱动系统。滚珠丝杠驱动具有高刚性的特点，其平稳必除电机外取决于丝杠螺母副的精度。与钢带驱动系统相比，滚珠丝杠驱动对电机的要求较低，因为电机转一周，滑台只前进一个螺距，而在钢带驱合系统中，滑台要前进带轮的一个周长。受钢带的材质和厚度的影响，带轮的直径通常在40mm以上，为了尽可能减少电机平稳性的影响，多数钢带驱动系统采用蜗轮蜗杆减速器，其性能的优劣决定了滑台运动的平稳性。应用范围较广，如镜面镜削飞机玻璃的时间约是抛光的一半左右,金刚石车削技术金刚石车床与镜面铣床相比，其机械结构更为复杂，技术要求更为严格。除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高的定位精度和重复精度。镜面铣削平面时，对主轴只需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较低。金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精度，才能减少对工件的形状精度和表面