机械制造技术第一章

机械制造技术,专业课,MechanicalManufacturingTechniques,制造技术是使原材料变成产品的技术总称。,机械制造(冷加工)是机械工程的一个分支学科，重点研究机械的制造过程和方法。,本课程主要内容,金属切削原理与刀具金属切削机床先进制造技术,利用刀具切除被加工零件多余的材料，形成已加工表面。,机械制造工业中最基本的加工方法，在国民经济中占有重要地位。,目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。,两个基本条件：切削运动刀具,金属切削加工：,机械制造业的沿革,工业革命前：低效的手工劳作方式1785瓦特蒸汽机在纺织工厂使用，机器代替手工劳动的序幕，机械化生产的基础，机器生产机器1797发明第一台滑动刀架车床1873第一台凸轮控制的自动车床,1910-1920福特汽车公司，泰勒按节拍生产的理论，首先建立了流水线生产方式，创造了平均每分钟生产一辆T型车的记录1952美国首先研制成功数控(NumericalControlNC)机床及自动编程，CAM的开端1953同一台机床上通过自动换刀实现铣、钻、镗、锪，铰、磨及攻丝等多种工艺的数控加工中心(MachiningCenter)MIT美国麻省理工学院,1962美国第一台工业机器人1967英、美FMS(FlexibleManufacturingsystem)柔性制造系统，离散形生产自动化60年代末CAPP(Computer-AidedProcessPlanning)计算机进行加工工艺路线和工序内容的设计及机床切削用量、时间定额等的选择与制定,1961：物料需求计划：MRPI(MaterialRequirementsPlanning)1979：制造资源计划：MRPII(ManufacturingResourcesplanning)管理信息系统MIS(ManagementInformationSystem)目前PDM生产数据管理系统,CIMS,ComputerIntegratedManufacturingSystem计算机集成制造系统：以制造技术、计算机技术、柔性制造技术、自动化技术和现代管理科学为基础，将制造业、工厂经营活动所需的各种自动化系统，通过新的生产管理模式、工艺理论和计算机网络有机地集成，使任何复杂的产品从设计到加工以及管理的工作量减少到最低限量。,零件在车间中停留时间示意图,机械制造业的发展趋势?,我国金属切削的发展,公元前2000多年青铜器时代青铜刀、锯、锉、磨石春秋中晚期考工记金工知识唐代原始的车床1668畜力铣磨机脚踏刃磨机1915第一台国产车床194720000多台碳素工具钢刀具V=10m/min,金属切削原理与刀具部分,刀具几何角度及切削要素刀具材料金属切削过程基本规律与理论及应用各种刀具,第一章刀具几何角度及切削要素,以车刀为例，着重掌握切削运动、刀具几何角度、切削要素等方面的名词术语和基本定义。,本章内容是学习金属切削原理、刀具设计与使用的重要基础。,1.1切削运动与切削用量,(一)切削运动,金属切削机床的基本运动包括:直线运动回转运动,金属切削加工是利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层(加工余量)，以获得具有一定的尺寸、形状、位置精度和表面质量的机械加工方法。,车削加工的切削运动及工件上的表面,刀具与工件间的相对运动称为切削运动。切削运动可分解为：主运动进给运动,刀具的切削作用是通过刀具相对工件之间的相互作用和相对运动来实现的。,1、主运动,刀具与工件间主要的相对运动，使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑，从而形成工件的新表面。,主运动是切下切屑所需的最基本运动。,在切削运动中：主运动的速度最高消耗的功率最大主运动只有一个,2、进给运动,刀具与工件之间附加的相对运动，配合主运动依次地或连续不断地切除切屑。,可由刀具完成车削、工件完成铣削可间歇刨削、连续车削,进给运动可以有一个或几个。,进给运动是多余材料不断被投入切削,从而加工出完整表面所需的运动。,车外圆：主运动工件高速旋转进给运动车刀轴向运动,刨削：主运动刨刀的直线运动进给运动工件移动,磨外圆：主运动砂轮旋转进给运动工件转动、砂轮轴向移动,铣平面：主运动铣刀旋转进给运动工件移动,钻削：主运动钻头旋转进给运动钻头轴向移动插齿：主运动插齿刀上下运动进给运动工件分度运动等镗孔：主运动刀具旋转(绕工件轴线)进给运动刀具径向移动插齿：主运动插齿刀上下运动进给运动工件分度运动等,3、合成切削运动,主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。,(二)切削工件表面,车削加工是最常见、典型的切削加工方法,以它为例，车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面:,待加工表面已加工表面过渡表面,待加工表面工件上有待切除的表面已加工表面经刀具切削后产生的新表面过渡表面(切削表面)切削刃正在切削的表面，它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面,(三)切削要素,切削过程的切削用量要素及切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。,切削层,切削时工件旋转一周，刀具从位置移到位置，切削刃在、之间的一层材料被切下，刀具正在切削着的这层材料称为切削层。,切削速度进给量背吃刀量,1、切削用量要素,(1)切削速度,n工件或刀具的转速，n为rmind工件或刀具观察点的旋转直径，d为mm,指主运动的线速度，以车削为例：,m/min,(2)进给量f,进给量：主运动每转一转或每一行程时(或单位时间内)，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。,主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mmr；当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm双行程或mm单行程。,进给量是进给运动的单位量。车削时进给量f是取工件每旋转一周的时间内，工件与刀具相对位移量。,(mm/min),进给运动速度vf:,n主运动的转速；f刀具进给量。,多齿刀具有每齿进给量。,其与进给量f的关系为：,对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，单位为mmz或mm齿。,f=zfz,(3)背吃刀量ap,工件待加工表面与加工表面之间的垂直距离。,在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的吃刀量一般称为切削深度。,dw待加工表面直径dm已加工表面直径,mm,(4)切削时间tm,切削时间是反映切削效率高低的一种指标。,车外圆时切削时间tm可由下式计算:,提高切削用量:背吃刀量ap进给量f切削速度vf其中任何一个要素，都可缩短切削时间，提高生产效率。,min,(5)金属切除率QZ,每分钟切下工件材料的体积是衡量切削效率高低的另一种指标。,(mm3/min),在金属切削过程中，切削用量三要素选配的大小，将影响切削效率的高低。,通常将三要素的乘积作为衡量指标，称为材料切除率，即：,2、切削层参数,切削层:工件上正被切削刃切削的一层金属，亦即相邻两个加工表面之间的一层金属。,切削层参数共有三个，它们通常都在垂直于切削速度v的平面内度量。,切削宽度：沿主切削刃方向度量的切削层尺寸。,车削外圆时切削宽度：,切削厚度：两相邻加工表面间的垂直距离。,车外圆时，切削厚度：,切削面积：切削层垂直与切削速度截面内的面积。,车外圆时，切削面积：,一、刀具的组成,1.2刀具切削部分的基本定义,刀面刀头-切削部分(刀刃)刀尖刀杆-用于装夹,1、刀面,前刀面Ar切屑流出时经过的刀面后刀面Aa与加工表面相对的刀面副后刀面Aa与已加工表面相对的刀面,2、切削刃,主切削刃：前刀面与主后刀面的交线，它完成主要的切削工作。,副切削刃：前刀面与副后刀面的交线，它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。,3、刀尖,连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是小的直线段或圆弧。,实际使用的刀具切削部分放大形状,如上图所示，刨刀切削部分的形状与车刀相同(图a);钻头可看作是两把一正一反并在一起同时车削孔壁的车刀，因而有两个主切削刃，两个副切削刃，还增加了一个横刃(图b);铣刀可看作由多把车刀组合而成的复合刀具，其每一个刀齿相当于一把车刀(图c)。,其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可看作是车刀的演变和组合。,回顾与总结,机电产品的组成零件主要由三种典型表面构成：内、外圆柱面、平面、成形面等。,不同表面的形成：,切削运动分为主运动和进给运动。,刀具的组成,外圆车刀切削部分的组成：三面、两刃、一刀尖。,三面：前刀面、主后刀面、副后刀面两刃：主切削刃、副切削刃一刀尖：主、副切削刃的连接部位,刀具切削部分组成：三面、两刃、一刀尖。,用于确定刀具角度的参考坐标系：标注坐标系(静态参考系)工作坐标系(动态参考系),二、刀具角度参考系,标注坐标系-静态参考系-刀具角度是刀具设计计算、绘图标注、刃磨测量角度时的基准，基于它定义的角度称为刀具角度。工作坐标系-动态参考系-工作角度是确定刀具切削运动中角度的基准，基于它定义的角度称为工作角度。,刀具标注系坐标平面是以刀具结构为基础，考虑刀具的安装定位及假定的切削运动方向建立起来的坐标平面。,建立标注坐标系条件,不考虑进给运动；规定车刀刀尖与工件轴线等高；刀柄的中心线垂直于进给方向。,刀具标注坐标系有四种类型：,主剖面标注坐标系,法剖面标注坐标系,进给、切深剖面标注坐标系,前、后刀面正交剖面标注坐标系,四类刀具标注坐标系中，主剖面标注坐标系应用最广，它由以下三个平面组成：,基面Pr切削平面Ps主剖面(正交平面)Po,主剖面标注系坐标平面,基面:通过切削刃上某一点并平行于刀具底面的平面。,切削平面：通过切削刃上某一点并与切削刃相切的平面。,主剖面:通过切削刃上某一点同时垂直于切削平面和基面的平面。,本次课主要内容,1.切削运动;2.切削加工表面；3.切削要素4.刀具的结构。,作业：1、分别说明切削用量三要素。2、切削层参数指的是什么？3、绘图说明主剖面坐标系的三个平面组成；,三、刀具角度(标注角度),外圆车刀具有三个刀面、两条刀刃、六个独立角度。,主剖面中测量的刀具角度,前角O：主剖面中测量的前刀面与基面间夹角。,后角o：主剖面中测量的后刀面与切削平面之间的夹角。,增大前角，使主切削刃锋利，减小切削力和切削热。但前角过大，刀刃很脆弱，易产生崩刃。前角有正负之分。,后角的主要作用：减少刀具后刀面与工件表面间的摩擦和后刀面的磨损，并配合前角影响切削刃的锋利和强度。,基面中测量的刀具角度,主偏角r：主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角。,副主偏角r：副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向之间的夹角。,主偏角的大小影响背向力与进给力的比例以及刀具寿命，影响工件表面残留面积的大小，进而影响已加工表面的粗糙度Ra值。,副偏角的主要作用：减少副切削刃与已加工表面的摩擦，减少刀具磨损及切削振动。减小副偏角可减小切削残留面积，降低己加工表面的粗糙度。,切削平面中测量的刀具角度,刃倾角s：切削平面中测量的切削刃与基面之间的夹角。,当主切削刃与基面平行时s=0；当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时s0；反之，s0,与前角类似，刃倾角也有正负和零值之分。,刃倾角主要影响刀头的强度、切削分力和排屑方向。,前角、后角、刃倾角正负的规定,派生角度：副刃倾角，副刃前角楔角刀尖角,派生角度可由等角度换算得出。,先进刀具角度的变革，有“三大一小”的趋势，即采用大的前角、刃倾角和主偏角，采用小的后角。,选择刀具几何角度时，应遵循“锐字当先，锐中求固”原则。,考虑刀具锋利的同时应保证刀具有一定强固。,1.3刀具角度的换算,刀具角度换算的目的是根据设计、工艺的需要，将某一坐标系中角度值变换为另一所需的坐标系角度。,一、刀具角度换算的常用方法：,解析计算法：通过投影作图变换，把空间刀具几何角度关系转化为平面几何图形，并由此建立数学表达式。该方法简单、直观，是分析刀具角度最基本的方法。,图解法：用作图代替计算，解法直观不易出错，但图解精度较差。向量矩阵法：将切削运动、刀具角度用向量表示，通过坐标变换、向量矩阵方法推导计算式。该方法过程简明、结果精确，特别是能运用计算机，采用矩阵运算的标准程序，为解决复杂刀具设计提供了有效工具。,二、车刀各标注坐标系角度的解析计算,1、主、法剖面系中前、后角的换算,2、垂直于基面的任意剖面角度换算,任意剖面Pi平面中前角I为：,3、前后刀面正交剖面系角度换算,空间任一平面方位表示只需两个定向角度，因此刀具切削部分需标注的独立角度数量可用一面二角分析法确定。刀具需要标注的独立角度数量是刀面数量的两倍。,1.4刀具角度的一面二角分析法,PP15的直头外圆车刀及45弯头车刀。,附：刀具几何形状的图示方法,刀具图形按投影方法绘制异常烦琐。,通常采用简单画法，即：基面投影为主视图切深平面(外圆车刀)或进给平面(端面车刀)为俯视图切削平面投影向视图,同时作出主、副切削刃主剖面。,绘出视图与剖面是为标注车刀的独立角度和刀杆尺寸。,无须标注的派生角度和无关尺寸可采用局部破碎法加以省略。,视图间应大致符合投影关系，但不需画出投影线，角度与尺寸须按比例绘制，各剖面中切削刃至刀杆底面高度可近似用刀杆高度尺寸绘制。,车刀设计图一般采用主剖面系标注角度。,绘制车刀工作图，首先应判断其使用时的进给运动方向，即判断出主切削刃及副切削刃，随即可确定切削平面向视图及主剖面图，最后标注角度。,1.5刀具的工作角度,刀具安装位置、切削合成运动方向的变化，均会引起刀具工作角度相应变化。,合成切削运动会改变基面的方位；刀具安装位置的变化会改变参考平面的方位,由于上述原因，在动态的工作参考系中，刀具标注角度将发生变化。,研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。,研究切削过程中的刀具角度，必须以刀具与工件相对位置、相对运动为基础建立坐标系，该坐标系称为工作坐标系。,基于工作坐标系定义的刀具角度被称为工作角度。,刀具工作参考系的建立：,一、刀具工作坐标系,与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动e或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。,三种刀具工作参考系：,工作主剖面坐标系(Pre、Pse、Poe)工作法剖面坐标系(Pre、Pse、Pne)工作进给剖面坐标系(Pre、Pfe、Ppe),刀具工作参考系中各平面,三种刀具工作参考系中，应用最多的是工作主剖面系。,各参考平面定义如下：,工作基面Pre：通过切削刃选定点垂直于合成切削速度方向的平面；工作切削剖面Pse：通过切削刃选定点与切削刃相切，且垂直于工作基面的平面，该平面包含合成切削速度方向；工作主剖面Poe：通过切削刃选定点，同时垂直工作基面与工作切削平面的平面。,工作进给剖面Pfe：通过切削刃选定点，同时包含主运动方向与进给运动方向的平面；工作切深剖面Ppe：通过切削刃选定点，同时垂直于工作基面与工作进给剖面的平面；工作法剖面Pne：工作法剖面与标注法剖面是同一平面。,二、刀具工作角度,产生原因:实际切削加工中，切削平面、基面和正交平面位置会发生变化。,定义:以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。,刀具工作角度的定义与标注角度类似，它是前、后刀面与工作坐标系平面的夹角。,主剖面系中刀具角度对应的工作角度：,工作主偏角工作刃倾角工作前角工作后角,工作主偏角re：是工作基面Pre中测量的工作进给剖面Pfe和工作切削剖面Pse间夹角工作刃倾角se：是工作切削剖面Pse中测量的前刀面Ar和工作基面Pre间夹角,工作前角oe：是工作主剖面Poe中测量的前刀面Ar和工作基面Pre间夹角工作后角oe：是工作主剖面Poe中测量的后刀面A和工作切削剖面Pse间夹角,刀具工作角度与标注角度之间关系：,比较车刀标注角度与工作角度定义可知：,若车刀标注坐标系平面Pr、Pf与工作坐标系平面Pre、Pfe重合时，工作角度等于标注角度。,平面Pr、Pf与平面Pre、Pfe重合的必要条件：假定切削合成速度方向垂直于刀杆底面，进给运动方向垂直于刀杆对称线。,但实际切削过程中，由于刀具安装位置可能产生变动，切削进给运动也使合成切削速度方向发生变化，上述假定不可能实现，因此刀具工作角度不同于标注角度。,当进给速度较慢时，工作角度变化不多(不超过一度)；车削大螺距螺纹、凸轮、铲齿、加工直径很小的零件(切断或车端面近中心处)时，或刀具安装、偏斜较显著，刃倾角很大时，刀具工作角度的变化不可忽略。,设计刀具时，一般先考虑工作角度有合理数值，并按刀具安装、运动参数计算出刀具的标注角度。,三、车刀工作角度的影响分析,在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。,(一)刀具安装位置对工作角度的影响,1、当刀尖安装得高于或低于工件轴线时，刀具工作前角和工作后角将发生变化；2、当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时，刀具工作主偏角和工作副偏角将发生变化。,1、刀具安装高低的影响,无论是因车刀安装高低还是由于刀具刃倾角的影响，只要切削刃选定点A不在工件中心线高度上，则A点切削速度方向就不与刀杆底面垂直。,在工作切深剖面Ppe内，刀具工作前角pe增大，工作后角pe减小，两个角度的变化值均为pe，则有：,式中h刀尖高于中心线的值dw工件直径,换算到主剖面中，则有如下关系式：,式中h刀尖高于中心线的值dw工件直径,当刀尖低于工件轴线时，工作前角变小，工作后角变大。,上两式表明：,当刀尖高于工件轴线时，工作前角变大，工作后角减小。,2、刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响,当车刀刀杆轴线与进给方向不垂直时，将会引起工作主偏角Kre和工作副偏角Kre的变化。,当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。,反之，工作主偏角将减小，工作副偏角将增大。,(二)进给运动对工作角度的影响,横向进给运动的影响,纵向进给运动的影响,实际切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角，使车刀的工作前角增大，工作后角减小。在车端面、切断和车外圆进给量(或加工螺纹的导程)较大时，则应考虑螺旋升角