机械制造技术基础 3

机械制造技术基础,张松山东大学机械工程学院2012年3月,绪论,绪论,生产：将生产要素转变为产品财富，并创造效益的输入输出系统。,生产系统输入生产要素生产对象：完成生产活动所需原材料主体材料和辅助材料。生产资料：各种装备和硬件资源。能源：各种动力源。劳动力：生产者所付出的脑力劳动和体力劳动。生产信息：知识、技能、情报、资料等。,绪论,生产系统输出产品财富有形财富：产品。无形财富：服务。2.生产过程：从原材料投入到成品产出的过程。加工原材料购买装配产品设计、开发售后服务组织管理,绪论,产品生产过程围绕着某种完整产品而开展的生产过程。包括：工艺过程、检验过程、运输过程、等待停歇过程、组织管理过程、自然过程。从功能、需求方面，分为：技术准备过程：产品设计、工艺设计、工装设计与制造、标准化工作、定额工作、调整劳动组织和设备的平面布局、原材料与协作件的准备等。基本生产过程：毛坯制造、工件粗精加工、热处理、表面处理、装配、检验。辅助生产过程：动力工具准备、设备维修等。生产服务过程：物流。,绪论,工厂生产过程在工厂企业范围内全部生产活动协调配合的运行过程。分为三种形式：连续性生产：石油、化工、冶金等，无在制品存在，设备24h不间断运行。离散型生产：机械、电子、轻工等，工序间有在制品存在。混合型生产：食品、造纸等，兼有上述两类生产类型的特点。,制造：人类按照市场需求，运用主动掌握的知识和技能，借助于手工或可以利用的客观物质工具，采用有效的工艺方法和必要的能源，将原材料转化为最终物质产品并投放市场的全过程。狭义制造：生产车间内与物流有关的加工和装配过程。广义制造：包含市场分析、产品设计、工艺设计、生产准备、加工装配、质量保证、生产过程管理、市场营销、售前售后服务，以及报废后的回收处理等整个生命期内一系列相互联系的生产活动。,绪论,汽车制造流程,绪论,制造业：将制造资源（物料、能源、设备、工具、技术、信息和人力等），通过制造过程，转化为可供人们使用的工业品与消费品的行业。是国民经济和综合国力的支柱。制造业涉及部门：金属制品、一般机械、运输机械、电器设备、电子设备、仪器仪表、食品工业、纺织、服装、家具、文教用品、油加工、化工、建材、黑色冶金、有色冶金、其他制造等。,（一）性质：机械设计制造及自动化专业重要的专业技术课（二）主要内容：（l）金属切削理论基础（2）金属切削加工装备（3）机械制造工艺理论基础,本课程的内容、性质和任务,主要内容金属切削原理金属切削刀具金属切削机床概论金属切削机床设计机械制造工艺学夹具设计,(1)金属切削理论基础介绍切屑的形成过程、切削力、切削热和切削温度及其影响因素、刀具磨损与破损规律、磨削机理与磨削规律等。,(2)机械加工工艺设备介绍机床的工艺特点和运动分析，切削刀具的功能特点。研究金属切削加工装备(包括机床、夹具、刀具)构成、工作原理及使用条件。,(3)机械制造工艺理论基础机械加工精度及加工表面质量分析、机械加工工艺过程、装配工艺过程、工件的定位与装夹原理、夹具的基本知识、零件结构工艺性等。,（三）任务要求：掌握金属切削过程中诸现象（如切屑形成机理、切削力、切削温度、刀具磨损）的变化规律。了解常用的几种刀具结构、工作原理，并能结合生产实际，选择和使用刀具。熟悉金属切削机床的结构、工作原理，初步掌握分析机床运动和传动系统的方法及正确选用机床。,掌握机械制造工艺基本理论，能够编制零件加工工艺规程，设计机床夹具，分析、解决生产中质量、生产效率及经济性问题。结合实际，初步能够解决生产中的问题。,（四）本课程的特点本课程的理论和工艺知识具有很强的实践性。学习本课程，除了参考大量书籍之外，必须重视实践环节。加强感性知识与理性知识的结合，是学习本课程的最好方法。,（五）本课程在学习方法上应注意以下几点,综合性注意联系和综合应用以往所学知识。实践性注意理论联系生产实际，重视实践性环节。灵活性掌握基本原理，活学活用。,课堂要求：作业要求：考试说明：,金属切削过程涉及的理论摩擦、磨损理论弹塑性力学热学机械动力学材料学表面工程,第一章金属切削基础,第一章金属切削基础,目的要求：掌握切削基本运动、切削表面和切削用量三要素；掌握刀具几何参数、刀具切削角度的参考平面、刀具标注角度的参考系及刀具的标注角度；明确基本概念，能看懂刀具图，会绘制刀具图；,掌握刀具的工作角度；牢固掌握切削层与切削方式的概念；掌握刀具材料必备的性能、常用刀具材料的种类及性能；合理选用刀具材料。,有关切削加工的一组数字,在工业发达国家中，国民经济所创造的物质财富中，制造业占2/3。国民经济各部门都有相当的机械制造力量。在各种机械加工方法中，切削加工所占比重最大，目前零件的最终形成仍以切削加工为主。,有关切削加工的一组数字,机械制造中所用工作母机有80%-90%仍为金属切削机床。日本每年消费在切削加工方面的费用超过l0000亿日元，美国每年费用超过1000亿美元；全世界刀具年产值超过100亿美元。,有关切削加工的一组数字,全世界年钢产量约15亿吨，其中约有1亿吨被刀具切成切屑。我国金属切削机床拥有量达几百万台，从事切削加工的人员高达到几千万人，每年切削加工费达几百亿元。切削加工研究人员高达到几十万。,有关刀具材料的一组“名言”,工欲善其事，必先利其器好钢用在刀刃上刀具材料的每一次进步几乎都给机械加工业带来一次革命再先进的机床没有刀具尤如一堆废铁,有关刀具材料的一组“名言”,机床、刀具、夹具和工件组成的切削加工系统中，刀具是最活跃的因素机床与刀具材料交替进展，成为切削技术不断向前发展的历史规律。金属切削的发展史，从某种意义上说，可归结为刀具材料的发展史。,金属切削过程实质在刀具与工件相互作用的过程中，将工件上多余金属切除，并在满足高效率、低成本的前提下，使工件达到图纸所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量。,金属切削过程的完成条件切削加工工艺系统：机床、刀具、工件、夹具；刀具与工件之间必须有相对运动；刀具必须具有合理的几何参数；刀具应具备一定的切削性能。,传统切削加工理论研究内容,四大基本规律切屑形成(Chipformation)切削力(Cuttingforce)切削温度(Cuttingtemperature)刀具磨损和破损(Toolwearandfracture),其它研究内容,刀具材料的种类、性能、几何参数、合理选用切削液的种类、性能、选用难加工材料的切削加工工件材料的切削加工性、加工表面质量的评定切削用量的选择和优化磨削加工,目前研究热点,高速、超高速切削精密及超精密加工、微细加工和纳米级加工自动化加工中刀具可靠性研究切削过程在线检测、监控和预报新型刀具材料的设计与开发,目前研究热点,新型高难加工材料（钛合金、镍基合金、陶瓷、高强度钢）的切削加工其它新型加工方法，如：基于环保意识的绿色干切削、硬切削、低温切削、加热切削、振动切削等复杂曲面加工，复杂刀具CAD/CAM,美国、日本、德国、澳大利亚、英国等美国:Merchant、LeeandShaffer、Shaw日本：臼井英治、小野浩二、中山一雄澳大利亚：Oxley,国外研究现状,国内研究现状,山东大学(新型陶瓷刀具材料、刀具磨损破损、切削可靠性等、高速切削)，代表性人物：艾兴院士哈尔滨工业大学(精密、超精密加工、纳米级加工、特种加工等)，代表性人物：袁哲俊教授大连理工大学(切削理论、剪切角理论、石材加工等)，代表性人物：刘培德教授,北京理工大学(硬质合金刀具、难加工材料加工等)，代表性人物：于启勋教授天津大学(陶瓷精密磨削等)，代表性人物：于思远教授东北大学(磨削加工)，代表性人物：郑焕文教授,华南理工大学(加工表面质量、积屑瘤、加工表面残余应力)，代表性人物：周泽华教授华中科技大学（陈日曜教授）、南京航空航天大学(张幼帧教授）、北京航空航天大学（陈鼎昌教授）、清华大学、成都工具研究所等,1.待加工表面2.已加工表面3.过渡表面,(一)、切削时的工作表面,第一节切削运动与切削用量,1.待加工表面工件上多余金属即将被切除的表面。随着切削的进行逐渐减小，直至多余金属被切完。,2.已加工表面工件上多余金属被切除后形成的新表面。3.过渡表面工件上多余金属被切除过程中，待加工表面与已加工表面之间的相连接表面，或刀刃正在切削着的表面。,平面刨削的切削运动及工件上三表面,（二）切削运动用刀具切除工件上多余的金属时，刀具和工件之间必须有一定的相对运动，称为切削运动。1.主运动使刀具与工件产生相对运动，以切除工件上多余金属的基本运动。主运动速度最高，消耗功率最大。如车削中工件的旋转运动、钻削中钻头的旋转运动、刨削中的刀具直线往复运动等。,第一节切削运动与切削用量,1.主运动注意：(1)主运动可为刀具，也可为工件；(2)主运动可是直线运动，也可是旋转运动；(3)切削加工中，主运动只有一个。,2.进给运动与主运动配合使切除多余金属连续进行，形成已加工表面的运动。如车削中车刀的纵向或径向运动、钻削中钻头的直线运动、刨削中工件的间歇直线运动。,2.进给运动注意：（1）进给运动可以是一个或几个；（2）进给运动可以是直线运动、旋转运动或两者的组合；（3）进给运动可由刀具或工件完成。,主运动和进给运动a）车削b）铣削c）刨削d）钻削e）磨削主运动进给运动待加工表面加工表面已加工表面,3.合成运动合成运动主运动与进给运动的合成。车削主运动：工件的旋转运动进给运动：刀具钻削主运动：刀具(钻头)进给运动：刀具(钻头)铣削主运动：刀具进给运动：工件,(三)、切削用量三要素切削速度进给量背吃刀量,第一节切削运动与切削用量,1.切削速度v刀刃选定点相对于工件的主运动线速度，通常是指工件最大直径的线速度：式中：dw工件待加工表面最大直径(mm)；nw工件主运动转速(r/s或r/min)。主运动为往复直线运动，则以平均速度为切削速度：式中：L往复行程长度(mm);nt主运动每秒或每分往返次数。,2.进给量f主运动每一转，刀具沿进给方向的位移量f(mm/r)。单位时间内的相对位移量叫进给速度vf(mm/s或mm/min)，vf=fn。对于多齿刀具，每齿进给量fz=f/Z(mm/z或毫米/齿)。Z刀具齿数。显然：vf=fn=fzZn(mm/s或mm/min)。,3.背吃刀量ap对外圆车削而言，它是待加工表面与已加工表面间的垂直距离。即式中：dw待加工表面直径；dm已加工表面直径。,第二节金属切削刀具的几何参数,刀具种类繁多、形状各异，但其切削部分具有相同的特征，以普通外圆车刀为例来分析其几何参数。,各种刀具切削部分的形状,（一）刀具切削部分的结构要素三个刀面二个刀刃一个刀尖,第二节金属切削刀具的几何参数,外圆车刀的切削部分,前刀面（A）：切屑沿其流出的刀面主后刀面（A）：与工件过渡表面相对着的刀面副后刀面（A）：与工件上已加工表面相对着的刀面,主切削刃S：前刀面与主后刀面相交部位，承担主要的切削作用。副切削刃S：前刀面与副后刀面相交部位，协助主刀刃切除多余金属形成已加工表面。,刀尖：主刀刃与副刀刃相交部位。,（二）刀具切削角度的参考平面刀具要从工件上切除金属，就必须具有一定的几何形状及切削角度。这些角度决定了刀具各切削部分要素（刀面、刀刃、刀尖）的空间位置，它们是在相应的参考平面下测量的。,刀具角度：标注角度工作角度,刀具标注角度在刀具标注参考系中，确定切削刃与刀面的方位角。刀具工作图上标出的角度，是制造、刀磨和检查刀具所需要的角度。即能够表示刀具切削部分几何形体的必要角度，用于制造、刃磨或检测刀具的几何形体。注意：刀具标注角度的参考平面，是不考虑进给运动而定义的。,刀具的工作角度刀具标注角度未考虑进给运动和实际装刀状态。刀具的工作角度刀具在工作状态下的角度，即在考虑进给运动和实际装刀状态条件下所定义的刀具几何角度。,刀具标注角度参考系正交平面参考系(Pr、Ps、Po)法平面参考系(Pr、Ps、Pn)背平面和假定工作平面参考系(Pp、Pf、Pr),1.基面Pr：是通过主切削刃S上选定点，垂直于主运动方向的平面。,正交平面参考系,2切削平面Ps：通过主切削刃S上选定点，与主切削刃S相切并垂直于Pr的平面。副切削平面Ps:,3正交平面Po：通过刀刃上选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。显然，Po、Ps与Pr垂直。,正交平面参考系,外圆车刀正交平面参考系,宽刃刨刀正交平面参考系,1.基面Pr：通过切削刃S上选定点，垂直于主运动方向的平面。2.切削平面Ps：通过切削刃S上选定点，与切削刃S相切并垂直于Pr的平面。3.法平面Pn：通过切削刃S上选定点，垂直于切削刃S的平面。,法平面参考系,法平面参考系,正交平面参考系,法平面,基面Pr:通过切削刃S上选定点，垂直于主运动方向的平面。2假定工作平面Pf:通过切削刃S上选定点，平行于进给方向并垂直于Pr的平面。3背平面Pp:通过切削刃S上选定点，同时垂直于基面和假定工作平面的平面。,背平面和假定工作平面参考系,背平面及假定工作平面参考系,正交平面参考系,假定工作平面,背平面,（三）刀具标注角度参考系,（四）刀具的标注角度,1在正交平面参考系中刀具的标注角度(l)在基面内能够标注的角度主偏角Kr主切削刃在基面上的投影与进给方向之间的夹角；副偏角Kr副切削刃在基面上的投影与进给方向之间的夹角；刀尖角r主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角；显然，r=180-(Kr+Kr)，是派生角度，通常不标注。,(2)在正交平面内能够标注的角度前角o(gamma)：前刀面与基面之间夹角。主后角o(alpha)：主后刀面与切削平面之间夹角。刀楔角o(beta)前刀面与主后刀面之间夹角。显然，o=90-(o+o)注意：前角o有正、负之分。前刀面在基面下面，前角为正，反之为负。,(2)在正交剖面内能够标注的角度,副后角o在副刀刃选定点的副正交剖面Po内，副后刀面与副切削平面Ps之间的夹角。,(3)在切削平面内能够标注的角度刃倾角s(lambda)主刀刃与基面之间的夹角。s有正、负之分，刀尖是刀刃最高点时，s为正，反之为负。,基面,切削刃,S,外圆车刀正交平面参考系的标注角度,a）前、后角b）刃倾角车刀前、后角和刃倾角正、负的规定,切削平面,基面,刀具的标注角度,由上述可知：刀具标注角度在正交平面参考系只需六个独立角度即可确定刀具切削部分的几何体，它们是：Kr、Kr、o、o、s和o其他参考系的刀具角度的标注，按正交参考系标注原理进行标注。,2在法平面参考系中刀具的标注角度在法平面参考系中，在基面Pr、切削平面Ps内标注的角度Kr、Kr、r、r和s是一样的，只需将正交剖面Po内的o、o和o换为法平面Pn内的n、n和n即可。,2在法平面参考系中刀具的标注角度法前角n：在主刀刃上选定点的法平面Pn内，前刀面与基面之间的夹角。法后角n：在主刀刃上选定点的法平面Pn内，主后刀面与切削平面之间的夹角。法楔角n：在主刀刃上选定点的法平面Pn内，前刀面与主后刀面之间的夹角。,外圆车刀法平面参考系的标注角度,3在假定工作平面参考系中刀具的标注角度侧前角f：在主刀刃上选定点的假定工作平面Pf内前刀面与基面之间的夹角侧后角f：在主刀刃上选定点的假定工作平面Pf内主后刀面与切削平面之间的夹角。侧楔角f：在主刀刃上选定点的假定工作平面Pf内前刀面与主后刀面之间的夹角。,3在假定工作平面参考系中刀具的标注角度背前角p：在主刀刃上选定点的背平面Pp内，前刀面与基面之间的夹角。背后角p：在主刀刃上选定点的背平面Pp内，主后刀面与切削平面之间的夹角背楔角p：在主刀刃上选定点的背平面Pp内，前刀面与主后刀面之间的夹角。,外圆车刀在假定工作平面参考系的标注角度,刀具标注参考系与角度,正交平面参考系主要角度有8个在基面Pr内标注的角度有：Kr，Kr，r，r在切削平面Ps内标注的角度有：s在正交平面Po内标注的角度有：o，o，o确定主切削刃有四个基本角度：Kr，s，o，o,法平面参考系主要角度有8个在基面Pr内标注的角度有：Kr，Kr，r，r在切削平面内标注的角度有：s在法平面内标注的角度有：n，n，n确定主切削刃有四个基本角度：Kr，s，n，n,背平面和假定工作平面参考系主要角度有：在基面Pr内标注的角度有：Kr，Kr，r，r在假定工作平面内标注的角度有：f，f，f在背平面内标注的角度有：p，p，p,车刀标注角度,刨刀标注角度,(五)刀具的工作角度前述刀具标注角度未考虑进给运动和实际装刀状态。刀具的工作角度：刀具在工作状态下的角度，即考虑进给运动和实际装刀状态定义的刀具几何角度。,1进给运动对刀具工作角度的影响进给运动合成切削运动的变化工作角度参考平面的变化刀具工作角度的变化2刀具安装状态对工作角度的影响,1.工作基面Pre通过切削刃上选定点，垂直于合成切削速度方向的平面2.工作切削平面Pse通过刀刃上选定点，与切削刃相切并垂直于工作基面Pre的平面。3.工作正交平面Poe通过刀刃上选定点，同时垂直于Pre和Pse的平面。,刀具工作参考系,(1)横向进给运动对工作角度的影响,oe=o+；oe=o-tg=f/d直径d越小，角度越大，oe逐渐减小，oe逐渐增大。f越大，角度越大，oe逐渐减小，oe逐渐增大。,(2)纵向进给运动对工作角度的影响,在假定工作平面内的角度fe=f+f；fe=f-ftgf=f/dd:工件直径或螺纹外径f:纵向进给量或螺纹导程,假定工作平面Pf:通过刀刃上选定点，平行于进给方向并垂直于Pr的平面。,在正交平面内的角度oe=o+o；oe=o-otgo=tgfsinKr=f/dwsinKr显然：f或o与f及dw有关f越大或dw越小f与o增大。由于外圆车削f很小，f或0很小可忽略不计；对于车螺纹（特别是车多头螺纹或蜗杆），f较大f或o不可忽略。,2刀具安装状态对工作角度的影响(1)刀尖高于工件中心对工作角度的影响刀具安装时刀尖高于工件中