机械制造中的加工方法及装备

第四章机械制造中的加工方法及装备机械零件的表面是由若干个不同类型的表面（外圆表面、内圆表面、平面等）构成的，零件的加工过程实际上就是获得这些表面的过程。在机械制造中获得这些表面得到方法很多，按工件在加工过程中质量的变化，可将加工方法分为：材料去除加工，材料成型加工，材料累积加工三种形式。1.材料去除加工材料去除加工是通过在被加工对象上去除一部分材料后，才制成一合格零件的。与其他方法相比，材料利用率较低。但加工精度较高，表面质量相对较好，并且有很强的加工适应性。按材料去除方式的不同，分为切削加工和特种加工两种方法。2.材料成型加工材料成型加工是一种在较高温度或压力下，使材料在模具中成型的方法，如铸造、锻造、挤压、粉末冶金等。主要特点是生产效率较高，但精度较低，一般用在毛坯件制造中，也可应用在形状复杂但精度和表面粗糙度较低的零件中。精密铸造、精密锻造、挤压及粉末冶金等材料成形加工则可用来直接制造精度要求较高（IT7）的零件。3.材料累积加工材料累积加工是利用微体积材料逐渐叠加的方式使零件成形的。这类加工方法中包括电镀、化学镀等原子沉积加工，热喷涂、静电喷涂等微粒沉积加工以及快速原型制造等。快速原型制造是将零件三维实体模型数据经计算机处理，让成型材料在计算机控制下逐层累积成型。这种方法的特点是可以快速成型任意复杂的零件，不需任何刀具、模具。快速原型制造日前除用于快速制造零件的三维实体模型外，还可用于模具和少量零件的快速制造。§4.1外圆表面加工一、外圆表面的车削加工

(一)加工方法

1.粗车

车削加工是外圆粗加工最经济有效的方法。

主要任务:是迅速地从毛坯上切除多余的金属，提高生产率是其主要任务。

切削用量：尽可能大的背吃刀量和进给量；而为了保证必要的刀具寿命，切削速度则通常较低。

刀具选用：较大的主偏角；较小的前角、后角和负值的刃倾角。粗车所能达到的加工精度为IT12--ITll，表面粗糙度Ra为50—12.5um。2.精车

主要任务：保证零件所要求的加工精度和表面质量。

切削用量：较小的背吃刀量与进给量，较高的切削速度(v≥100m/min)。在加工大型轴类零件外圆时，则常采用宽刃车刀低速精车(v＝2—12m/min)。

车刀选用：较大的前角、后角，正值的刃倾角。精车可作为较高精度外圆的最终加工或作为精细加工的预加工。精车的加工精度可达IT8--IT6，表面粗糙度可达1.6--0.8um。

3.精细车特点：肯吃刀量和进给量取值极小，切削速度高达150—2000m/min。一般采用CBN、金刚石等超硬材料刀具进行加工，所用机床也必须是主轴能作高速回转、并具有很高刚度的高精度或精密机床。加工精度及表面粗糙度与普通外圆磨削大体相当，加工精度可达IT6以上，表面粗糙度可达0.4—0.05um，多用于磨削加工性不好的有色金属工件的精密加工，对于容易堵塞砂轮气孔的铝及铝合金等工件，精细车更为有效。在加工大型精密外圆表面时，精细车可以代替磨削加工。

(二)提高外圆表面车削生产效率的途径

1)采用高速切削

提高加工效率，减小加工表面的粗糙度(1.25—0.63um)。切削速度的提高除要求车床具有高转速外，主要受刀具材料的限制。

硬质合金车刀的切削速度可达200—250m/min；陶瓷车刀可达500m/min；人造金刚石和立方氮化硼车刀切削普通钢时的切削速度可达1200m/min。

2)采用强力切削

强力切削是通过增大切削面积来提高生产效率的。特点：在刀尖处磨出一段副偏角＝0、长度取为1.2—1.5f的修光刃，在进给量提高几倍甚至十几倍的条件下进行切削时，加工表面粗糙度仍能达到5—2.5um。强力切削比高速切削的生产效率更高，适用于刚度比较好的轴类零件的粗加工。采用强力切削时，车床加工系统必须具有足够的刚性及功率。3)采用多刀加工方法

多刀加工是通过减少刀架行程长度提高生产效率的。(三)车刀的种类和用途

1.种类（用途）：外圆车刀、端面车刀、内孔车刀、切断刀、切槽刀等。外圆车刀又可分为粗车刀、精车刀和宽刃光刀。外圆车刀按进给方向又分为左偏刀和右偏刀。外圆车刀用于加工外圆柱面和外圆锥面，它分为直头和弯头两种。弯头车刀通用性较好，可以车削外圆、端面和倒棱。精车刀刀尖圆弧半径较大，可获得较小的残留面积，以减小表面粗糙度，宽刃光刀用于低速精车。。2.种类（结构）：整体车刀、焊接车刀和机械夹固式车刀。

1）整体车刀主要是整体高速钢车刀，截面为正方形或矩形，使用时可根据不同用途进行刃磨；整体车刀耗用刀具材料较多，一般只用作切槽、切断刀使用。

2）焊接车刀是将硬质合金刀片用焊接的方法固定在普通碳钢刀体上。

优点：结构简单、紧凑、刚性好、使用灵活、制造方便；

缺点：由于焊接产生的应力会降低硬质合金刀片的使用性能，有的甚至会产生裂纹。3）机械夹固车刀简称机夹车刀，根据使用情况不同又分为机夹重磨车刀和机夹可转位车刀。可转位车刀的刀片夹固机构应满足夹紧可靠、装卸方便、定位精确等要求。二、外圆表面的磨削加工

(一)加工方法

1.工件有中心支承的外圆磨削

(1)纵向进给磨削

运动：砂轮旋转是主运动，工件除了旋转(圆周进给运动)外，还和工作台一起纵向往复运动(纵向进给运动fa)，工件每住复一次(或每单行程)，砂轮向工件作横向进给运动fr，磨削余量在多次往复行程中磨去。在磨削的最后阶段，要作几次无横向进给的光磨行程，以消除由于径向磨削力的作用在机床加工系统中产生的弹性变形，直到磨削火花消失为止。

特点：纵向进给磨削外圆时，因磨削深度小、磨削力小、散热条件好，磨削精度较高，表面粗糙度较小；但由于工作行程次数多，生产率较低；它适于在单件小批生产中磨削较长的外圆表面。

(2)横向进给磨削(切入磨削)

砂轮旋转是主运动，工件作圆周进给运动，砂轮相对工件作连续或断续的横向进给运动fr。

特点：横向进给磨削的生产效率高，但加工精度低表面粗糙度较大；磨削时工件与砂轮接触面积大，磨削力大、发热量多、磨削温度高、工件易发生变形和烧伤；适于在大批大量生产中加工刚性较好的工件外圆表面。

2.工件无中心支承的外圆磨削(无心磨削)

磨削时工件放在砂轮与导轮之间的托板上，不用中心孔支承．故称为无心磨削。特点：磨削时砂轮和工件的轴线总是水平放置的，而导轮的轴线通常要在垂直平面内倾斜一个角度(α＝1º--6º)，以是使工件获得一定的轴向进给速度Vf；无心磨削的生产效率高，容易实现工艺过程的自动化；但不能磨削带长键槽和平面的圆柱表面，也不能用于磨削同轴度要求较高的阶梯轴外圆表面。(二)外圆磨削加工的工艺特点及应用范围

(1)磨粒硬度高，它能加工一般金属切削刀具所不能加上的工件表面，如带有不匀铸、锻硬皮的工件表面，淬硬表面等。

(2)功耗高由于大负前角磨粒在切除金属过程中消耗的摩擦功大，再加上磨屑细薄，切除单位体积金属所消耗的能量，磨削要比车削大得多。

(3)磨削加工能切除极薄极细的切屑，修正误差的能力强，加工精度高(IT6-IT5)工表面粗糙度小(Ra可小至0.1mm)：

1)磨粒的刃口钝圆半径小。

2)由于磨粒切除金属材料系大负前角切削，再加上磨削速度高，故磨削区的瞬时温度极高，有时甚至高达能使表面金属熔化的程度；

3)磨垃在砂轮上随机分布，同时参加磨削的磨粒数相当多，磨痕轨迹纵横交错，容易磨出表面粗糙度小的光洁表面。结论：磨削加工更适用于做精加工工作，也可用砂轮磨削带有不均匀铸、锻硬皮的工件；但它不适宜加工塑性较大的有色金属材料(例如铜、铝从其合金)。磨削加工既广泛用于单件小批生产，也广泛用于大批大量生产。

三、外圆表面的精整、光整加工精整、光整加工是精加工后，从工件表面上不切除或切除极薄金属层，用以提高加工表面的尺寸和形状精度、减小表面粗糙度或用以强化表面的加工方法。工艺范围：加工精度(IT6以上)、表面粗糙度要求很小(为0.2以下)的外圆表面。主要任务：减小表面粗糙度。加工方法：研磨，超精加工以及滚压、抛光等。

1.研磨研磨是在研具与工件之间加入研磨剂，对工件表面进行精整、光整加工的方法。1）工件和研具之间的相对运动较复杂。具有较强的对误差与缺陷的修正能力，能提高加工表面的尺寸精度、形状精度和减小表面租糙度。

2）研具材料比工件材料软，部分磨粒能嵌人研具的表层，对工件表面进行微量切削。

3）研磨剂由磨料、研磨液和表面活性物质等混合而成。磨料主要起切削作用，应具有较高的硬度，常用磨料有刚玉、碳化硅、碳化硼等。研磨液有煤油、汽油、机油、工业甘油等，主要起冷却润滑作用。表面活性物质附着在工件表面，使其生成一层相当薄的易于切除的软化膜，易于切除；常用的表面活性物质有油酸、硬脂酸等。

4）研磨分手工研磨和机械研磨两种。

研磨前加工面要进行良好的精加工，研磨余量在直径上一般为0.1-0.03mm。研磨速度粗研时40-50m/min，精研时为10-15m/min。研磨的工艺特点是设备和研具简单、成本低、容易保证质量。

研磨外圆可获得很高的尺寸精度(IT6-IT4)和极小的表面粗杨度(Ra＝0.1—0.008um)及较高的形状精度(圆度误差为0.003-0.00lmm)：

但研磨不能提高位置精度，生产效率较低。研磨可加工钢、铸铁、硬质合金、光学玻璃、陶瓷等多种材料。

2.超精加工超精加工是用细粒度的磨条或砂带进行微量磨削的一种精整、光整