机械制造技术基础第10讲

第一节概述一、机械制造中的加工方法二、零件表面形成原理及机床基本知识（一）零件表面的形成方法及所需运动1．零件表面的形状2．零件表面的形成方法及所需的成形运动表面发生线的形成方法可归纳为以下四种：图3-2形成表面发生线的四种方法（1）轨迹法（图3-2a）刀具切削点1按一定的规律作轨迹运动3，形成所需的发生线2，此时刀具需要有一个独立的成形运动。（2）成形法（图3-2b）刀具刀刃就是切削线1，它的形状及尺寸与需要成形的发生线2一致，此时刀具不需要专门的成形运动。3-2形成表面发生线的四种方法（3）相切法（图3-2c）刀具刀刃为旋转切削刀具（铣刀、砂轮）上的切削点1。加工时，刀具中心按一定规律作轨迹运动3，切削点运动轨迹与工件相切就形3-2形成表面发生线的四种方法成了发生线2，此时刀具需要有两个独立的成形运动。（4）展成法（图3-2d）刀具刀刃为切削线1。在形成发生线的过程中，切削线1与发生线2逐点相切作纯滚动运动，发生线2是切削线1的包络线，此时刀具和工件需要有一个独立的复合成形运动3（展成运动）。图3-2形成表面发生线的四种方法在切削加工中，为了获得所需的工件表面形状，必须使刀具和工件按上述四种方法之一完成各自的运动。用来形成被加工表面形状的运动称为表面成形运动（简称成形运动），成形运动由机床的主运动和进给运动组成。除了上述表面成形运动之外，为完成工件加工，机床还必须具备与形成发生线不直接有关的一些辅助运动，以实现加工中的各种辅助动作。第二节外圆表面加工一、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，提高生产率是其主要任务。粗车通常采用大的ap和f来提高生产率，而vc则通常较低。粗车时，车刀应选取较大的主偏角，较小的前角、后角和负值的刃倾角。2.精车精车的主要任务是保证零件所要求的加工精度和表面质量要求。精车外圆表面一般采用较小的的ap和f和较高的vc进行加工。在加工大型轴类零件外圆时，则常采用宽刃车刀低速精车。精车时，车刀应选用较大的前角、后角和正值的刃倾角，以提高加工表面质量。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。3.细车细车的特点是采用极小的ap和f，但vc很高。细车一般采用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。细车的加工精度及表面粗糙度与普通外圆磨削大体相当，多用于磨削加工性不好的有色金属工件的精密加工。在加工大型精密外圆表面时，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）采用高速切削高速切削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，而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600~1200m/min。高速切削不但可以提高生产率，而且可以降低加工表面的粗糙度。（2）采用强力切削强力切削是通过增大切削面积f×ap来提高生产效率的。可在车刀刀尖处磨出一段(1.2~1.5)f长度的修光刃，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Ra仍能达到5~2.5µm。强力切削比高速切削的生产率更高，适用于刚度比较好的轴类零件的粗加工，同时，车床加工系统必须具有足够的刚性及功率。（3）采用多刀加工多刀加工是通过减少刀架行程长度提高生产效率的。如图3-3所示。图3-3多刀加工阶梯分段切削法等分最长阶梯分段切削法等分余量切削法（三）车刀的种类和用途车刀按用途分为外圆车刀、端面车刀、内孔车刀、切断刀、切槽刀等多种形式。图3-4常用车刀的种类及其用途切断刀左偏刀右偏刀弯头车刀直头车刀成形车刀宽刃精车刀外螺纹车刀端面车刀内螺纹车刀内槽车刀通孔车刀盲孔车刀车刀在结构上可分为整体车刀、焊接车刀和机械夹固式车刀（简称机夹车刀）。图2-3外圆车刀的切削部分整体车刀焊接车刀机夹车刀，根据使用情况不同又分为机夹重磨车刀（图3-5a）和机夹可转位车刀（图3-5b）。图3-5机械夹固车刀机夹可转位车刀机夹重磨车刀机夹重磨车刀常见硬质合金可转位车刀的刀片（图3-6）。图3-6硬质合金可转位刀片三角形偏8º三角形凸三角形正方形五角形圆形夹固机构应夹紧可靠、装卸方便、定位精确。压孔式夹固机构上压式夹固机构杠杆式夹固机构综合式夹固机构二、外圆表面的车拉加工（一）加工方法车拉加工方法是将传统的车削与拉削两种机械加工方法结合在一起而形成的组合加工方法。车拉用于外圆表面加工时，加工精度较高，可省去精车和粗磨工序。在车拉加工中，工件以较高速度旋转，刀具也作慢速旋转“拉削”运动。根据其刀齿切入进给方式不同，车拉刀有螺旋形车拉刀和圆柱形车拉刀两种结构。螺旋形车拉刀圆柱形车拉刀图3-19车拉加工原理附图曲轴轴颈车—车拉加工示意图（二）工艺特点与应用范围车拉加工过程中，每一时刻只有一个刀齿与工件接触，故切削力较小，工件变形小，加工精度较高，表面粗糙度数值较小。车拉加工的刀具寿命长，生产率高，具有很好的柔性。但车拉加工的刀具较复杂，制造困难，对毛坯制造精度要求较高。车拉加工适于在大批大量生产中加工结构复杂、精度要求较高的零件。三、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（纵磨法）图3-20纵向进给磨削外圆（2）横向进给磨削（切入磨法或横磨法）图3-21横向进给磨削外圆下图所示的磨削方法适于在大批大量生产中磨削轴颈对相邻轴肩有垂直度要求的轴、套类工件。图3-22同时磨削外圆和端面2.工件无中心支承的外圆磨削（无心磨削）图3-23无心外圆磨削磨削时，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。无心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，使工件获得一定的轴向进给速度。为保证导轮与工件接触线呈直线形状，需将导轮的形状修正成回转双曲面形。图3-23无心外圆磨削α=1º~6º无心磨床上磨削出来的工件尺寸精度和几何形状精度比较高，表面粗糙度数值较小。无心磨削的生产效率高，容易实现工艺过程的自动化；但所能加工的零件具有一定的局限性，不适宜磨削带长键槽和平面的圆柱表面，以及同轴度要求较高的阶梯轴外圆柱表面。3．快速点磨用快速点磨法磨削外圆时，砂轮轴线与工件轴线之间有一个微小倾斜角α（±0.5°），砂轮与工件以点接触进行磨削，砂轮对工件的磨削加工类似于一个微小的刀尖对工件进行加工。图3-24为快速点磨法与传统磨削方法的比较。为控制磨削精度，砂轮与工件的接触点必须与工件轴线等高。图3-24快速点磨法与传统磨削方法的比较快速点磨法采用CBN（立方氮化硼）或金刚石砂轮进行高速磨削，其磨削速度可达100~160m/s。快速点磨法与传统的磨削方法相比较，砂轮与工件接触面积小，磨削速度高，磨削过程中的磨削力小，发热量少，磨削质量好，生产效率高，砂轮寿命长。（二）外圆磨削的尺寸控制磨削的主要特点之一是砂轮具有自锐作用。磨粒的自锐作用可以使磨粒始终保持锋利状态，但它会使砂轮的径向磨损速度加剧，使磨削外圆一般不能用预先确定砂轮径向进给量的方法来保证工件的直径尺寸。为保证外圆磨削的尺寸精度，需要根据工件在磨削过程中的实际尺寸变化来控制砂轮的径向进给量。在大批大量磨削过程中通常采用在对工件进行主动测量的方法来控制工件的尺寸（如图3-25）。图3-25外圆磨削尺寸的自动控制（三）外圆磨削加工的工艺特点及应用范围1）能加工一般金属刀具所不能加工的表面。2）修整误差的能力强，加工精度高，加工表面粗糙度小。3）磨削区的瞬时温度极高。4）切除单位体积金属所消耗的能量，磨削要比车削大得多。综上分析可知，磨削加工适用于精加工，但它不适宜加工塑性较大的有色金属材料（例如铜、铝及其合金）。近年来出现了高效磨削工艺（如高速磨削、宽砂轮磨削、多砂轮磨削、深切缓进给磨削和砂带磨削等）及一些高精度磨削和高光洁表面磨削的先进制造技术。四、外圆表面的光整加工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、降低表面粗糙度的加工方法。对于加工精度要求很高（IT6以上）、表面粗糙度值要求很小（Ra为0.2µm以下）的外圆表面，需经光整加工。光整加工的主要任务是降低表面粗糙度，有的方法还有提高尺寸精度和形状精度的作用，但一般都没有提高位置精度的作用。外圆表面的光整加工方法主要有研磨、超精加工、滚压、抛光等。1.研磨研磨是在研具与工件之间加入研磨剂，对工件表面进行光整加工的方法。研磨时，工件和研具之间的相对运动较复杂，对误差与缺陷具有较强的修正能力，能提高加工表面的尺寸精度、形状精度和减小表面粗糙度。研具材料比工件材料软，部分磨粒能嵌入研具的表层。为使研具磨损均匀和保持形状准确，研具材料的组织应细密，而且耐磨。最常用的研具材料是铸铁、铜和巴氏合金等。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。研磨液主要起冷却润滑作用。表面活性物质可附着在工件表面，使其生成一层相当薄易于切除的软化膜。研磨分粗研和精研，均属光整加工，研磨前加工面要进行良好的精加工。研磨分手工研磨和机械研磨两种。图3-26机械研磨外圆γ=6º~15º研磨外圆可获得很高的尺寸精度（IT6～IT4级）和极小的表面粗糙度（Ra0.1~0.008µm）及较高的形状精度（圆度误差为0.003~0.001mm）；但研磨不能提高位置精度，生产效率较低。研磨的工艺特点是设备和研具简单，成本低，