《机械制造技术》-任务三

3.1项目任务书下一页返回3.1项目任务书上一页下一页返回3.1项目任务书上一页返回3.2轴类零件加工的相关知识3.2.1轴类零件的功用和结构特轴类零件是机械制造中最常见的典型零件之一，是用于传递运动和动力的重要零件，其加工质量直接影响到机器的使用性能和运动精度。轴类零件的主要表面是外圆，有一定的回转精度要求。其结构要素通常由内外圆柱面、内外圆锥面、端面、台阶面、螺纹、键槽、花键等组成，长度大于直径。根据结构形状，轴可分为光轴、阶梯轴、花键轴、空心轴、半轴、十字轴、曲轴、凸轮轴和偏心轴等，如图３－１所示。下一页返回3.2轴类零件加工的相关知识轴类零件的加工工艺过程与结构形状、技术要求、材料、生产批量等因素有关，有较大的差异。大部分轴类零件的尺寸精度、表面粗糙度、形状精度和位置精度要求较高，主要的加工方法为车削和磨削，其工艺分析涉及的主要内容有：（１）切削加工工艺性（２）选择便于采购、切削性能好的原材料（３）结构工艺性（４）尽量减少或消除内应力上一页下一页返回3.2轴类零件加工的相关知识3.2.2轴类零件的技术要求轴类零件的技术要求一般根据其功用及工作条件制定，通常有以下几方面。①尺寸精度②形状精度③位置精度④表面质量上一页下一页返回3.2轴类零件加工的相关知识3.2.3轴类零件的材料、毛坯及热处理１.轴类零件材料及毛坯２.常用热处理的类型、方法及应用金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理等类型。上一页返回3.3车削加工方法及装备3.3.1车床１.车削特点车削加工是最常用的成形方法，其加工特点是易于保证工件各加工面的位置精度，切削过程比较平稳，加工精度IT8~IT7，表面粗糙度为Ra1.6~0.8μm。（１）车削运动如图３－２所示。（２）加工表面切削加工过程是一个动态的过程，在这一过程中，随着刀具与工件相对运动的进行，工件表层被刀具连续不断地切下来，变成切屑。下一页返回3.3车削加工方法及装备２.车床车床的种类很多，按用途和结构的不同分为：卧式车床（图３－３）、立式车床（图３－４）、落地车床（图３－５）、转塔车床（图３－６）以及数控车床、半自动车床等。（１）车床的组成如图3-3所示的CA6140卧式车床，主要组成如下：①主轴箱。②进给箱。③溜板箱。④床身。⑤刀架。⑥尾架。⑦挂轮箱。⑧丝杠。⑨光杠。上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备（２）车床的功能与型号车床适用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，如内外圆柱面、圆锥面及成形回转表面、车削端面及各种螺纹等，详见表３－４。（１）车刀类型车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具，可加工外圆、内孔、倒角、切槽与切断、车螺纹以及其他成形面。１）按用途分类①偏刀。②弯头刀。③切断刀（切槽刀）④内孔镗刀。⑤成形刀。⑥螺纹车刀。（如图3-7）上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备２）按结构分类车刀由刀头和刀杆两部分所组成，刀头是车刀的切削部分，刀杆是车刀的夹持部分。车刀从结构上分为四种形式，即整体式、焊接式、机夹式、可转位式，如图３－８所示。（２）车刀切削部分的组成切削刀具的种类很多，形状各异，但其切削部分所起的作用都是相同的，都能简化成外圆车刀的基本形态。上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备４.车刀角度（１）刀具角度的坐标系刀具要从工件上切下金属，就必须具备一定的切削角度，也正是由于这些角度才决定了刀具切削部分各表面的空间位置，为了确定切削部分各刀面在空间的位置，要首先建立坐标平面，以这些坐标平面为基准，建立坐标系，这些坐标平面称为基准坐标平面，如图３－１０所示。（２）刀具角度前角：正交平面内前刀面与基面之间的夹角。如图３－１１所示。后角：正交平面内主后刀面与切削平面之间的夹角。如图３－１２所示。上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备刃倾角：切削平面内主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角有正、负和零值之分，如图３－１３所示。（３）刀具角度的功用及其选择切削加工中刀具角度好坏，会直接影响刀具寿命、工件质量、加工生产率、加工成本以及加工安全等。为了正确地选择刀具角度，必须对刀具角度的功用有全面的了解。①前角的功用及其选择。前角的功用是减小切屑变形、降低切削力和提高刀刃强度（尤其是硬质合金）。②后角的功用及选择。后角的作用是减少刀具后面与工件切削表面、已加工表面间的摩擦，使刀具在切削过程中阻力降低。上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备③主偏角的功用及其选择。④副偏角的功用及其选择。副偏角的功用是减少刀具与已加工表面之间的摩擦，降低工件的表面粗糙度。⑤刃倾角的功用及其选择。刃倾角可控制切屑的流出方向，精加工时为防止切屑划伤已加工表面，常取正值或零；粗加工时为了增加刀头强度，常取负值，如图３－１３所示。上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备（４）车刀的安装要求刀具的工作角度是刀具在工作时的实际切削角度，受到切削运动和刀具安装的影响。因此，车刀的工作角度并不等于其标注角度。实际生产中要求车端面、圆锥面、螺纹、成形车削、粗车孔、切断空心工件时，刀尖应与机床主轴中心线等高安装；粗车一般外圆、精车孔、安装时刀尖应等高或稍高机床主轴中心线安装。车刀装得太高，后角减小，后刀面与工件加剧摩擦；装得太低，前角减少，切削不顺利，会使刀尖崩碎。刀尖的高低，可根据尾架顶尖高低或试切端面来调整。上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备５.车刀的材料和选用在切削过程中，由于存在着弹性变形、塑形变性及摩擦等现象，将会产生切削抗力、切削热、冲击和振动，刀具在较高温度、较大压力、剧烈摩擦、承受冲击和振动的条件下工作，所以，要完成对机械零件的切削加工，刀具切削部分材料应具有下列性能：（１）高硬度（２）高耐磨性（３）足够的强度和韧性（４）高红硬性（５）良好的工艺性和经济性上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备６.刀具的磨损和耐用度（１）刀具磨损的形式刀具磨损形式分为正常磨损和非正常磨损两大类。正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐产生的磨损。非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象。（２）刀具的磨损过程正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大。主要向深度方向扩大，并逐渐向前后扩展，这个区域是前刀面温度最高的区域，随着磨损范围的扩大逐渐形成月牙洼。如图３－１８所示，刀具的磨损过程大致可以分为以下三个阶段：上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备①初期磨损阶段（Ⅰ段）②正常磨损阶段（Ⅱ段）③急剧磨损阶段（Ⅲ段）（３）刀具的耐用度刀具用到产生急剧磨损前必须重磨或更换，这时刀具的磨损量称为磨损限度或磨钝标准。由于后刀面磨损是常见的，且易于控制和测量，因此，国际标准ＩＳＯ统一规定，磨钝标准按后刀面靠近刃口处磨损的棱面高度的高度值来衡量。上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备3.3.2常用的装夹方式１.三爪自定心卡盘装夹如图３－１９所示，三爪卡盘装夹可自动定心，但其定心精度不高，一般情况下，误差大于0.1mm。２.四爪卡盘装夹如图３－２０所示，四个爪通过４个螺杆独立移动，特点是能装夹形状比较复杂的非回转体，如方形、长方形等，而且夹紧力大。３.一夹一顶装夹一夹一顶即轴的一端外圆用卡盘夹紧，一端用尾座顶尖顶住中心孔的工件安装方式。这种安装方式可提高轴的装夹刚度，常用于长轴加工及粗车加工中。上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备４.两顶尖装夹如图３－２１所示，在实心轴两端钻中心孔或在空心轴两端安装带中心孔的锥堵或锥套心轴，用车床主轴和尾座顶尖顶两端中心孔的工件安装方式。５.细长轴加工特点（１）用中心架支承细长轴在加工车削细长轴、当工件可以进行分段切削时，用中心架来增加工件的刚性，如图３－２２所示。（２）用跟刀架支承细长轴对不适宜调头车削的细长轴，不能用中心架支承，而要用跟刀架支承进行车削，以增加工件的刚性。上一页下一页返回3.3车削加工方法及装备（３）相应地在装夹、加工方法和刀具等方面进行改进一般走刀方向是从尾架向车头方向。车细长轴时宜改用反向走刀，走刀抗力方向使工件受拉应力，工件从卡盘端到车刀之间产生较大的内部拉应力，有效地减少工件径向跳动，消除大幅度的振动，有利于工件获得较高的精度和表面质量。上一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备3.4.1外圆表面磨削加工１.磨削加工的类型、特点及应用磨削加工是一种常用的精加工方法，经过磨削的工件，可以获得较高的加工精度和较高的表面质量，尺寸精度可达IT5~IT6，表面粗糙度能达到Ra0.8~0.08μm。２.磨床为了适应磨削各种加工表面、各种形状工件和生产批量的要求，磨床有多种类型。下一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备外圆磨床：包括万能外圆磨床、普通外圆磨床、无心外圆磨床等。内圆磨床：包括普通内圆磨床、行星内圆磨床、无心内圆磨床等。平面磨床：包括卧轴矩台平面磨床、立轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床、立轴圆台平面磨床等。工具磨床：包括工具曲线磨床、钻头沟槽磨床等。刀具刃磨磨床：包括万能工具磨床、拉刀刃磨床、滚刀刃磨床等。专门磨床：包括花键轴磨床、曲轴磨床、齿轮磨床、螺纹磨床等。其他磨床：包括珩磨机、研磨机、砂带磨床、砂轮机等。上一页下一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备（１）万能外圆磨床组成及其应用如图３－２４所示的M1432A万能外圆磨床。（２）其他磨床１）无心外圆磨床无心磨削是工件不定中心的磨削方法，是外圆磨床的一种特殊形式，生产率高。目前，无心磨削的方式主要有贯穿法和切入法，如图３－２６所示。上一页下一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备２）平面磨床平面磨床按砂轮主轴轴线所在位置、工作台的形状和运动方式，可分为卧轴矩台、立轴矩台、卧轴圆台、立轴圆台四种。因磨床形式不同，平面磨削方法也不一样，常见的平面磨削方式有四种，如图３－２７所示。３）内圆磨床内圆磨床可以磨削圆柱形或圆锥形的通孔、不通孔和台阶孔，普通内圆磨床是生产中应用最广的一种，组成结构与外圆磨床相似。上一页下一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备３.砂轮砂轮是由磨料（也称磨粒）和结合剂经混合、压制、干燥、焙烧而制成的一种特殊切削工具。砂轮的结构如图３－２９所示。（１）磨料磨料是构成砂轮的主要成分，担负磨削工作，因此，磨料应具有锋利的形状，很高的硬度和红硬性，适当的韧性，以便切削工件材料并承受磨削力和磨削热的作用。（２）结合剂结合剂是将磨粒黏结在一起使砂轮成形的材料。砂轮的强度以及耐冲击、耐腐蚀、耐热、硬度等性能主要取决于结合剂的性能。上一页下一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备（３）砂轮的形状砂轮的形状和尺寸是根据磨床类型、加工方法及工件的加工要求确定。（４）砂轮的标记砂轮的特性均标记在砂轮的侧面上。４.切削液的合理选择（１）切削液的作用切削液主要用来减少切削过程中的摩擦和降低切削温度。（２）切削液的种类常用切削液有水溶液、切削油、乳化液与极压切削液等。上一页下一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备（３）切削液的合理选择切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和技术要求等具体情况进行选用。3.4.2外圆表面精密加工各种外圆表面的精密加工方法有在车削、磨削的基础上发展的精密车削和磨削外，目前，应用最为广泛的精密加工有研磨、超精加工、抛光等。１.研磨研磨是一种古老、简便可靠的表面光整加工方法，用研磨工具和研磨剂，从工件表面上研去一层极薄表层的精密加工方法称为研磨。上一页下一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备２.超精加工超精加工是使用极细磨料油石以一定的压力F（5～20MPa）和速度（3~20m／min）与工件接触，在沿轴向往复运动的同时，在径向还以一定的频率振动30０～1200次／min），以复杂相对运动对工件表面进行微量切削的精密加工方法，是降低表面粗糙度的一种有效的光整加工方法，其加工余量很小，一般为0.005~0.00025mm。上一页下一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备３.抛光抛光有机械、化学或电化学等各种方法，抛光使工件获得光亮、平整表面。抛光轮抛光方法是用机械带动涂有抛光膏的软轮（抛光轮）高速旋转对工件进行微弱切削，从而降低工件表面粗糙度，提高光亮度的一种精密加工方法。４.各种加工方法及其经济精度外圆表面加工方法的选择，一般是根据经验或查表来确定，再结合实际情况或工艺试验进行修改。具体选择时应考虑以下几方面的因素：上一页下一页返回3.4外圆表面其他常用加工方法及装备①选择能获得相应经济精度的加工方法。②零件材料的可加工性能。③生产类型。④现有生产条件。上一页返回3.5机械加工基础3.5.1生产过程与工艺过程１.生产过程生产过程是指把原材料（或半成品）转变为成品的所有劳动过程的总和。２.工艺过程工艺过程是指在生产过程中改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。工艺过程由一个或若干个顺序排列的工序组成，而工序又可分为若干个安装、工位、工步和走刀，毛坯就是依次通过这些工序的加工而变成为成品的。下一页返回3.5机械加工基础（１）工序工序是指一个或一组工人，在一个工作地点（或设备上），对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。区分工序的依据是工作地点（或设备）是否变动和完成的那部分工艺内容是否连续。（２）安装在同一道工序中，工件可能只装夹一次，也可能装夹几次，工件每装夹一次称为一次安装。（３）工位当采用多工位夹具或多轴（多工位）机床时，使工件在一次安装中先后经过若干个不同位置顺次进行加工，则工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序称为工位。上一页下一页返回3.5机械加工基础（４）工步工步是指在被加工表面和切削工具及切削参数不变的情况下所连续完成的那一部分工序。一个工序可以包括几个工步，也可以只有一个工步。但下列情况应视为一个工步，对于那些一次安装中连续进行的若干相同的工步通常算作一个工步，如图３－３４所示，四孔的加工，可以作为一个工步。（５）走刀在一个工步内，若需切去的金属层较厚，可分几次切削，每切削一次就称为一次走刀。上一页下一页返回3.5机械加工基础3.5.2生产类型及工艺特点在机械制造业中，根据生产纲领和产品的特点，可以分为三种不同的生产类型：单件生产、成批生产、大量生产。１.单件生产是指生产的产品品种很多，同一产品的产量很小，各个工作地的加工对象经常改变，而且很少重复生产，这种生产称为单件生产。上一页下一页返回3.5机械加工基础２.成批生产一年中，分批轮流生产几种不同的产品，工作地点和加工对象周期性重复。３.大量生产同一产品的生产数量很大，大多数工作地点长期进行某一工序的生产称为大量生产。上一页下一页返回3.5机械加工基础3.5.3工艺规程的制定１.工艺规程的作用机械加工工艺规程是规定产品或零部件制造工艺过程和操作方法等的工艺文件。具有以下作用：①工艺规程是指导生产的重要技术文件。②工艺规程是组织生产、安排管理工作的重要依据。③工艺规程是设计或改（扩）建工厂的主要依据。④工艺规程有助于积累、交流和推广行之有效的生产经验。上一页下一页返回3.5机械加工基础２.工艺规程文件的类型工艺规程是直接指导生产和操作的重要文件，在编制时还应做到正确、完整、统一和清晰，所用术语、符号、计算单位和编号都要符合相应标准。常用的工艺规程文件的格式有下列几种：（１）机械加工工艺过程卡片（２）机械加工工序卡片3.5.4工艺规程的编制１.加工阶段的划分（１）粗加工阶段切除大部分余量，精度和表面粗糙度要求不高。上一页下一页返回3.5机械加工基础（２）半精加工阶段切除少量余量，完成次要表面加工，在粗加工的基础上提高零件的精度和表面质量，并留合适的余量，为主要表面精加工做准备。（３）精加工阶段切除很少余量，完成主要表面加工。（４）光整加工阶段切除微量余量，主要对表面粗糙度要求高的表面进行。划分加工阶段的原因主要有以下几点：上一页下一页返回3.5机械加工基础①保证加工质量的需要。②合理地使用设备的需要。③便于安排热处理、检验等工序。④有利于及时发现缺陷。２.工序组成工序集中与工序分散是拟订工艺路线的两个不同原则。（１）工序集中工序集中是指零件的加工集中在少数几道工序（甚至一道工序）内完成，而每一工序的加工内容比较多。上一页下一页返回3.5机械加工基础（２）工序分散工序分散与工序集中则刚好相反，整个工艺过程工序多，工艺路线长，而每道工序所包含的加工内容很少，设备数量多，操作工人多，占用生产面积大。３.切削加工顺序的安排原则（１）基准先行（２）先粗后精（３）先主后次（４）先面后孔上一页下一页返回3.5机械加工基础４.切削用量选择（１）切削用量切削速度、进给量、切削深度称为切削用量的三要素。（２）切削用量选择的原则确定切削用量时，应在保证加工质量（表面粗糙度和加工精度）的前提下，在工艺系统刚性允许的情况下，充分发挥机床功率和刀具切削性能，选择较大的切削用量。５.机床及工艺装备的确定（１）机床选择的原则①机床的精度要与工序要求的加工精度尽量相适应。上一页下一页返回3.5机械加工基础②机床的主要规格尺寸应与工件的外轮廓尺寸和加工表面的有关尺寸相适应。③机床的生产率应与零件的生产纲领相适应。④尽量利用现有的机床设备。（２）工艺装备的选择１）夹具的选择２）刀具的选择３）量具的选择3.5.5加工余量及工序尺寸的确定上一页下一页返回3.5机械加工基础１.加工余量的确定加工余量指加工过程中从加工表面切除的材料层厚度，分为总余量和工序余量。总余量：为了得到零件上某一表面所要求的精度和表面质量而从毛坯表面上切除的全部的材料层。工序余量：完成一个工序而从某一表面上切除的材料层。影响加工余量的因素有：①被加工表面上由前道工序产生的微观不平度和表面缺陷层深度。上一页下一页返回3.5机械加工基础②被加工表面上由前道工序产生的尺寸误差和几何形状误差，一般形状误差已包含在尺寸公差范围内。③前一工序得到的加工表面的位置误差。④本道工序的装置误差。２.工序尺寸及其公差的确定工序尺寸是工件在加工过程中各工序应保证的加工尺寸，其公差为工序尺寸公差，按各种加工方法的经济精度选定。在加工过程中，工艺基准与设计基准重合的情况下，某一表面需要进行多次加工所形成的工序尺寸，称为简单的工序尺寸。其工序尺寸的确定，只需考虑各工序的加工余量，由最后一道工序开始向前推算。否则，由工艺尺寸链计算确定。上一页下一页返回3.5机械加工基础3.5.6时间定额的确定时间定额是在一定生产条件下，生产单件产品（如一个零件）或完成某项工作（一道工序）所需消耗的时间。时间定额的组成见表３－２４。3.5.7工艺过程的技术经济分析１.工艺成本技术经济分析所考虑的诸多因素中，生产成本是最重要的。生产成本是制造一个零件或一台产品所必需的一切费用的总和，而工艺成本则占到生产成本的70％～75％。工艺成本是与工艺过程直接有关的生产费用，不是零件的实际成本，而是构成实际成本的最重要部分。上一页下一页返回3.5机械加工基础２.不同工艺方案的经济性比较工艺成本E与年产量N成正比关系，如图３－３６所示。３.提高生产率降低成本的措施提高劳动生产率涉及产品制造工艺、生产组织及管理等多方面的因素，与机械加工有关的，可以通过以下几种主要途径提高生产率、降低成本。（１）缩短基本时间（２）缩短辅助时间（３）采用先进工艺方法上一页返回3.6轴类零件加工实践3.6.1确定加工方案、选择加工设备及工装设备１.分析传动轴的结构和技术要求轴颈和装传动零件的轴表面，一般是轴类零件的重要表面，其尺寸精度、形状精度（圆度、圆柱度等）、位置精度（同轴度、与端面的垂直度等）及表面粗糙度要求均较高，是轴类零件机械加工的重点。下一页返回3.6轴类零件加工实践２.明确毛坯状况阶梯轴类零件的毛坯最常用的是圆棒料和锻件。３.确定加工方案在进行外圆车削加工时，因切除大量金属后会引起残余应力重新分布而变形，所以将粗精加工分开，先粗加工，再进行半精加工和精加工，主要表面精加工放在最后进行。上一页下一页返回3.6轴类零件加工实践3.6.2划分加工阶段该轴加工划分为三个加工阶段，即粗车（粗车外圆、钻中心孔）、半精车（半精车各处外圆、台肩和修研中心孔等），粗精磨Ｑ、Ｍ、Ｐ、Ｎ段外圆，其中穿插热处理工序。3