制造工程学.ppt

1、机械制造工程学,绪论,什么是机械？ 机械是一类产品 机械是利用其几何形状实现性能功能的产品 机械的中心问题是几何形状和位置的问题（当然还必须有材料的保证） 什么是机械制造？ 制造机械产品 用机械的方法制造产品 机械制造的关键是获得几何形状和位置,绪论,机械制造的研究对象和方法 机械制造需要的知识 工艺，手艺？ 机械制造限制的条件 不同的生产模式 机械制造追求的目标 有无、好坏？ 机械制造采用的方法 ,绪论,课程性质地位作用 专业、基础、连接 课程要求和教学目标 为学生建立完整的制造工程概念。 帮助学生掌握制造自动化技术的基本规律。 使学生对机械加工的原理和常用方法有较深刻的领会。 让学生学会使

2、用“T、Q、C、S、E”的观点和手段去分析和解决制造过程中存在的各种问题和矛盾。,绪论,课程的主要内容 以制造过程为主线 以“T、Q、C、S、E”为目的 解决制造过程的自动化问题 T(Time)时间，效率 Q(Quality)质量 C(Cost)成本 S(Service)服务 E(Environment)环保,绪论,第一章机械制造过程概论（8学时） 第二章机械加工的成型运动及其实现（8学时） 第三章加工表面的形成及其质量（12学时） 第四章工艺过程与加工精度（10学时） 第五章生产率与经济性（6学时） 第六章机械加工工艺规程编制的若干问题（8学时） 第七章装配工艺的基本概念（2学时） 第八章先

3、进制造技术（4学时）,学时安排,第一章 机械制造过程,本章的内容： 1 生产过程和机械加工工艺过程 2 生产纲领和生产类型 3 生产自动化 4 加工质量和加工误差,第一章 机械制造过程,一生产过程和制造过程 生产过程 从确定生产需求之后，到得到产品的过程。包括产品开发过程、产品制造过程和产品销售过程。在现在，生产过程扩充到服务。 制造过程 直接把原材料和毛坯转换为成品的过程。包括毛坯制造、机械加工工艺、装配、热及表面处理、检验过程。,1-1 生产过程和机械加工工艺过程,第一章 机械制造过程,制造过程的“三流”,第一章 机械制造过程,二机械加工工艺过程 机械加工工艺过程 用切削加工的方法，直接改

4、变工件几何形状及表面机械物理性能的过程。简称“工艺过程”。 工序 一个（或同时加工的一组）工件，在一个工作地，由一个（或相互协作的多个）工人所连续完成的工艺过程。 工序的划分 三“一”，一“连续”。,第一章 机械制造过程,工序的组成 工步 走刀 工位 安装 工步、走刀、工位和安装之间的关系 一次安装可以有多个工位、工步和多次走刀； 一个工位可以有多个工步和多次走刀，但一般在一次安装下完成； 一个工步只能在一次安装和一个工位下完成，但可多次走刀。,第一章 机械制造过程,工序划分的作用和优点 规范工艺 保证质量 工艺过程所要解决的两个基本问题 工序内容 工序排序,第一章 机械制造过程,三机械加工工

5、艺规程 什么是工艺规程？ 工艺过程的书面表达形式 工艺过程的文字记录 用法律文件形式规定下来的工艺过程 可以有多个工艺过程，但只能有一个工艺规程 工艺规程的形式 工艺路线 工序卡 工序检验卡 机床调整卡,第一章 机械制造过程,工序卡片的格式和内容,标题区 被加工工件的工件名、号，工序名、号，所属产品/部件名、号，企业名、号，毛坯形式、材料和热处理状态等 内容区 按每一个工步用表格形式记录： 工步加工内容，使用刀、辅、量具，切削用量，机动时间等。,工序图区 加工位置、加工表面、加工尺寸和精度要求、定位和夹紧位置 设备区 机床、夹具、辅具料、冷却液、工时定额等,第一章 机械制造过程,工序卡片的例子

6、,第一章 机械制造过程,一制造过程的不同形式 螺栓生产的例子 金工实习的方法： 下料 平端面，车螺纹外径，挑螺纹 铣六方 专业工厂的方法 切断，墩六方，搓螺纹,1-2 生产纲领和生产类型,第一章 机械制造过程,二生产纲领 什么是生产纲领？ 包括备品率和废品率在内的计划年产量（或季产量、月产量）。 生产纲领的种类 产品的生产纲领Q 零件的生产纲领N 式中：n为一台产品中的同一种零件数 为备品率 为废品率,第一章 机械制造过程,三生产类型 生产类型的分类 单件生产 批量生产 小批生产 中批生产 大批生产 大量生产,生产类型与生产纲领的关系,第一章 机械制造过程,二不同生产类型的特点（一）,第一章

7、机械制造过程,二不同生产类型的特点（二）,第一章 机械制造过程,二不同生产类型的特点（三）,第一章 机械制造过程 1-3 生产自动化,为什么要生产自动化 批量法则 随着生产批量的增大，产品的单件成本降低 需求 历史的有无问题 现在的个性化问题 技术的发展 制造技术的发展 材料技术的发展 计算机技术的发展,第一章 机械制造过程,生产自动化的含义 加工成型自动化 物料输送自动化 系统控制自动化 自动化的目的 满足企业的最大利润？ 满足工人的劳动要求？ 以“TQCSE”为目标，满足需求（市场？计划？）,第一章 机械制造过程,生产自动化的方法（一） 生产设备自动化单机自动化 先进的加工设备 新颖的加工

8、方法 适合的加工材料 解决成型自动化问题,第一章 机械制造过程,生产自动化的方法（二） 生产过程自动化物流自动化 刚性自动线 机器人 自动物料小车 解决传输自动化问题,第一章 机械制造过程,生产自动化的方法（三） 生产信息自动化系统自动化 信息集成 FMS 无人化工厂 网络制造 解决管理与控制自动化问题,第一章 机械制造过程,从制造工程学的角度，解决生产自动化中的问题 效率问题(Time) 质量问题(Quality) 成本问题(Cost) 服务问题(Service) 环境问题(Environment),第一章 机械制造过程 4 加工质量和加工误差,质量 产品质量的组成 加工质量,第一章 机械制

9、造过程,产品质量 值顾客满意的程度 性能/功能的实际值与理论的符合程度 质量由缺陷度量，缺陷少表示质量好 加工质量 与加工活动有关的质量问题 几何形状、位置实际值与理论值的符合程度 加工中产生的不确定性（集中程度）,第一章 机械制造过程,加工质量 加工精度（宏观质量） 表面质量（微观质量） 加工精度与加工误差 加工精度零件尺寸、位置、形状的实际值与理论值的符合程度 加工误差零件尺寸、位置、形状的实际值与理论值的差异程度,第一章 机械制造过程,加工误差的分类（一） 按误差的形态分： 尺寸误差、位置误差和形状误差 按误差的规律分： 系统误差和随机误差 按误差原因出现的阶段分： 加工前固有的因素引起

10、的误差 加工中产生的因素引起的误差 加工后出现的因素引起的误差,第一章 机械制造过程加工误差的分类（二）九大误差因素,原理（理论） 机床、夹具和刀具的制造，机床、夹具的磨损 调整（对刀） 安装,切削加工中的力 切削加工中的热 刀具磨损 残余应力变形 测量,第一章 机械制造过程,残余应力变形产生的误差,第一章 机械制造过程,测量误差引起的加工误差 假设量具的测量误差为t。 对于单个零件的测量，希望值为H0，测量值为H。加工误差T=？ 对于一批零件的测量，测量的最大值为Hmax，测量的最小值为Hmin。加工误差T=？,第一章 机械制造过程,加工误差分析 误差合成,第一章 机械制造过程,加工误差分析

11、误差统计 分布曲线法 分布曲线的特征量： 平均值 中值 极大值 分布范围,第一章 机械制造过程,分布曲线的比较 频数 某一给定测量值范围内的记数（测量值个数） 频率 某一给定测量值范围内的测量值个数相对总测量个数的百分比 频度（密度）单位测量值范围内的测量值个数相对总测量个数的百分比,第一章 机械制造过程,不同分布曲线形态,双峰 平顶 偏态,第一章 机械制造过程,正态分布法 分布密度Y与随机变量X的关系： 式中：均值 所有测量值的算数平均 方差 所有测量值的均方根平均,第一章 机械制造过程,正态分布与加工质量（一）,第一章 机械制造过程,正态分布与加工质量（二） 合格率Q=测量值落在公差带中的

12、概率 上超差废品率 下超差废品率 可修复废品率和不可修复废品率,第一章 机械制造过程,正态分布与加工质量（三） 工序（工艺）能力指数Cp Cp值反映了质量废品率 对于制造：反映制造能力和水平 对于设计：？,第一章 机械制造过程,正态分布与加工质量（四） 偏差与实际工序（工艺）能力指数Cpk,第一章 机械制造过程,点图法 加工量随时间的变化个值点图 加工误差的静态特性与动态特性变值系统误差问题,第一章 机械制造过程,图（一） 减弱随机误差影响的方法低通滤波 随机误差是白噪声 系统变值误差主要是低频波动 实现方法小样本平均 把测量样品按加工时序分组，i=1,2,I，利用组平均表征对应时间段内的测量

13、值，称均值 ，组内各测量值的最大和最小值之差表征对应时间段内的随机误差大小，称极差Ri，按时序排列，称 图。,第一章 机械制造过程,图（二）,第一章 机械制造过程,图的作用 控制线 均值上控线 均值下控线 极差上控线 对加工过程的调整,第二章机械加工的成型运动 及其实现,1 成型运动 2 典型金属切削机床 3 自动化加工机床的特点 4 影响零件加工精度的原因及改进措施 5 特种切削成型运动,1 成型运动,机械加工零件的表面形成 加工表面的种类 A）平面B）外圆柱面C）内圆柱面 D）回转面D）曲面E）功能面 加工表面的抽象 由线段的运动形成 素线运动的线段 导线运动的轨迹 都称为发生线,表面与素

14、线和导线的关系,表面与素线和导线的关系-2,发生线的形成方法,A）成型法 由刀具的切削刃直接形成素线，刀具的切削和（或）进给运动形成导线。 B）展成法 由刀具的切削刃与工件的纯滚动形成素线，刀具的进给运动形成导线。 C）轨迹法 由刀具的切削刃的切削运动形成素线，刀具的进给运动形成导线。 D）相切法 由刀具的切削刃旋转的切点连线形成素线，刀具的进给运动形成导线。,发生线的形成方法例1,发生线的形成方法例2滚齿加工齿形素线形成示意图,机床的运动,直线运动 圆周运动 间歇运动,切削运动 进给运动 分度运动,不同的机床,运动的实现传动系统,表面加工方法常规加工方法,切削加工 使用一个或有规律地使用一组

15、刀刃、在固定前后角关系的条件下对被加工表面的切削。 切削加工包括：车、铣、刨、拉、钻等。,磨削加工 利用大量的磨料表面不规则尖角、以无规的前后角关系对被加工表面的刻划和涂抹。 磨削加工包括：磨、研、珩等。,常规加工机床的基本组成,床身系统 主轴系统 进给系统 工作台及分度系统 其它,表面加工方法特种加工方法,电火花加工 电解加工 超声波加工 激光加工 生物加工 堆积制造 快速原型制造,机床的类型 运动 表面形成方法,车床 铣床（立铣、卧铣） 镗床 拉床 钻床 插（刨）床,磨床 滚齿机 螺纹加工机床 锯床 特种加工机床 现代加工机床,2 典型金属切削机床,金属切削机床的分类与代号,变形代号（可有

16、） 重大改进序号（可有） 第二主参数（可有） 主参数或设计序列号 组别、系别代号 特征结构代号（可有） 类别代号 分类代号（可有）,车床,分类 主轴的方向（卧车-立车） 主轴的数量 （单轴-多轴） 自动化程度（自动-半自动-手动） 大小（仪表-普通-落地） 功能（普通-仿形-丝杆-曲轴-非圆） 刀架（普通-转塔-回轮）,CA6140的组成,主轴箱(1) 刀架(2) 尾座(3) 进给箱(8) 溜板箱(6) 床身(4、7、5),车床的主参数,主轴结构图,落地车床,普通立式车床,龙门立式车床,转塔式六角车床,回轮式车床,丝杆车床,丝杆车床的误差修正原理,钻床,分类 大小（台钻-立钻-摇臂钻） 主轴的

17、方向（立式-卧式） 加工孔形式 （普通钻-深孔钻-中心钻） 位置保证方式（找正-坐标）,台式钻床,立式钻床,摇臂钻床,多轴可调立式钻床,多柱可调立式钻床,镗床,分类 功能（普通镗床-镗铣床） 主轴方向（立式-卧式） 加工精度 （普通镗-金刚镗） 位置保证方式（普通-坐标）,镗床加工的几种方法（一）,镗床加工的几种方法（二）,镗床加工的几种方法（三）,镗床加工的几种方法（四）,普通卧式镗床,落地镗铣床,卧式金刚镗床,立式单柱坐标镗床,立式龙门坐标镗床,卧式坐标镗床,磨床,分类 适用性（通用M，特种2M，专用3M） 通用磨床M包括：外圆磨床、内孔磨床、平面磨床、万能磨床、工具磨床、无心磨床、齿轮丝

18、杆磨床等 特种磨床2M包括：珩磨、超精研磨、砂带磨、抛光等 专用磨床3M包括：轴承磨床、滚珠及滚棒磨床、叶片磨床等 运动 切削运动主轴的旋转 进给运动工作台移动、旋转,万能磨床的外形,万能磨床的不同加工,万能磨床的内孔磨头,卧轴平面磨床,立轴平面磨床,无心磨的加工原理,无心磨床,铣床,分类 主轴的方向（立铣-卧铣） 立柱的数量 （单立柱-龙门铣） 功能（普通-仿形-工具-床身） 运动 切削运动主轴的旋转 进给运动工作台移动、主轴伸缩、 主轴箱移动,卧式铣床,立式铣床,龙门铣床,齿轮加工,分类 齿轮形状（圆柱齿轮-圆锥齿轮-螺旋伞齿轮） 齿面齿形 （渐开线-梯形-圆弧等） 齿面方向（内齿-外齿-

19、端面齿） 齿轮关联单片盘齿轮、轴齿轮、多联齿轮 加工方法 荒加工滚齿、铣齿、插（刨）齿、拉齿 精加工磨齿、剃齿、珩齿、研齿,滚齿原理（一）,滚齿原理（二）,滚齿机,滚斜齿加工,插齿加工,插齿机,圆弧伞齿轮加工原理 格里森切齿机,格里森切齿机,磨齿原理,磨齿运动关系,磨齿运动实现,磨齿机,3 自动化加工机床,针对大批大量生产的自动化机床特点 针对单件小批生产的自动化机床特点,针对大批大量生产的自动化机床特点,特点 由机械机构实现各种运动的关联， 用机械方法保证运动的精度， 针对某一零件、某一工序， 少人或无人操作， 高效、高劳动生产率， 高价格。 机床形式 自动机床 专用机床 组合机床,针对单件

20、小批生产的自动化机床特点,特点 由计算机及数字控制实现各种运动的关联， 用电气测量的方法保证运动的精度， 针对所有零件的某类加工方法， 少人或无人操作， 应用灵活， 高价格 机床形式 程控机床， 数控及计算机数控机床（NCCNC） 加工中心,单轴纵切自动车床,底座 床身 天平刀架 主轴箱 送料装置 上刀架 三轴钻铰附件 分配轴,单轴纵切自动车床传动系统图,单轴纵切自动车床刀架结构,单轴纵切自动车床刀架结构（二）,单轴纵切自动车床调整卡（一）,单轴纵切自动车床调整卡（二）,单轴纵切自动车床刀架凸轮,单轴六角自动车床,卧式六轴自动车床,卧式六轴自动车床的传动系统,专用机床,定义 为某一特定零件的某

21、一特定工序加工而设计制造的机床。,组合机床,定义 为某一特定零件的某一特定工序加工、利用标准模块而设计、组合和制造的机床。 特点 70%-80%都是通用部件和通用零件； 大大缩短了设计制造周期； 减少了制造中的问题； 提高了工作可靠性。,组合机床的组成,底座 中间底座、侧底座、立柱等 滑台 水平滑台、垂直滑台、倾斜滑台 动力头 主轴箱 工作台 夹具,组合机床的组合,组合机床的布局（一）,组合机床的布局（二）,组合机床的布局（三）,组合机床的机床联系图,组合机床的加工示意图,组合机床的机械动力头结构图（例）,以动力滑台为基础的各种动力部件示意图,组合机床的主轴箱结构图（例）,4 机床对零件加工精

22、度的影响,加工方法误差（原理误差） 机床的制造和磨损误差 调整误差,原理误差,利用回转刀盘加工四边形及六边形的平面度误差 给定条件： 两把刀，速比1/2、1/3。 刀尖直径为D 刀盘轴线与工件轴线的距离为H。 求工件边长和平面度误差。,机床制造及磨损误差,主轴轴系误差 导轨误差 传动链误差,主轴轴系误差,主轴轴系的三种误差形式 轴向窜动 （端面圆跳动） 径向跳动 （径向圆跳动） 角向摆动,主轴回转精度的表测量法,主轴端面圆跳动对加工的影响,导轨误差,误差敏感方向,导轨误差,误差敏感方向（二）,车床导轨扭曲误差,误差关系,镗床工件进给加工椭圆误差,端铣加工工件平面的凹陷误差,传动链误差（一）,进

23、给运动的获得 主轴 丝杆 轴i 轴j,传动链误差（二）,传动链端的误差,第三章加工表面的形成及其质量,1 切削运动与切削参数 2 金属切削过程 3 金属切削过程对加工质量的影响及改进措施 4 切削参数优化 5 材料的可切削性和切削液,1 切削运动与切削参数,加工表面 待加工表面 工件上加工前就有，加工后被切除的表面。在切削过程中不断减少。 已加工表面 工件上加工前没有，加工后形成的表面。在切削过程中不断增加。 过渡表面（切削表面） 由主切削刃在切削过程中直接作用的表面，该表面的素线与主切削刃的形状相一致，一般情况下在待加工表面和已加工表面之间。 切削层 过渡表面到主切削刃部的将被切除的金属层。

24、,切削运动从刀具的角度 主（切削）运动 使工件上被刀具刀刃切入的过渡表面部分变为切屑的刀具相对工件的运动。主运动消耗了绝大多数的机床功率。主运动可以是直线运动，也可以是圆周运动。对于切削过程，则认为是一样的，都只考虑切削点的瞬时速度。 进给运动 配合主运动，形成切削层的运动。进给运动可以是连续的，也可以是间歇的。 合成切削运动 由主运动与进给运动合成的刀具相对于工件的实际运动。,加工表面和切削运动的实例（一）,加工表面和切削运动的实例（二）,加工表面和切削运动的实例（三）,加工表面和切削运动的实例（四）,切削用量三要素（一） 切削速度Vc 在考察点，主运动的瞬时速度称为切削速度。单位为每秒米（

25、m/s），过去也用每分米（m/min）。 在大多数加工中，主运动为旋转运动，切削速度也经常被用转速来描述，单位为转/秒（r/s）或转/分（r/min）。 关系为：,切削用量三要素（二） 进给量 以时间为研究对象的进给量进给速度Vf。表示在单位时间内在进给运动方向上的刀具位移，单位为米/秒（m/s）或毫米/秒（mm/s）。 以主轴转动为研究对象的进给量每转进给量f。表示旋转一周时，刀具在进给运动方向上的位移，单位为毫米/转（mm/r）。 以刀刃为研究对象的进给量每齿进给量 。表示经过一个刀齿时，刀具在进给运动方向上的位移，单位为毫米/齿（mm/z） 。 关系为：,切削用量三要素（三） 背吃刀量（

26、切削深度） 已加工表面到待加工表面的距离。 对于车削外圆，背吃刀量： 对于钻孔，背吃刀量：,刀具角度（一）,结构要素（车刀） 前刀面 切屑流出的刀具表面称前刀面 。 后刀面 与工件过渡表面相对的刀具表面称主后刀面 ，也称后刀面。与已加工表面相对的刀具表面称副后刀面 。,刀具角度（二）,结构要素（车刀） 切削刃 前刀面与后刀面的交线称切削刃，其中，前刀面与主后刀面的交线称主切削刃 ，前刀面与副后刀面的交线称副切削刃 。 切削刃一般不是纯粹的一条线，而有一定的宽度，称刃带。刃带可以是圆角过渡，也可以用一个狭长的平面过渡（称倒棱）。,刀具角度（三）,结构要素（车刀） 刀尖 主切削刃与副切削刃的交点称

27、刀尖。刀尖也不是严格的一个点，为了保证刀尖有一定的强度，刀尖可以是圆角过渡，称圆弧刀尖，也可以用一个狭长的平面过渡，称倒棱刀尖。,刀具切削刃与加工表面的关系,刀具角度的标注与参考坐标系（一）,前提 所有的刀具角度的标注都是针对主切削刃上一点的。因此，在建立坐标系时，都与这一点为原点。 基面 通过切削刃上选定的点，垂直于假定主运动方向的平面。 切削平面 通过切削刃上选定的点，与切削刃相切，并垂直于基面 。,刀具角度的标注与参考坐标系（二）,主剖面参考系 主剖面 通过切削刃上选定的点，与基面 和切削平面 都垂直的平面称主剖面。 主剖面参考系 由基面 -切削平面 -主剖面 构成的坐标系（平面之间的交

28、线为坐标轴）。 主剖面参考系为正交坐标系。 用于刀具尺寸本身的标注,刀具角度的标注与参考坐标系（三）,主剖面参考系中的角度 确定前、后刀面位置的角度 3.前角 在主剖面 上，切削刃的投影与进给方向的夹角。 4.后角 在切削平面 上，切削刃的投影与基面的夹角。刀为切削刃的最低点时为负，为最高点时为正。,刀具角度的标注与参考坐标系（四）,主剖面参考系中的角度 确定副刀刃位置的角度 仿照主刀刃的定义，可定义副偏角 、副刃倾角 、副前角 和附后角 。由于当刃倾角 和前角 确定后，前刀面就已确定，只要副偏角 确定，就可计算出副刃倾角 和副前角 ，因此，只有副偏角 和副后角 是独立的 。,刀具角度的标注与

29、参考坐标系（五）,主剖面参考系中的角度 派生角度 1.楔角 在主剖面上，前刀面与后刀面之间的夹角。 2.刀尖角 主刀刃和副刀刃在基面上投影的夹角。 3.余偏角 在基面上，主刀刃的投影与进给方向垂线的夹角。,刀具角度的标注与参考坐标系（六）,法剖面参考系 法剖面 通过切削刃上选定的点，与切削刃垂直的平面称法剖面。 法剖面参考系 由基面 -切削平面 -法剖面 构成的坐标系（平面之间的交线为坐标轴）。 法剖面参考系为非正交（斜交）坐标系。 用于切削原理的刀具角度标注,刀具角度的标注与参考坐标系（七）,法剖面参考系中的角度标注 九个角度中，由于基面和切削平面是共同的，因此，在基面和切削平面投影的角度（

30、主、副和余偏角；刀尖角） 是共同的，只有原在主剖面内的角度（前角 、后角 和楔角 ）换为法剖面中的法前角 、法后角 和法楔角 ，以及在副法剖面中的角度 。刃倾角衡为0。,刀具角度的标注与参考坐标系（八）,进给、切深剖面参考系 进给剖面 通过切削刃上选定的点，与基面垂直并平行于进给方向的平面。 切深剖面 通过切削刃上选定的点，与进给方向垂直于的平面。 法剖面参考系 由基面 -进给剖面 -切深剖面 构成的正交坐标系（平面之间的交线为坐标轴）。 用于切削用量的刀具角度标注,刀具角度的标注与参考坐标系（九）,进给、切深剖面参考系中的角度标注 由于基面是共同的，在基面投影的角度（主、副和余偏角；刀尖角；

31、刃倾角）是共同的，前、后角和楔角对应有进给前角 、进给后角 和进给楔角 ，以及切深前角 、切深后角 和切深楔角 。,刀具的实际工作角度,基面的定义是与切削速度垂直，因此，切削速度方向的变化就将引起前、后角和主、副偏角的变化。变化了的前、后角和主、副偏角分别称为工作前角 、工作后角 、工作主偏角 和工作副偏角 。 实际工作角度与进给量大小和安装有关。,由于纵向进给引起的刀具实际工作角度变化,由于横向进给引起的刀具实际工作角度变化,由于安装高低引起的刀具实际工作角度变化,由于安装偏斜引起的刀具实际工作角度变化,刀具材料（一）,刀具材料的要求 高硬度 必须高于被加工材料的硬度510HRC，60HRC

32、。 高耐磨性 刀具的耐磨性越高越好，可延长刀具的使用寿命。 足够的强度和韧性 刀具在切削时受到很大的切削力、冲击和振动，必须有足够的强度和韧性，不能在加工中破损。,刀具材料（二）,刀具材料的要求（续） 高耐热性 在加工时，刀具表面的温度很高，因此刀具必须能在高温下保持硬度和强度。 高耐热冲击性 在加工时，刀具的升温和降温速度都很快，特别是在有冷却的情况下，刀具有很大的温度梯度和温变速度，在这样的条件下，不应因较大的内应力。 好的工艺性和经济性 刀具的结构形状复杂，精度高，因此，是否方便加工（工艺性）是很重要的。同时，刀具的材料价格很高，对刀具的成本也很高。,刀具材料（三）,碳素工具钢 高含碳量

33、的碳素钢，如T10A和T12A等，属于高碳钢，经济性好，但韧性差，耐热性和热稳定性差，变形大，特别是高速下的耐磨性差。用于手工工具，如挫刀、锯条等。 合金工具钢 在高碳钢中加入合金元素，如9SiCr和CrWMn等，与碳素工具钢相比，改善了韧性和变形，但成本上升，耐热性、热稳定性和耐磨性同样很差。用于较好的手工工具，如刮刀、板牙、手用丝锥等。,刀具材料（四）,高速钢 属于高合金钢，含有较多的W（钨）、Mo（钼）、Cr（铬）、 V（钒）等合金元素。为提高高温硬度还加有Co（钴）、Al（铝）、Si（硅）、Nb（铌）等元素。与工具钢相比，较大的改善了刀具的热稳定性、强度和韧性，因此被称为“高速钢”。加

34、入V能提高耐磨性，但V多后刀具的加工工艺性降低。 之所以称之为高速钢，是因为与碳素钢比较，有较高的高温硬度和热稳定性，可用于较高的切削速度。,刀具材料（五）,高速钢的分类 按性能分： 为普通高速钢 高性能高速钢（增加了C、V、Co、Al的含量，成本也高）。 按主导元素分： 钨系高速钢 钼金高速钢 钨钼系高速钢 按制造工艺分： 熔炼高速钢 粉末冶系高速钢,刀具材料（六）,硬质合金的特点 由难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC-碳化钽、 NbC-碳化铌）和金属粘合剂（Co、 Mo 钼、Ni-镍等）经粉末冶金的方法烧结而成。是一种混合物。具有很高的硬度、耐热性、耐磨性和热稳定性。但抗弯强度和耐冲击

35、性较差。 难熔金属碳化物 ，硬度、耐热性、耐磨性和热稳定性 ，抗弯强度和耐冲击性 。 金属粘合剂 ，抗弯强度和耐冲击性 ，硬度、耐热性、耐磨性和热稳定性 。 很高的切削速度（45m/s)，很长的刀具耐用度，可以加工包括淬火钢在内的硬质材料。,刀具材料（七）,硬质合金的分类（ISO分类） K类（我国的YG类属于K类），用于加工短切屑的黑色金属（如铸铁类材料）、有色金属（如铜、铝等）和非金属材料。常用的是WC-Co类硬质合金，常用牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8、YG10H等。 P类（我国的YT类属于P类），用于加工长切屑的黑色金属（如钢类材料）。常用的是WC-TiC-Co类硬质合金（在Y

36、G类中加入不同含量的TiC ），常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等。 M类（我国的YW类属于M类），通用于上述材料，常用的是WC-TiC-TaC(NbC)-Co类硬质合金（在YT类中加入不同含量的TaC或NbC ），常用牌号有YW1、YW2等。,刀具材料（八）,金刚石刀具 分三种：天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具和金刚石复合压层刀片。有最高的硬度，摩擦系数很低，可以使用很高的切削速度（1080m/s）。但化学稳定性不好，不能加工铁族金属（黑色金属）。 陶瓷刀具 用Al2O3（氧化铝）或Si3N4（氮化硅）粉末经压制烧结而成，有很高的硬度、耐磨性、耐热性和耐氧化性，但强度、韧

37、性和耐冲击性较差，正在不断改进。主要型号有：T1、T8、SG4、LT35、LT55、AT6、AG2等。 立方氮化硼刀具（CBN刀具） 立方氮化硼是用晶格形状为六方体的氮化硼在高温高压下，经催化剂催化而成的。立方氮化硼刀具的制作有两种：整体聚晶CBN刀具和CBN复合压层刀片。 很高的硬度（接近金刚石）和比金刚石还高得多的热稳定性和化学稳定性。,刀具涂层,在硬质合金刀具或是高速钢刀具的表面用气相沉积的方法涂覆一层耐磨的TiC、TiN、HfN（氮化鉿）或Al2O3等的薄层，大大提高刀具表面的显微硬度和耐磨性，减小摩擦阻力和与被加工工件的亲和力。 涂层硬质合金一般用化学气相沉积法（CVD）， 涂层高速

38、钢一般用物理气相沉积法（PVD）。 特点 提高刀具的耐磨性，增加刀具寿命。 不可重磨。,2 金属切削过程,金属切削过程是指刀具与工件运动并相互作用的过程。 其作用是使切削层与工件母体分离。 机理是刀具切削刃和前刀面对工件的推挤、摩擦，使切削层金属发生剪切滑移变形和摩擦塑性变形而形成切屑。 切削过程中，后刀面与工件挤压而形成加工表面。 金属切削过程也可以看成是形成切屑的过程或形成加工表面的过程。,金属切削层的变形,金属切削过程是指刀具与工件运动并相互作用的过程。 其作用是使切削层与工件母体分离。 机理是刀具切削刃和前刀面对工件的推挤、摩擦，使切削层金属发生剪切滑移变形和摩擦塑性变形而形成切屑。

39、切削过程中，后刀面与工件挤压而形成加工表面。 金属切削过程也可以看成是形成切屑的过程或形成加工表面的过程。,变形区,第一变形区 由工件变为切屑发生剪切塑性的区域。在刀尖前部。 第二变形区 切屑与刀具前刀面挤压和摩擦发生塑性变形的区域。在切屑上。 第三变形区 由于工件材料弹性恢复，使工件表面与后刀面接触摩擦，发生塑性变形的区域。在工件上。,第一变形区金属的滑移,最大剪应力方向 开始滑移线OA 终止滑移线OM 实际宽度0.20.02 mm,金属滑移方向与纤维化方向,变形程度的度量剪切角,变形程度的度量滑移系数,滑移系数,滑移系数与剪切角的关系,变形程度的度量变形系数,厚度变形系数 长度变形系数,变

40、形系数与剪切角的关系,切屑的受力,第二变形区与前刀面上的摩擦 形成切削的动力 很高的压力和温度 属于塑性流动的内摩擦 摩擦系数表现为,切屑的受力,对于切屑的受力分析 切屑上受到两部分的力：前刀面的作用力和切屑根部变形作用力。 平衡：前刀面的作用力和切屑根部变形作用力相等（特别是方向）。 已知剪切力,切屑的受力,切屑的形成力 已知剪切力（方向为滑移方向） 切屑的形成力大小,切屑的受力,剪切角与前刀面摩擦角的关系 切屑的形成力 是主应力，它与最大剪应力的关系为 角关系。 最大剪应力为 ，而 和 之间的夹角为： 其中，摩擦角 与材料、切削用量和刀具表面粗糙度有关 不变 不变,切屑的受力,切削用量对摩

41、擦角的影响 背吃刀量：随背吃刀量的增加摩擦角略有下降。 切削速度：随切削速度摩擦系数成驼峰曲线。 进给量：基本无关。,积屑瘤的形成,刀刃部工件强烈塑性变形在刀尖的粘结（冷焊），使工件材料停留在刀尖和工件表面之间。这些停留在刀尖和工件表面之间的工件材料就是积屑瘤。 积屑瘤与材料有关：冷作硬化趋势越高，积屑瘤越容易产生。 积屑瘤只在一定切削速度下产生。,积屑瘤对切削过程的影响,积屑瘤的影响 增大了实际前角，减小了切削力。 使前刀面与切屑脱离接触，提高了刀具的耐用度。但由于积屑瘤的不规则脱落，脱落时的崩溃力对于象硬质合金这样的脆性材料会加剧磨损。 加剧振动，由于积屑瘤的增大前伸增大了背吃刀量，积屑瘤

42、的脱落使背吃刀量发生变化，从而产生振动。 影响加工质量，由于积屑瘤的脱落和加工振动增大表面粗糙度值。 防止积屑瘤产生的方法 提高或降低切削速度 增加润滑 增大刀具角度,切屑的形状,切削的形状 带状、长紧卷、短紧卷、螺旋卷、发条卷、C型、针状和粉状 切削形状对制造过程的影响 加工的安全性。 加工场地的清理与辅助劳动。 对加工质量的影响。 对机床的影响,3 金属切削过程对加工质量的影响及改进措施,切削过程对表面质量的影响 切削力及其它力对加工精度的影响 切削热及其它热源对加工精度的影响 刀具磨损对加工精度的影响,表面质量,表面微观几何精度 表面粗糙度 表面波纹度 刀痕方向 表面层机械物理性质 冷作

43、硬化层的冷作硬化程度和深度 表面残余应力 耐腐蚀性 表面其它物理机械性能,表面质量对机械性能的影响（一）,对配合精度和性质的影响 表面粗糙度造成表面形状出现高点，配合精度和性质决定于这些高点位置，高表面粗糙度值在使用后位置下降过多，改变了配合精度和性质。 对耐磨性的影响 表面粗糙度值过大，高点易磨损。反之，表面粗糙度值过小，不能形成润滑油膜，磨损加剧，特别是当表面粗糙度小于一定值时，两配合表面间的分子相互吸引，产生剥离，反到产生急剧磨损。 表面层的冷作硬化有利于耐磨性，特别是有残余压应力的冷作硬化层。,表面质量对机械性能的影响（二）,对疲劳强度的影响 表面粗糙度的高低不平产生应力集中，降低了疲

44、劳强度。 表面残余应力中，拉应力降低了疲劳强度，而拉应力提高了疲劳强度。 耐腐蚀性 腐蚀一般都是电化学过程，速度与是否有电解质有关，表面粗糙度值大，则寸留的水分也多。另外，导体表面的点荷分布也集中在曲率大的地方。 表面应力也对耐腐蚀性有直接影响。压应力耐腐蚀，而拉应力易腐蚀。,表面粗糙度（一）,残留面积影响 由于主偏角和副偏角的存在。,表面粗糙度（二）,表面塑性变形影响 第三变形区，由于工件材料弹性恢复与后刀面的摩擦，在已加工表面的塑性变形。产生鱼鳞刺（微裂）。 积屑瘤脱落（磨削时为金属涂抹）,表面粗糙度（三）,加工中的振动 工件和刀尖之间的周期性位置变化。分： 自由振动无影响。 由于偶然原因

45、引起的，不断衰减的振动。 受迫振动在一些加工中影响较大。 在外界周期力作用下，系统发生的与外界周期力频率相等的振动。 自激振动发生时影响大。 没有外界周期力作用，由系统自身提供振动能量维持的振幅不衰减的持续振动。如果振幅不断扩大，则称“颤振”。,表面粗糙度（四）,切削加工 粗加工，为了高效地切除大的余量，使用大的切深和大的走刀量，因此主要是残留面积。 精加工，获得高的尺寸精度和表面精度，切深和走刀量都不大，振动和塑性变形上升为主要因素。 磨削加工 粗加工，磨削力大，磨削温度高，表面容易发生“烧伤”，即由于塑性变形的高温使表面层金属变性，同时，高温使局部金属熔化，产生涂抹，影响了表面粗糙度值。再

46、有，粗磨所用砂轮粒度较大，对表面的刻划较深，因此残留面积也有影响。 精加工，磨削力小，冷却充分，因此，振动和刻划造成的残留面积成为主要因素。,减小表面粗糙度值的方法（一）,研磨 在研磨工具和被研表面之间加入研磨剂，研磨工具相对于被研表面做无规运动。 获得高的尺寸精度、形状精度（小于0.003mm）和表面精度Ra 0.0080.1之间，但不能改善位置精度。 分手工研磨和机器研磨。,减小表面粗糙度值的方法（二）,珩磨 利用装有磨条（油石）的珩磨头以一定的压力在工件的表面做两个方向的往复运动（运动速度比为34，但最好不要为整数或简单分数），运动速度低（0.10.25m/s）。 获得高的尺寸精度、形状

47、精度（小于0.0030.005mm）和表面精度Ra 0.0250.4之间，但不能改善位置精度。,珩磨头的结构,减小表面粗糙度值的方法（三）,超精研磨 与珩磨一样，只是其中的一个往复运动是高速摆动（振幅26mm，频率540Hz），生产率较高。 获得高的尺寸精度、形状精度（小于0.0030.005mm）和表面精度Ra 0.0120.1之间，但不能改善位置精度。,减小表面粗糙度值的方法（四）,抛光 利用弹性抛光轮粘上磨料或抛光膏（氧化铝、碳化硅、氧化铬、氧化铁等，加煤油或机油，或是为增加粘性和增加化学作用而加硬脂酸、油酸等）与工件表面高速摩擦。 只能提高表面精度（Ra 0.0120.8之间），有镜面

48、效果，但不能改善位置精度尺寸精度和形状精度。,减小表面粗糙度值的方法（五）,表面强化工艺 表面冷压工艺：利用表面加压的方法使工件表面产生塑性变形，在表面形成残余应力，从而提高表面硬度，减小表面粗糙度值。达到提高疲劳强度和耐磨性的作用。 表面冷压分：挤压和滚压。,内孔挤压,脉动滚压,切削力,切削力的来源： 塑性变形所需要的能量，以晶格变形的势能变化存储在切屑和工件表面的变形层中； 弹性变形所存储的能量，以振动能的形式散发到周围环境中； 摩擦所消耗的能量，以热能的形式传播到切屑、刀具和工件里。 在这三项能量中，第一项和第二项所占的比例不大，第三项占到95%以上。 通过刀具的作用力和与工件的相对运动

49、，由刀具提供切削能量。因此：,切削力的分解（一）,切削力是一个分布力，分布在刀刃周围，为研究方便，在大多数情况下可看成是一个作用在刀刃一点的合力，称为切削合力，它可分解为： 主切削力：与主切削运动方向平行，简称切削力； 进给抗力：与进给运动方向平行，也称轴向力、走刀抗力； 切深抗力：与进给运动方向垂直，也称吃刀抗力、径向力、背向力。,切削力的分解（二）,切削力分解的作用 主切削力 ：影响机床的功率 、刀具的强度； 进给抗力 ：影响进给功率 ； 切深抗力 ：影响加工精度和振动。 机床总功率： 进给功率只占总功率的23%。 切削力的分配比例：与刀具角度有关，在45度偏刀时：,切削力的测量,切削力的

50、估算,切削力经验公式 式中：指数 ，系数 决定于被加工材料性质和刀具参数，总修正系数 ，用于实际加工条件与经验公式条件差异时的修正。一般情况下指数x（切深指数）在1左右，指数y（走刀指数）小于x ，指数n（速度指数）约小于0（是负数）。,切削力对加工精度的影响（一）,工艺系统刚度（一） 在以机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统中，刀尖在误差敏感方向受到的切削力与刀尖相对于工件的位移之比称为工艺系统的刚度，是衡量单位变形所需力大小的参数。即： 刚度是工艺系统的综合量度 刚度是指刀具的切削点处发生的变形与力的关系 刚度的定义只是在误差敏感方向的力和位移 柔度：刚度的倒数，是衡量单位力引起变形量的大

51、小。即：,切削力对加工精度的影响（二）,工艺系统刚度（二） 刀尖相对于工件的位移是由机床、夹具、刀具和工件变形的综合，因此可以分别考虑它们的影响，这样的定义它们分别的刚度和柔度。即：在单位切削力作用下，每一个部件对刀尖位移的贡献。 总刚度等于各分刚度的并联（各分刚度倒数和的倒数）。 总柔度等于各分柔度的串联（各分柔度的和）。,切削力对加工精度的影响（三）,负刚度问题 在实际加工时，刀尖受到三个方向的作用力，根据刚度定义：如果误差敏感方向是Y方向，刚度： 但这时候的Y方向变形与其他两个方向的作用力也有关系。由于Z方向力（主切削力）作用，刀具可能前伸， 为负值！因此刚度值为负！,切削力对加工精度的

52、影响（四）,负刚度问题的刀架变形,切削力对加工精度的影响（五）,刚度的测量静态测定法,切削力对加工精度的影响（六）,刚度的测量三向载荷测定法,切削力对加工精度的影响（七）,刚度的测量动载荷测定法（生产法） 在与实际生产相同（或相似）的条件下，正常走刀一段距离后，不调节进刀量反向走刀一段距离。由于正常走刀时工艺系统刚度引起的弹性变形量在反向走刀时被切除，因此，它们的尺寸差即是变形量。通过切削力计算或测定，就可得到工艺系统的实际刚度。,切削力对加工精度的影响（八）,误差复映（一） 以镗孔为例，原底孔与现加工孔不同心，造成切削余量不均匀。其差为： 加工后，孔将出现加工误差，大小为 。 如果我们把余量

53、不均匀看作是上道工序的误差，它们之间存在如下的关系：,切削力对加工精度的影响（九）,误差复映（二） 系数 被称为误差复映系数。 推导：根据切削力公式（同样的走刀量和转速），针对最大、最小切深处的吃刀抗力为： 式中C为除切深外的所有系数积。 如果该镗削加工的工艺系统刚度为K，则在最大、最小切深处的刀尖位移为： 刀尖位移差即为本工序的加工误差： 系数 即为误差复映系数?,切削力对加工精度的影响（十）,车削时的加工变形 切削力 的作用 机床主轴箱的变形 机床尾座的变形 机床变形使工件在刀尖处的位移,切削力对加工精度的影响（十一）,车削时的加工变形 刀架的变形 工件变形 总变形,工件的夹紧变形,工件的

54、动力变形（一）,工件的动力变形（二）,机床变形,工艺系统振动模型,以工件被切削点为坐标系原点， 刀具为一质点， 考虑刀尖相对于工件的振动。 振动方程： 式中： c 为阻尼系数 k 为弹性系数,工艺系统的振动解（一）,方程的通解为（自由振动解）： 式中： 当 为时间的周期函数时，可分解为： 考虑其中的一个激振频率，方程有特解（受迫振动解）： 式中： 系统参数 固有频率 频率比 阻尼比,工艺系统的振动解（二）,动刚度的概念：在工艺系统受迫振动中，产生单位振幅所需要的激振力大小： 动刚度与系统参数频率比 和阻尼比 相关，,工艺系统的振动解（三）,在特解中，振动频率就是激振频率 ，振幅 与系统参数频率

55、比 和阻尼比 相关，这两个参数不仅决定于系统固有振动频率，也决定于激振频率 。 当 当 当 当,双自由度受迫振动,双自由度受迫振动（解）,运动方程 式中 有特解为： 求得待定系数为：,双自由度受迫振动中两振幅的关系,工艺系统的自激振动,方程的通解为： 式中 为阻尼项，它的大小反映了振动衰减的快慢，当 将会怎样？如何使它等于零？。 如果 ，则它就能等于零！ 就是提供能量。不同的提供能量方式，形成的不同的自激振动学说。 摩擦降落理论 刀具前后角变化理论 切削力下降理论 再生振动理论 振型关联理论,摩擦降落理论（一）,摩擦降落理论（二）,刀具在振动方向受的力 可以看成是由于径向力产生的摩擦，即： 由

56、于摩擦系数与速度有关，切削速度 振动方程为,刀具前后角变化理论（一）,刀具前后角变化理论（二）,刀具在振动方向受的力 与前角 有关，前角增大切削力减小，即： 式中： 为前角变化量， 为切削力的前角影响系数。 前角变化量与振动速度有关： 代入振动方程,切削力下降理论,再生振动理论,振型关联理论,镗刀杆消振的方法,切削热与工艺系统热变形引起的加工误差,工艺系统中的热源 切削热切削区的摩擦（外摩擦和内摩擦）。 传动热机床动力源（如电机、液压元件等）和运动付（如主轴箱中的齿轮、轴承，床身导轨等）的摩擦。 派生热源有其他热源产生，由冷却液、润滑油、切屑等带来的热量。 外部热源工艺系统以外产生的热量（阳光

57、、空气等）。,切削热,切削热的大小。 切削热功率（单位时间内的发热量）近似为： 切削热的分配 切屑 工件 刀具 冷却介质 不同的加工方法、分配比例差别很大。,刀具上的温度分布,温度场（一）,温度是时间和空间的函数，因此，四维时空与温度的映射关系就称为“温度场”。 与温度场有关的物理量： 热量密度 ， 热流密度 内部热源功率 温度场的基本性质（物理叙述）： 热传导定律：“温度场的梯度为热流速度”，或表达为：通过某一截面积的热流大小正比于截面两端的温度差。 热容定律：“温度场的时间变化率为热量积累速度”，或表达为：单位体积的温度变化正比于该体积内的热量变化。,温度场（二）,温度场的基本性质（数学描

58、述）： 热传导定律： 热容定律： ，或 根据能量守衡： Gauss定理： 有 即：,刀具的温升（一）,假设刀具是一个“质点”即不考虑刀具内部的温度梯度，假设刀具周围的温度是一样的，刀具和周围环境的温度差为： ，刀具的表面积为 ，表面散热系数为 。 刀具表面单位时间散发的热量为： 单位时间内切削力产生的热量为： 假设刀具已处于热平衡状态，温度没有变化，产生的热量等于散发的热量，即： 解为,刀具的温升（二）,假设刀具的密度为 ，体积为 ，热容系数为 。假设在加工的一开始，刀具表面的的温度与环境温度相差不大，刀具表面散发的热量可忽略不计，产生的热量全部用于刀具热量的积累，根据热容定理即： 解为,刀具的温升（三）,在刀具表面既散发热量，又未达到热平衡，则： 解为 其中： 为达到热平衡时的温度， 为不考虑散热时温度升到热平衡温度的时间，,刀具的温升（四）,在退刀过程中，切削的产生的热量为零，刀具表面散发的热量来源于刀具热量的积累，根据热容定理即： 解为,刀具的温升曲线,温度对加工误差的影响,温度与变形 式中： 为线膨胀系数， 为两点间尺度 的膨胀量， 为两点间的温度差。 产生误差的原因： 温度在空间分布的变化。 温度在时间分布的变化。,机床的热变形（一）,机床的热变形（二）,机床的热变形（三