机械加工工艺基础

1、机械加工工艺基础,第一章 金属切削加工概论,第一节 金属切削加工的基本概念 第二节 金属切削刀具的几何角度 第三节 金属切削刀具材料 第四节 金属切削过程 第五节 金属切削加工中的物理现象 第六节 刀具磨损与耐用度 第七节 工件材料的切削加工性及切削用量的选择,第一节 金属切削加工的基本概念,一、零件表面的形成及切削运动 二、工件表面 三、切削层的几何参数,一、零件表面的形成及切削运动,从几何学的观点来看，“任何一个线性表面，都是由一根母线沿着导线运动而形成的”。由此我们说：“任何表面，都可以看做一条线沿着另一条线运动的轨迹。” 母线是形成表面的基本线段；导线是基本线段运动的轨迹；发生线是母线

2、和导线的统称。,根据切削运动作用的不同，可将其分为主运动和进给运动，如图1-1所示,1主运动,工件相对于刀具的回转运动即为主运动，它是金属切削运动最基本的运动，消耗功率最大，速度最高，有且仅有一个。主运动的速度称为切削速度，用vc表示，单位为m/s。当主运动是回转运动时，其切削速度大小为 vc=nd1 000 式中：d刀具或工件的最大回转直径，mm； n工件或刀具的转速，r/s。,2.进给运动 3.背吃刀量 在进给运动开始前由机床的吃刀机构提供的一种间歇进给运动称为吃刀运动。其进给量大小称为背吃刀量（切削深度），用ap表示，单位为mm。其大小为待加工表面与已加工表面间的垂直距离，即 ap=dw

3、-dm2 式中：dw待加工表面直径，mm； dm已加工表面直径，mm。 任何切削加工都必须选择合适的主运动速度vc、进给量f和背吃刀量ap，它们合称切削用量三要素。,三、切削层的几何参数,1.切削层公称厚度hD（简称切削厚度） 垂直于过渡表面测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离，单位mm，如图12所示。它反映了切削刃单位长度上的切削负荷。车外圆时，若车刀主切削刃为直线，则 hD=fsin r,2.切削层公称宽度bD（简称切削宽度） 切削层宽度是给定瞬间作用主切削刃在切削层尺寸平面上的投影(即作用主切削刃截形)的两个极限点间的距离，单位为mm。外圆车削时 bD=apsin r 3.切削层

4、公称横截面积AD（简称切削面积） 切削层在切削层尺寸平面内的实际横截面积，单位mm2，其大小为 AD=hDbD=fap,第二节 金属切削刀具的几何角度,一、车刀切削部分的组成 二、刀具角度的坐标平面与参考系 三、刀具的标注角度,一、车刀切削部分的组成,二、刀具角度的坐标平面与参考系,三、刀具的标注角度,第三节 金属切削刀具材料,一、刀具材料必须具备的性能 二、常用刀具材料,一、刀具材料必须具备的性能,刀具材料具有哪些性能才能满足要求呢? 1高的硬度 2足够的强度和韧性 3高的耐磨性和耐热性 4好的工艺性,二、常用刀具材料,1工具钢 （1）碳素工具钢 （2）合金工具钢 2高速钢 （1）普通高速钢

5、 （2）高性能高速钢 3硬质合金,第四节 金属切削过程,一、金属的切削过程与切削变形 二、切屑类型,一、金属的切削过程与切削变形区,为了研究方便，通常把金属切削过程的变形划分为三个区，如图1-6,从第一变形区开始的滑移逐步转化为第二变形区，然后是第三变形区,二、切屑类型,第五节 金属切削加工中的物理现象,在金属切削过程中，由于切削变形和刀具与工件之间的摩擦，使得在切削过程中产生了积屑瘤、切削力、切削热和加工硬化等物理现象,一、 积屑瘤 二、 切削力 三、 切削热,一、积屑瘤,1积屑瘤的形成 1积屑瘤对切削过程中的影响 3积屑瘤的控制措施,1积屑瘤的形成,积屑瘤的形成一般需要下列条件： 切削塑性

6、材料且呈带状切屑时； 刀具前角较小或为负角度时； 中等切削速度，进给量不大。,二、切削力,1切削力的合成与分解 2切削功率 3影响切削力的主要因素,1切削力的合成与分解,由图可知，总切削力F与三个互相垂直的分力Fc、Fp、Ff的关系为 F=F2c+F2p+F2f 其中切削力为Fc、背向力为Fp、进给力为Ff,2切削功率,消耗在切削过程中的功率称为切削功率，记为Pc。切削功率为切削力Fc和进给力Ff所耗功率之和，由于背向力Fp方向上没有发生位移，因此背向力不消耗功。所以切削功率Pc为 Pc=Fcvc+Ffvf100010-3 式中：Fc切削力，N； vc切削速度，m/s； Ff进给力，N； vf

7、进给速度，m/s。 由于进给运动相对于主运动消耗的功很少(小于1%2%)，可以忽略不计，于是有 PcFcvc10-3,3影响切削力的主要因素,（1）工件材料的影响 （2）切削用量的影响 （3）刀具前角的影响,三、切削热,1切削热的产生与传散 2影响散热的主要因素,1切削热的产生与传散,切削热的来源主要有三个方面：第一是切屑变形所产生的热量，它是切削热的主要来源；第二是切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量；第三是零件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。,2影响散热的主要因素,（1）工件材料的导热性能 （2）刀具材料的导热性能 （3）周围介质,第六节刀具磨损与耐用度,一、刀具磨损的形式 二、刀具

8、磨损过程与刀具磨钝标准 三、刀具耐用度,一、刀具磨损的形式,1正常磨损 2非正常磨损,1正常磨损,正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的磨损。正常磨损常常表现为三种形态：前刀面磨损、后刀面磨损和边界磨损，如图1-11所示。,（1）前刀面磨损又称月牙湾磨损,（2）后刀面磨损,由于加工表面和后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这种磨损形式叫做后刀面磨损。这种磨损形式一般发生在切削脆性金属，或以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性金属的情况下，如铸件、精加工钢件及各种多齿刀具的切削加工。,（3）边界磨损,切削钢料时，常在主切削刃或副切削刃靠近工件外

9、皮处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损,2非正常磨损,（1）塑性破损 （2）脆性破损,二、刀具磨损过程与刀具磨钝标准,1刀具磨损过程 2刀具磨钝标准,1刀具磨损过程,2刀具磨钝标准,国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准可以是以下任何一种： （1）VB=03 mm。 （2）如果主后刀面为无规则磨损，取VBmax=06 mm。 （3）前面磨损量KT=006+03f（f为进给量）。 高速钢外圆车刀的磨钝标准可以是以下任何一种： （1）如果主后刀面为有规则磨损，取VB=03 mm。 （2）破损。 （3）如果主后刀面为无规则磨损、划伤、剥落等，取VBmax=06 mm。,三、刀具耐用度,

10、一般合理刀具耐用度的制定遵循以下原则： （1）复杂刀具的刀具成本较简单刀具高，故前者的使用寿命应高于后者。例如目前硬质合金焊接车刀的使用寿命大致为3600 s(60 min)；高速钢钻头的使用寿命为80120 min；硬质合金端铣刀的使用寿命为120180 min；齿轮刀具的使用寿命为200300 min。 （2）对于装刀、调刀较为复杂的多刀机床、组合机床等，刀具使用寿命应定得高些。 （3）对于价格昂贵的现代化机床，如数控机床、加工中心等设备，刀具使用寿命应定得低些；全厂开支大时也是如此。,第七节 工件材料的切削加工性及切削用量的选择,一、工件材料的切削加工性 二、切削用量的选择,1.合理切削

11、用量的选择原则,（1）粗加工时的切削用量选择的基本原则 （2）精加工时的切削用量选择的基本原则 2.合理切削用量的选择方法 （1）背吃刀量ap的确定 （2）进给量f的确定 （3）切削速度vc的确定,在生产中，切削速度的选择一般遵循以下原则： 粗车时，背吃刀量ap和进给量f均较大，故选择较低的切削速度；反之，精车时选择较高的vc。 工件材料强度、硬度高时，应选较低的vc。刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高，如硬质合金钢的切削速度比高速钢刀具可高几倍，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具要高。 加工大型工件、细长件和薄壁工件或带外皮的工件，应适当降低切削速度。 断续切削时，为减少冲击和热应力，宜

12、适当降低切削速度。,一、工件材料的切削加工性,1工件材料的切削加工性概念与衡量指标 2改善材料切削加工性的途径 3难加工金属材料的切削加工性,1.工件材料的切削加工性概念与衡量指标,（1）刀具耐用度或一定刀具耐用度允许下的切削速度 在相同切削条件下，刀具耐用度越高，则切削加工性越好。 （2）切削力和切削温度 在相同切削条件下，切削力大或切削温度高，则切削加工性差。机床动力不足时，常用此指标。 （3）加工表面质量 凡是容易获得好的加工表面质量的材料，则切削加工性好；反之，则较差。精加工时常用此指标。,（4）断屑性能,2改善材料切削加工性的途径,（1）通过热处理改变材料的组织和机械性能 （2）调整

13、材料的化学成分,3难加工金属材料的切削加工性,（1）高强度钢、超高强度钢的切削加工性 （2）冷硬铸铁的切削加工性 （3）钛合金的切削加工性,对于上述难加工金属材料，在切削加工过程中要采取一定的措施以改善其加工性。常用的措施有以下几种： 改善切削加工条件。 选用合适的刀具材料。 优化刀具几何参数和切削用量。 对材料进行适当热处理。 选用合适的切削液。切削液供给要充足，且不要中断。 重视切屑控制。根据加工要求控制切屑的断屑、卷屑、排屑并有足够的容屑空间，以提高刀具寿命和加工质量。,二、切削用量的选择,1合理切削用量的选择原则 （1）粗加工时的切削用量选择的基本原则 （2）精加工时的切削用量选择的基

14、本原则,习题,1以外圆车削为例，说明什么是主运动、进给运动和合成运动，并分析三者间的关系。 2根据刀具工作的具体条件说明刀具应具备的性能。 3试画图说明切削过程的三个变形区及各产生何种变形。 4刀具磨损过程可分为几个阶段？各阶段有什么特点？ 5简要分析积屑瘤的产生原因及其对工件表面质量的影响。 6切削热是如何产生与传出的？,第二章 常见表面加工,第一节 平面加工 第二节 外圆表面加工 第三节 孔的加工,第一节平面加工,一、平面的分类 二、平面加工方法及其特点 三、平面加工方案的选择,一、平面的分类,1按功用和结构特征分 （1）固定连接面。 （2）导向平面。 （3）端面。 （4）板形零件平面。,

15、2按平面的性质分 可分为工作面和非工作面。 3按平面的位置分 分为外平面和内平面。一般平面本身的尺寸精度要求不高，其技术要求主要是以下三个方面： （1）形状精度。 （2）位置精度。 （3）表面质量。,二、平面加工方法及其特点,（一）车削平面 （二）刨削平面 （三）铣削平面 （四）磨削平面 （五）拉削平面 （六）刮研平面 （七）研磨平面,（一）车削平面,1车削方法 2车削的特点 （1）易于保证零件各加工面的位置精度 （2）生产率较高 （3）生产成本低 （4）适于车削加工的材料广泛,3车端面及阶台,（二）刨削平面,1刨削方法 2刨削的特点和应用 3宽刃精刨,1刨削方法,刨削加工是指用刨刀对零件作水

16、平相对直线往复运动的切削加工方法。刨削在刨床上进行，刨床分为牛头刨床和龙门刨床两类。在牛头刨床上刨削时，刀具的往复运动是主运动，工作台带动工件作间歇的进给运动。中小零件的加工，一般多在牛头刨床上进行。在龙门刨床上刨削时，工件随工作台一起作往复运动是主运动，刀具作间歇的进给运动。这种方法主要用于大型零件（如机床床身和箱体零件）的平面加工。,2刨削的特点和应用,（1）适应性较好 （2）生产率较低。 （3）加工精度较低,3宽刃精刨,为了保证加工质量，宽刃精刨必须采取以下的一些技术措施： （1）刨床要具有足够的精度和刚度，并进行仔细的调整，使工作台的运行平稳，无爬行现象，变向时无冲击现象。 （2）宽刃

17、精刨的刀具必须具有足够的刚度图2-4是宽刃刨刀的一种形式。它的主要特点是：具有较大的刃倾角，。,（3）工件在精刨以前需进行时效处理，以消除内应力。（4）加工余量和切削用量要适当。（5）刨削时应采用切削液，以改善加工表面质量。,插削是一种与刨削相似的加工方法，插削的机床叫插床。 插刀作垂直的上下直线往复运动为主运动，工件固定在工作台上，工作台纵向或横向直行作进给运动，圆工作台旋转作圆周进给运动。,（三）铣削平面,1铣削平面的加工方法及所用刀具,其中端铣和周铣相比，其特点如下：,（1）端铣的加工质量比周铣高。 （2）端铣的生产率比周铣高。 （3）端铣的适应性比周铣差。,2铣削与刨削的比较,（1）适

18、应性。 （2）生产率 （3）加工质量。 （4）设备和刀具费用,（四）磨削平面,1.方法 (1)周磨法 (2)端磨法,2平面磨削的特点,（1）平面磨床的结构简单，机床、砂轮和工件系统刚性较好，故加工质量和生产率比内、外圆磨削高。 （2）平面磨削利用电磁吸盘装夹工件，有利于保证工件的平行度，且装卸工件方便迅速，可同时装夹多个工件，生产率高。 （3）成批、大量生产中，可用磨削来代替铣削、刨削加工去除毛坯表面上的硬皮，既可提高生产率，又可有效地保证加工质量。,（五）拉削平面,（六）刮研平面,刮研是利用刮刀在工件上刮去很薄一层金属的光整加工方法。刮研平面用于未淬火的工件，它可使两个平面之间达到紧密接触，

19、能获得较高的形状和位置精度，加工精度可达IT7级以上，表面粗糙度值Ra值可达1604 m，平面的直线度可达001 mm/m，甚至可达000500025 mm/m。,（七）研磨平面,在研具和工件间置以研磨剂，从工件上研去一层极薄表层的加工方法称为研磨。研磨也是平面的光整加工方法之一。,三、平面加工方案的选择,（一）平面加工方案分析 （二）平面加工方案选择实例,（一）平面加工方案分析,（二）平面加工方案选择实例,第二节 外圆表面加工,外圆表面的技术要求： （1）尺寸精度。包括外圆面直径和长度的尺寸精度。 （2）形状精度。包括圆度、圆柱度和轴线的直线度。 （3）位置精度。包括与其他外圆面（或孔）间的

20、同轴度，以及与规定平面间的垂直度和径向圆跳动等。 （4）表面质量。包括表面粗糙度、表面层的加工硬化、金相组织变化和残余应力等。,一、外圆表面加工方法及其特点,（一）车削外圆 1粗车 外圆表面粗车的目的是去掉零件大部分加工余量，因而一般采用较大的切深、较大的进给量以及较低的切削速度。 2半精车 半精车的加工精度为 IT10IT9，表面粗糙度Ra值可达6332 m。半精车的切深和进给量均较粗车较小。,3精车 精车的加工精度为IT8IT7，表面粗糙度Ra值可达1608 m。外圆表面的精车可作为表面加工的最终工序或光整加工的预加工。 4精细车 精细车的加工精度可达IT6以上，表面粗糙度Ra值在04 m

21、以下，因此常作为终加工工序。,（二）磨削外圆,（1）纵磨法,（2）横磨法,(3)深磨法。,(4)无心外圆磨削。,2外圆磨削的特点,（1）可以较容易地达到高精度和Ra值小的表面粗糙度，同时形位公差还可以达到较高的要求，如圆柱度和同轴度（无心磨削除外）。 （2）磨削的材料范围较广，砂轮磨粒的硬度大，不仅可磨削铸铁件、未淬火钢件，而且可磨削淬火钢件及高硬度的难加工材料。 （3）磨削温度高。磨削时，砂轮表面的磨粒在高速下切削金属，因此金属变形速度很快，磨削区的温度很高，瞬时温度可达1000。磨削的高温容易使工件表面产生烧伤现象。,3先进磨削方法,（1）高光洁磨削 有如下显著的优点：加工范围广，可以加工

22、内、外圆柱面，圆锥面，端平面和成形面；生产效率高；能部分地修正上道工序留下来的形状误差和位置误差。,（2）高效磨削,高速磨削。磨削速度从通常的30 m/s提高到50 m/s以上时，称为高速磨削。 强力磨削。强力磨削就是以大的径向进给量（可达十几毫米）和小的轴向进给量进行磨削。 砂带磨削。砂带磨削是用粘满砂粒的带状砂布（即砂带）作为磨削工具的一种加工方法。其加工精度接近于同类型砂轮磨削（如无心外圆磨削、平面磨削等）所能达到的精度。,砂带磨削的特点： a生产效率高。砂带磨削生产率比铣削或砂轮磨削高410倍。 b加工质量好。砂带磨削的表面粗糙度Ra值可达040008 m，加工精度也较高。 c设备简单

23、。 d应用范围广。除了能磨削外圆面和孔外，还能磨削平面和成形面；能用于粗加工，也能用于精加工。,（三）研磨外圆,1研磨方法 外圆表面可以用手工研磨，也可用机器研磨。图2-16所示为一种手工研磨工具（研磨环）。,机械研磨是在专用的研磨机床上进行的，如图2-17所示。,2.研磨工具和研磨剂,（1）研磨工具（研具）。研具材料一般比工件材料软，以便磨料能嵌入研具表面，较好地发挥切削作用。 （2）研磨剂。研磨剂由磨料、研磨液和辅助填料等混合而成，其状态有液态、膏状和固态三种,3.研磨特点,（1）研磨能提高尺寸精度（可达IT6IT5）、形状精度，降低表面粗糙度（Ra值为010006 m），但不能提高位置精

24、度。 （2）由于研具对工件的压力小，切削速度低，每个磨粒的切削厚度小，所以，研磨的生产率低。研磨余量一般为001003 mm。 （3）加工方法简单，易保证质量，不需要复杂的高精度设备。 （4）适用范围广，可用于加工钢、铸铁、铜、铝、硬质合金、半导体、陶瓷、塑料、光学玻璃等材料，并可用于加工内外圆柱面、内外圆锥面、平面、螺纹和齿轮的齿形等型面。,（四）超精加工,1超精加工方法 超精加工是用装有一种极细磨粒油石的磨头，在一定压力下对工件表面进行光整加工的方法，如图219所示。,2超精加工的特点,（1）表面完整性好。 （2）不能提高尺寸精度、形状精度和位置精度。 （3）生产率高。 （4）设备简单，操

25、作方便,（五）抛光,抛光是用涂有抛光膏的、高速旋转的抛光轮对工件进行微小的切削，从而降低工件的表面粗糙度，提高光亮度的一种光整加工方法 抛光主要用于加工一些表面粗糙度要求小的零件，以提高零件的疲劳强度、抗磨性能和耐腐蚀能力。此外，抛光也用于表面装饰加工。,二、外圆表面加工方案的选择,（一）外圆表面加工方案分析 1加工淬火钢件的外圆面 例如，精度为IT8IT7、表面粗糙度Ra值为1608 m的外圆表面，其加工方案为： 粗车半精车（淬火）粗磨。若在粗磨后再进行精磨，可使精度和表面粗糙度Ra值分别提高到IT7IT6和0402 m。对于要求更高的外圆面，在精磨后再进行光整加工，精度和表面粗糙度Ra值分

26、别可达到IT6IT5和010008 m。前已述及，磨削还能纠正位置误差和形状误差，故对磨削前的车削要求不必过高，进行半精车即可。而光整加工（超精加工和研磨）纠正误差的能力差，故其前工序应为精磨。,外圆表面加工方案,2加工不淬火钢件和铸铁件的外圆面 一般仍采用与淬火钢件相同的方案，即先车后磨。其加工方案为：粗车半精车精车 3加工有色金属等韧性材料零件的外圆面 一般采用车削方案，因为这类材料的切屑容易堵塞砂轮，不适于磨削。,（二）外圆表面加工方案选用实例,3.根据零件材料的性能选择零件材料的性能，尤其是材料的韧性、脆性等，对切削加工方法的选择有较大的影响。如图224所示，同为阀杆零件上的25h4，

27、Ra值005 m的外圆，由于图（a）的材料为45钢，其加工方法为：粗车半精车粗磨精磨研磨；而图（b）的材料为有色金属青铜，塑性较大，不宜磨削（其屑末易堵塞砂轮），常用精细车代替磨削，其加工方法为：粗车半精车精车精细车研磨。,第三节 孔的加工,孔、内圆是组成机械零件的基本表面，尤其是盘套类和支架箱体类零件，孔是重要表面之一。零件上有多种多样的孔，常见的有以下几种： （1）紧固孔（如螺钉孔等）和其他非配合的油孔等。 （2）回转体零件上的配合孔，如套筒、法兰盘及齿轮上的孔等。 （3）箱体类零件上的孔，如床头箱箱体上的主轴和传动轴的轴承孔等。这类孔往往构成“孔系”。 （4）深孔，即L/D510的孔，如

28、车床主轴上的轴向通孔等。 （5）圆锥孔，如车床主轴前端的锥孔及装配用的定位销孔等。 孔的技术要求有： （1）尺寸精度。包括孔的直径和深度的尺寸精度等。 （2）形状精度。包括孔的圆度、圆柱度及轴线的直线度等。 （3）位置精度。包括孔与孔或孔与外圆表面的同轴度，孔与孔或孔与其他表面间的尺寸精度、平行度和垂直度等。 （4）表面质量。包括表面粗糙度、表面层的加工硬化、金相组织变化及残余应力等,一、孔的加工方法及其特点,（一）钻孔 定义：用钻头在零件的实体部位加工孔叫钻孔。,钻孔的特点,（1）钻孔的精度低，表面粗糙度大，容易产生孔径扩大、轴线歪斜和明显的圆度误差等缺陷。 （2）钻孔的生产率低。为了提高钻

29、孔的质量和生产率，可以采用以下措施： a改进麻花钻的结构。如图2-27 b提高钻头刃磨质量，尽量保证两个刀刃对称。 c合理使用切削液并注意排屑。 d合理选择钻孔方式。,（二）扩孔,它与麻花钻相比有以下特点： （1）扩孔钻的刀齿数较多，有34个刀齿，导向性好，切削平稳。 （2）扩孔的余量较小,ap=d0-dm2，容屑槽可做得较窄较浅，故钻心较粗，刀体的刚性较好，能采用较大的进给量和切削速度。 （3）扩孔钻无横刃，切削条件比麻花钻好。与钻孔相比，扩孔的精度较高，表面粗糙度较小，并可以部分地纠正钻孔的轴线歪斜，常用于孔的半精加工。 扩孔一般在钻床、车床、镗床上进行，也可在铣床上进行。,（三）铰孔,定

30、义：铰孔(即铰削)是指用铰刀从零件孔壁上切除微量金属层，以提高尺寸精度和减小表面粗糙度的一种加工方法。 1铰孔的方法和铰刀 铰孔的方法有机铰和手铰两种，机铰如图2-32所示,2铰削的特点,（1）铰削可以达到较高的精度和较小的粗糙度。 （2）铰孔纠正位置误差的能力很差。 （3）铰刀是定径刀具，只要注意满足上述的工艺要求，就容易保证铰孔的质量。 （4）铰削的适应性较差。 （5）铰削可加工钢、铸铁和有色金属零件，但不宜加工淬火钢和其他硬度过高的材料。,（四）镗孔,定义：镗孔是用镗刀对已经钻出、铸出或锻出的孔作进一步加工的方法。镗孔可分粗镗、半精镗和精镗 。 1镗孔的方法和刀具 （1）在车床上镗孔。

31、（a）镗通孔（b）镗不通孔（c）镗槽 如图2-35,（2）在镗床上镗孔。,2镗削的特点（指单刃镗刀的镗削）,（1）镗削可有效地校正原孔的轴线偏斜。 （2）镗削的适应性广，可在钻孔、铸孔或锻孔的基础上进行，可达加工精度和表面粗糙度的范围较广，除直径很小且较深的孔以外，各种直径及各种结构类型的孔均可镗削。 （3）镗刀的制造和刃磨较简单，费用较低。 （4）镗削生产率低。 （5）镗削可加工钢、铸铁和有色金属零件，但不宜用于加工淬火钢和硬度过高的材料。,（五）磨孔,磨孔可在内圆磨床或万能外圆磨床上进行。如图241所示，,2磨孔的特点,（1）与铰削相比，磨削的适应性较广。 （2）与外圆磨削比较，表面粗糙度

32、较大。 内圆磨削与外圆磨削相比，虽然有以上缺点，但磨孔的适应性好,（六）拉孔,定义：拉孔是用拉刀对已钻或粗镗后的孔进行精加工。 1拉削方法及刀具 如图2-42拉削过程,圆孔拉刀（图243所示）的主要组成及其作用： （1）头部l1。用来将拉刀夹持在机床上并传递动力。 （2）颈部l2。是头部和过渡锥的连接部分，其直径较其他部分小。,（3）过渡锥l3。使拉刀容易进入工件的孔中。 （4）前导部分l4。拉削开始时，它使工件轴线与拉刀轴线重合，起引导作用。 （5）切削部分l5。又包括粗切齿和精切齿两部分，承担主要的切削任务。相邻两齿的齿升量就是每齿的进给量（af），为00202 mm。拉刀齿数取决于加工余

33、量和齿升量。 （6）校准部分l6。一般有48个齿。校准齿没有齿升量，仅起刮光孔壁和校正孔径的作用，保证孔面加工质量。 （7）后导部分l7。用来保证拉刀最后一齿与工件间的正确位置，以防止工件被最后一齿刮伤。,2拉削的特点 （1）由于拉削速度低，切削厚度很小，所以拉削过程平稳，不会产生积屑瘤. （2）拉刀一次行程即可完成加工，故生产率较镗孔和铰孔均高得多。 （3）与铰孔相似，拉削不能纠正孔的位置误差。 （4）拉削对孔的前工序加工要求不高，一般在钻孔或粗镗后直接进行。 （5）拉刀的制造及刃磨复杂，成本高。 由于以上特点，拉孔只适用于大批大量生产。,（七）研磨孔,研磨孔是常用的一种光整加工方法，用于对

34、精镗、精铰或精磨后的孔进行进一步光整加工。 （八）珩磨孔 珩磨是研磨的发展，是用具有若干油石条的珩磨头代替切削作用很弱的研具，对工件进行精密切削的一种方法。,二、孔加工方案的选择,拟定孔的加工方案比外圆面复杂得多，这是因为： （1）孔的类型很多，各种孔的功用不同，致使其孔径、长径比以及孔的技术要求等方面差别很大。 （2）加工外圆面的基本方法只有车、磨削和光整加工，而常用的孔加工方法则有钻、扩、铰、镗、磨、拉削和光整加工多种，且每一种方法都有一定的应用范围和局限性。 （3）带孔零件的结构和尺寸是多种多样的，除回转体零件外，还有大量的箱体、支架类零件。,（一）机床的选择,（1）轴、盘、套类零件轴线

35、位置的孔，一般选用车床（镗孔）、磨床加工。 （2）小型支架上的轴承支承孔，一般选用花盘-弯板装夹加工车床或选用卧铣加工。 （3）箱体和大、中型支架上的轴承支承孔，多选用铣、镗床加工。 （4）各种零件上的销钉孔、穿螺钉孔和润滑油孔，一般在钻床上加工。 （5）各种小孔、微孔及特殊机构、难加工材料上的孔，应选用特种加工机床加工。,（二）孔加工方案的选用,1孔加工常用的方案 孔加工常用的方案见图247（表中Ra的单位为m）。 2所选用孔加工方案的几点说明 （1）在实体材料上加工孔，首先必须钻孔；对于毛坯上已经铸出或锻出的孔，则首先采用扩孔或镗孔。 （2）中等精度和表面粗糙度（IT8IT7、Ra为160

36、8 m）的孔，有以下两种情况： 未淬硬的钢件或铸铁件 淬火钢件。,（三）孔加工方案选择实例,1根据表面的尺寸精度和表面粗糙度Ra值选择 如图248所示，图（a）为隔套，图（b）为衬套，其上均有40的内圆。,2根据零件的批量选择 零件的批量是根据产品（机器）的年产量分批投产零件的数量，可分为单件小批、成批（中批、大批）和大量生产三种，如表23所示。,习题,1.图2-53所示零件为轴承座（支架），试为指定的孔选择加工方法、顺序及机床（数量：5件，材料：HT200）,2.下列情况的孔加工，应选用什么机床？ （1）在大型铸件上钻螺栓孔和油孔; （2）在锌合金压铸件上钻油孔； （3）在大型铸件上钻、镗两

37、个具有位置精度要求的孔； （4）检修牛头刨床时，需要在床身上钻、铰销孔; （5）在薄板上加工60的孔。,第三章 数控机床加工,第一节 概述 第二节 数控机床的分类 第四节 程序编制 第五节 先进制造系统简介,第一节 概述,一、数控机床的定义 数控机床就是采用数字控制技术进行加工的机床。数字控制技术(Numerical Control)是近代发展起来的一种自动控制技术, 国家标准(GB 812987)定义为“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”，简称数控(NC)。,二、数控机床的组成及工作原理 根据数控装置的不同，数控机床可以分为NC机床和CNC机床。数控装置有两种类型：完全由

38、硬件逻辑电路构成的专用硬件数控装置，即NC装置；由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置，即CNC装置。采用硬件数控装置控制的机床称为硬件数控机床即NC机床；采用CNC装置控制的机床称为CNC机床。数控机床已由早期的NC机床发展到目前的CNC机床，本章介绍CNC数控机床。,（一）数控机床的组成 数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，如图3-1所示。,（二）数控机床工作原理,三、数控机床的特点及应用范围,（一）数控机床的特点 1对加工对象改型的适应性强 2可以加工具有复杂型面的工件 3加工精度高，尺寸一致性好 4生产效率高 5可以减轻工人劳动强度，实现一人多机

39、操作 6良好的经济效益 7有利于生产管理的现代化,（二）数控机床的应用范围,适于数控加工的零件类型一般有： （1）多品种小批量生产的零件或新产品试制中的零件。 （2）形状复杂，加工精度要求高，通用机床无法加工或虽然能加工，但质量难以保证的零件。 （3）用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件。 （4）具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒形零件。 （5）必须在一次装夹中合并完成铣(车)、镗、钻、铰或攻螺纹等多工序加工的零件。 （6）在通用机床上加工效率低、工人手工操作劳动强度大的零件。 （7）需要多次改形的零件。,四、数控机床的发展概况 第二次世界大战后，随着电子技术的发展，数

40、据处理以及电子计算机的出现推动了生产机械自动化的发展。美国为了加速飞机工业的发展，由空军部门委托派尔森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所，历经三年，终于在1952年成功研制了可同时控制三轴运动的数控立式铣床，世界上第一台数控机床诞生了。,第二节 数控机床的分类,1定位控制数控机床,2.直线控制数控机床,3.轮廓控制数控机床,二、按机床可控（联动）轴数进行分类,三、按机床的控制方式进行分类,1开环控制的数控机床,2闭环控制的数控机床,3半闭环控制的数控机床,四、按加工方式分类,1金属切削类数控机床 2金属形成类数控机床 3特种加工数控机床 4其他类型机床,五、按数控系统类型分类 1硬件式数控（N

41、C） 2 软件式数控，亦称计算机数控（CNC） 六、按功能水平分类 1低档经济数控 2中档数控系统 3高档数控系统,第三节 数控机床的加工原理,一、CNC装置的工作过程 1输入 2译码 3数据处理（预处理） 4插补 5位置控制 6I/O处理 7显示 8诊断,二、CNC装置的插补原理,插补（interpolation）是依照一定的方法实现刀轨的过程，例如用折线逼近所要加工的轨迹曲线。 数控机床常用的插补计算方法有两类：脉冲增量插补和数字增量插补。,三、直线插补,1逐点比较法插补原理,2直线插补,1）偏差计算公式 如图3-13所示，以第一象限的直线OA为例，终点A坐标为（Xe，Ye），起点为加工原

42、点。m（Xm，Ym）为加工动点，若m在OA直线上，则有 Xm/Ym=Xe/Ye（31） 取 Fm=YmXe-XmYe（32） 作为直线插补的偏差判别式。 若Fm=0，表明点m在OA直线上； 若Fm0，表明点m在OA直线上方的m处； 若Fm0，表明点m在OA直线下方的m处。 |Fm|越小，m点越逼近直线。 因此，Fm可用于判别点和直线的相对位置。 对于第一象限，直线从起点（即坐标原点）出发，只能向+X、+Y方向运动，并应向使|Fm|最小的方向走，才能保证最逼近直线，误差最小。当Fm0时，沿+X轴方向走一步：当Fm0时，沿+Y轴方向走一步；当两个方向所走的步数与终点坐标（Xe，Ye）相等时，发出到

43、达终点信号，停止插补。,设在某加工点处，有Fm0，应沿+X方向进给一步，走一步后新的坐标值为 Xm+1=Xm+1， Ym+1=Ym 新的偏差为 Fm+1=Ym+1Xe-Xm+1Ye=Fm-Ye（33） 若Fm0，应向+Y方向进给一步，走一步后新的坐标值为 Xm=Xm+1， Ym+1=Ym+1,新的偏差为 Fm+1=Ym+1Xe-Xm+1Ye=Fm+Xe（34） 式（33）、（34）为简化后的偏差计算公式，在公式中只有加、减运算，只要将前一点的偏差值与等于常数的终点坐标值Xe、Ye相加或相减，即可得到新的坐标点的偏差值。加工的起点是坐标原点，起点的偏差值是已知的，即Fm=0。这样，随着加工点前进

44、，新加工点的偏差Fm+1都可以由前一点偏差值Fm和终点坐标相加或相减得到。 逐点比较法直线插补的计算过程归纳如表31所示。,（2）终点判别 每进给一步后，都要进行一次终点判别，以确定是否达到直线终点。直线终点的判别方法常采用总步数法，即根据X、Y两向坐标所走的总步数来判断。 =|xe-X0|+|Ye-Y0|（35） 每走一步X或Y，均进行(-1)计算，直至=0时即到终点，停止插补。 （3）直线插补过程 从以上论述可以看出，逐点比较法直线插补过程中，刀具每走一步都要完成图312所示的四项内容： 偏差判别。判别偏差符号，确定加工点与轮廓线的位置关系。 坐标进给。根据偏差情况，确定控制X坐标（或Y坐

45、标）进给一步，使加工点向轮廓线靠拢，以缩小偏差。,偏差计算。计算进给一步后加工点与要求轮廓线的新偏差，作为下一步偏差判别的依据。 终点判别。根据这一步的进给结果，判定是否到达终点，如果未到终点，继续插补；如果已经到达终点，停止插补。 例如：设欲加工第一象限直线OE，起点在原点，终点坐标Xe=5，Ye=4，试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。其插补运算过程如表32所示，插补轨迹如图314所示。 表3-2逐点比较法直线插补过程,(4)四个象限的直线插补计算 前面所述的是第一象限的直线插补方法，其他三个象限的直线插补计算方法，可以用相同原理获得。对于不同象限的直线插补时，因为终点坐标（Xe，Ye）和加

46、工点坐标均取绝对值，所以它们的计算公式与计算程序和第一象限相同，归纳为表3-3和图3-15,一、数控机床坐标系,（一）右手直角笛卡儿坐标系 1坐标和运动方向命名的原则 不论数控机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是刀具静止、工件运动，都假定为工件不动，刀具相对于静止的工件做运动。当工件运动时，在坐标轴符号上加“”表示。如+X、+Y、+Z分别表示工件相对于刀具正向运动的指令，它们与+X、+Y、+Z表示的运动方向恰好相反。,第四节 程序编制,2标准坐标系（机床坐标系）的规定,3运动方向的确定 国际标准规定，增大工件和刀具之间的距离（即增大工件尺寸）的方向为正方向，如图3-22、图3-23 所示,

47、（二）机床坐标系和工件坐标系,1机床坐标系 （1）机床原点,（2）机床参考点 机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。因此参考点相对机床原点的坐标是一个已知数。,2工件坐标系,二、程序编制的基础知识,（一）加工程序编制的基本概念 1加工程序编制 2手工编程 3自动编程,（二）数控加工程序的结构,1程序的组成 （1）程序号。 （2）程序内容。 （3）程序结束。,2程序段格式,3主程序和子程序 （1）主程序和子程序的定义 加工程序可分为主程序和子程序。当在一个加工程序中的若干位置上有连续若干

48、段程序在写法及格式上有完全相同的内容时，可将这些重复的程序段单独提出来，并按一定的格式编写，这就是子程序。子程序以外的程序段为主程序。,（2）子程序的编程格式 O（或、P、%） M99； 在子程序的开头编制子程序号，在子程序的结尾用M99指令。,（3）子程序的调用格式 常用的子程序调用格式有以下几种： M98 P P后面的前3位为重复调用次数，省略时为调用一次；后4位为子程序号。 M98 PL P后面的前4位为子程序号；L后面的4位为重复调用次数，省略时为调用一次。 例如： O10 O15 N010 N101 G00 W-120; N014 N102 N032 M98 P15 L2; N109

49、 M99; N036 ,（4）子程序嵌套,（三）加工程序指令代码,1准备功能字G 准备功能字的地址符是G，又称为G功能或G指令，用于规定刀具和工件的相对运动轨迹（即指令插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿和坐标偏置等多种加工操作。,2进给功能字F,F指令在螺纹切削程序段中常用来指令螺纹的导程，有两种表示方法： （1）代码法。 （2）直接指定法。,3主轴转速功能字S 主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速，由地址码S和其后的若干位数字组成，数字表示主轴转速，其单位按说明书规定。 4刀具功能字T 刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具

50、的编号。 5辅助功能字M 辅助功能字的地址符是M，由地址码M和后面的两位数字表示，又称为M功能或M指令，用于表示一些机床辅助动作及状态 6尺寸字 亦称尺寸指令。它在程序段中主要用来指明机床刀 具运动到达的坐标位置。,（一）车削指令其指令格式为：G92 XZ;该指令是声明刀具起刀点(或换刀点) 在工件坐标系中的坐标，通过声明这一参照点的坐标而创建工件坐标系。,解：通过刀具起始点来设定加工坐标系，即 以刀位点为参考点进行设定。G92指令的功能是通过确定对刀点距工件坐标系原点的距离，即刀具在工件坐标系的坐标值（绝对值）（4000，2500），而设定工件坐标系，从而建立了工件坐标系与机床坐标系的关系。

51、程序从对刀点开始，以后的绝对指令值都是此工件坐标系中的坐标值,2快速点定位指令G00,其指令格式为：G92 X-Z-; 该指令是声明刀具起刀点(或换刀点) 在工件坐标系中的坐标，通过声明这一参照点的坐标而创建工件坐标系。 3直线插补指令G01 其指令格式为：G01 X(U)-Z(W)F-； 其中：X、Z的值是直线插补的终点坐标值。 直线插补指令用于产生按指定进给速度F实现的空间直线运动。,4圆弧插补指令G02 G03 G02为按指定进给速度的顺时针圆弧插补，G03为按指定进给速度的逆时针圆弧插补，这是对后置刀架而言。 2插补平面选择指令G17、G18、G19 其指令格式为：G17 X-Y-；

52、G18 Z-X-； G19 Y-Z-；,（二）铣削指令,1绝对尺寸指令G90和增量尺寸指令G91 在加工程序中，有绝对尺寸指令和增量尺寸指令两种表达方法。 2插补平面选择指令G17、G18、G19 其指令格式为：G17X-Y-； G18 Z-X-； G19 Y-Z-；,3圆弧插补指令G02/G03 其指令格式为： G17 G02/G03 X-Y-(I-J-或R-) F-； G18 G02/G03 Z-X-(K-I-或R-) F-； G19 G02/G03 Y-Z-(J-K-或R-) F-； G02为按指定进给速度的顺时针圆弧插补，G03为按指定进给速度的逆时针圆弧插补。 4暂停指令G04 其指

53、令格式为：,5刀具半径补偿指令G41、G42、G40 数控机床在实际加工过程中是通过控制刀具中心轨迹来实现切削加工任务的，而在编制轮廓切削加工的场合，一般以工件的轮廓尺寸为刀具轨迹编程，这样编程可以避免复杂的数值计算，加工简单。,第五节 先进制造系统简介,一、并行工程 并行工程（Concurrent Engineering, CE）的定义: 依据美国防御分析研究所（IDA）1988 年的报告，CE 可定义为对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。CE

54、 可以理解为一种集企业组织、管理、运行等诸多方面于一体的先进设计制造模式。,2.CE的特点 （1）设计人员的团队化。 （2）设计过程的并行性。 （3）设计过程的系统性。 （4）设计过程的快速反馈。 3.CE 的关键技术 CE 的关键技术包括四个方面：产品开发的过程建模、分析与集成技术，多功能集成产品开发团队，协同工作环境，数字化产品建模。,二、精益生产,1精益生产（Lean Production, LP）的概念 定义：“精益生产的原则是：团队作业，交流，有效利用资源并消除一切浪费，不断改进及改善。精益生产与大量生产相比只需要1/2劳动力，1/2占地面积，1/2投资，1/2工程时间，1/2新产品

55、开发时间。” 它的基础就是在计算机网络支持下的、以小组方式工作的并行工作方式。在此基础上的三根支柱是： 全面质量管理。 准时生产和零库存。 成组技术。,2精益生产的特征 精益生产的主要特征可以概括为如下几个方面： (1)以用户为“上帝”。 (2)以“人”为中心。 (3)以“精简”为手段。 (4)成组技术 （5）JIT 供货方式。 （6）小组工作和并行设计。 （7）“零缺陷”工作目标。精三、虚拟制造,三、虚拟制造,1虚拟制造（Virtual Manufacturing, VM）的定义 虚拟制造是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，集成现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人

56、工智能、人工现实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。,2虚拟制造的关键技术,（1）建模技术。 (2）仿真技术。 （3）虚拟现实技术（Virtual Reality Technology, VRT）。,四、智能制造,1智能制造（Intelligent Manufacturing, IM）的概念 智能制造应当包含智能制造技术（Intelligent Manufacturing Technology,IMT)和智能制造系统（Intelligent Manufacturing System, IMS）两方面的内容。 2智能制造的特征 (1)广泛性。 (2)集成性。

57、 (3)系统性。 （4）动态性。 （5）实用性。,3智能制造的关键技术,（1）智能设计技术。 （2）智能机器人技术。 （3）智能诊断技术。 （4）自适应技术。 （5）智能管理技术。 （6）并行工程。 （7）虚拟制造技术。 （8）计算机网络与数据库技术。,12.设欲加工第一象限逆圆AB，起点A（4，0），终点E（0，4），采用逐点比较法插补，试写出插补计算过程并画出插补轨迹。 13.制定图341所示零件的数控车削加工工艺并编制精加工程序，其中40不加工。,第四章 典型表面加工,第一节 螺纹加工 第三节 成形表面加工 第二节 齿轮齿形加工,第一节螺纹加工,一、螺纹的种类和用途,二、螺纹的几何要素,

58、（1）螺纹牙型。（2）中径d2。 （3）螺距P。（4）线数n。（5）旋向。,三、螺纹加工的主要技术要求,（1）螺纹精度。 （2）旋合长度。 （3）形位公差的要求 （4）尺寸精度,四、螺纹的标记,（一）车削螺纹 1车削螺纹的要求 （1）要使刀具切削部分的形状与螺纹通过轴线截面的牙槽形状相吻合，并使左右刀刃与螺纹轴线的垂直线相对称，从而获得正确的牙形。 （2）必须使工件转一转时，车刀移动一个螺距值，从而获得所需的螺距。 （3）要准确地控制切削过程中多次走刀的总切削深度，从而获得要求的直径值。,2.车削螺纹的类型及特点,（二）铣削螺纹,铣螺纹可以分为如下三种。,（三）磨削螺纹,1磨削螺纹的方法 （1

59、）单线砂轮磨削,（2）多线砂轮磨削,（四）攻螺纹（攻丝）与套螺纹（套丝）,1攻螺纹,2套螺纹,（五）滚压螺纹,六、螺纹加工方案的选择 对于精度要求较高或很高的螺纹，一般采用下面两种方案： 第一种加工方案：车削磨削(研磨)。 第二种加工方案：铣削磨削(研磨)。,第二节 齿轮齿形加工,一、圆柱齿轮的传动类型和齿轮的结构形式,二、圆柱齿轮传动的精度要求和精度等级,1圆柱齿轮的精度要求 根据齿轮传动的特点和用途不同，对齿轮的精度提出不同的要求。将齿轮各项公差分为三组： （1）第公差组影响传动性能的准确性。 （2）第公差组影响传动的平稳性。 （3）第公差组影响载荷分布的稳定性。,2齿轮的精度等级及其选择,三、圆柱齿轮加工方法及其特点,（一）成形法加工齿形 1铣齿的方法,2铣齿加工的特点 （1）生产成本低。 （2）加工精度低。 （3）生产率低。,（二）范成法(展成法)加工齿形,1滚齿 （1）滚齿原理和滚刀,（2）滚齿机和滚齿运动,（3）滚刀的安装角度,（4）滚齿的加工特点,滚齿加工所用的滚齿刀，其齿形只与被加工齿轮