机械制造技术基础第1章

机械制造技术基础制作：机械制造教研室授课：恩吉绪论1、制造业在国民经济中的地位•制造是人类科学理念物化的过程（P1）。它是指人类按照所需目的，运用主观掌握的知识和技能，应用可利用的设备和工具，采用有效的方法，将原材料转化为有使用价值的物质产品并投放市场的全过程。•（1）机械制造业是国家工业体系的重要基础和国民经济的重要组成部分，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一；•（2）制造技术是生产、国际经济竟争、产品革新的一种重要手段；•（3）基础机械、基础零部件、基础工艺的发展，其关键在于制造技术的发展；•（4）现代以制造技术为重点的工业革命，就是第三次工业革命；在国防中举足轻重歼10：国产最先进战机中华神盾：国产最先进驱逐舰遨游太空的神六航空母舰：制造业的颠峰2、先进制造技术的发展趋势⑴信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用。⑵设计技术的不断现代化。⑶加工制造技术向超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展。⑷绿色制造将成为21世纪制造业的主要特征。目前研究热点超高速切削精密及超精密加工、、微细加工和纳米级加工自动化加工中刀具可靠性研究切削过程在线检测、监控和预报新型刀具材料的设计与开发新型高难加工材料的切削加工其它新型加工方法，如：基于环保意识的绿色干切削、硬切削、低温切削、加热切削、振动切削等复杂曲面加工，复杂刀具CAD/CAM国内研究现状山东大学(新型陶瓷刀具材料、刀具磨损破损、切削可靠性等、高速切削)，代表性人物：艾兴院士哈尔滨工业大学(精密、超精密加工、纳米级加工、特种加工等)，代表性人物：袁哲俊教授大连理工大学(切削理论、剪切角理论、石材加工等)，代表性人物：刘培德教授北京理工(硬质合金刀具、难加工材料加工等)，代表性人物：于启勋教授天津大学(陶瓷精密磨削加工等)，代表性人物：于思远教授东北大学(磨削加工)，代表性人物：郑焕文教授华南理工大学(加工表面质量、积屑瘤、加工表面残余应力)，代表性人物：周泽华教授华中科技大学（陈日曜教授）南京航空航天大学(张幼帧教授）北京航空航天大学（陈鼎昌教授）清华大学成都工具研究所等美国、日本、德国、澳大利亚等美国:Merchant,LeeandShaffer日本：臼井英治、小野浩二、中山一雄澳大利亚：Oxley国外研究现状3、如何学好本课程⑴性质：是机械类各专业的主干专业技术基础课程。⑵研究对象：金属切削原理、金属切削机床与刀具、机床夹具设计原理以及机械产品的制造工艺（包括零件加工和装配两方面）。⑶课程的主要内容①金属切削的基本原理和基本知识；②金属切削机床与刀具；③零件机械加工工艺过程的制订；④机床夹具设计原理；⑤机械加工精度与加工质量；⑥装配工艺过程设计；课程的学习要求①以金属切削理论为基础，掌握金属切削的基本原理和基本知识，并有根据具体情况合理选择加工方法（机床、刀具、切削用量、切削液等）的初步能力；②以制造工艺为主线，以产品质量、加工效率与经济性三者的优化为目标，了解和掌握机械加工工艺过程、机械加工精度和质量以及装配过程的基本原理和基本知识，具有设计工艺规程的初步能力。③了解和能够选用常用工艺装备（机床、刀具、夹具），并具有初步设计工艺装备的能力。④对先进制造技术的发展趋势有一定的了解。本课程的学习方法•金属切削理论和机械制造工艺知识具有很强的实践性。因此，希望学习本书时必须重视实践环节，即通过实验、实习、设计及工厂调研来更好地体会、加深理解。本书给出的仅是基本概念与理论，真正的掌握与应用必须在不断的实践—理论—实践的循环中善于总结，才能达到自由王国的境界。学时安排:1.(5)2.(8)3.(11)5.(11)7.(5)8.(2)9.(1)考核平时成绩30分:考勤和课堂纪律15;课堂讨论、笔记和作业15。期末闭卷考试70分.试卷题型：1．填空15％约5题；2.选择题35％约7题；3.简答题16％约4题；4.分析题24％约3题；5．计算题10％约1题。第一章：金属切削过程的基础知识（约5学时）本章提要一、基本定义介绍金属切削过程方面的一些基本概念，它包括切削运动、切削用量、参考系（基面、切削平面、主剖面）、刀具标注角度、切削层参数等。二、刀具材料介绍刀具材料应具备的性能（硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性），两种常用的刀具材料（高速钢、硬质合金）和其它刀具材料（涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼）。1.1基本定义1.1.1切削运动与切削用量工件三个表面定义：①待加工表面：即将被切去金属层的表面；②加工表面：切削刃正在切削着的表面；③已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。平面刨削的切削运动及工件上三表面课堂问题：指出钻、铣削的切削运动及工件上三个表面。1.1.1.1切削运动*⑴主运动主运动是速度最高，消耗机床功率最多的那个运动。（如图1.3Vc）注：(a)主运动可为刀具，也可为工件；(b)主运动可是直线运动，也可旋转运动；(c)切削加工中，主运动必须有一个，也只有一个。⑵进给运动进给运动使新的金属不断投入切削的运动。进给运动可是一个、两个或多个，通常消耗功率较小。（如图1.3Vf）注：（a）进给运动可以是一个、几个或没有；（b）进给运动可是直线运动、旋转运动或两者的组合；（c）进给运动可由刀具或工件完成。VcVeVf图1.3合成切削速度⑶合成运动与合成切削速度当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某点相对工件的运动称为合成切削运动。(如图1.3Ve)1.1.1.2切削用量三要素*(1)切削速度（车钻镗）(2)进给速度、进给量和每齿进给量①进给速度Vf是单位时间的进给量，单位是mm/s(mm/min)②进给量f是工件或刀具每回转一周两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r1000dnVc③对于铣刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量fz。三者的关系:(3)背吃刀量背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离（车削）（钻削）1.1.2.刀具切削部分的基本定义1.1.2.1刀具切削部分的构造主后刀面Aa是指与工件加工表面相对的刀具表面。副后刀面Aa’是指与工件已加工表面相对的刀具表面。(3)切削刃：主切削刃指前刀面与主后刀面相交的锋边；副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边。(1)前刀面：前刀面Ar是切屑流出的表面;(2)后刀面：后刀面分为主后刀面与副后刀面;车刀的组成(4)刀尖：刀尖可以是主、副切削刃的实际交点（图1.5）它也可以是圆弧或直线（通常都称为过渡刃）。1.1.2.2刀具标注角度的参考系刀具标注角度的参考系由下列诸平面构成：①基面Pr通过切削刃选定点，垂直假定主运动方向的平面。②切削平面Ps通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。③主剖面Po和主剖面参考系主剖面Po是通过切削刃选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。由Pr-Ps-Po组成的一个正交的主剖面参考系。④法剖面Pn和法剖面参考系法剖面Pn是通过切削刃选定点，垂直于切削刃的平面。Pr-Ps-Pn组成一个法剖面参考系VPrVf⑤进给剖面Pf和背平面Pp及其组成的进给、背平面参考系进给剖面Pf是通过切削刃选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面Pr的平面。背平面Pp是通过切削刃选定点，同时垂直于Pr和Pf的平面。Pr-Pf-Pp组成一个进给、背平面参考系。1.1.2.3刀具工作角度的参考系（自阅）刀具工作角度参考系与标注角度参考系的唯一不同是：用主运动与进给运动的合成切削运动Ve取代主运动VcVe=Vc+Vf1.1.2.4刀具的标注角度*•主偏角κr：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角。•刃倾角λs：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。•前角γ0：前刀面与基面间的夹角（在主剖面中测量）。•后角α0：后刀面与切削平面的夹角（在主剖面中测量）。•同理可得：副偏角κr，，副后角α0，，副刃倾角λs，，副前角γ0，，。它们的定义与主切削刃上的四种角度类似。几个派生角如下：楔角：主剖面中测量的前、后刀面间夹角。刀尖角：基面中测量的主、副切削刃间夹角。0r前角主偏角刃倾角作业：P211.6，1.131.1.3.刀具角度的换算(自阅)nff端面车刀切断车刀1.1.4.刀具工作角度1.1.4.1进给运动对工作角度的影响⑴横车基面位置变化所致:前角后角VeVfVc⑵纵车基面位置变化所致：前角后角1.1.4.2刀具安装对工作角度的影响⑴刀尖安装高低对工作角度的影响装高了导致：0102030405060708090第一季度第三季度东部西部北部课堂问题：镗孔时，当镗刀刀尖安装得高于工件中心线时，工作前角和工作后角的变化如何？⑵刀杆安装倾斜对工作角度的影响车刀刀杆与进给方向不垂直时，工作主偏角和工作副偏角将发生变化：,1.1.5切削层参数与切削形式1.1.5.1切削层参数*⑴切削厚度垂直于加工表面来度量的切削层尺寸（图1.19）称为切削厚度，以hD表示。⑵切削宽度沿加工表面度量的切削层尺寸（图1.19），称为切削宽度，以bD表示。⑶切削面积ADbD2bD1hD2hD1hD3hD2hD1bD上面所计算的均为名义切削面积。实际切削面积等于名义切削面积减去残留面积注：残留面积直接影响表面粗糙度。1.1.5.2切削形式(自阅)⑴正切削与斜切削⑵自由切削与非自由切削有关刀具材料的一组“名言”工欲善其事，必先利其器好钢用在刀刃上刀具材料的每一次进步几乎都给机械加工业带来一次革命再先进的机床没有刀具尤如一堆废铁1.2刀具材料有关刀具材料的一组“名言”机床、刀具和工件组成的切削加工系统中，刀具是最活跃的因素机床与刀具材料交替进展，成为切削技术不断向前发展的历史规律金属切削的发展史，从某种意义上说，可归结为刀具材料的发展史1.2.1.刀具材料应具备的性能*⑴高的硬度与耐磨性⑵足够的强度和韧性⑶高的耐热性⑷良好的工艺性⑸良好的经济性（1）高的硬度与耐磨性A、刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。•刀具材料最低硬度应在60HRC以上。•对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC～70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC～93HRC。B、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。•一般刀具硬度越高，耐磨性越好。•刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。⑵足够的强度和韧性•刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。•如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。•一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。（3）高的耐热性•刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。•刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。（5）良好的经济性刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。（4）良好的工艺性经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本。1.2.2.常用的刀具材料1.2.2.1.高速钢*1．高速钢概念：高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的高合金工具钢。性质及特点：①高速钢具有良好的热稳定性（正常工作切削温度可达500—650oC）；②高速钢具有较高强度和韧性、具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性③高速钢制造工艺性好（常用于钻头等）。⑴通用型高速钢①钨钢W18Cr4V(简称W18)含(钨)W18%(铬)Cr4%(钒)V1%有良好的综合性能，在600oC时其高温硬度为HRC48.5，可以制造各种复杂刀具。②钨钼钢W6Mo5Cr4V2(简称M2)（将一部分钨用钼代替所制成的钢）含(钨)W6%(钼)MO5%(铬)Cr4%(钒)V2%减小了碳化物数量及分布的