第3章机械加工的工艺装备知识

机械加工技术与实训崔国利主编第3章机械加工的工艺装备知识3.1刀具3.1.1金属切削刀具3.1.2刀具寿命及其影响因素3.2机床夹具3.2.1机床夹具的概念3.2.2夹具的分类3.2.3机床夹具的组成3.2.4机床夹具的作用3.3工件定位3.3.1工件定位原理3.3.2定位方式分类第3章机械加工的工艺装备知识3.4常见定位方式及定位元件3.4.1工件以平面定位时的定位元件3.4.2工件以圆孔定位时的定位元件3.4.3工件以外圆柱面定位时的定位元件3.5工件在夹具中的夹紧3.5.1夹紧装置的组成及基本要求3.5.2设计夹紧装置时的基本问题3.6基本夹紧机构3.6.1斜楔夹紧机构3.6.2螺旋夹紧机构3.6.3偏心夹紧机构第3章机械加工的工艺装备知识3.7夹具的其他装置3.7.1对刀装置3.7.2导引元件3.7.3夹具在机床上的安装3.8量具3.8.1量具的类型3.8.2常用量具3.8.3量具的选择3.8.4量具的维护和保养3.1.1金属切削刀具1.刀具材料(1)刀具材料应具备的性能刀具材料的切削性能，关系着刀具的寿命和生产率；刀具材料的工艺性，影响着刀具本身的制造与刃磨质量。1)硬度。2)强度(主要指抗弯强度)。3)韧性。4)耐磨性。5)耐热性。6)工艺性。3.1刀具3.1.1金属切削刀具(2)常用刀具材料的种类和用途1)碳素工具钢。2)合金工具钢。3)高速钢。4)硬质合金。①钨钴类(K类)。这类硬质合金是由碳化钨和钴组成的。它的牌号由汉语拼音字母YG和数字表示，字母表示钨钴类，数字表示钴的质量百分数，常用的牌号有YG3、YG5、YG8等。钨钴类硬质合金适于加工铸铁、非铁金属等脆性材料。YG3因钨含量大而钴含量小，硬度高而韧性差，所以适用于精加工。YG8钨含量小而钴含量大，硬度低而韧性好，因此适用于粗加工。3.1.1金属切削刀具②钨钛钴类(P类)。这类硬质合金是由碳化钨、碳化钛粉末，用钴作粘合剂制成的。钨钛钴类硬质合金耐磨性好，能承受较高的切削温度，适合加工塑性金属及韧性较好的材料。因为它性脆，不耐冲击，因此不宜加工脆性材料(如铸铁等)。常见的牌号有YT5、YT15、YT30等，牌号中的字母YT表示钨钛钴类，数字表示钛的质量百分数。YT5碳化钛含量小而钴含量大，其抗弯强度较好，能承受较大冲击力，适用于粗加工。YT30碳化钛含量大而钴含量小，适用于精加工。3.1.1金属切削刀具③钨钛钽(铌)钴类(M类)。这类硬质合金是在钨钛钴类基础上加入少量的碳化钽或碳化铌制成的，其抗弯强度和冲击韧度都比较好，所以应用广泛，不仅可加工脆性材料，也可加工塑性材料。常见的牌号有YW1、YW2等。它主要用于加工高温合金、高锰钢、不锈钢、铸铁及合金铸铁等。5)人造聚晶金刚石(PCD)。6)立方氮化硼(CBN)。2.刀具的几何形状图3-1刀具切削部分的组成3.1.1金属切削刀具(1)刀具切削部分的组成1)前面(Aγ)。2)主后面(Aα)。3)副后面(A)。4)主切削刃(S)。5)副切削刃(S′)。6)刀尖。(2)辅助平面为了定义刀具角度，在切削状态下，选定切削刃上某一点而假定的几个平面称为辅助平面，如图3-2所示。图3-2刀具的辅助平面3.1.1金属切削刀具1)基面(pr)。2)主切削平面(ps)。3)正交平面(po)。4)假定工作平面(pf)。5)背平面(pp)。6)副切削平面(p)。(3)刀具的几何角度刀具的切削性能、锋利程度及强度主要是由刀具的几何角度来决定的。图3-3刀具的几何角度3.1.1金属切削刀具1)在正交平面内测量的角度①前角(γo)。它是前面与基面间的夹角。前角的大小决定切削刃的强度和锋利程度。前角大，刃口锋利，易切削；但前角过大，强度低，散热差，易崩刃。②后角(αo)。它是主后面与主切削平面间的夹角。后角的大小决定刀具后面与工件之间的摩擦及散热程度。后角过大，散热差，刀具寿命短；后角过小，摩擦严重，刃口变钝，温度高，刀具寿命也短。一般取αo=5°～12°。③楔角(βo)。它是前面与主后面间的夹角。一般取βo=90°-(γo+αo)。3.1.1金属切削刀具2)在基面内测量的角度①主偏角(κr)。它是主切削平面与假定工作平面间的夹角。主偏角的大小决定背向力与进给力的分配比例和散热程度。主偏角大，背向力小，散热差；主偏角小，进给力小，散热好。②副偏角(κ)。它是副切削平面与假定工作平面间的夹角。副偏角的大小决定副切削刃与已加工表面之间的摩擦程度。较小的副偏角对已加工表面有修光作用。③刀尖角(εr)。它是主切削平面与副切削平面间的夹角。一般取εr=180°-(κr+κ)。3)在主切削平面内测量的角度:刃倾角(λs)是主切削刃与基面间的夹角。3.1.1金属切削刀具图3-4车刀的类型与用途3.常用刀具的种类和用途(1)车刀车刀是金属切削中应用最为广泛的一种刀具。3.1.1金属切削刀具(2)铣刀铣刀的种类很多，但从结构实质上可看成是分布在圆柱体、圆锥体或特形回转体的外圆或端面上的切削刃，或镶嵌上刀齿的多刃刀具。(3)孔加工刀具在金属切削过程中，孔加工的比重是很大的，经常需要使用各种孔加工刀具。图3-5铣刀的种类3.1.2刀具寿命及其影响因素1.刀具磨损的形式(1)前面磨损前面磨损是指在离主切削刃一小段距离处形成月牙洼，故又称月牙洼磨损(见图3-6a)。(2)后面磨损切削铸铁等脆性金属或以较低的切削速度和较小的切削厚度切削塑性金属时，摩擦主要发生在工件过渡表面与刀具后面之间，刀具磨损也就主要发生在后面(见图3-6b)。图3-6刀具的磨损形式3.1.2刀具寿命及其影响因素(3)前、后面磨损在粗加工或半精加工塑性金属或加工带有硬皮的铸铁件时，常发生前面和后面都磨损的情况(见图3-6c)。2.刀具磨损的原因3.刀具磨损的过程图3-7刀具的磨损过程3.1.2刀具寿命及其影响因素(1)初期磨损(AB段)这一阶段磨损较快，这是因为刀具表面和切削刃上的微小峰谷(刃磨时的磨痕形成的)以及刀具刃磨时产生的微小裂纹、氧化或脱碳层等缺陷很快被磨平，AB段曲线斜率较大。(2)正常磨损(BC段)经过初期磨损，刀具后面上磨出一狭窄的棱面，增大了切削力的作用面积，磨损速度减缓，磨损进入正常阶段。(3)剧烈磨损(CD段)经过正常磨损阶段后，刀具切削刃明显变钝，致使切削力增大，切削温度升高，刀具进入剧烈磨损阶段。4.刀具磨钝标准5.刀具寿命3.2机床夹具3.2.1机床夹具的概念3.2.2夹具的分类1.按夹具的使用特点分类(1)通用夹具这类夹具通用性较强，使用时无须调整或稍加调整，就可以在一定范围内用于工件的装夹。(2)专用夹具专用夹具是指为某一工件的某道工序专门设计制造的夹具。(3)可调夹具它包括通用可调夹具和成组夹具。(4)组合夹具这类夹具由预先制造好的标准化元件及部件组装而成。(5)随行夹具这是自动线上使用的一种夹具。2.按夹具使用的机床分类3.按夹具的动力源分类3.2.3机床夹具的组成(1)定位装置夹具上确保工件取得正确位置的元件或装置。(2)夹紧装置这种装置包括夹紧元件或其组合和动力源。(3)对刀或导向元件它用来确定夹具与刀具之间的相互位置并引导刀具进行加工，多用于铣床夹具、钻床夹具和镗床夹具中。(4)其他元件及装置它包括：确定夹具在机床工作台上方位的安装元件——定位键；为使工件在一次安装中多次转位而加工不同位置上的表面所设置的分度装置；为便于卸下工件而设置的顶出装置；送料装置和标准化了的连接元件等。(5)夹具体夹具体是夹具的基础元件，夹具的其他元件及装置都将通过它装配在一起，最终成为一个有机的整体。3.2.4机床夹具的作用1.保证加工精度2.提高生产率和降低生产成本3.减轻劳动强度4.扩大机床的工艺范围3.3.1工件定位原理1.工件的自由度图3-8工件的自由度3.3工件定位3.3.1工件定位原理2.六点定位规则3.六点定位规则应用(1)平面几何体的定位如图3-9所示，工件A、B、C三个平面为定位基准，其中A面最大，设置成三角形布置的三个定位支承点1、2、3，当工件的A面与该三点接触时，限制、、三个自由度；在较狭长的B面上设置两个定位支承点4、5，当侧面B与该两点接触时，即限制了、两个自由度；在最小的平面C上设置一个定位支承点6，则限制一个自由度。图3-9平面几何体的定位3.3.1工件定位原理(2)圆柱几何体的定位如图3-10所示，工件的定位基准是长圆柱面的轴线、后端面和键槽侧面。(3)圆盘几何体的定位如图3-11所示，圆盘几何体可以视作圆柱几何体的变形，即随着圆柱长度的缩短，圆柱面的定位功能也相应减少。图3-10圆柱几何体的定位图3-11圆盘几何体的定位3.3.2定位方式分类1.完全定位2.不完全定位图3-12不完全定位3.欠定位3.3.2定位方式分类图3-13过定位4.过定位3.3.2定位方式分类图3-14连杆定位图3-15夹紧变形分析3.4.1工件以平面定位时的定位元件1.支承钉图3-16支承钉3.4常见定位方式及定位元件3.4.1工件以平面定位时的定位元件2.支承板图3-17支承板3.4.1工件以平面定位时的定位元件图3-18可调支承3.可调支承3.4.1工件以平面定位时的定位元件图3-19可调支承的运用3.4.1工件以平面定位时的定位元件图3-20浮动支承4.浮动支承3.4.1工件以平面定位时的定位元件图3-21浮动支承的运用3.4.1工件以平面定位时的定位元件图3-22辅助支承(1)螺旋式辅助支承如图3-23a所示，螺旋式辅助支承的结构与可调支承相近，但操作过程不同，前者不起定位作用，5.辅助支承3.4.1工件以平面定位时的定位元件后者起定位作用，且结构上螺旋式辅助支承不用螺母锁紧。(2)自引式辅助支承(JB/T8026.7—图3-23b所示，弹簧2推动滑柱1与工件接触，转动手柄通过顶柱3锁紧滑柱1，使其承受切削力等外力。(3)推引式辅助支承如图3-23c所示，工件定位后，推动手轮4使滑销5与工件接触，然后转动手轮使斜楔6开槽部分涨开而锁紧。图3-23典型辅助支承结构3.4.1工件以平面定位时的定位元件图3-24自引式辅助支承在平面磨床夹具中的应用3.4.1工件以平面定位时的定位元件图3-25手推式辅助支承3.4.2工件以圆孔定位时的定位元件1.定位销图3-26定位销3.4.2工件以圆孔定位时的定位元件2.圆柱心轴图3-27圆柱心轴3.4.2工件以圆孔定位时的定位元件图3-28心轴安装方式3.4.2工件以圆孔定位时的定位元件图3-29圆锥销定位示意图3.圆锥销3.4.2工件以圆孔定位时的定位元件图3-30圆锥销与其他定位元件组合定位应用示例3.4.2工件以圆孔定位时的定位元件图3-31锥度心轴4.锥度心轴3.4.3工件以外圆柱面定位时的定位元件图3-32V形块1.V形块3.4.3工件以外圆柱面定位时的定位元件图3-33常用V形块的结构3.4.3工件以外圆柱面定位时的定位元件图3-34活动V形块的应用3.4.3工件以外圆柱面定位时的定位元件图3-35定位套3.半圆套4.外拨顶尖2.定位套3.4.3工件以外圆柱面定位时的定位元件图3⁃36半圆套图3⁃37外拨顶尖3.5.1夹紧装置的组成及基本要求图3-38气压传动的铣床夹具1.夹紧装置的组成3.5工件在夹具中的夹紧3.5.1夹紧装置的组成及基本要求(1)夹具的力源及传动装置如图3-38所示的配气阀1、管道2、活塞3、活塞杆4等，其作用是产生力源(作用力)。(2)夹紧机构夹紧机构由中间递力机构和夹紧元件组成。1)改变作用力的方向。2)改变作用力的大小。3)自锁作用。2.对夹紧装置的基本要求1)夹紧过程中，不改变工件定位后所占据的正确位置。2)夹紧力的大小要适当，既要保证工件在整个加工过程中其位置稳定不变，振动小，又要使工件不产生过大的夹紧变形。3)工艺性好，夹紧装置的结构力求简单，便于制造、调整和维修。4)使用性好，夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。3.5.2设计夹紧装置时的基本问题1.夹紧力方向的确定准则(1)夹紧力应朝向主要定位基准主要定位基准的面积较大，消除的自由度较多，容易保持装夹稳固，从而有利