简单轴零件机械加工工艺过程的确定

学习子情境1.1简单轴零件机械加工工艺过程的确定学习情境一机械零件工艺规程制订工作任务•确定加工图1.1-1所示轴零件的机械加工工艺过程•生产数量为100，生产时间4周件•小型生产企业，生产基础条件较差，每日单班制。图1.1-1简单轴零件图•1.专业能力目标•1）理解简单轴零件加工技术要求，如零件的结构特点、材料性能、尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等。•2）了解金属材料切削过程的物理现象及影响因素，掌握改善材料切削加工性的方法。•3）合理选择切削刀具的材料、刀具的几何参数并正确评估刀具的刀具寿命。•4）根据技术要求合理选择切削液，选取并优化切削用量。•5）了解金属切削机床的型号、规格、传动原理及运动计算方法，熟悉车床的加工工艺能力、工件的装夹方法、车刀的类型及选用。•6）掌握的外圆柱面和端面常用车削加工方法，正确确定简单轴的加工工艺过程。•2.方法能力目标•1）能运用相关资源查阅、收集完成工作任务的信息。•2）能使用已有信息资源制定正确的工作计划。•3）能独立使用各种资源条件完成工作任务。•4）能对工作结果进行适当评价与思考改进的探索。•5）培养发散的思考和创新能力。•3.社会能力目标•1）具有团队协作的意识，良好的小组成员协作能力。•2）具备良好沟通及评价自我和他人的能力。•3）正确面对困难和挫折的处理能力。•4）负责任的工作习惯。•5）节约并保护环境的意识。资讯——相关知识金属切削加工的基本知识金属切削机床——车床金属切削刀具——车刀1.切削运动主运动——切削速度最高，消耗功率最大，只有一个指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用ν（m/s）表示。1.1.1切削运动与切削用量1.1金属切削加工的基本知识主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用T表示），也可以是回转运动（用R表示）进给运动——速度较低，消耗功率较小，可有一个或多个，也可不存在指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（ƒ—mm/r）或进给速度（νƒ—mm/min）表示。外圆表面加工方法2.工件加工表面3.切削用量切削用量是指切削速度νc、进给量ƒ（或进给速度νƒ）和背吃刀量ap，三者又称为切削用量三要素。切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。切削速度vc1000nDvc式中n——主运动转速（r/s）；d——刀具或工件的最大直径（mm）。若主运动为往复运动时，其平均速度为：10002rcnlv式中nr——主运动每秒钟往复次数（str/s）；l——往复运动行程长度（mm）。进给量ƒ(vƒ)工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/r。对于多齿刀具还可用每齿进给量ƒz表示,单位为mm／min。若刀具齿数z为，则进给量与进给运动速度、每齿进给量的关系为：nzfnfvzf主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。单位为mm。背吃刀量ap式中：dw——工件待加工表面的直径；dm——工件已加工表面的直径。2amwpdd实际切削中确定角度的基准1.刀具几何角度刀具角度参考系刀具标注角度参考系刀具工作角度参考系设计制造测量角度时的基准由主运动方向确定由合成切削运动方向确定1.1.2刀具的角度与切削要素1）假定刀刃上的选定点：位于假定工件的轴平面内，是刀具静止参考系的原点；2）假设运动条件：假设不考虑进给运动的大小，以切削刃选点位于工件中心高时的主运动方向作为假定主运动方向，以切削刃选定点的进给运动方向作为假定进给运动方向。3）假设安装条件：假设刀具安装时刀尖与工件的轴线等高，刀杆与工件的轴线垂直。刀具静止参考系是在下列假定条件下建立的：(1)正交平面参考系：pr、ps、po(2)法平面参考系：pr、ps、pn(3)背平面参考系：pr、ps、pp(4)进给平面参考系：pr、ps、pf刀具标注角度的参考系：刀具标注角度参考系（正交平面参考系）1）基面Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。车刀主剖面参考系图2）切削平面Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。主剖面Po切削平面Ps基面Pr法平面Pn法平面Pn:过切削刃上选定点并垂直于主切削刃或其切线的平面1）前角γo在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时γo定为正值；位于刀头实体之内时γo定为负值。γo影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。Aκr′A向f车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ0刀具几何角度标注用硬质合金车刀切削钢件，γo取10～20°；切削灰铸铁，γo取5～15°；切削铝及铝台金，γo取25～35°；切削高强度钢，γo取-5～-10°。后角αo在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。α0粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为4°～6°；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为8°～12°。2）后角αo主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°几种。在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。κr的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。κr的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。Aκr′A向f车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκr3）主偏角κr常用车刀主偏角的形式κr′AA向f车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs4）副偏角κr′副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。κr′在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。κr′在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,λs定为正值；反之位负。λs影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，λs常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，λs常取正值或零。5）刃倾角λs刃倾角对排屑方向的影响刀具角度标注示例实际工作中，考虑合成运动和实际安装情况，则假定的工作条件发生了变化，使静止参考系中的各个坐标面和测量面的位置也随之变化。因此，刀具切削加工时的实际几何参数就要在工作参考系中测量。工作参考系中各坐标平面的定义与静止参考系相同，只需用合成切削运动方向取代主运动方向。它们是工作基面Pre、工作切削平面Pse、工作正交平面Poa、工作法平面Pne（Pne=Pn）、工作平面Pfe、工作背平面Ppe等。刀具工作角度参考系及几何参数刀具工作角度式中μ角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。◆进给运动对工作角度的影响横切0000eetanWfD切断刀的工作角度①当进给量ƒ一定时，随d值↓—μ值↑，接近中心αoe为负值。②当ƒ↑—μ值↑横车时ƒ不宜过大，并应适当加大αo纵切tanfwfd在进给剖面，有：将其换算到主剖面内得到：在主剖面内：oeooeotantansinsinfrrwfD刀具工作角度◆刀具安装对工作角度的影响车刀安装高度对工作角度的影响刀具安装高低的影响刀杆中心线与进给方向不垂直的影响2.切削层参数由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层。切削层的截面尺寸称为切削层参数。它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小，通常在基面Pr内度量。切削厚度hD：指在同一瞬间的切削层横截面积与其公称切削层宽度之比，单位：mm切削面积AD：指在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位：mm2切削宽度bD：指在给定瞬间，在切削层尺寸平面中测量的作用主切削刃截形上两个极点间的距离，单位：mm切削厚度切削宽度rDfhsinsinfbDpDDDafbhA切削层面积3.切削方式直角切削：λs＝0的切削，主切削刃与切削速度方向垂直斜角切削：λs≠0的切削，主切削刃与切削速度方向不垂直例题：车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm，切入长度为3mm，求ν、ƒ、ap。解：ν=πdn/1000=π·62·4/1000=0.779m/sƒ=νƒ/n=2/4=0.5mm/rap=(dw-dm)/2=(62-56)/2=3mm切削中的变形及主要影响因素切削力切削热和切削温度刀具磨损与刀具寿命刀具材料切削液1.1.3金属切削中的物理现象及影响因素1）切屑的形成以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为三个变形区，即：第一变形区、第二变形区、第三变形区。1.切削中的变形及主要影响因素第一变形区（剪切滑移区）OA—始滑移线OM—终滑移线一般速度范围内一区宽度为0.02～0.2mm，速度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面变形的主要特征：剪切滑移变形加工硬化第二变形区（挤压摩擦区）第三变形区（挤压摩擦回弹区）切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离。切屑类型2）切屑的形状积屑瘤对切削过程的影响：1.代替刀具切削，保护刀具；2.增大前角，减小变形和力；3.产生过切及犁沟，精度↓；4.增大已加工表面粗糙度。3）切屑与前刀面的磨擦和积屑瘤积屑瘤：在速度不高切削塑性金属形成带状切屑的情况下，滞流层金属粘接在前刀面上，形成硬度很高的硬块，称为积屑瘤。滞留—粘接—长大􀂾采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc＜3m/min和较高速度vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；􀂾采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；􀂾适当减少进给量、增大刀具前角；􀂾适当提高工件材料的硬度；Fc—主切削力，与切削速度方向一致Ff—进给力，与进给方向平行，车外圆时称为轴向力Fp—背向力(切深抗力)，与进给方向垂直，又称径向将切削合力F分解为三个互相垂直的分力Fc、Ff、Fp222pfcFFFF2.切削中的切削力切削力来源★3个变形区产生的弹、塑性变形抗力★切屑、工件与刀具间摩擦力1）切削力的描述切削力分解与合成切削力经验公式FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK（3-6）式中CFc,CFp,CFf——与工件、刀具材料有关系数；xFc,xFp,xFf——切削深度ap对切削力影响指数；yFc,yFp,yFf——进给量f对切削力影响指数；KFc,KFp,KFf——考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。机床电机功率单位切削功率式中η——机床传动效率，通常η=0.75～0.85（3-10）63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW（3-9）指单位时间切除单位体积V0材料所消耗的功率工件材料◆切削深度与切削力近似成正比；◆进给量增加，切削力增加，但不成正比；◆切削速度对切削力影响复杂（如图）强度高加