机械制造常识

制造业：将各种原材料加工制造成可使用的工业制品的工业。制造技术：使原材料变成产品的技术的总称。零件的机械制造工艺过程可分为热加工工艺过程（包括铸造、塑性加工、焊接、热处理、表面改性等）冷加工工艺过程（机械加工工艺过程，机器的装配工艺过程），他们都是改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使之成为成品或半成品的过程。机械加工工艺过程一般是利用切削的原理使工件成型而达到预订的设计要求（尺寸精度、形状、位置精度和表面质量要求）。机械制造冷加工的成本低，耗能少，能加工工种不同形状、尺寸和精度要求的工件。第1章金属切削基础金属切削加工是利用刀具从工件待加工表面切去一层多余的金属，从而使工件达到规定的几何形状、尺寸精度和表面质量的机械加工方法。机床的切削运动：主运动、进给运动。切削用量：切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap的总称。在切削时，工件上存在：1.待加工表面（工件上即将被切除的表面）；2.已加工表面（工件上经刀具切削后形成的表面）；3.过渡表面（工件上被切削刃正在切削着的表面）。刀具切削部分的结构要素为：三面（前刀面、主后刀面、副后刀面）；二刃（主切削刃、副切削刃）；一点（刀尖）。刀具角度的参考系：正交平面参考系1.基面Pr：通过主切削刃上选定点，垂直于该点速度方向的平面；2.切削平面Ps：通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切，且垂直于该点基面的平面；3.正交平面Po：通过主切削刃上选定点，垂直于基面和切削平面的平面。刀具材料：刀具材料应具有的性能：高硬度、高耐磨性、足够的强度和韧性、良好的热物理性能和耐热冲击性能、良好的工艺性能。常用材料：1.碳素工具钢、合金工具钢（这些刚因耐热性差，只适用于手工刀具，切削速度较低的工具，如T10A\T12A\9SiCr\CrW有色金属Mn）；2.高速钢（有较高硬度和耐热性以及高的强度和韧性其切削速度是碳素工具钢切削速度的1-3倍，耐用度是他们的10-40倍，可加工碳素钢、有色金属和高温合金，可制造各种刀具和复杂刀具）；3.硬质合金（高硬度、高耐热性和高耐磨性，允许的切削速度达100-300m/min，应用广泛，但其抗弯强度低，冲击韧性差，刀口不锋利，不易加工，不易做成形状较复杂的整体刀具）；其他材料（陶瓷、金刚石、立方氮化硼CBN）.刀具角度选择：前角：对切削难易程度有较大关系，增大前角是刀刃变得锋利，使切削变得轻快，可以减少切削变形，减少切削力和切削功率，但增大前角会使刀刃和刀尖强度下降，刀具散热体积减小，影响刀具寿命，前角的大小对工作表面粗糙度、刀具的排屑及断屑性能也有一定影响；前角的选择：工件的强度和硬度较低时应选用较大的前角，反之取较小的前角；加工塑性材料（钢）时应选较大的前角；加工脆性材料时（如铁）时选较小的前角；刀具材料韧性好（如高速钢）可选较大的前角，反之选较小的前角；粗加工时，特别是断续切削时，应选较小的前角；精加工是选较大的前角。后角：它主要减小后刀面的与工件的摩擦和后刀面的摩损，其大小对刀具耐用度和工件已加工表面质量影响很大；后角选择：切削层公称厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软、塑性越大，后角越大；工艺系统刚性较差时应适当减小后角，尺寸精度要求较高的刀具，选较小的后角。2主偏角kr和负偏角：两角对刀具耐用度有很大的影响，减小主偏角和负偏角可使刀尖角增大，刀尖强度提高，散热条件改善，使刀具耐用度提高；同时可将降低残留面积的高度，减小加工表面的粗糙度，增大主偏角可使切深抗力明显较小，进给抗力增大，有利于减小工艺系统的弹性变形和振动。刃倾角：主要影响刀头的强度和切屑的流动方向。刀具：车刀的结构形式：整体式、焊接式、机夹重磨式和机夹可转位式；孔加工定尺寸工具：钻头、扩孔钻、铰刀；拉刀：有内外拉刀，可拉孔、加工内表面、外表面和平面；铣刀（多刃回转刀具）：铣刀方式是指铣削时铣刀相对于工件的运动和位置关系，它有固铣法、端铣法，固铣法分顺铣和逆铣：1.逆铣法：刀齿旋转方向和工件进给方向相反，由切屑层内切入，从待加工表面切出，切屑厚度由小增至最大，刚切入时刀齿抬磨已加工表面，产生冷硬层，降低表面质量，但切削过程平稳切削分力使夹紧力增大；2.顺铣：刀齿旋转方向和工件进给反方向响相同，切削厚度由小到大，切削分力压向工件，可提高铣刀的耐用度和加工表面质量，但水平切削分力和进给方向相同，可能使铣床工作台产生窜动，引起震动和进给不均匀，加工有黑皮和硬皮工件时刀齿已损坏。砂轮：最重要的磨削工具，砂轮的特性由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织和形状尺寸等决定，1.砂轮硬度：砂轮的磨粒在磨削力的作用下脱落的难易程度，其中不易脱落的硬度高，反之硬度低；2.砂轮的选用：磨削钢时，选用刚玉砂轮，磨削硬铸铁、硬质合金和非铁合金时，选用碳化硅砂轮；磨削软材料时，选用硬砂轮，磨削硬材料时，选用软材料；磨削软而刃的材料时，选用粗磨粒，磨削硬而脆材料时，选用细磨料；磨削表面的粗糙度值要求较低时，选用细磨粒，金属磨除率要求高时，选用粗磨粒；要求加工表面质量好时，选用树脂或橡胶结合剂的砂轮，要求最大金属磨除率时，选用3陶瓷结合剂砂轮。金属切削过程中的三个变形区：第一变形区：产生剪切滑移变形，是切削变形的主要区域，在外力作用下，靠近切削刃处产生弹性变形，随着刀刃与工件变进，而变形增大，产生塑性变形，金属内部晶格产生畸形与滑移，到一定程度剪应力max达到最大，切削金属变为切屑；第二变形区：在第一变形区终了，切屑与基体分离，沿前刀面流出，受到前刀面的挤压和摩擦，使切屑进一步产生滑移变形，位于刀屑接触区；第三变形区：刀具后刀面与已加工表面挤压和摩擦产生的加工硬化和残余应力为特征的滑移变形。三个变形区汇集在切削刃附近，该处应力集中，复杂，切削层在该处与工件本体分离，绝大部分变切屑，很小部分留在工件表面上。积屑瘤及影响：积屑瘤：在以中、低切削速度切削一般钢料或其他塑性金属时，常常在刀具前刀面靠近刀尖处粘附着一块硬度很高的金属锲状物；积屑瘤的形成：切屑沿前刀面流动时，由于强烈的摩擦而产生粘结现象，使切屑底层金属粘结在前刀面上形成滞留层，滞留层以上的金属从其上流出，产生内摩擦，连续流动的切屑从粘在刀面的滞留层上流过时，在温度适当的情况下也会被阻滞并于底层粘结在一起，粘结层层层堆积扩大形成积屑瘤；积屑瘤对切削过程的影响：1.使前刀面实际前角0e增大，切削力下降；2.影响刀具耐用度，由于积屑瘤硬度很高，稳定时代替刀刃工作，起保护刀刃、提高刀具耐用度的作用，但积屑瘤破碎时可能引起材料颗粒剥落，反而会加剧刀具的磨损和破损；3.使切入深度增大。4.使工件表面粗糙度值变大。积屑瘤破碎后的碎片会粘附在工件已加工表面，使工件表面粗糙度值增大；5.总之，积屑瘤对粗加工一般是有利的，但精加工时，为保护工件精度及质量，应该尽力避免积屑瘤的产生。切屑的形状：带状切屑、挤裂切屑、单元切屑、崩碎切屑；带状切屑：加工塑性金属材料，当切削速厚度小，切削速度较大，刀具前角较大时，会产生带状切屑，它表明切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度值较小。切削力及影响因素：切削力：金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力；切削力的来源：1.切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性、塑性变形所产生的抗力；2.刀具与切削、工件表面间的摩擦阻力；影响切削力的因素：1.工件材料：工件材料的强度、硬度越高，材料的剪切屈服度越高，切削力增大，强度、硬度相近的材料，塑性越大，切削力越大，2.切削用量：背吃刀量、进给量增加，切削力增加，增大进给量比增大背吃刀量利更有利于减少切削力，切削速度在低速高速时，切削力减少，切削速度在中速时，切削力增加；3.刀具几何角度：前角增加，切削力减少，主偏角增加，切削层厚度增大，切削变形减少，切削力减少。切削热：切削层金属的弹性、塑性变形，工件、刀具、切屑之间的摩擦均产生热，每个变形区均是热源，切削热是刀具磨损的主要原因，它影响尺寸精度。刀具磨损：刀具失效形式：磨损和非正常磨损；1.磨损：刀具刀面和刀刃上金属微粒被工件、切屑带走，丧失切削能力的现象，有前刀面、后刀面磨损，2.磨损原因：磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损、相变磨损、非正常磨损（碎断、崩刃、裂纹、剥落）。5切削用量选择：背吃刀量选择：背吃刀量选择应以余量Z确定，粗加工时，选背吃刀量为8-10mm，半精加工时选背吃刀量为0.5-2mm，精加工时选背吃刀量为0.1-0.4mm，当余量Z过大或工艺系统刚性较差时，应尽可能选取较大的背吃刀量和最少的走刀次数；半精加工、精加工时应一次切除全部余量；切削层有硬皮、冷硬层时，应使背吃刀量超过冷硬层厚度，以免刀尖过早磨损。进给量选择：精加工时，由于切削力较大，主要考虑机床进给机构强度、刀具强度和刚性、工件装夹刚度，在条件许可的情况下，应选用较大的进给量；精加工时，为保证加工精度和表面质量，应选用较小的进给量；断续切削时，选用较小的进给量，一减少振动。耐用度：硬质合金焊接车刀耐用度为60分钟，制造和刃磨复杂、成本较高的刀具如高速钢钻头耐用度为80-120分钟，硬质合金端铣刀耐用度为90-180分钟，齿轮刀具耐用度为200-300分钟，调整、安装费时的刀具，其耐用度约为同类刀具的200%-400%。磨钝标准：精车：0.1-0.3；合金钢粗车：0.4-0.5；粗车弱性钢工件：0.4-0.5；粗车刚件：0.6-0.8；粗车铸铁件：0.8-1.2；低速粗车刚及铸铁大件：1.0-1.5。切削液：切削液的作用：减少摩擦，降低切削力和切削温度，改善散热条件，从而减轻刀具磨损，提高刀具耐用度，减少工件热变形，提高加工质量和生产率。切削液分类：1.水溶性切削液：水溶性切削液有水溶液、乳化液、化学合成液三种，水溶液主要用于粗加工、普通磨削加工，水溶液经济、冷却效果强烈，在水溶液中加入清洗剂、防锈剂、油性添加剂可提高其性能；乳化液是由矿物油、乳化剂、其它添加剂与水混合而成的不同浓度的切削液，低浓度乳化液已冷却为主，用于粗加工、普通磨削加工，高浓度乳化液具有良好的润滑作用，可用于精加工和复杂刀具加工；化学合成液是有水、各种表面活性剂和化学添加剂组成，具有良好的冷却、润滑、清洗和防锈作用；62.油溶性切削液：他有切削油和极压切削油两种，主要起润滑作用，切削油有矿物油、动植物有、混合油等，起润滑作用，极压切削油是在切削油上加入了S、P、cl等极压添加剂的切削液，可显著提高润滑和冷却作用。切削液的选用：1.粗加工：切削量大，产热多，已冷却为主，选用%3-5%的乳化液，硬质合金刀具耐热性较好，可不用切削液；2.精加工：以润滑为主，提高加工精度、降低表面粗糙度，选用10%-12%的挤压乳化液；3.难加工材料的切削：切削力大，切削温度高，摩擦严重，选用挤压乳化液；4.磨削：磨削温度高，工件易烧伤，产生的细屑、磨屑会刮伤已加工表面，一冷却、清洗为主，选用乳化液或挤压乳化液。磨削：1.磨削过程包括：滑擦、刻划、切削三个过程；2.磨削特点：a.磨削速度高，滑擦、刻划作用导致严重的挤压和摩擦变形，产生大量热，而磨削加工时，热量难以带走，传入工件使工件产生烧伤，尺寸发生变化，产生裂纹。b.磨削加工的精度高，表面粗糙度值小，可以实现微量切削，磨削精度可达IT5-6级，表面粗糙度值小至Ra1.25-0.01um；c.磨削径向磨削力大，且作用在工艺系统刚性较差的方向上；d.磨削温度高；e.砂轮有自锐作用；f.磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还可加工一般刀具难以切削的高硬度材料，但不宜加工塑性较好的有色金属，g.磨削加工的工艺范围广，不仅可以加工各种表面，还可用于各种刀具的刃磨；h.磨削在切削加工中的比重增大。磨内孔和外孔的区别：外圆磨削工艺性好，高速可通过改变砂轮直径易以实现，砂轮与工件接触区敞开，接触面积小，冷却方便；而磨内孔时，砂轮和砂轮轴尺7寸受孔的限制，直径较小，为获得较高的速度，必须提高转速，故易产生振动，影响表面粗糙度，砂轮与内孔内切，接触区封闭，接触面积大，产热集中，散热条件差，由此工件热变形大，轴也变形，加工精度低，形