机械工程师入职培训(四)机械加工技术

中南大学CentralSouthUniversity机械制造工程训练中南大学工程训练中心多媒体教学课件材料成形工艺基础：主要介绍机械零件毛坯成形方法的工艺特点、工艺参数的选择、各类零件毛坯的结构工艺性、零件的材料选择与成形方法选择的基本原则。机械加工工艺基础：主要介绍机械加工的基本概念、切削基本原理、切削机床与刀具、切削加工基本工艺过程、选择切削加工方法的基本原则，以及零件机械加工结构工艺性。机械加工工艺基础中南大学工业训练中心中南大学CentralSouthUniversity第一章.切削加工的基础知识第二章.金属切削机床第三章.机械加工工艺过程第四章.零件表面的加工方案第五章.零件的结构工艺性第六章.数控加工技术索引第一章切削加工的基础知识返回索引1.1钳工与机械加工•钳工：通过工人手持工具进行切削加工。•机械加工：采用不同的机床（如车床、铣床、刨床、磨床、钻床等）对工件进行切削加工。2.零件表面质量的概念零件几何参数：宏观几何参数：包括：尺寸、形状、位置等要素。微观几何参数：指：微观表面粗糙程度。2.1加工精度•加工精度：指零件经切削加工后，其尺寸、形状、位置等参数同理论参数的相符合的程度，偏差越小，加工精度越高，它包括：a.尺寸精度：零件尺寸参数的准确程度。b.形状精度：零件形状与理想形状接近程度。c.位置精度：零件上实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度。2.1加工精度•国家标准规定：常用的精度等级分为20级，分别用IT01、IT0、IT1、IT2…IT18表示。数字越大，精度越低。其中IT5-IT13常用。•高精度：IT5、IT6通常由磨削加工获得。•中等精度：IT7-IT10通常由精车、铣、刨获得。•低精度：IT11-IT13通常由粗车、铣、刨、钻等加工方法获得。2.1.1尺寸精度Φ250-0.04零件尺寸要素的误差大小。问：精度的高低与哪两个因素有关？基本尺寸和公差大小。2.1.2形状精度Φ25轴加工后可能产生的形状误差0－0.0132.1.2形状精度•指零件上实际要素的形状与理想形状相符合的程度；•国家标准规定了六类形状公差（见下表）•形状精度的标注：框格分为2格，箭头指向待表达的表面，数字表示允许误差的大小，单位为毫米。2.1.3位置精度•指零件的实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度。圆圈中的英文字母表示基准，框格分3格，箭头指向待表达的表面精度等级尺寸精度范围Ra值范围（μm）相应的加工方法低精度IT13～IT1125～12.5粗车、粗镗、粗铣、粗刨、钻孔等中等精度IT10～IT96.3～3.2半精车、半精镗、半精铣、半精刨、扩孔等IT8～IT71.6～0.8精车、精镗、精铣、精刨、粗磨、粗铰等高精度IT7～IT60.8～0.2精磨、精铰等特别精密精度IT5～IT2Ra＜0.2研磨、珩磨、超精加工、抛光等零件精度等级及其相应的加工方法2.2表面粗糙度•表面粗糙度：零件微观表面高低不平的程度。产生的原因：1）切削时刀具与工件相对运动产生的磨擦；2）机床、刀具和工件在加工时的振动；3）切削时从零件表面撕裂的切屑产生的痕迹；4）加工时零件表面发生塑性变形。2.2表面粗糙度表面粗糙度对零件质量的影响：零件的表面粗糙度对机器零件的性能和使用寿命影响较大，主要有以下几个方面：1）零件表面粗糙，将使接触面积减小，单位面积压力加大，接触变形加大，磨擦阻力增大，磨损加快；2)表面粗糙度影响配合性质。对于间隙配合，表面粗糙易磨损，造成间隙迅速加大；对于过盈配合，在装配时，可使微小凸峰挤平，有效过盈量减少，使配合件强度降低；3）零件表面粗糙，低谷处容易聚积腐蚀性物质，且不易清除，造成表面腐蚀；4）当零件承受载荷时，凹谷处易产生应力集中，以致产生裂纹而造成零件断裂。2.2表面粗糙度评定参数：常用的是轮廓算术平均偏差Ra2.2表面粗糙度nh...hhhn321RaRah1h2h3…hnldxxylRa0|)(|12.2表面粗糙度•国家标准规定：表面粗糙度分为14个等级，分别用表示，数字越大，表面越粗糙。•表面粗糙度符号上的数值Ra,单位是微米（μm）。2.2表面粗糙度表面粗糙度符号的意义及应用符号符号说明意义及应用基本符号单独使用无意义基本符号上加一短划线表示表面粗糙度是用去除法获得基本符号内加一小圆表示表面粗糙度是用不去除材料的方法获得符号上加Ra值用去除材料方法获得的表面，Ra的最大允许值为3.2µm2.3常见加工方法的Ra表面特征加工方法Ra(微米)表面特征粗车粗镗50可见明显刀痕粗铣粗刨25可见刀痕钻孔12.5微见刀痕精铣精刨半精车6.3可见加工痕迹3.2微见加工痕迹精车1.6看不清加工痕迹粗磨0.8可辨加工痕迹方向精磨0.4微辨加工痕迹方向精密加工0.1-0.012只能按表面光泽辩识2.4零件的加工精度与表面粗糙度的关系•精度：宏观几何参数的误差•表面粗糙度：微观几何参数的误差•加工精度高，必须采用一系列的高精度的加工方法，而经过高精度的加工后零件表面粗糙度一定低，反之，表面粗糙度低，零件必须采用一系列的降低表面粗糙度的加工方法，而低表面粗糙度的加工方法不一定是高精度的加工方法。•实例：各种机床上的手柄：表面粗糙度非常低，但精度不高。零件的加工精度与表面粗糙度的关系如何？提问机器零件的基本表面包括：外圆、内圆（孔）、平面和成型面基本表面主要由如下的加工方法获得3.切削运动与切削用量要完成零件表面的切削加工，刀具和工件应具备形成表面的基本运动，即切削运动切削运动：刀具和工件的相对运动切削运动分为主运动和进给运动主运动：提供切削可能性的运动。主运动只有一个进给运动：提供连续切削可能性的运动。进给运动可以有多个3.1切削运动3.1切削运动机床名称主运动进给运动卧式车床工件旋转运动车刀纵向、横向、斜向直线移动钻床钻头旋转运动钻头轴向移动卧铣、立铣铣刀旋转运动工件纵向、横向、斜向直线移动牛头刨床刨刀往复运动工件横向间歇移动或刨刀垂向、斜向间歇移动龙门刨床工件往复运动刨刀横向、垂向、斜向间歇移动外圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动内圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动平面磨床砂轮高速旋转工件往复移动，砂轮横向、垂向移动机床的切削运动3.2切削用量切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量切削速度：切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度,用V表示，单位为m/s进给量：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用f表示，车、钻和铣削时单位为mm/r背吃刀量:已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，用ap表示，单位为mm，如下图：3.2.1车削切削速度、背吃刀量的计算V:切削速度d:工件直径n:工件转速)(2minmaxmmddap背吃刀量：切削速度：dmax:待加工表面直径dmin:已加工表面直径ap:背吃刀量(m/s)πdnv1000603.3切削用量的合理选择问题(1)粗加工按ap－f－v的顺序选择a、粗加工的主要目的是用最少的走刀次数尽快切除多余金属，只留后续工序的加工余量，所以应根据毛坯尺寸首先选择apb、粗加工不必考虑表面粗糙度，在ap确定后，选取大的f，减少走刀时间c、ap和f确定后，在机床功率和刀具耐用度允许的前提下选择v(2)精加工按v－f－ap的顺序选择精加工的主要目的是保证产品质量和降低零件的表面粗糙度。因此首先应选择尽可能高的v，然后选择达到表面粗糙度要求的f，最后再根据精加工余量决定ap4.切削刀具刀具性能的好坏也是直接影响切削效果的一个重要因素，刀具性能主要取决于两个因素：即刀具材料和刀具的几何角度4.1刀具材料应具备如下五个基本特性：1.高硬度：HRC60以上;2.高的强度与韧性：保证能够承受切削力的作用而不破坏；3.高的热硬性：材料在高温下仍然保持高硬度的性能，热硬性用热硬温度表示；4.良好的耐磨性；5.良好的工艺性和经济性；•碳素工具钢：如T7、T8、T9…T13等。适合于制造简单的手工工具，如锉刀、锯条等；•合金工具钢：在碳素工具钢中加入少量的钨、铬、锰、硅等元素，耐热性较低，如9SiCr等，适合于制造低速成型刀具，如丝锥；•高速钢：含较多的钨、铬、钒等合金元素、常用的有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V等。适合于制造中速精加工刀具；•硬质合金：成分由WC、TiC和Co组成，采用烧结方法获得4.1.1常用的刀具材料4.1.1常用的刀具材料常用的硬质合金有：钨钴钛类（牌号YT）硬质合金：适合于加工钢等塑性材料，其代号有YT5、YT15、YT30等，粗加工用YT5,精加工用YT30;钨钴类（牌号YG）硬质合金：适合于加工铸铁、青铜等脆性材料，其代号有YG3、YG6、YG8等，粗加工用YG8，精加工用YG3。4.1.2其它刀具材料陶瓷：常用的刀具陶瓷有两种：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。陶瓷刀具的最大特点是具有很高的硬度、很高的耐磨性和耐热性，其主要缺点是抗弯强度低，冲击韧性很差，不能承受较大的冲击载荷。金刚石：它分三种天然单晶金刚石刀具整体人造聚晶金刚石刀具金刚石复合刀片立方氧化硼：由软的立方氧化硼在高温高压下加入催化剂转变而成种类硬度HRC抗弯强度GPa热硬性℃工艺性能用途碳素工具钢60-652.16200-250热成型手工刀具合金工具钢60-652.35300-400同上低速刀具高速钢63-701.9-4.4600-700同上中速刀具硬质合金89-931.0-2.2800-1000烧结成型高速刀具陶瓷材料91-950.4-0.91100-1200同上连续精加工刀具常用的刀具材料各种多齿刀具或复杂刀具，就其一个刀齿而言，都相当于一把车刀。车刀分为切削部分和夹持部分，切削部分由三个刀面组成：前刀面、主后刀面、副后刀面。前刀面和主后刀面的交线叫主切削刃前刀面和副后刀面的交线叫副切削刃两条切削刃的交点叫刀尖，但刀尖并非绝对尖锐为了研究刀具的几何角度，建立三个辅助平面：基面：通过主切削刃上的某一点，与该点切削速度方向垂直的平面。切削平面：通过主切削刃上的某一点，与该点加工表面相切的平面。正交平面：通过主切削刃上的某一点，与主切削刃在基面上的投影垂直的平面4.2刀具的几何角度(车刀的基本形状)•前角γ。：在正交平面中，前刀面与基面之间的夹角；•后角α。：在正交平面中，主后刀面与切削平面之间的夹角；•主偏角Kr：在基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角。•副偏角Kr’：在基面上，副切削刃的投影与进给反方向的夹角。•刃倾角λs4.2.1车刀的几何角度4.2.2前角的正与负一般加工韧性材料，应取较大的前角；加工脆性材料，应取较小的前角；前角的取值范围常在-5°~+25°之间。4.2.3刃倾角λs刃倾角λs：在切削平面中，主切削刃与基面之间的夹角。它主要影响刀头的强度和排屑方向。一般取λs=－10°~+10°,粗加工时常取负值，增加刀头强度；精加工时常取正值，避免切屑擦伤已加工表面。4.2.4刃倾角λs的正与负当刀尖在主切削刃上最高点时，λs为正值，反之为负值。4.3刀具角度的合理选择问题•原则：粗加工时，为了提高切削效率，切削力会较大，因此强度要高；精加工时，切削力较小，为了保证零件质量因此刀具较锋利。•粗加工：前角、后角均小，强度高•精加工：前角、后角均大，刀具锋利•主偏角：车台阶轴：取90度既车外圆又车端面，取45度•副偏角：为降低表面粗糙度，取小值：一般为：5-15度刃倾角：粗加工常取负值，精加工取正值麻花钻由工作部分、颈部和柄部组成，工作部分又包括导向部分和切削部分4.4麻花钻的基本形状螺旋角β：刃带切线与钻头轴线的夹角,一般β=18-30度；前角：γ。后角：αf顶角2Φ：两个主切削刃在垂直钻头轴线平面上投影的夹角，通常2Φ=116-120度之间；横刃斜角ψ：它是横刃与主切削刃在钻头垂直轴线平面上投影的夹角。通常为47-55度；4.4.1麻花钻的主要几何角度•砂轮：是磨削加工的刀具，它是由磨料和结合剂烧结而成的。•磨料：磨料是砂轮的主要组成因素，担负切削作用，所以磨料有很高的硬度。•粒度：是指磨料颗粒的