机械制造工艺基础知识点

机械制造工艺基础知识点第一章金属切削加工基础知识一、切削加工基本概念1、成形运动（切削运动）是为了形成工件表面所必需的、刀具与工件之间的相对运动。成形运动（切削运动）包括主运动和进给运动。2、主运动是指直接切除工件上的切削层，形成已加工表面所需的最基本运动。一般来讲，主运动是成形运动中速度最高、消耗功率最大的运动，机床的主运动只有一个。3、进给运动是指不断地把切削层投入切削的运动，以加工出完整表面所需的运动。进给运动可能有一个或几个，通常运动速度较低，消耗功率较小。4、切削过程中，工件上形成三个表面1）待加工表面——将被切除的表面；2）过渡表面——正在切削的表面；3）已加工表面——切除多余金属后形成的表面。5、切削用量三要素1）切削速度vc切削刃上选定点在主运动方向上相对于工件的瞬时速度。2）进给量f在进给运动方向上，刀具相对于工件的位移量，称为进给量。3）背吃刀量ap背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的切削深度。6、成形运动简图7、切削层尺寸要素(1)切削层：刀具切过工件的一个单程，或只产生一圈过渡表面的过程中所切除的工件材料层。(2)切削层尺寸平面：通过切削刃基点并垂直于该点主运动方向的平面，称为切削层尺寸平面。(3)切削层尺寸要素①切削厚度:指在切削层尺寸平面内，沿垂直于切削刃方向度量的切削层尺寸。②切削宽度：指在切削层尺寸平面内，沿切削刃方向度量的切削层尺寸。③切削面积：是指在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面面积。二、刀具角度1、车刀的组成三个刀面：前面、主后面、副后面两个切削刃：主切削刃、副切削刃一个刀尖2、辅助平面1）基面：过切削刃选定点，垂直于主运动方向的平面。2）主切削平面：过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面的平面。3）正交平面：通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基面和切削平面的平面。3、车刀的标注角度（1）前角0在正交平面中测量，是刀具前面与基面之间的夹角。（2）主后角0在正交平面中测量，是刀具主后面与主切削平面之间的夹角。（3）主偏角r在基面中测量，主切削刃在基面上的投影与进给方向之间的夹角。（4）副偏角'r在基面中测量，副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向之间的夹角。（5）刃倾角s在主切削平面中测量，是主切削刃与基面之间的夹角。4、刀具材料的选用（1）对刀具切削部分材料的基本要求①高的硬度：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具材料的室温硬度一般要求在60HRC以上。②高的耐磨性：耐磨性高，抗磨损能力强。一般刀具材料硬度越高，耐磨性越好。③高的热硬性：即在高温下仍能保持较高硬度的性能。一般用热硬性温度表示，热硬性温度是指能保持刀具切削性能所允许的最高温度。热硬性温度越高，刀具材料所允许的切削温度越高。④足够的强度和韧性⑤较好的工艺性（2）常用的刀具材料角度标注1、碳素工具钢与合金工具钢碳素工具钢淬火后具有较高的硬度，而且价格低廉。但这种材料的耐热性较差，淬火时容易产生变形和裂纹。合金工具钢是在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等合金元素形成的刀具材料（如9SiCr）。由于合金元素的加入，与碳素工具钢相比，其热处理变形有所减少，耐热性也有所提高。2、高速钢高速钢具有较高的耐热性，其许用切削速度为30～50m/min，是碳素工具钢的5～6倍，而且它的强度、韧性和工艺性都较好，可广泛用于制造中速切削及形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、各种齿轮加工工具。3、硬质合金它是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC，TiC）为基体，以金属Co，Ni等为粘结剂，用粉末冶金方法制成的一种合金。其硬度为HRC74～82，能耐800～1000oC的高温，因此耐磨、耐热性好，许用切削速度是高速钢的6倍，但强度和韧性比高速钢低，工艺性差，因此硬质合金常用于制造形状简单的高速切削刀片，经焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀、钻头等刀体（刀杆）上使用。4、陶瓷陶瓷的硬度高，化学性能高，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加工中。但由于其强度低、韧性差、长期以来主要用于精加工。陶瓷刀具与于传统硬质合金刀具相比，具有以下优点：可加工硬度高达HRC65的高硬度难加工材料；可进行扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削；耐用度可提高几倍至几十倍；切削效率提高3～10倍，可实现以车、铣代磨。5、立方氮化硼（CBN）既能胜任淬硬钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的高速切削。6、金刚石具有很高的耐磨性，其摩擦系数小，切削刃可以做得非常锋利。但人造金刚石的热稳定性差，不得超过700～800oC，特别是它与铁元素的化学亲和力很强，因此它不宜用来加工钢铁件。人造金刚石主要用作制作模具磨料，用作刀具材料时，多用与在高速下精细车削或镗削有色金属及非金属材料。尤其用它切削加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及高硬度、高耐磨性的材料时，具有很大的优越性。三、切削的形成过程1、切削过程也是切屑的形成过程，其实质是一种挤压过程。在挤压过程中，被切削的金属主要经过剪切滑移变形而形成切屑。当与切削速度方向呈一定夹角的OA晶面上（约45o）产生的切应力达到材料的屈服强度时，开始剪切滑移产生塑性变形。OE位置时，应力、应变达到最大值。2、变形区（1）第I变形区或基本变形区：OA与OE之间是切削层的塑性变形区，变形量最大。（2）第II变形区：切屑沿前刀面流出时会进一步受到挤压和摩擦而又一次发生塑性变形。（3）第III变形区：由于刀具磨损，已加工表面会受到后刀面的强烈挤压和摩擦而发生塑性变形。3、切屑的种类a)带状切屑：切屑延续成较长的带状，接触的面很光滑，背面呈毛茸状。b)节状切屑：切屑的背面呈锯齿形，底面有时出现裂纹。c)粒状切屑：切屑切离成单元切屑。d)崩碎切屑：切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。4、积屑瘤※（1）定义：在用中等或较低的切削速度切削塑性较大的金属材料时，往往会在切削刃上粘附一个楔形硬块，称为积屑瘤。（2）形成切屑塑性材料时，在一定的温度和压力作用下，与刀具前面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，使这层金属的流动速度低于切屑上层的流动速度，形成一层很薄的滞留层。当刀具前面对滞留层的摩擦阻力超过切屑本身分子间的结合力时，滞留层的部分金属就会粘附在切屑刃附近，形成楔形的积屑瘤。（3）对切屑过程的影响1）保护刀具，减少了刀具磨损，起到保护刀具的作用。2）增大前角，使切屑变形和切屑力减小。3）使实际吃刀深度和切削厚度不断变化，影响尺寸精度，并导致切削力变化，引起振动。4）增大已加工表面粗糙度值。粗加工时产生积屑瘤有一定的好处，精加工时应避免产生积屑瘤。（4）影响积屑瘤形成的因素影响积屑瘤形成的因素主要是工件材料的性能和切削速度。工件材料的性能：塑性大的材料易产生积屑瘤，对塑性大的材料进行正火或调质处理，切削塑性材料不会产生积屑瘤。切削速度：切削速度在5-60m/min范围内时容易产生积屑瘤。（5）防止积屑瘤产生的方法精车、精铣采用高速切削，拉削、绞削和宽刀细刨采用低速切削，均可以避免产生积屑瘤。增大前角、减少切削厚度、提高刀具前面光滑程度、合理使用切削液等，也可以防止积屑瘤的产生。四、切削力1、切削力的分解（1）切削力FcFc是计算机床动力以及主传动系统零件、刀具、夹具强度和夹具夹紧力的依据，也是选择刀具几何角度和切削用量的主要依据。（2）进给力Ff（轴向力）Ff一般只消耗总功率的1％～5％，是设计和验算进给系统零件强度的依据。（3）背向力Fp（径向力，不作功）Fp是设计机床主轴、选用轴承和校验机床刚度的主要依据之一。2、影响切削力的因素主要有：工件材料、切削用量、刀具角度（1）工件材料材料的强度、硬度越高，变形抗力越大，切削力也越大。强度、硬度相近的材料，塑性、韧性大时，因切削变形较大，硬度增加，消耗的功率增多，故切削力较大。（2）切削用量◎当ap增加1倍时，切削宽度增加1倍，切削力成倍增加。◎当f成倍增加时，切削力只增加68%-86%。（3）刀具角度◎前角增大时，切削变形减小，切削流出顺利，刀具前面推挤金属的正压力和摩擦力都相应降低，切削力下降。◎主偏角增加时，Fp减小而Ff增大车细长轴时，常采用90度主偏角车刀，以减少工件弯曲变形和振动。五、切削热与切削温度1、切削热：在切削过程中，由于被切削材料层的变形、分离及刀具与被切削材料间的摩擦而产生的热量，称为切削热。2、切削热的传导传入切屑，约占总热量的50％～86％，对切削加工无不利影响传入工件，约占总热量的10％～40％，会使工件膨胀或伸长，产生尺寸和形状误差，影响加工精度传入刀具，约占总热量的3％～9％，使刀具温度升高，硬度下降，磨损加快，耐用度降传入周围介质，约占总热量的1％，对切削加工无不利影响。六、刀具磨损与刀具耐用度1、刀具磨损的形式（1）刀具后刀面磨损：切削脆性材料或以较低的切削速度和较小的切削厚度（＜0.1mm）切削塑性材料时。（2）刀具前刀面磨损：以较高的切削速度和较大的切削厚度（＞0.5mm）切削塑性材料时。（3）刀具前、后刀面同时磨损：以中等切削速度和中等切削厚度（0.1～0.5mm）切削塑性材料时。2、刀具耐用度（1）磨损限度：后面磨损带的高度VB作磨损值。（2）刀具耐用度：由于生产中不可能用经常测量刀具后面磨损值的办法来判断刀具是否已经到达磨损限度，所以提出了用刀具耐用度作为刀具磨损限度的标准。刀具两次刃磨之间允许进行切削的总时间。（3）刀具寿命：刀具耐用度和刀具允许重磨次数的乘积。第二章加工误差的统计分析一、零件的加工质量与检验1、零件加工质量包括加工精度和表面质量。加工精度：反映加工后表面的几何参数的（尺寸、形状、位置）精确程度。表面质量：反映的是零件加工后表面层的质量。例如：表面粗糙度、变形强化程度、表层残余应力的性质及大小、金相组织等。2、工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都被称为原始误差原始误差中，一部分与工艺系统的初始状态有关，称为工艺系统的几何(静)误差，在加工过程中产生的误差称为工艺系统的动误差。3、加工原理误差（1）采用近似的加工运动造成的误差如在车削或磨削模数螺纹时，由于其导程t=πm,式中有π这个无理因子，在用配换齿轮来得到导程数值时，就存在原理误差。（2）采用近似的刀具轮廓造成的误差如用滚刀滚切渐开线齿轮时，滚刀制造困难，多用阿基米德基本蜗杆或法向直廓基本蜗杆来代替渐开线基本蜗杆，从而产生了加工原理误差。4、误差复映工件的毛坯外形虽然具有粗略的零件形状，但它在尺寸、形状以及表面层材料硬度上都有较大的误差。毛坯的这些误差在加工时使切削深度不断发生变化，从而导致切削力的变化，进而引起工艺系统产生相应的变形，使得零件在加工后还保留与毛坯表面类似的形状或尺寸误差。5、机械加工表面质量(1)基本概念:表面质量是指零件加工后表面层的状态。可以从几何特征与物理力学性能两方面进行评定。(2)表面层的几何形状特性①表面粗糙度:它是指加工表面的微观几何形状误差。表面粗糙度通常是由机械加工中切削刀具的运动轨迹所形成。②表面波纹度:介于宏观的形状误差与微观的表面粗糙度之间的周期性形状误差。一般由工艺系统振动引起。6、加工误差的统计性质（1）系统误差：在顺序加工一批工件中，其大小和方向均不改变，或按一定规律变化的加工误差。◆常值系统误差——其大小和方向均不改变。如机床、夹具、刀具的制造误差，工艺系统在均匀切削力作用下的受力变形，调整误差，机床、夹具、量具的磨损等因素引起的加工误差。譬如，铰刀直径尺寸误差所造成孔径尺寸的误差就是常值系统误差。◆变值系统误差——误差大小和方向按一定规律变化。如机床、夹具、刀具在热平衡前的热变形，刀具磨损等因素引起的加工误差。譬如，加工中刀具的磨损使工件尺寸产生有规律的变化。（2）随机误差：在顺序加工一批工件中，其大小和方向随机变化的加工误差。第三章回转面加工与平面加工回转面加工一、车削1、车刀种类整体式、焊接式、机夹重磨式、机夹可转位式2、装夹方法卡盘装夹、花盘装夹、顶尖装夹、心轴装夹3、加工方法车外圆、车内孔、车断、车锥面与车成形面、车平面、车螺纹4