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机械制造技术基础 机械工程学院先进制造技术研究所2012 2013学年第一学期 2012 09 2012 12 金涛tomking 绪论 制造业是国民经济的主要支柱 引自 国家中长期科学和技术发展规划纲要一 制造业与制造技术制造业是一个国家的立国之本 民族产业和支柱产业 是反映一个国家经济实力的重要标志 是为国家创造财富的重要产业 也是保障国家安全的重要产业 如 机床业 基础行业 工欲善其事 必先利其器 家电 汽车 医疗 农业 造船业 纺织 印刷 IT制造业 航天 航空 宇航等 绪论 绪论 制造技术支撑着制造业的发展 先进的制造技术能使一个国家的制造业乃至整个国民经济处于极富竞争力的地位 忽视制造技术的发展 将会使经济发展出现严重问题 如美国和日本的正反两方面教训 二 机械制造业的现状 绪论 国外 八国联军 加工对象 极大和极小 极端制造 精度和效率 精密和超精密 高速和超高速 CNC控制系统 五轴联动 六轴联动 制造技术科学的基础研究 投入巨大 制造技术研究与装备开发的手段 不断开发 不断更新 工艺 检测技术 刀具及功能部件 设计 分析与计算手段等 绪论 三维造型软件 如UG PRO E CARTIA SolidWorks等 有限元分析软件 如ANSYS Abaqus MRC Dynaform Forge等 计算分析软件 如Matlab Mathematica Maple等 现代工程师应掌握这三类软件的至少一个 绪论 国内昨天 辉煌的过去四大发明 卓越的锻压和铸造技术等 武林至尊 宝刀屠龙 倚天不出 谁与争锋今天 制造大国 不是制造强国中低端产品居多 关键件 重要零部件的加工依赖进口 经常受国外的技术限制 巴统 整机装配工艺技术落后 高端的数控产品 IT制造的核心装备 光刻机 大型核电 风电 水电设备 大型发电机组 激光核聚变装置 点火工程 等 绪论 青海华鼎超重型数控卧式镗车床重大专项 最大回转直径 5m最大工件长度 25m工件重量500t双床身 双刀架布局 绪论 装备制造业 国民经济发展 国防建设 技术装备 基础产业2010年 占GDP的11 5 世界前三位 2002年 9 4 世界前四位 我国是世界制造大国 但还不是制造强国 自主创新能力弱 对外依存度高 国际竞争力不强 极易受到国际经济 政治环境的制约 绪论 主要表现在以下几个方面 对制造技术中的重要基础科学问题的研究远远不够单元技术 功能部件的研究和开发落后整机的装配工艺技术落后 沈机案例 传统文化中 学而优则仕 的深远影响 绪论 造成的后果 所制造的机床 在加工精度 切削稳定性 精度保持性 可靠性等方面与国外同类产品相比 存在很大的差距 绪论 明天 YesterdayOnceMore 物质平台 国家政策支持 企业 高校人才平台 谁是主力军 三 制造技术的发展制造技术已从单工序的研究发展到制造系统 物质流 信息流 资金流 的研究 如车铣 镗铣复合机床 加工中心 FMS 柔性制造系统 CIMS 计算机集成制造系统 绪论 随着制造技术的发展 制造技术不再仅仅是以力学 切削理论为主要基础的一门学科 而是涉及了机械科学 系统科学 信息科学 材料科学和控制技术的一门综合学科 绪论 四 机械制造的基本流程 零件与机器零件是机器的组成单元 装配时机器是由零件单元逐一装配而成 但在设计的时候却是从整台机器开始的 一种新产品 机器 的开发内容包括概念设计 方案设计 详细设计 样机试制与评审 工艺设计 新产品鉴定 试销 生产准备 批量生产 在方案设计阶段往往需要设计多种方案 通过性能 成本等的对比 经评审最后确定一种方案 绪论 在详细设计阶段 是从绘制产品 机器 的总装图开始 在完成产品的总装图设计后 再进行拆画零件图 在零件图上除标注正确的几何尺寸外 还要根据机器的性能要求标注出零件的精度要求 可见零件的精度要求来自于机器 而在制造过程中 是先加工出合格的零件 然后再通过合理的装配工艺将零件装配成满足一定功能的机器 绪论 五 本课程学习的目的能对机械制造有一个总体的 全貌的了解与把握 能掌握金属切削过程的基本规律 掌握机械加工的基本知识 能选择加工方法与机床 刀具 夹具及加工参数 具备制订工艺规程的能力和掌握机械加工精度和表面质量分析的基本理论和基本知识 初步具备分析解决现场工艺问题的能力 了解当今先进制造技术的发展概况 第一章机械加工方法 第一节零件的成形原理按照零件由原材料或毛坯制造成为零件的过程中 质量M的变化 可分为 M 0 M 0 M 0三种原理 不同原理采用不同的成形工艺方法 M 0 材料去除原理 如传统的切削加工方法 包括磨料磨削 特种加工等 在制造过程中通过材料逐渐被去除而获得需要的几何形状 第一章机械加工方法 M 0 材料基本不变原理 如铸造 锻造及模具成型 注塑 冲压等 工艺 在成形前后 材料主要是发生形状变化 而质量基本不变 M 0 材料累加成形原理 如上世纪80年代出现的快速原形 RapidPrototyping 技术 在成形中通过材料累加获得所需形状 第一章机械加工方法 一 M 0的制造过程 M 0主要指切削加工 该加工过程是通过刀具和工件之间的相对运动及相互力的作用实现的 工件往往通过夹具安装在机床上 机床带动刀具或工件或两者同时进行运动 切削过程中 有力 热 变形 振动 磨损等现象发生 这些现象的综合作用决定了零件 第一章机械加工方法 最终获得的几何形状及表面质量 对于加工精度要求特别高的零件 需要采取精加工及超精加工工艺 其尺寸精度往往达到亚微米乃至纳米级 这些工艺在航空航天 计算机产品等领域有着广泛的应用 第一章机械加工方法 特种加工是指利用电能 光能或化学等方法完成材料的去除成形方法 这些方法主要适合于加工超硬度 易碎等常规加工方法难加工的场合 如当前发展比较快的三束加工 激光束 电子束 离子束 在微细加工中有广泛的应用 另外近几年发展的高压水射流等加工方法 也有其显著的优点 第一章机械加工方法 二 M 0的制造过程 M 0的工艺内容主要属于材料成形课程的研究范畴 主要指铸造 锻压和焊接等热加工工艺 在我国 铸造工艺 锻压模具的设计和制造方面均是薄弱环节 特别是模具工业 模具制造精度要求较高 其生产方式往往是单件生产 模具的设计和制造需要CAD和CAE 第一章机械加工方法 等一系列高新技术 属于技术密集型产业 三 M 0的制造过程 M 0的工艺即材料累加法制造 MIM 工艺出现于上个世纪80年代 通过材料逐渐累加成型 这一工艺又称RP技术 RapidPrototyping 其优点是 无需编程 即可以成型任意复杂形状的零件 而无需刀 夹具等生产准备活动 第一章机械加工方法 RP技术制造出来的原型可供设计评估 投标或展示之用 RP技术与快速精铸技术 QuickCasting 及快速模具制造技术 RapidTooling 等相结合 又可以为小批量或大批量生产服务 因而RP技术成为加速新产品开发及实现并行工程的有效技术 一些工业发达国家 如美 日 德等 已经全面应用这一技术来提高制造业的竞争能力 第一章机械加工方法 RP技术已形成了几种成熟的工艺方法 进入了商品化阶段 目前商业化的设备主要有光固化法 SL法 Stereolithography 叠层制造法 LOM法 LaminatedObjectManufacturing 激光选区烧结 SLS法 SelectiveLaserSintering 熔积法 FDM法 FusedDepositionModeling 第一章机械加工方法 第二节机械加工方法采用机械加工方法获得零件的形状 是通过机床利用刀具将毛坯上多余的材料切除来获得的 根据机床运动的不同 刀具的不同 可分为不同的加工方法 主要有 车削 铣削 刨削 磨削 钻削 镗削及特种加工等 第一章机械加工方法 一 车削主运动 工件的旋转运动进给运动 刀具相对于工件的运动刀具刀具的结构和形状是基本的 一尖二刃三刀面 能加工的表面 第一章机械加工方法 车床加工的典型工序 第一章机械加工方法 内外圆柱面 端面 内外圆锥面 旋转曲面 螺纹面及偏心轴等 加工精度车削加工精度一般为IT8 IT7 表面粗糙度为Ra6 3 1 6 m 精车时 可达IT6 IT5 粗糙度可达Ra0 4 0 1 m 工艺特点生产效率较高 加工过程平稳 刀具简单 第一章机械加工方法 二 铣削主运动 铣刀的旋转运动进给运动 工件的直线运动铣削的不同型式卧铣和立铣卧铣时 平面的形成是由铣刀的外圆面上的刃形成的 立铣时 平面是由铣刀的端面刃形成的 第一章机械加工方法 铣削加工 第一章机械加工方法 顺铣和逆铣 第一章机械加工方法 顺铣和逆铣顺铣时 铣削力的水平分力与工件的进给方向相同 而工作台进给丝杠与固定螺母之间一般又有间隙存在 因此切削力容易引起工件和工作台一起向前窜动 使进给量突然增大 容易引起打刀 逆铣则可以避免这一现象 因此 生产中多采用逆铣 第一章机械加工方法 在顺铣铸件或锻件等表面有硬度的工件时 铣刀齿首先接触工件的硬皮 加剧了铣刀的磨损 逆铣则无这一缺点 但逆铣时 切削厚度从零开始逐渐增大 因而刀刃开始经历了一段在切削硬化的已加工表面上挤压滑行的阶段 也会加速刀具的磨损 同时 逆铣时 铣削力具有将工件上抬的趋势 也易引起振动 这是逆铣的不利之处 第一章机械加工方法 刀具铣刀的结构较复杂 属于多刃刀具 能加工的表面平面 曲面 成形铣刀铣削齿轮 球头铣刀加工复杂型面 加工精度一般可达IT8 IT7 表面粗糙度为Ra6 3 0 8 m 第一章机械加工方法 工艺特点生产效率较高 铣刀的散热条件较好 切削过程有冲击和振动产生 影响表面质量 加速刀具的磨损和破损 三 刨削主运动 刨刀的直线往复运动能加工的表面 平面 第一章机械加工方法 刨削加工 第一章机械加工方法 刨床的结构形式牛头刨床和龙门刨床 牛头刨床一般只用于单件生产 加工中小型工件 龙门刨床主要用来加工大型工件 加工精度和生产率都高于牛头刨床 加工精度一般可达IT8 IT7 表面粗糙度为Ra3 2 第一章机械加工方法 1 6 m 精刨时平面度可达0 02 1000 表面粗糙度可达Ra0 8 0 4 m 插床实际上可以看作立式的牛头刨床 主要用来加工键槽等内表面 插齿机的插刀与转动的工件形成范成运动 可加工出渐开线齿轮的齿面 第一章机械加工方法 四 钻削和镗削钻削主运动 钻头的旋转运动进给运动 钻头的轴向运动刀具 钻头能加工的表面 孔 第一章机械加工方法 加工精度钻削的加工精度较低 一般只能达到IT11 IT13 表面粗糙度一般为Ra12 5 0 8 m 精度高 表面质量要求高的小孔 在钻削后常常采用扩孔和铰孔来进行半精加工和精加工 第一章机械加工方法 扩孔 铰孔时 扩孔钻和铰刀均在原底孔的基础上进行加工 因此无法提高孔轴线的位置精度以及直线度 钻削加工 第一章机械加工方法 2 镗削主运动 镗刀和镗杆的旋转运动刀具 镗刀 单刃或双刃 能加工的表面 孔 精加工 加工精度镗孔加工精度一般为IT10 IT8 表面粗糙度为Ra3 2 0 8 m 第一章机械加工方法 镗孔时 镗孔后的轴线是以镗杆的回转轴线决定的 因此可以校正原底孔轴线的位置精度 镗孔可在镗床上或车床上进行 镗床镗孔 车床镗孔 第一章机械加工方法 五 齿面加工根据形成齿面的方法不同 可分为两大类 成形法和展成法 又称范成法 成形法成形法加工齿面所使用的机床一般为普通铣床 刀具为成形铣刀 需要两个简单成形运动 刀具的旋转运动 主切削运动 和直线移动 进给运动 第一章机械加工方法 展成法展成法加工齿面的常用机床有滚齿机 插齿机等 在滚齿机上滚切斜齿圆柱齿轮时 一般需要两个复合成形运动 由滚刀的旋转运动B11和工件的旋转运动B12组成的展成运动 由刀架轴向移动A21和工件附加旋转运动B22组成的差动运动 第一章机械加工方法 前者产生渐开线齿形 后者产生螺旋线齿长 图示为滚齿机滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图 滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理 第一章机械加工方法 六 复杂曲面加工三维曲面的切削加工 主要采用仿形铣和数控铣的方法或特种加工方法 见本节八 仿形铣必须有原型作为靠模 加工中球头仿形头始终以一定压力接触原型曲面 仿形头的运动变换为电感量 信号经过放大控制铣床三个轴的运动 形成刀头 第一章机械加工方法 沿曲面运动的轨迹 铣刀多采用与仿形头等半径的球头铣刀 仿形加工的误差取决于加工系统的动特性 原型精度 靠模压力 切削用量及曲面本身的复杂程度等 采用数控铣床或加工中心加工时 曲面是通过球头铣刀逐点按曲面坐标值加工而成 第一章机械加工方法 七 磨削主运动 砂轮的旋转运动刀具 砂轮砂轮上的每个磨粒都可以看成一个微小刀齿 砂轮的磨削过程 实际上是磨粒对工件表面的切削 刻削和滑擦三种作用的综合效应 第一章机械加工方法 磨削中 磨粒本身也会由尖锐逐渐磨钝 使切削能力变差 切削力变大 当切削力超过粘结剂强度时 磨钝的磨粒会脱落 露出一层新的磨粒 这就是砂轮的 自锐性 但切屑和碎磨粒仍会阻塞砂轮 因而 磨削一定时间后 需用金刚石刀具等对砂轮进行修整 第一章机械加工方法 能加工的表面内外圆柱面 平面 特殊曲面 如齿面 磨削加工a 磨外圆b 磨内孔c 磨平面 第一章机械加工方法 加工精度磨床是精加工机床 磨削精度可达IT7 IT5 表面粗糙度可达Ra1 6 0 025 m 甚至可达Ra0 1 0 008 m 工艺特点磨削时 由于刀刃很多 所以加工过程平稳 精度高 表面粗糙度小 第一章机械加工方法 磨削的另一特点是可以对淬硬的工件进行加工 因此 磨削往往作为最终加工工序 但磨削时 产生热量大 需要有充分的切削液进行冷却 否则会产生磨削烧伤 降低表面质量 第一章机械加工方法 八 特种加工科学和技术的发展提出了许多传统切削加工方法难以完成的加工任务 如具有高硬度 高强度 高脆性或高熔点的各种难加工材料 如硬质合金 钛合金 淬火工具钢 陶瓷 玻璃等 零件的加工 具有较低刚度或复杂曲面形状的特殊零件 如薄壁件 弹性元件 具有复杂 第一章机械加工方法 曲面形状的模具 叶轮机的叶片 喷丝头等 的加工等 特种加工方法正是为完成这些加工任务而产生和发展起来的 特种加工方法区别于传统切削加工方法 而是利用化学 物理 电 声 光 热 磁 或电化学方法对工件材料进行去除的一系列加工方法的总称 第一章机械加工方法 这些加工方法包括 化学加工 CHM 电化学加工 ECM 电化学机械加工 ECMM 电火花加工 EDM 电接触加工 RHM 超声波加工 USM 激光束加工 LBM 离子束加工 IBM 电子束加工 EBM 等离子体加工 PAM 电液加工 EHM 磨料流加工 AFM 磨料喷射加工 AJM 液体喷射加工 HDM 及各类复合加工等 第二章金属切削原理与刀具 金属切削过程是刀具与工件相互作用的过程 在此过程中 为了能将工件上多余的金属材料切除掉 对刀具的结构及其材料需提出相应的要求 本章主要介绍刀具的结构 材料以及切削过程的基本现象 最后 简要介绍高速切削中的基本概念及其所用刀具 第二章金属切削原理与刀具 第一节刀具的结构一 运动与切削要素1 切削运动金属切削加工是利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层 加工余量 以获得具有一定的尺寸 形状 位置精度和表面质量的机械加工方法 第二章金属切削原理与刀具 刀具的切削作用是通过刀具与工件之间的相互作用和相对运动来实现的 刀具与工件间的相对运动称为切削运动 即表面成形运动 切削运动可分解为主运动和进给运动 主运动是切下切屑所需的最基本的运动 在切削运动中 主运动的速度最高 消耗的功率最大 主运动只有一个 第二章金属切削原理与刀具 进给运动是多余材料不断被投入切削 从而加工出完整表面所需的运动 进给运动可以有一个或几个 切削运动及其方向用切削运动的速度矢量来表示 如图所示 用车刀进行普通外圆车削时的切削运动 图中主运动切削速度 进给速度和切削运动速度之间的关系为 第二章金属切削原理与刀具 切削运动与切削表面 第二章金属切削原理与刀具 2 切削要素在切削过程中 工件上通常存在着3个不断变化的表面 已加工表面 工件上已切去切屑的表面 待加工表面 工件上即将被切去切屑的表面 加工表面 过渡表面 工件上正在被切削的表面 第二章金属切削原理与刀具 切削要素包括切削用量和切削层的几何参数 切削用量切削用量是切削时各参数的合称 包括切削速度 进给量和切削深度 背吃刀量 三要素 它们是设计机床运动的依据 1 切削速度 第二章金属切削原理与刀具 在单位时间内 刀具和工件在主运动方向上的相对位移 单位为m s 若主运动为旋转运动 则计算公式为 式中 为工件待加工表面或刀具的最大直径 mm n 工件或刀具每分钟转数 r min 第二章金属切削原理与刀具 2 进给量在主运动每转一转或每一行程时 或单位时间内 刀具和工件之间在进给运动方向上的相对位移 单位是mm r 用于车削 镗削等 或mm 行程 用于刨削 磨削等 进给量还可以用进给速度 单位是mm s 或每齿进给量 第二章金属切削原理与刀具 用于铣刀 铰刀等多刃刀具 单位为mm 齿 表示 一般情况下 3 切削深度 背吃刀量 第二章金属切削原理与刀具 待加工表面与已加工表面之间的垂直距离 mm 车削外圆时为式中 分别为待加工表面和已加工表面的直径 mm 2 切削层的几何参数切削层是指工件上正被切削刃切削的一层金属 以车削外圆为例 第二章金属切削原理与刀具 切削层是指工件每转一转 刀具从工件上切下的那一层金属 切削层的大小反映了切削刃所受载荷的大小 直接影响到加工质量 生产率和刀具的磨损等 切削宽度沿主切削刃方向度量的切削层尺寸 mm 车外圆时 第二章金属切削原理与刀具 切削厚度两相邻加工表面间的垂直距离 mm 车外圆时 切削面积切削层垂直于切削速度截面内的面积 第二章金属切削原理与刀具 切削用量与切削层数 第二章金属切削原理与刀具 车外圆时 二 刀具角度1 刀具切削部分的组成切削刀具的种类很多 结构也多种多样 下面以外圆车刀为例说明 外圆车刀是最基本 最典型的切削刀具 如图所示 第二章金属切削原理与刀具 其切削部分 又称刀头 由前面 主后面 副后面 主切削刃 副切削刃和刀尖所组成 车刀的组成 第二章金属切削原理与刀具 前面 前刀面 刀具上与切屑接触并相互作用的表面 主后面 主后刀面 刀具上与工件过渡表面接触并相互作用的表面 副后面 副后刀面 刀具上与工件已加工表面接触并相互作用的表面 主切削刃前刀面与主后刀面的交线 它完成主要的切削工作 第二章金属切削原理与刀具 副切削刃前刀面与副后刀面的交线 它配合主切削刃完成切削工作 并最终形成已加工表面 刀尖连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃 它可以是小的直线段或圆弧 其它各类刀具 如刨刀 钻头 铣刀等 都可看作是车刀的演变和组合 第二章金属切削原理与刀具 如图所示 刨刀切削部分的形状与车刀相同 钻头可看作是两把一正一反并在一起同时车削孔壁的车刀 因而有两个主切削刃 两个副切削刃 还增加了一个横刃 铣刀可看作由多把车刀组合而成的复合刀具 其每一个刀齿相当于一把车刀 第二章金属切削原理与刀具 刨刀 钻头 铣刀切削部分的形状a 刨刀b 钻头c 铣刀 第二章金属切削原理与刀具 2 刀具角度的参考平面刀具要从工件上切下金属 必须具有一定的切削角度 也正是由于切削角度才决定了刀具切削部分各表面的空间位置 要确定和测量刀具角度 必须引入三个相互垂直的参考平面 如图所示 第二章金属切削原理与刀具 确定车刀角度的参考平面 第二章金属切削原理与刀具 切削平面通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切的平面 基面通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面 正交平面通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面 第二章金属切削原理与刀具 切削平面 基面和正交平面共同组成标注刀具角度的正交平面参考系 常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系 背平面和假定工作平面参考系 3 刀具的标注角度刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所必需的 并在刀具设计图上予以标注的角度 第二章金属切削原理与刀具 刀具的标注角度主要有五个 以车刀为例 如图所示 表示了几个角度的定义 车刀的主要角度 第二章金属切削原理与刀具 前角在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角 前角表示前刀面的倾斜程度 有正 负和零值之分 正负规定如图所示 后角在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角 后角表示主后刀面的倾斜程度 一般为正值 第二章金属切削原理与刀具 主偏角在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角 主偏角一般为正值 副偏角在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角 副偏角一般为正值 第二章金属切削原理与刀具 刃倾角在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角 4 刀具的工作角度在实际的切削加工中 由于刀具安装位置和进给运动的影响 刀具的标注角度会发生一定的变化 其原因是切削平面 基面和正交平面位置会发生变化 第二章金属切削原理与刀具 以切削过程中实际的切削平面 基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度 又称实际角度 刀具安装位置对工作角度的影响以车刀车外圆为例 若不考虑进给运动 当刀尖安装得高于或低于工件轴线时 刀具的工作前角和工作后角如图所示 第二章金属切削原理与刀具 车刀安装高度对工作角度的影响a 刀尖高于工件轴线b 刀尖低于工件轴线 第二章金属切削原理与刀具 当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时 刀具的工作主偏角和工作副偏角 如图所示 车刀安装偏斜对工作角度的影响为切削时刀杆纵向轴线的偏转角 第二章金属切削原理与刀具 进给运动对工作角度的影响车削时由于进给运动的存在 使车外圆及车螺纹的加工表面实际上是一个螺旋面 图a 车端面或切断时 加工表面是阿基米德螺旋面 图b 因此 实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角 使车刀的工作前角增大 工作后角减小 第二章金属切削原理与刀具 图a纵向进给运动对工作角度的影响 图b横向进给运动对工作角度的影响 第二章金属切削原理与刀具 三 刀具种类1 刀具分类生产中所使用的刀具种类很多 可按照不同的方式进行分类 按加工方式和具体用途 可分为车刀 孔加工刀具 铣刀 拉刀 螺纹刀具 齿轮刀具 自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型 第二章金属切削原理与刀具 按所用材料性质 可分为高速钢刀具 硬质合金刀具 陶瓷刀具 立方氮化硼 CBN 刀具和金刚石刀具等 按结构形式 可分为整体刀具 镶片刀具 机夹刀具和复合刀具等 按是否标准化 可分为标准刀具和非标准刀具等 第二章金属切削原理与刀具 2 常用刀具简介 车刀车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具 它可以在车床上加工外圆 端平面 螺纹 内孔 也可用于切槽和切断等 图示列出了几种常用车刀 车刀在结构上可分为整体车刀 焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀 第二章金属切削原理与刀具 常用的几种车刀a 直头外圆车刀b 弯头外圆车刀c 弯头外圆车刀d 端面车刀e 内孔车刀f 切断刀g 宽刃光刀 第二章金属切削原理与刀具 整体车刀常用高速钢制造 焊接装配式及机夹式刀片常用硬质合金制造 机械夹固刀片的车刀又分为机夹车刀和可转位车刀 机械夹固车刀的切削性能稳定 工人不必磨刀 所以在现代生产中应用越来越多 如图所示 第二章金属切削原理与刀具 机夹外圆车刀 机夹可转位车刀 第二章金属切削原理与刀具 孔加工刀具孔加工刀具一般可分为两大类 一类是从实体材料上加工出孔的刀具 常用的有麻花钻 中心钻和深孔钻等 另一类是对工件上己有孔进行再加工用的刀具 常用的有扩孔钻 铰刀及镗刀等 第二章金属切削原理与刀具 麻花钻麻花钻是应用最广的孔加工刀具 特别适合于mm以下的孔的粗加工 有时也可用于扩孔 麻花钻根据其制造材料分为高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻 图示是标准高速钢麻花钻的结构 工作部分 刀体 的前端为切削部分 承担主要的切削工作 后端为导向部分 第二章金属切削原理与刀具 起引导钻头的作用 也是切削部分的后备部分 麻花钻的结构 第二章金属切削原理与刀具 工作部分有两个对称的刃瓣 通过中间的钻芯连接在一起 中间形成横刃 两条对称的螺旋槽 用于容屑和排屑 导向部分磨有两条棱边 刃带 为了减少与加工孔壁的磨擦 棱边直径磨有0 03 0 12 100的倒锥量 从而形成了副偏角如前所述 麻花钻的两个刃瓣可以看作两把对称的车刀 第二章金属切削原理与刀具 螺旋槽的螺旋面为前刀面 与工件过渡表面 孔底 相对的端部两曲面为主后刀面 与工件的加工表面 孔壁 相对的两条棱边为副后刀面 螺旋槽与主后刀面的两条交线为主切削刃 棱边与螺旋槽的两条交线为副切削刃 麻花钻的横刃为两后刀面在钻芯处的交线 第二章金属切削原理与刀具 由于标准麻花钻存在切削刃长 前角变化大 从外缘处的大约逐渐减小到钻芯处的大约 螺旋槽排屑不畅 横刃部分切削条件很差 横刃前角约为 等结构问题 生产中 为了提高钻孔的精度和效率 常将标准麻花钻按特定方式刃磨成 群钻 使用 如图所示 第二章金属切削原理与刀具 群钻的基本特征为 三尖七刃锐当先 月牙弧槽分两边 一侧外刃开屑槽 横刃磨得低窄尖 中型标准群钻 第二章金属切削原理与刀具 中心钻如图所示 用于加工轴类工件的中心孔 钻孔时 先打中心孔 也有利于钻头的导向 可防止钻偏 中心钻 第二章金属切削原理与刀具 深孔钻深孔钻是专门用于钻削深孔 长径比5 的钻头 为解决深孔加工中的断屑 排屑 冷却润滑和导向等问题 人们先后开发了外排屑深孔钻 内排屑深孔钻 喷吸钻和套料钻等多种深孔钻 图示是用于加工枪管的外排屑深孔钻的工作原理 第二章金属切削原理与刀具 外排屑深孔钻 枪钻 工作原理 第二章金属切削原理与刀具 扩孔钻扩孔钻常用作铰或磨前的预加工以及毛坯孔的扩大 扩孔效率和精度均比麻花钻高 常见的结构型式有高速钢整体式 镶齿套式和镶硬质合金可转位式 第二章金属切削原理与刀具 扩孔钻a 高速钢整体式b 镶齿套式c 镶硬质合金可转位式 第二章金属切削原理与刀具 铰刀铰刀是精加工刀具 加工精度可达 T6 T7 加工表面粗糙度可达1 6 0 4 图示是几种常用铰刀 其中a b为手用铰刀 c d为机用铰刀 e为两把一套的锥度铰刀 第二章金属切削原理与刀具 不同种类的铰刀 第二章金属切削原理与刀具 镗刀镗刀多用于箱体孔的粗 精加工 一般分为单刃镗刀和多刃镗刀两大类 结构简单的单刃镗刀如图所示 单刃镗刀 第二章金属切削原理与刀具 铣刀铣刀是一种应用广泛的多刃回转刀具 其种类很多 按用途分有 加工平面用的 如圆柱平面铣刀 端铣刀 面铣刀 等 加工沟槽用的 如立铣刀 两面刃或三面刃铣刀 锯片铣刀 T形槽铣刀和角度铣刀 第二章金属切削原理与刀具 加工成形表面用的 如凸半圆和凹半圆铣刀和加工其它复杂成形表面用的铣刀 铣削的生产率一般较高 第二章金属切削原理与刀具 铣刀种类 第二章金属切削原理与刀具 拉刀拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具 广泛应用于大批量生产中 可加工各种内 外表面 图a 拉刀按所加工工件表面的不同 可分为内拉刀和外拉刀两类 常用内拉刀和外拉刀的结构分别如图b 图c所示 第二章金属切削原理与刀具 图a可拉削加工的各种内外表面举例a 圆孔b 三角形孔c 方孔d 键槽e 花键孔f 内齿轮g 平面h 榫槽i 燕尾槽 第二章金属切削原理与刀具 图b常用内拉刀a 圆孔拉刀b 花键拉刀 图c外拉刀 第二章金属切削原理与刀具 螺纹刀具螺纹可用切削法和滚压法进行加工 螺纹加工可在车床上车削完成 外螺纹 也可用手动或在钻床上用丝锥进行加工 内螺纹 图示是常用切削法加工螺纹所用的螺纹刀具 第二章金属切削原理与刀具 e 切削法工作的螺纹刀具a 平体螺纹梳刀b 棱体螺纹梳刀c 圆体螺纹梳刀d 板牙e 丝锥 c d 第二章金属切削原理与刀具 齿轮刀具齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具 按刀具的工作原理 齿轮刀具分为成形齿轮刀具和展成齿轮刀具 常用的成形齿轮刀具有盘形齿轮铣刀 图a 和指形齿轮铣刀等 常用的展成齿轮刀具有插齿刀 图b 滚刀 图c 和剃齿刀 图d 等 第二章金属切削原理与刀具 图a盘形齿轮铣刀 图b插齿刀a 盘形直齿插齿刀b 碗形直齿插齿刀c 锥形直齿插齿刀 第二章金属切削原理与刀具 图c滚刀 图d两种典型的剃齿刀 第二章金属切削原理与刀具 如图b所示 三种主要类型插齿刀的使用范围为 盘形直齿插齿刀 用于加工普通直齿轮和大直径内齿轮 碗形直齿插齿刀 用于加工塔形齿轮和双联齿轮 锥柄直齿插齿刀 用于加工直齿内齿轮 插齿刀也可用于加工斜齿轮 人字齿轮和齿条 第二章金属切削原理与刀具 第二节刀具材料在切削过程中 刀具在强切削力和高温下工作 同时与切屑和工件表面都产生剧烈的摩擦 因此工作条件极为恶劣 为使刀具具有良好的切削能力 必须选用合适的材料 刀具材料对加工质量 生产率和加工成本影响极大 第二章金属切削原理与刀具 一 刀具材料应具备的性能高的硬度 刀具材料的硬度必须高于工件的硬度 以便切入工件 在常温下 刀具材料的硬度一般应该在HRC60以上 高的耐磨性 即抵抗磨损的能力 一般情况下 刀具材料硬度越高 耐磨性越好 第二章金属切削原理与刀具 高的耐热性 指刀具在高温下仍能保持硬度 强度 韧性和耐磨性的能力 足够的强度和韧性 只有具备足够的强度和韧性 刀具才能承受切削力和切削时产生的振动 以防脆性断裂和崩刃 良好的工艺性 为便于刀具本身的制造 刀具材料还应具有一定的工艺性能 第二章金属切削原理与刀具 如切削性能 磨削性能 焊接性能及热处理性能等 良好的热物理性能和耐热冲击性能要求刀具的导热性要好 不会因受到大的热冲击 产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂 第二章金属切削原理与刀具 二 常用的刀具材料在切削加工中常用的刀具材料有 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 金刚石 立方氮化硼等 其中 后三种材料属于新型刀具材料 碳素工具钢与合金工具钢 碳素工具钢是含碳量最高的优质钢 含碳量为0 7 1 2 如T10A 第二章金属切削原理与刀具 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 第二章金属切削原理与刀具 以上两种刀具材料因其耐热性都比较差 所以常用于制造手工工具和一些形状较简单的低速刀具 如锉刀 锯条 铰刀等 高速钢 又称为锋钢或风钢 它是含有较多W Cr等合金元素的高合金工具钢 与碳素工具钢和合金工具钢相比 第二章金属切削原理与刀具 高速钢具有较高的耐热性 温度达时 仍能正常切削 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 第二章金属切削原理与刀具 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 1000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 第二章金属切削原理与刀具 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 陶瓷 是以氧化铝 Al2O3 或氮化硅 Si3N4 等为主要成分 经压制成型后烧结而成的刀具材料 第二章金属切削原理与刀具 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 第二章金属切削原理与刀具 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 第二章金属切削原理与刀具 立方氮化硼 CBN 这是一种70年代发展起来的一种人工合成的新型刀具材料 它是由立方氮化硼在高温 高压下加入催化剂转变而成的 其硬度很高 可达HV8000 9000 仅次于金刚石 并具有很好的热稳定性 可承受1000度以上的切削温度 其最大优点是在高温 1400 1500 时 也不会与铁族金属起反应 第二章金属切削原理与刀具 因此 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 金刚石 人造金刚石是通过合金触媒的作用 在高温高压下由石磨转化而成 可以达到很高的硬度 显微硬度可达HV10000 第二章金属切削原理与刀具 因此具有很高的耐磨性 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700 800 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 第二章金属切削原理与刀具 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 第二章金属切削原理与刀具 第三节金属切削过程及其物理现象金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过程 在这一过程中会出现许多物理现象 如切削力 切削热 积屑瘤 刀具磨损和加工硬化等 因此 研究切削过程对切削加工的发展和进步 保证加工质量 降低生产成本 提高生产效率等 都有着重要意义 第二章金属切削原理与刀具 一 切削过程与切屑种类1 切屑形成过程对塑性金属进行切削时 切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程 如图a所示为低速直角自由切削工件侧面时 用显微镜观察得到的切削层金属变形的情况 由该图可绘制出图中b c所示的滑移线和流线示意图 第二章金属切削原理与刀具 a b c 切屑的形成过程金属切削层变形图像 b 切削过程晶粒变形情况 c 切削过程3个变形区 第二章金属切削原理与刀具 当工件受到刀具的挤压以后 如图b所示 切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形 愈靠近OA面 弹性变形愈大 在OA面上 应力达到材料的屈服强度 则发生塑性变形 产生滑移现象 随着刀具的连续移动 原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢 应力和变形也逐渐加大 在始滑移面OE上 应力和变形达到最大值 第二章金属切削原理与刀具 越过OE面 切削层金属将脱离工件基体 沿着前刀面流出而形成切屑 完成切离阶段 经过塑性变形的金属 其晶粒沿大致相同的方向伸长 可见 金属切削过程实质是一种挤压过程 在这一过程中产生的许多物理现象 都是由切削过程中的变形和摩擦所引起的 第二章金属切削原理与刀具 切削塑性金属材料时 刀具与工件接触的区域可分为3个变形区 如图c所示 OA与OE之间是切削层的塑性变形区I 称为第一变形区 或称基本变形区 基本变形区的变形量最大 常用它来说明切削过程的变形情况 切屑与前刀面磨擦的区域II称为第二变形区 或称摩擦变形区 第二章金属切削原理与刀具 切屑形成后与前刀面之间存在压力 所以沿前刀面流出时必然有很大的摩擦 因而使切屑底层又一次产生塑性变形 工件已加工表面与后刀面接触的区域III称为第三变形区 或称加工表面变形区 金属的被切削层就在此处与工件基体发生分离 大部分变成切屑 很小一部分留在已加工表面上 第二章金属切削原理与刀具 2 切屑的种类及其控制由于工件材料不同 切削过程中的变形程度也就不同 因而产生的切屑种类也就多种多样 主要有 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑 切屑类型a 带状切屑b 挤裂切屑c 单元切屑d 崩碎切屑 第二章金属切削原理与刀具 所谓切屑控制 又称切屑处理 工厂中一般简称为 断屑 是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲 流出与折断 使形成 可接受 的良好屑形 从切屑控制的角度出发 国际标准化组织 ISO 制订了切屑分类标准 衡量切屑可控性的主要标准是 不妨碍正常的加工 即不缠绕在工件 刀具上 第二章金属切削原理与刀具 不飞溅到机床运动部件中 不影响操作者的安全 易于清理 存放和搬运 在实际加工中 应用最广的是使用可转位刀具 并且在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器 切屑控制的目的 环保 操作安全 机床零部件的安全 如高速直线导轨的防护 第二章金属切削原理与刀具 3 积屑瘤现象在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下 加工一般钢料或其它塑性材料时 常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块 它的硬度很高 通常是工件材料的2 3倍 在处于比较稳定的状态时 能够代替刀刃进行切削 第二章金属切削原理与刀具 这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤 如图所示 积屑瘤现象 第二章金属切削原理与刀具 积屑瘤的产生会引起刀具实际角度的变化 如可增大前角 有时可延长刀具寿命等 但是积屑瘤是不稳定的 增大到一定程度后会碎裂 这样容易嵌入在已加工表面内 增大了粗糙度 积屑瘤在加工过程中是不可控的 只能通过改变切削条件防止其产生 第二章金属切削原理与刀具 第四节切削力与切削功率一 切削力的来源 切削合力及其分解 切削功率金属切削时 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 称为切削力 由前面对切削变形的分析知 切削力来源于三个方面 第二章金属切削原理与刀具 克服被加工材料弹性变形的抗力 克服被加工材料塑性变形的抗力 克服切屑与前刀面的摩擦力和刀具后刀面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦力 第二章金属切削原理与刀具 切削合力和分力 第二章金属切削原理与刀具 式中 Fz 主切削力或切向力 它的方向与过渡表面相切并与基面垂直 Fz是计算车刀强度 设计机床主轴系统 确定机床功率所必需的 第二章金属切削原理与刀具 Fx 进给力 轴向力 它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力 Fx是设计走刀机构 计算车刀进给功率所必需的 Fy 切深抗力 径向力 吃刀力 它是处于基面内并与工件轴线垂直的力 Fy是计算工件挠度 机床零件和车刀强度的依据 第二章金属切削原理与刀具 工件在切削过程中产生的振动往往与Fy有关 消耗在切削过程中的功率称为切削功率 第二章金属切削原理与刀具 二 切削力的测量 车削力计算机辅助测量系统框图 第二章金属切削原理与刀具 三 切削力的经验公式 车削 铣削 正常切削工艺下 第二章金属切削原理与刀具 第五节切削热和切削温度一 切削热的产生和传导切削热是切削过程中的重要物理现象之一 被切削的金属在刀具的作用下 发生弹性和塑性变形而耗功 这是切削热的一个重要来源 此外 切屑与前刀面 工件与后刀面之间的摩擦也要耗功 也产生出大量的热量 第二章金属切削原理与刀具 因此 切削时共有三个发热区域 即剪切面 切屑与前刀面接触区 后刀面与过渡表面接触区 如图所示 三个发热区与三个变形区相对应 所以 切削热的来源就是切屑变形功和前 后刀面的摩擦功 切削热的产生与传导 第二章金属切削原理与刀具 对于磨损量较小的刀具 其切削功率 由上式可知 切削用量中 增加一倍时 相应的成比例地增大一倍 因而切削热也增大一倍 切削速度的影响次之 进给量的影响最小 其它因素对切削热的影响和它们对切削力的影响完全相同 第二章金属切削原理与刀具 切削区域的热量被切屑 工件 刀具和周围介质传出 二 切削温度的测量尽管切削热是切削温度升高的根源 但直接影响切削过程的却是切削温度 切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度 第二章金属切削原理与刀具 前刀面的平均温度可近似地认为是剪切面的平均温度和前刀面与切屑接触面摩擦温度之和 切削温度的测量方法很多 大致可分为热电偶法 辐射温度计法以及其它测量方法 目前应用较广的是自然热电偶法和人工热电偶法 红外热像仪 第二章金属切削原理与刀具 三 影响切削温度的主要因素切削温度主要受切削用量 刀具几何参数 工件材料 刀具磨损和切削液的影响 以下对这几个主要因素加以分析 1 切削用量的影响 第二章金属切削原理与刀具 式中 为实验得出的前刀面接触区的平均温度 可见 在切削用量三要素中 的指数最大 次之 最小 2 工件材料的影响工件材料对切削温度的影响与材料的强度 硬度及导热性有关 第二章金属切削原理与刀具 材料的强度 硬度愈高 切削时消耗的功愈多 切削温度也就愈高 材料的导热性好 可以使切削温度降低 例如 合金结构钢的强度普遍高于45钢 而导热系数又多低于45钢 故切削温度一般均高于切削45钢的切削温度 钛合金的导热系数只有碳素钢的1 3 1 4 故切削温度较高 刀具易磨损 粘刀 第二章金属切削原理与刀具 3 刀具角度的影响前角和主偏角对切削温度影响较大 前角加大 变形和摩擦减小 因而切削热少 但前角不能过大 否则刀头部分散热体积减小 不利于切削温度的降低 主偏角减小将使刀刃工作长度增加 散热条件改善 因而使切削温度降低 第二章金属切削原理与刀具 4 刀具磨损的影响在后刀面的磨损值达到一定数值后 对切削温度的影响增大 切削速度愈高 影响就愈显著 5 切削液的影响切削液对切削温度的影响 与切削液的导热性能 比热 流量 注入方式以及本身的温度有很大的关系 第二章金属切削原理与刀具 从导热性能来看 油类切削液不如乳化液 乳化液不如水基切削液 如果用乳化液来代替油类切削液 加工生产率可提高50 100 切削液本身的温度越低 就能越明显地降低切削温度 如果将室温 20 的切削液降温至5 则刀具寿命可提高50 第二章金属切削原理与刀具 四 切削液为了降低刀具和工件的温度 不仅要减少切削热的产生 而且要改善散热条件 喷注足量的切削液可以有效地降低切削温度 使用切削液 除起冷却作用外 还可以起润滑 清洗和防锈的作用 切削液可以分为以下三类 第二章金属切削原理与刀具 水溶液它的主要成分是水 并在水中加入一定量的防锈剂 其冷却性能好 润滑性能差 呈透明状 常在磨削中使用 乳化液它是将乳化油用水稀释而成 呈乳白色 为使油和水混合均匀 常加入一定量的乳化剂 如油酸钠皂等 第二章金属切削原理与刀具 乳化液具有良好的冷却和清洗性能 并具有一定的润滑性能 适用于粗加工及磨削 切削油它主要是矿物油 特殊情况下也采用动 植物油或复合油 其润滑性能好 但冷却性能差 常用于精加工工序 第二章金属切削原理与刀具 五 切削温度对工件 刀具和切削过程的影响切削温度高是刀具磨损的主要原因 它将限制生产率的提高 切削温度还会使加工精度降低 使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷 1 切削温度对工件材料强度和切削力的影响 第二章金属切削原理与刀具 切削时的温度虽然很高 但是切削温度对工件材料硬度及强度的影响并不很大 切削温度对剪切区域的应力影响不很明显 2 切削温度对刀具材料的影响适当地提高切削温度 对提高硬质合金的韧性是有利的 第二章金属切削原理与刀具 硬质合金在高温时 冲击强度比较高 因而硬质合金不易崩刃 磨损强度亦将降低 实验证明 各类刀具材料在切削各种工件材料时 都有一个最佳切削温度范围 在最佳切削温度范围内 刀具的寿命最高 工件材料的切削加工性也符合要求 第二章金属切削原理与刀具 3 切削温度对工件尺寸精度的影响车削外圆时 工件本身受热膨胀 直径发生变化 切削后冷却至室温 就可能不符合要求的加工精度 在精加工和超精加工时 切削温度对加工精度的影响特别突出 所以必须注意降低切削温度 可以认为 超精加工要解决的关键问题即是热变形问题 第二章金