机械加工工艺基础

CentralSouthUniversity 机械加工工艺基础 主讲人 孔存生 多媒体教学课件 CEP P32 NPL 工装组 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 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 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 25 0 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 25轴加工后可能产生的形状误差 0 0 013 2 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 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Ra 2 2表面粗糙度 Ra h1h2h3 hn 2 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 m 2 2表面粗糙度表面粗糙度符号的意义及应用 2 3常见加工方法的Ra表面特征 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 常用的刀具材料 第二章金属切削机床 返回索引 1 机床的类型 金属切削机床是用来对工件进行加工的机器 故称为 工作母机 习惯上称机床 按加工性质和所用刀具分类 分为车床 铣床 钻床 磨床 齿轮加工机床等12大类 按精度分类 分为普通精度 精密和高精度三种 按重量分类 分为一般机床 大型机床和重型机床 机床的型号 如 C6136表示 2 机床的基本结构 1 主传动部件 用来实现机床主运动 2 进给传动部件 主要用来实现机床进给运动 3 工件安装装置 用来安装工件 4 刀具安装装置 用来安装刀具 5 支承件 用来支承和连接机床各零部件 是机床的基础构件 6 机床动力部件 为机床提供动力 5 车床的基本结构 主电机及变速机构 挂轮箱 床头箱 进给箱 卡盘 中心架 溜板箱 尾架 丝杆 光杆 5 2车削的加工范围 车削是以加工回转体为主要加工目的 在车床上可以加工 外圆 端面 锥度 钻孔 钻中心孔 镗孔 铰孔 切断 切槽 滚花 车螺纹 车成型面 绕弹簧等 5 3车削的工艺特点 粗加工 经济精度可达到IT10 表面粗糙度在25 12 5之间 精加工 经济精度可达IT7左右 表面粗糙度Ra6 3 1 6之间 2 易于保证相互位置精度要求 一次装夹可加工几个不同的表面 避免安装误差 3 刀具简单 制造 刃磨和安装方便 容易选用合理的几何形状和角度 有利于提高生产率 4 应用范围广泛 几乎所有绕定轴心旋转的内外回转体表面及端面 均可以用车削方法达到要求 5 可以用精细车的办法实现有色金属零件的高精度的加工 有色金属的高精度零件不适合采用磨削 6铣削加工 主轴箱 主轴 横溜板 工作台 升降台 底座 6 1立式铣床的基本结构 6 2铣削的主要加工范围 6 5铣削的工艺特点 1 铣削加工的精度可达IT10 IT7 表面粗糙度可达6 3 1 6左右2 生产效率高 铣刀是多刀齿刀具 铣削时有几个刀齿同时参加切削 主运动是刀具的旋转 所以铣削的生产效率比刨削高 3 容易产生振动 铣刀的刀齿切入和切出时产生振动 加工过程中切削面积和切削力变化较大 4 刀齿的散热条件较好 在刀具旋转过程的不切削时间内 刀具可以得到一定的冷却 5 与刨床相比 铣床价格高 适用于批量生产 7 刨 插 削加工 刨床主要有牛头刨床和龙门刨床两种 牛头刨床 刨刀的直线往复运动是主运动 工件在刨刀返回行程将结束时作横向进给运动 牛头刨床主要用于加工中小型零件 龙门刨床 工作台往复运动 横梁上的刀架可以水平或垂直运动龙门刨床主要用于加工大型零件 7 2刨削加工的范围 3 1插削加工 插床又称立式刨床 其运动原理与牛头刨床相似 主要用于孔内表面加工 如方孔 多边形孔 键槽等的加工 工件在工作台上可做纵向 横向和回转的运动 滑枕做上下往复运动 7 3插削主要加工范围 7 4刨削加工的工艺特点 1 加工精度通常为 精刨 IT7 IT10 粗糙度Ra为6 3 1 6之间 2 通用性好 刨床简单 价格低 调整和操作简便 刨刀形状简单 制造 刃磨方便 3 生产率一般比较低 主运动为往复直线运动 返回行程不参加切削 4 适用于单件小批生产 8 钻削加工 钻床包括台式钻床 立式钻床和摇臂钻床 如图 工件直径 12mm的孔一般使用台式钻床加工 孔径 50mm的中小型零件在立式钻床上加工 大型工件上的孔在摇臂钻床上加工 钻夹头是钻孔的常用夹具 一般用于孔径较小 12mm 的工件 大直径的零件用锥度套筒装入钻轴 对精度要求高 粗糙度低的零件钻孔后还必须进行精加工 钻削加工的范围 8 1扩孔 用扩孔钻对已经钻出或铸出 锻出的孔进行扩大和提高精度的加工 称为扩孔 扩孔钻如下图所示 其结构与麻花钻相似 但切削刃有3 4个 前端是平的 无横刃 螺旋槽较浅 钻头刚度好 扩孔余量小 切削比较平稳 所以扩孔精度比钻孔高 其尺寸公差等级可达IT10 IT9 表面粗糙度Ra值可达6 3 3 2 m 扩孔可作为终加工 也可作为铰孔前的预加工 第三章机械加工工艺过程 返回索引 4 工艺规程的拟定 A 工艺分析 检查图纸 做出修改 审查材料 审查零件的结构工艺性 下一步 B 毛坯的选择及加工余量的确定 4 1工件的基准 工件的基准 在零件的设计和制造过程中 要确定一些点 线或面的位置 必须以一些指定的点 线或面作为依据 这些作为依据的点 线或面 称为基准 按照作用的不同 常把基准分为设计基准和工艺基准两类 4 2工件的基准 设计基准 即设计零件的基准 如下图左 齿轮内孔 外圆和齿轮分度圆均以轴线为基准 而两端面是互为基准 下图右 表面2和3及孔4的轴线的设计基准是表面1的 孔5的轴线的设计基准是孔4的轴线 工艺基准 在制造零件时所使用的基准 它又分为工序基准 定位基准 测量基准 装配基准 下图左在加工时 轴线并不实际存在 所以内孔实际是加工外圆和左端面的定位基准 4 3 1工艺基准 工艺基准分为工序基准 定位基准 测量基准 装配基准 1 工序基准 在工艺文件上用以标定加工表面位置的基准 2 定位基准 在机械加工中 用来使工件在机床或夹具中占有正确位置的点 线或面 它是工艺基准中最主要的基准 定位基准选择是否合理 对保证工件加工后的尺寸精度和形位精度 安排加工顺序 提高生产率以及降低生产成本起着决定性的作用 它是制定工艺过程的主要任务之一 定位基准可分为粗基准和精基准两种 4 3 1工艺基准 3 测量基准 用以测量已加工表面尺寸及位置的基准 4 装配基准 用来确定零件或部件在机器中的位置的基准 4 4机械加工工艺过程的制定 机械加工工艺过程的制定按三个步骤进行 1 拟定加工工艺路线分析研究零件图的各项内容及技术要求拟定零件加工的加工方法 加工方案及工艺路线 2 安排好加工工序 1 选择毛坯 4 4工艺路线的制定 3 拟订加工工艺过程制定工艺规程的目的是确保产品质量 提高经济效益 同时它是确定生产人员数量以及定设备 定生产厂房面积和投资额的原始材料 安排加工顺序的原则 基面先行 粗精分开 先粗后精 先面后孔 4 4工艺路线的制定 1 基面先行原则 零件加工时 必须选择合适的表面作为定位基面 以便正确安装工件 在第一道工序中 只能用毛坯面 未加工面 作为定位基面 在后续工序中 为了提高加工质量 应尽量采用加工过的表面为定位基面 显然 安排加工工序时 精基面应先加工 例如 轴类零件的加工多采用中心孔为精基准 因此 安排其加工工艺时 首先应安排车端面 钻中心孔工序 2 粗精分开 先粗后精的原则零件加工质量要求高时 对精度要求高的表面 应划分加工阶段 一般可分为粗加工 半精加工和精加工三个阶段 精加工应放在最后进行 这样 有利于保证加工质量 有利于某些热处理工序的安排 4 4工艺路线的制定 3 先面后孔的原则对于箱体 支架类等零件应先加工平面后加工孔 这是因为平面的轮廓平整 安放和定位稳定可靠 先加工好平面 就能以平面定位加工孔 保证平面和孔的位置综上所述 一般机械加工的顺序是 先加工精基准 粗加工主要面 精度要求高的表面 精加工主要面 次要表面的加工适当穿插在各阶段之间进行 第四章零件表面的加工方案 返回索引 零件是由多个表面组成的 每一个表面又可以用多种加工方法获得 因此 应该对零件的结构特点 形状大小 技术要求 材料性能 生产批量 设备现状以及经济性等多方面进行分析 选择合适的加工方法 将多种加工方法按照一定的加工顺序链接起来 依次对各个表面进行加工 多种加工方法的有机组合成为加工方案 加工方案是拟订工艺过程的基础 1 外圆表面的加工方案 2 平面的加工方案 3 孔的加工方案 5 螺纹的加工方法 螺纹的结构简单 形式多样 传动稳定 连接可靠 调整迅速准确 装拆方便 成本低廉 在机械行业中应用广泛 5 1螺纹的种类和用途 螺纹按其用途分为联接螺纹和传动螺纹1 联接螺纹 主要起联接和调整的作用 1 普通螺纹 牙形角为60 又分为粗牙螺纹和细牙螺纹两种 代号为M 2 管螺纹 牙形角为55 常用于水管 气管 油管等防泄露要求的场合 5 1螺纹的种类和用途 2 传动螺纹 主要用于传递运动和动力 1 梯形螺纹 牙形角为30 牙形为等腰梯形 代号为Tr 它是传动螺纹的主要形式 如机床丝杠等 5 1螺纹的种类和用途 2 矩形螺纹 主要用于力的传递 其特点是传动效率较其它螺纹高 但强度较低 对中准确性较差 特别是磨损后轴向和径向的间隙较大 因此应用受到了一定的限制 5 1螺纹的种类和用途 3 锯齿形螺纹 其牙形为锯齿形 代号为B 它只用于承受单向压力 由于它的传动效率及强度比梯形螺纹高 常用于螺旋压力机及水压机等单向受力机构 5 1螺纹的种类和用途 4 模数螺纹 即蜗杆蜗轮螺纹 其牙形角为40 它具有传动比大 结构紧凑 传动平稳 自锁性能好等特点 主要用于减速装置 5 2螺纹的加工 1 车螺纹 其特点是通过车床机构的调整 能方便地车出不同螺距 不同直径 不同线数和不同牙形的螺纹 适合于单件小批量生产 5 2螺纹的加工 2 攻螺纹和套螺纹 攻螺纹是用丝锥在工件的光孔内加工出内螺纹的方法 如下图左 套螺纹是用板牙在工件光轴上加工出螺纹的方法 如下图右 5 2螺纹的加工 攻螺纹和套螺纹的特点是特别适宜于小尺寸的螺纹加工 对于特别小的螺纹 攻螺纹和套螺纹几乎是其它方法不能代替的 攻螺纹和套螺纹的另一特点是操作十分灵活 特别适宜于成批大量箱体类零件上小螺纹的加工 5 2螺纹的加工 3 铣螺纹 磨螺纹和滚压螺纹 1 铣螺纹 是在专用的螺纹铣床上进行 也可在万能卧式铣床上进行 铣螺纹比车螺纹的加工精度略低 表面粗糙度略大 但铣螺纹的生产率高 适宜于大批大量螺纹生产的粗加工和半精加工 2 磨螺纹 是在专用的螺纹磨床上进行 主要是对需要热处理 硬度较高和精度要求高 的螺纹进行精加工 一般需要磨削的螺纹是经过车螺纹或铣螺纹等半精加工后才进行的 5 2螺纹的加工 3 滚压螺纹 是使坯料在滚压工具的压力下产生塑性变形 强制压制出相应的螺纹 滚压方式主要有两种 A 搓螺纹 是在搓丝机上进行 利用搓丝机压出来的螺纹精度高 可达5级 表面粗糙度为Ra1 6 0 8 目前市场上购买的螺钉 螺栓等螺纹零件大都是由搓丝机生产出来的 B 滚螺纹 是在专用的滚压螺纹机上进行的 被滚压出来的螺纹精度可达3级 表面粗糙度为Ra0 8 0 2 其优点是大大提高了螺纹的抗拉强度 抗剪强度和疲劳强度 且生产率很高 缺点是需要贵重的专用设备 对坯料精度要求较高 而且只能滚压外螺纹 6 典型零件的工艺过程 我们对轴类 盘类以及箱体类零件进行工艺过程分析 6 1轴类零件 轴类零件按其结构特点可分为光轴 阶梯轴 空心轴 曲轴等 其主要表面为外圆面 轴肩和端面 某些轴类零件还有内圆面 键槽 退刀槽 螺纹等其它表面 外圆面主要用于安装轴承和轮系 带轮 齿轮 链轮等 轴肩的作用是使上述零件在轴上轴向定位 轴类零件通过轴上安装的零件起支承 传递运动和扭矩的作用 6 1轴类零件 6 1轴类零件 1 技术要求本零件的轴颈 24和 16分别装在箱体的两个孔中 轴通过螺纹M10和孔 10紧固在箱体上 轴上 20h6处是用来安装滚动轴承的 轴承上装有齿轮 轴中间对称地加工出相距22的两个平行平面 是为了卡扳手而设计的 2 工艺分析 毛坯选择 由于轴受力不大 主要是支承齿轮 所以可直接选用不经锻造的45钢 6 1轴类零件 定位基准的选择A 以圆钢外圆面为粗基准 粗车端面并钻中心孔 B 为保证外圆面的位置精度 以轴两端的中心孔为定位精基准 这样满足了基准重合和基准统一的原则 C 调质处理后 以外圆面定位 精车两端面并修整中心孔 D 以修整的两中心孔作为半精车和磨削的定位精基准 满足了互为基准的原则 制订机械加工工艺过程 单件小批量生产机床某轴