机械制造技术基础第1章

1、机械制造技术基础机械制造技术基础 制作：机械制造教研室授 课：恩吉 绪 论1、制造业在国民经济中的地位、制造业在国民经济中的地位 制造制造是人类科学理念物化的过程（P1）。它是指人类按照所需目的，运用主观掌握的知识和技能，应用可利用的设备和工具，采用有效的方法，将原材料转化为有使用价值的物质产品并投放市场的全过程。 （1）机械制造业是国家工业体系的重要基础和国民经济的重要组成部分，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一； （2）制造技术是生产、国际经济竟争、产品革新的一种重要手段； （3）基础机械、基础零部件、基础工艺的发展，其关键在于制造技术的发展； （4）现代以制造技术为重点的工业革命，就是

2、第三次工业革命；在国防中举足轻重在国防中举足轻重歼歼10：国产最先进战机：国产最先进战机中华神盾：国产最先进驱逐舰中华神盾：国产最先进驱逐舰遨游太空的神六遨游太空的神六航空母舰：制造业的颠峰航空母舰：制造业的颠峰2、先进制造技术的发展趋势、先进制造技术的发展趋势信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用。设计技术的不断现代化。加工制造技术向超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展。绿色制造将成为21世纪制造业的主要特征。目前研究热点目前研究热点 超超高速切削高速切削 精密及精密及超精密超精密加工、加工、微细加工和微细加工和纳米纳米级加工级加工 自动化加工中刀具自动化加工中刀具可靠性

3、可靠性研究研究 切削过程切削过程在线检测在线检测监控和预报监控和预报 新型新型刀具材料刀具材料的设计与开发的设计与开发 新型新型高难加工材料高难加工材料的切削加工的切削加工 其它其它新型新型加工方法，如：基于环保意识的绿色干切削、加工方法，如：基于环保意识的绿色干切削、硬切削、低温切削、加热切削、振动切削等硬切削、低温切削、加热切削、振动切削等 复杂曲面复杂曲面加工，复杂刀具加工，复杂刀具CAD/CAM 国内研究现状国内研究现状p 山东大学山东大学 ( (新型陶瓷刀具材料、刀具磨损破损、切削可靠新型陶瓷刀具材料、刀具磨损破损、切削可靠性等、高速切削性等、高速切削) )，代表性人物：，代表性人物

4、：艾兴院士艾兴院士p 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 ( (精密、超精密加工、纳米级加工、特种精密、超精密加工、纳米级加工、特种加工等加工等) )，代表性人物：，代表性人物：袁哲俊教授袁哲俊教授p 大连理工大学大连理工大学 ( (切削理论、剪切角理论切削理论、剪切角理论 、石材加工等、石材加工等) )，代表性人物：代表性人物：刘培德教授刘培德教授p 北京理工北京理工 (硬质合金刀具、难加工材料加工等硬质合金刀具、难加工材料加工等) ，代表性人，代表性人物：物：于启勋教授于启勋教授p 天津大学天津大学 (陶瓷精密磨削加工等陶瓷精密磨削加工等) ，代表性人物：，代表性人物：于思远教于思远教授授p 东

5、北大学东北大学 ( (磨削加工磨削加工) ) ，代表性人物：，代表性人物：郑焕文教郑焕文教授授p 华南理工大学华南理工大学 (加工表面质量、加工表面质量、 积屑瘤、加工表积屑瘤、加工表面残余应力面残余应力)，代表性人物：，代表性人物：周泽华教授周泽华教授p 华中科技大学华中科技大学（陈日曜教授陈日曜教授）p 南京航空航天大学南京航空航天大学(张幼帧教授张幼帧教授）p 北京航空航天大学北京航空航天大学（陈鼎昌教授陈鼎昌教授）p 清华大学清华大学p 成都工具研究所等成都工具研究所等p 美国、日本、德国、澳大利亚等美国、日本、德国、澳大利亚等 美国美国: Merchant, Lee and Shaf

6、fer 日本：日本：臼井英治、小野浩二、中山一雄臼井英治、小野浩二、中山一雄 澳大利亚：澳大利亚：Oxley 国外研究现状国外研究现状3、如何学好本课程、如何学好本课程性质：性质：是机械类各专业的主干专业技术基础课程。研究对象：研究对象：金属切削原理、金属切削机床与刀具、机床夹具设计原理以及机械产品的制造工艺（包括零件加工和装配两方面）。课程的主要内容课程的主要内容金属切削的基本原理和基本知识；金属切削机床与刀具；零件机械加工工艺过程的制订；机床夹具设计原理；机械加工精度与加工质量；装配工艺过程设计；课程的学习要求课程的学习要求以金属切削理论为基础，掌握金属切削的基本原理和基本知识，并有根据具

7、体情况合理选择加工方法（机床、刀具、切削用量、切削液等）的初步能力；以制造工艺为主线，以产品质量、加工效率与经济性三者的优化为目标，了解和掌握机械加工工艺过程、机械加工精度和质量以及装配过程的基本原理和基本知识，具有设计工艺规程的初步能力。了解和能够选用常用工艺装备（机床、刀具、夹具），并具有初步设计工艺装备的能力。对先进制造技术的发展趋势有一定的了解。本课程的学习方法本课程的学习方法 金属切削理论和机械制造工艺知识具有很强的实践性。因此，希望学习本书时必须重视实践环节，即通过实验、实习、设计及工厂调研来更好地体会、加深理解。本书给出的仅是基本概念与理论，真正的掌握与应用必须在不断的实践理论实

8、践的循环中善于总结，才能达到自由王国的境界。学时安排: 1.(5) 2.(8) 3.(11) 5.(11) 7.(5) 8.(2) 9.(1)考核 平时成绩30分: 考勤和课堂纪律15 ; 课堂讨论、笔记和作 业15。 期末闭卷考试70分. 试卷题型：1填空 15 约5题 ； 2. 选择题35 约7题 ； 3. 简答题16 约4题 ； 4. 分析题24 约3题 ； 5计算题10 约1题 。第一章：金属切削过程的基础知识（约（约5学时）学时） 本章提要 一、基本定义 介绍金属切削过程方面的一些基本概念，它包括切削运动、切削用量、参考系（基面、切削平面、主剖面）、刀具标注角度、切削层参数等。二、刀

9、具材料 介绍刀具材料应具备的性能（硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性），两种常用的刀具材料（高速钢、硬质合金）和其它刀具材料（涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼）。1.1基本定义1.1.1切削运动与切削用量 工件三个表面定义： 待加工表面：即将被切去金属层的表 面； 加工表面：切削刃正在切削着的表面； 已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。平面刨削的切削运动及工件上三表面平面刨削的切削运动及工件上三表面课堂问题：课堂问题：指出钻、铣削的切削运动及指出钻、铣削的切削运动及工件上三个表面。工件上三个表面。1.1.1.1切削运动*主运动主运动 主运动是速度最高，消耗机床功率最多的

10、那个运动。主运动是速度最高，消耗机床功率最多的那个运动。（如（如图图1.3Vc）注：注：(a) 主运动可为刀具，也可为工件；主运动可为刀具，也可为工件； (b) 主运动可是直线运动，也可旋转运动；主运动可是直线运动，也可旋转运动； (c) 切削加工中，主运动必须有一个，也只有一个。切削加工中，主运动必须有一个，也只有一个。进给运动进给运动 进给运动使新的金属不断投入切削的运动。进给运动可进给运动使新的金属不断投入切削的运动。进给运动可是一个、两个或多个，通常消耗功率较小。（如是一个、两个或多个，通常消耗功率较小。（如图图1.3Vf）注：（注：（a）进给运动可以是一个、几个或没有；）进给运动可以

11、是一个、几个或没有； （b）进给运动可是直线运动、旋转运动或两者的组合；）进给运动可是直线运动、旋转运动或两者的组合； （c）进给运动可由刀具或工件完成。）进给运动可由刀具或工件完成。 VcVeVf图1.3合成切削速度合成切削速度合成运动与合成切削速度合成运动与合成切削速度 当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某点当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某点相对工件的运动称为合成切削运动。相对工件的运动称为合成切削运动。(如如图图1.3Ve) 1.1.1.2 切削用量三要素* cvfpa1000dnVc (1) 切削速度 （车钻镗） (2) 进给速度、进给量和每齿进给量 进给速度Vf是

12、单位时间的进给量，单位是mm/s(mm/min)进给量f是工件或刀具每回转一周两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r1000dnVc对于铣刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量f z 。三者的关系:nZfnfVzf2mdwdpa2mdpa(3)背吃刀量 背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离（车削） （钻削） 1.1.2.刀具切削部分的基本定义1.1.2.1 刀具切削部分的构造 主后刀面主后刀面Aa是指与工件加工表面相对的刀具 表面。 副后刀面副后刀面Aa是指与工件已加工表面相对的 刀具表面。(3)切削刃切削刃：主切削刃主切削刃指前刀面与

13、主后刀面相交的锋边；副切削刃副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边。 (1)前刀面前刀面：前刀面前刀面Ar 是切屑流出的表面; (2)后刀面后刀面：后刀面后刀面分为主后刀面主后刀面与副后刀面副后刀面 ;车刀的组成车刀的组成(4)刀尖刀尖：刀尖刀尖可以是主、副切削刃的实际交点（图1.5）它也可以是圆弧或直线（通常都称为过渡刃）。1.1.2.2 刀具标注角度的参考系刀具标注角度的参考系由下列诸平面构成：基面Pr 通过切削刃选定点，垂直假定主运动方向的平面。切削平面Ps 通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。主剖面Po和主剖面参考系 主剖面Po是通过切削刃选定点，同时垂直于基面Pr

14、和切削平面Ps的平面。 由Pr-Ps-Po组成的一个正交的主剖面参考系主剖面参考系。 法剖面法剖面Pn和和法 剖 面 参 考法 剖 面 参 考系系 法剖面 Pn是通过切削刃选定点，垂直于切削刃的平面。Pr-Ps-Pn组成一个法剖面参法剖面参考系考系VPrVf进给剖面进给剖面Pf和背和背平面平面Pp及其组成的及其组成的进给、背平面参考进给、背平面参考系系 进给剖面Pf是通过切削刃选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面Pr的平面。背平面Pp是通过切削刃选定点，同时垂直于Pr和Pf的平面。Pr-Pf-Pp组成一个进进给、背平面参考系给、背平面参考系。1.1.2.3 刀具工作角度的参考系（自阅） 刀具

15、工作角度参考系与标注角度参考系的唯一不同是：用主运动与进给运动的合成切削运动Ve取代主运动VcVe =Vc + Vf1.1.2.4 刀具的标注角度* 主偏角r：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角。 刃倾角s：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。 前角0：前刀面与基面间的夹角（在主剖面中测量）。 后角0：后刀面与切削平面的夹角（在主剖面中测量）。 同理可得：副偏角r，副后角0， ，副刃倾角s， ， 副前角0， ，。它们的定义与主切削刃上的四种角度类似。 几个派生角如下：楔角 ：主剖面中测量的前、后刀面间夹角。刀尖角 ：基面中测量的主、副切削刃间夹角。0r0)(900000ar)(180

16、0rrrkk前角前角主偏角主偏角刃倾角刃倾角作业：P21 1.6，1.131.1.3.刀具角度的换算 (自阅)nff端面车刀端面车刀切断车刀切断车刀1.1.4.刀具工作角度1.1.4.1进给运动对工作角度的影响横车基面位置变化所致: 前角 后角aVeVfVc纵车基面位置变化所致：前角后角a1.1.4.2 刀具安装对工作角度的影响 刀 尖 安装高低对工作角度的影响 装高了导致：a课堂问题：课堂问题：镗孔时，当镗刀刀尖安装得镗孔时，当镗刀刀尖安装得高于工件中心线时，工作前角和工作后高于工件中心线时，工作前角和工作后角的变化如何？角的变化如何？刀杆安装倾斜对工作角度的影响 车刀刀杆与进给方向不垂直时

17、，工作主偏角和工作副偏角将发生变化： ,rekrek1.1.5切削层参数与切削形式1.1.5.1 切削层参数* 切削厚度 垂直于加工表面来度量的切削层尺寸（图1.19）称为切削厚度，以hD表示。切削宽度 沿加工表面度量的切削层尺寸（图1.19），称为切削宽度，以 bD 表示。切削面积AD pDDDafbhAbD2bD1hD2hD1hD3hD2hD1 bD 上面所计算的均为名义切削面积名义切削面积。实实际切削面积际切削面积等于名义切削面积减去残留面积注注：残留面积直接影响表面粗糙度。1.1.5.2切削形式(自阅) 正切削与斜切削自由切削与非自由切削p 工欲善其事，工欲善其事，必先利其必先利其器器

18、p 好钢用在好钢用在刀刃刀刃上上p 刀具材料的每一次进步几乎都给机械加工业带来刀具材料的每一次进步几乎都给机械加工业带来一次一次革命革命p 再先进的机床没有刀具再先进的机床没有刀具尤如一堆尤如一堆废铁废铁 1.2 刀具材料p 机床、刀具和工件组成的切削加工系统中，刀具是机床、刀具和工件组成的切削加工系统中，刀具是最活跃最活跃的因素的因素 p 机床与刀具材料交替进展，成为切削技术不断向前机床与刀具材料交替进展，成为切削技术不断向前发展的发展的历史规律历史规律p 金属切削的发展史，从某种意义上说，可归结为金属切削的发展史，从某种意义上说，可归结为刀刀具材料的具材料的发展史发展史 1.2.1.刀具材

19、料应具备的性能* 高的硬度与耐磨性高的硬度与耐磨性足够的强度和韧性足够的强度和韧性高的耐热性高的耐热性良好的工艺性良好的工艺性良好的经济性良好的经济性 （1）高的硬度与耐磨性）高的硬度与耐磨性A、刀具是从工件上去除材料，刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。度必须高于工件材料的硬度。 刀具材料最低硬度应在刀具材料最低硬度应在60HRC以上。以上。 对于对于碳素工具钢碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；以上；高速钢高速钢硬度为硬度为63HRC70HRC；硬质合金刀具硬质合金刀具硬度为硬度为89HRC93HRC。

20、B、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。、刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。 一般刀具一般刀具硬度硬度越高，越高，耐磨性耐磨性越好。越好。 刀具金相组织中刀具金相组织中硬质点硬质点（如碳化物、氮化物等）（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越耐磨性越好。好。足够的强度和韧性足够的强度和韧性 刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。力。 如车削如车削45钢，在背吃刀量钢，在背吃刀量ap4，进给量，进给量f 0.5/r的条件下，刀片所承受的的条件下，刀片所承受的切削力达切削力达到到4000N，可见，刀具材料必须

21、具有较高的，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。强度和较强的韧性。 一般刀具材料的韧性用冲击韧度一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。映刀具材料抗脆性和崩刃能力。（3）高的耐热性）高的耐热性 刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称量，也称热硬性热硬性。 刀具材料刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，高温硬度越高，则耐热性越好，在在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。（5）良好的经济性）良好的经

22、济性 刀具不但要有良好的切削性能，本身还应刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。等功能。（4）良好的工艺性）良好的工艺性 经济性也是刀具材料的重要指标之一，经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要选择刀具时，要考虑经济效果考虑经济效果，以降低生产，以降低生产成本。成本。1.2.2.常用的刀具材料1.2.2.1.高速钢*1高速钢高速钢 概念概念： 高速钢是一种含有钨、钼、铬、高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的钒

23、等合金元素较多的高合金高合金工具钢工具钢 。 性质及特点性质及特点：高速钢具有良好的热稳定性高速钢具有良好的热稳定性 （正常工作切削温度可达500 650 oC ）；高速钢具有较高强度和韧性高速钢具有较高强度和韧性 、具有一定、具有一定的硬度的硬度(63(6370HRC)70HRC)和耐磨性和耐磨性 高速钢制造工艺性好高速钢制造工艺性好（常用于钻头等）。通用型高速钢钨钢 W18Cr4V (简称W18) 含(钨)W18%(铬)Cr4% (钒)V1% 有良好的综合性能，在600 oC时其高温硬度为HRC48.5，可以制造各种复杂刀具。 钨钼钢 W6Mo5Cr4V2 (简称M2) （将一部分钨用钼代

24、替（将一部分钨用钼代替所制成的钢所制成的钢 ）含(钨)W6% (钼)MO5% (铬)Cr4% (钒)V2% 减小了碳化物数量及分布的不均匀性减小了碳化物数量及分布的不均匀性 ，高温切削性，高温切削性能和能和W18相比稍差，相比稍差，适用于制造热轧钻头等。适用于制造热轧钻头等。高性能高速钢 是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素。适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。 典型牌号有高碳高速钢、高钒高速钢、钴高速钢、超硬高速钢等。粉末冶金高速钢 用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状。适合制

25、造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具等。1.2.2.2.硬质合金 *硬质合金硬质合金是由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。其性能：硬度可达HRA89-93，在800-1000 oC还能承担切削，耐用度较高速钢高几十倍。适合切削速度较高，可提高45倍。但抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差。 碳化物含量较高时，硬度高，但抗弯强度低； 粘结剂含量较高时，抗弯强度高，但硬度低。ISO将切削用的硬质合金分为以下四类：YG(K)类，即WC-Co类硬质合金*成份：由WC和Co组成。 牌号有YG6，YG8（中晶粒，粗加工用），含钴量分别为6%，8%，；

26、YG3X，YG6X（细晶粒，精加工用），含钴量分别为3%，6%。性能：硬度为HRA8991.5； 抗弯强度为1.11.5 Gpa (110150kgf/mm2 )； 此 类 合 金 韧 性 、 磨 削 性 、 导 热 性 较 好 。 “细晶粒”比 “中晶粒”硬度高，韧性低。 适用场合：加工产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料(铸铁、有色金属及其合金)和导热系数低的不锈钢等。YT(P)类，即WC-TiC-Co类硬质合金*成份： 硬质点除WC外，还含有5%30%的TiC。 牌号有 YT5（粗加工）, YT14, YT15, YT30（精加工）, TiC的含量分别为5%，14%，15%

27、，30%， 钴的相应含量为10%，8%，6%，4%。性能：硬度为HRA91.592.5； 抗弯强度为0.91.4GPa (90140 kgf/mm2 )。 TiC含量提高，Co含量降低，硬度和耐磨性提高，但是冲击韧性显著降低。适用场合：高速切削钢料（含钴量增加，抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工；含钴减少，硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工）。注注：YT（P)类不适于加工不锈钢和钛合金。因YT中的钛元素和工件中的钛元素之间的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温切削及磨擦系数大的情况下会加剧刀具磨损。YW(M)类，即WC-TiC-Co类硬质合金 成份及性能：在YT类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、耐磨性等。 适用场合：既可用于加工铸铁，也可加工钢。常用的牌号为YW1，YW2。 以上三类的主要成分均为WC，所以以称WC基硬质合金。TiC基硬质合金 以TiC为主体，加入少量其他的碳化物，以镍（Ni）和钼（Mo）为粘接剂压制烧结而成，即Ti-Ni-Mo合金。典型牌号为YN10、YN05。（2）新型硬质合金1）超细晶粒