第7章-机械加工基础知识和机械加工质量

1、第一节第一节 金属切削加工原理金属切削加工原理 第二节第二节 金属切削加工设备金属切削加工设备 第三节第三节 机械加工精度机械加工精度 第四节第四节 表面质量表面质量 第五节第五节 各种加工方法所能达到的各种加工方法所能达到的 经济精度和表面粗糙度经济精度和表面粗糙度 7.1 7.1 金属切削加工原理金属切削加工原理 一、一、切削运动与切削用量切削运动与切削用量 (1) 主运动主运动 使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动。本的运动。 (2) 进给运动进给运动 连续地把切削层投入切削，以便切除工件上连续地把切削层投入切削，以便切除工件上全部余量

2、所需的运动。全部余量所需的运动。1切削运动切削运动 金属切削过程是工件和刀具相对运动并相互作用的过程。金属切削过程是工件和刀具相对运动并相互作用的过程。其结果是使被切削金属层与工件母体金属分离开来。其结果是使被切削金属层与工件母体金属分离开来。 (1)待加工表面待加工表面工件上即将被切去的表面。工件上即将被切去的表面。 (2)已加工表面已加工表面工件上已经切去了多余金属而形成的新表工件上已经切去了多余金属而形成的新表面，随切削继续而扩大。面，随切削继续而扩大。 (3)切削表面切削表面切削刃正在切削中的表面，并在切削中不断切削刃正在切削中的表面，并在切削中不断改变，总是位于待加工表面和已加工表面

3、之间。改变，总是位于待加工表面和已加工表面之间。 2工件上的加工表面工件上的加工表面3 3切削用量切削用量 (1) (1) 切削速度切削速度v v 它是切削刃上选定点相对于工件的主运动它是切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度。切削刃上各点的切削速度可能是不同的。的速度。切削刃上各点的切削速度可能是不同的。 (2) (2) 进给量进给量f f 是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向上的相对位移量。工件和刀具在进给运动方向上的相对位移量。 (3) (3) 切削深度切削深度a ap p 对外圆车削而言，切削深度是工件上待对外圆车削而言，

4、切削深度是工件上待加工表面和已加工表面间的垂直距离，加工表面和已加工表面间的垂直距离， 切削用量切削用量是指是指切削速度、进给量和切削深度切削速度、进给量和切削深度三者的总称。三者的总称。通常称为切削用量三要素。通常称为切削用量三要素。 选择切削用量的基本原则是选择切削用量的基本原则是l选取尽可能大的切削深度；选取尽可能大的切削深度；l选取尽可能大的进给量；选取尽可能大的进给量；l确定合适的切削速度。确定合适的切削速度。 二、刀具二、刀具 1 1刀具切削部分的构造要素刀具切削部分的构造要素 3 3面、面、2 2刃、刃、1 1尖尖外圆车刀外圆车刀 外圆车刀的切削部分外圆车刀的切削部分可以看作是各

5、类刀具切可以看作是各类刀具切削部分的基本形态，其削部分的基本形态，其他各类力具都可视为外他各类力具都可视为外圆车刀的演变。圆车刀的演变。 碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金等碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金等2 2刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能 刀具材料应能满足以下基本要求：刀具材料应能满足以下基本要求： 3 3刀具的磨损和耐用度刀具的磨损和耐用度 三、数控机床刀具三、数控机床刀具 随着科学技术的迅速发展和产品结构形状的不断更新，随着科学技术的迅速发展和产品结构形状的不断更新，要求机床设备具有更大的灵活性与通用性。数控机床要求机床设备具有更大的灵活性与通用性。数控机床(

6、特别特别是加工中心是加工中心)就是能够满足这种要求的新型机床设备。为了就是能够满足这种要求的新型机床设备。为了更好地发挥数控机床的作用更好地发挥数控机床的作用(特别是发挥其柔性作用特别是发挥其柔性作用)。 (1) (1) 刀具的耐用度高刀具的耐用度高 (2) (2) 应用组合应用组合( (复合复合) )刀具刀具 (3) (3) 刀具的一致性好刀具的一致性好 (4) (4) 装夹及调整要方便装夹及调整要方便 (5) (5) 刀具工作状况能可靠监控刀具工作状况能可靠监控 对数控机床刀具的要求：对数控机床刀具的要求： 、 切削加工是将毛坯切削加工是将毛坯(主要是金属毛坯主要是金属毛坯)加工成具有较高

7、精度加工成具有较高精度的形状、尺寸和较高表面质量零件的主要加工方法的形状、尺寸和较高表面质量零件的主要加工方法。按功能不同，将机床分为按功能不同，将机床分为12大类：大类：车床、钻床、镗床、磨床、铣床、刨插床、车床、钻床、镗床、磨床、铣床、刨插床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、拉床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、拉床、特种加工机床、锯床及其它机床。特种加工机床、锯床及其它机床。 金属切削机床是加工机器零件的主要设备金属切削机床是加工机器零件的主要设备 一、金属切削机床的分类和型号编制一、金属切削机床的分类和型号编制 1 1机床的分类机床的分类 同类型机床按应用范围同类型机床按应用范围(通用性程度通

8、用性程度)又可分为：又可分为： (1)通用机床通用机床 (2)专门化机床（加工一种或几种零件）专门化机床（加工一种或几种零件） (3)专用机床（完成零件的某个工序）专用机床（完成零件的某个工序） 2 2机床型号的编制方法机床型号的编制方法 机床的型号是赋予每种机床的一个代号，简明地表示机机床的型号是赋予每种机床的一个代号，简明地表示机床的类型、通用特性和结构特性以及主要技术参数等。床的类型、通用特性和结构特性以及主要技术参数等。二、车床二、车床 1车床的用途和运动车床的用途和运动 车床类机床主要用于加工各种车床类机床主要用于加工各种回转表面回转表面，如内外圆柱表，如内外圆柱表面、圆锥表面、成形

9、回转表面和面、圆锥表面、成形回转表面和回转体的端面回转体的端面等，有些车等，有些车床还能床还能加工螺纹加工螺纹面。面。 车床的应用最为广泛，可占机床总台数的车床的应用最为广泛，可占机床总台数的2035。 车床上刀具和工件的运动有车床上刀具和工件的运动有(1)表面成形运动表面成形运动 1)工件的旋转运动工件的旋转运动 2)刀具的进给运动刀具的进给运动(2)辅助运动辅助运动2 2车床的分类车床的分类 按结构和用途，车床可分为以下几类：按结构和用途，车床可分为以下几类： 卧式车床卧式车床和落地车床和落地车床; ;立式车床；立式车床；转塔车床；转塔车床；单轴和多轴自动和半自动车床；单轴和多轴自动和半自

10、动车床；仿形车床和多刀车床；仿形车床和多刀车床；数控车床和车削中心；数控车床和车削中心；各种专门化车床如凸轮轴车床，曲轴车床、车轮车床各种专门化车床如凸轮轴车床，曲轴车床、车轮车床及铲齿车床等。及铲齿车床等。三、齿轮加工机床三、齿轮加工机床 齿轮的加工方法很多，如铸造，模锻，热轧，冲压以及齿轮的加工方法很多，如铸造，模锻，热轧，冲压以及切削加工等。切削加工等。 精密齿轮主要靠切削法。按形成轮齿的原理，切削齿轮精密齿轮主要靠切削法。按形成轮齿的原理，切削齿轮的方法可分为两大类：的方法可分为两大类：成形法和展成法成形法和展成法. (1)成形法成形法 成形法是用成形法是用与被加工齿轮与被加工齿轮齿槽

11、形状相同齿槽形状相同的成形刀具切的成形刀具切削轮齿。削轮齿。盘形铣刀盘形铣刀 指形铣刀指形铣刀 成形法加工齿轮的精度不高，生产效率也较低。成形法加工齿轮的精度不高，生产效率也较低。 (2)展成法展成法 展成法加工是应用展成法加工是应用齿轮啮合的原理齿轮啮合的原理。切齿过程中，模拟齿。切齿过程中，模拟齿轮副的啮合过程，把其中的轮副的啮合过程，把其中的一个做成刀具一个做成刀具来切削另外一个。来切削另外一个。 工件工件 刀具刀具在齿轮加工中，展成法应用最为广泛。在齿轮加工中，展成法应用最为广泛。滚齿加工就是根据展成法原理来加工齿轮轮齿的。滚齿加工就是根据展成法原理来加工齿轮轮齿的。 2齿轮加工机床的

12、类型齿轮加工机床的类型 l 圆柱齿轮加工机床主要有滚齿机、插齿机等；圆柱齿轮加工机床主要有滚齿机、插齿机等；l 圆锥齿轮加工机床又分为直齿锥齿轮加工机床和曲线圆锥齿轮加工机床又分为直齿锥齿轮加工机床和曲线齿锥齿轮加工机床两类。齿锥齿轮加工机床两类。 齿轮加工机床的种类繁多，一般可分为齿轮加工机床的种类繁多，一般可分为圆柱齿轮加圆柱齿轮加工机床工机床和和圆锥齿轮加工机床圆锥齿轮加工机床两大类。两大类。 3滚齿机滚齿机 滚切机主要用于滚切直齿和斜齿圆柱齿轮和蜗轮。滚切机主要用于滚切直齿和斜齿圆柱齿轮和蜗轮。 与滚齿机加工原理相同的，还有花键轴铣齿机。与滚齿机加工原理相同的，还有花键轴铣齿机。 4插

13、齿机和磨齿机插齿机和磨齿机 磨齿机磨齿机有两大类，即有两大类，即用成形砂轮磨齿用成形砂轮磨齿和和用展成法磨齿用展成法磨齿。磨齿机多用于对淬硬的齿轮进行齿廓的精加工。磨齿机多用于对淬硬的齿轮进行齿廓的精加工。 四、铣床、刨床和拉床四、铣床、刨床和拉床 1铣床铣床 铣床用多刃的铣刀进行连续切削，生产率比刨床高，加工铣床用多刃的铣刀进行连续切削，生产率比刨床高，加工表面质量也较好。表面质量也较好。 铣床的工艺范围很广，主要用来加工平面，也可加工沟槽，铣床的工艺范围很广，主要用来加工平面，也可加工沟槽，螺旋面等；装上分度头还可进行分度加工。如铣削齿轮。螺旋面等；装上分度头还可进行分度加工。如铣削齿轮。

14、 铣床的主要类型：铣床的主要类型： 升降台式铣床升降台式铣床、龙门铣床、工具铣床以及仿形铣床等和、龙门铣床、工具铣床以及仿形铣床等和各种专门化铣床。各种专门化铣床。 升降台式铣床升降台式铣床是铣床中的主要品种是铣床中的主要品种: 卧式升降台铣床、立卧式升降台铣床、立式升降台铣床和万能升降台铣床三大类。式升降台铣床和万能升降台铣床三大类。 XKS040A型型立式升降台数控铣床立式升降台数控铣床 2. 2. 刨床和插床刨床和插床 刨床和插床类机床主要用于加工各种平面和沟槽。机床的刨床和插床类机床主要用于加工各种平面和沟槽。机床的主运动和进给运动均为直线运动。主运动和进给运动均为直线运动。 l牛头刨

15、床牛头刨床 多加工与安装基面平行的面，故为卧式；多加工与安装基面平行的面，故为卧式；l插床插床 多加工与安装基面垂直的面，如插键槽，故为立式。多加工与安装基面垂直的面，如插键槽，故为立式。l龙门刨床龙门刨床 用于加工较长的零件。采用龙门式布局。工作台用于加工较长的零件。采用龙门式布局。工作台带工件作纵向往复运动带工件作纵向往复运动(主运动主运动)，刀架在龙门架上作间歇直，刀架在龙门架上作间歇直线运动（进给运动和进刀运动）。线运动（进给运动和进刀运动）。3 3拉床拉床 以以磨料或磨具磨料或磨具(砂轮、砂带、油石或研磨料等砂轮、砂带、油石或研磨料等)作为工具对工作为工具对工件表面件表面进行切削加工

16、进行切削加工的机床，统称为的机床，统称为磨床磨床。 五、磨床五、磨床 磨床可用于磨削内、外圆柱面和圆锥面，平面，螺旋面，磨床可用于磨削内、外圆柱面和圆锥面，平面，螺旋面，齿面以及各种成形面等，还可以刃磨刀具，应用非常广泛。齿面以及各种成形面等，还可以刃磨刀具，应用非常广泛。 磨床的主要类型有：磨床的主要类型有： 外圆磨床外圆磨床和万能磨床、内圆磨床、和万能磨床、内圆磨床、平面磨床平面磨床、无心磨床、无心磨床、各种工具磨床、各种刀具刃磨床和专门化磨床各种工具磨床、各种刀具刃磨床和专门化磨床(如曲轴磨床、如曲轴磨床、活塞椭圆磨床及导轨磨床等活塞椭圆磨床及导轨磨床等) 。 钻床钻床是孔加工用机床，主

17、要用来加工外形较复杂，没有对是孔加工用机床，主要用来加工外形较复杂，没有对称回转轴线的工件上的孔，如箱体、机架等零件上的各种孔。称回转轴线的工件上的孔，如箱体、机架等零件上的各种孔。 六、钻床和镗床六、钻床和镗床 镗床镗床的主要用途是用镗刀进行镗孔，此外，还可进行钻孔、的主要用途是用镗刀进行镗孔，此外，还可进行钻孔、铣平面和车削等工作。铣平面和车削等工作。 镗床主要分为镗床主要分为卧式铣镗床、立式镗床、坐标镗床卧式铣镗床、立式镗床、坐标镗床等。等。 卧式铣镗床卧式铣镗床因其工艺范围广泛而得到普遍应用，尤其适合因其工艺范围广泛而得到普遍应用，尤其适合大型复杂的精度要求较高的箱体类零件的镗孔加工。

18、大型复杂的精度要求较高的箱体类零件的镗孔加工。 坐标镗床坐标镗床是一种高精度机床，它的特征是具有测量坐标位是一种高精度机床，它的特征是具有测量坐标位置的精密测量装置。置的精密测量装置。 零件在加工过程中，由于种种原因总会存在一定的加工零件在加工过程中，由于种种原因总会存在一定的加工误差。误差越小，精度越高。误差。误差越小，精度越高。 一、加工精度与加工误差一、加工精度与加工误差 加工精度的具体内容是：加工精度的具体内容是： (1)(1)尺寸精度尺寸精度 指零件的直径、长度和表面间距离等尺寸的指零件的直径、长度和表面间距离等尺寸的实际值和理想值的接近程度。实际值和理想值的接近程度。 (2)(2)

19、形状精度形状精度 指零件表面或线的实际形状与理想形状的接指零件表面或线的实际形状与理想形状的接近程度，直线度、平面度、圆度、圆柱度、线（面）轮廓度。近程度，直线度、平面度、圆度、圆柱度、线（面）轮廓度。 (3)(3)位置精度位置精度 指零件表面或线的实际位置和理想位置的接指零件表面或线的实际位置和理想位置的接近程度，平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置近程度，平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、跳动、全跳动。度、跳动、全跳动。二、产生加工误差的主要因素二、产生加工误差的主要因素 滚切渐开线齿廓就是近似加工方法的实例滚切渐开线齿廓就是近似加工方法的实例：由于滚刀：由于滚刀的齿

20、数是有限的，所以滚切的渐开线不是理想的光滑渐的齿数是有限的，所以滚切的渐开线不是理想的光滑渐开线，只是多条趋近于该曲线的折线。开线，只是多条趋近于该曲线的折线。 主要因素主要因素: 加工原理误差；加工原理误差；机床、刀具夹具的制造误差与磨机床、刀具夹具的制造误差与磨损；损；工件的安装误差；工件的安装误差；工艺系统的受力变形；工艺系统的受力变形；工艺工艺系统的受热变形；系统的受热变形； 工件内应力的影响；工件内应力的影响；测量误差和测量误差和调整误差调整误差 2机床、刀具夹具的制造误差与磨损机床、刀具夹具的制造误差与磨损； (3) (3) 夹具的制造误差与磨损夹具本身的制造误差、安装夹具的制造误

21、差与磨损夹具本身的制造误差、安装 误差以及使用过程中的磨损。误差以及使用过程中的磨损。 (1)工艺系统的受力变形工艺系统的受力变形 指机床、刀具、夹具、工件组指机床、刀具、夹具、工件组成的工艺系统，在切削过程中受力而产生的变形。成的工艺系统，在切削过程中受力而产生的变形。 (2) 毛坯误差的毛坯误差的复映规律复映规律 工件的毛坯外形虽然具有粗略的工件的毛坯外形虽然具有粗略的零件形状，但它在尺寸、形状以及表面层硬度的均匀性上都零件形状，但它在尺寸、形状以及表面层硬度的均匀性上都有较大的误差。毛坯的这些误差在加工时使切削深度不断地有较大的误差。毛坯的这些误差在加工时使切削深度不断地变化，从而引起切

22、削力的变化，使工艺系统产生相应的变形，变化，从而引起切削力的变化，使工艺系统产生相应的变形，因而在因而在加工后的工件表面上还保留着与毛坯表面类似的形状加工后的工件表面上还保留着与毛坯表面类似的形状或尺寸误差或尺寸误差。 椭圆毛坯椭圆毛坯椭圆工件椭圆工件 1)切削热切削热 是被加工材料塑性变形以及前后刀面摩擦功转是被加工材料塑性变形以及前后刀面摩擦功转变成的热量。变成的热量。 2)摩擦热摩擦热 是机床运动零件是机床运动零件(齿轮、轴承、导轨等齿轮、轴承、导轨等)的摩擦的摩擦转变的热量，转变的热量， 3)外界热源的辐射及传导外界热源的辐射及传导 当室温变化及附近存在热源时，当室温变化及附近存在热源

23、时，就会使工艺系统受热。就会使工艺系统受热。 在去除外加载荷或外部因素的作用以后，工件内部所存在去除外加载荷或外部因素的作用以后，工件内部所存留的应力称为内应力。内应力通常是处于相对平衡的状态，留的应力称为内应力。内应力通常是处于相对平衡的状态，在没有某种因素破坏这种平衡时，工件外形不会发生变化。在没有某种因素破坏这种平衡时，工件外形不会发生变化。失去平衡后，内应力就要重新分布，因而工件产生变形而失去平衡后，内应力就要重新分布，因而工件产生变形而影响到工件的加工精度。影响到工件的加工精度。 7测量误差和调整误差测量误差和调整误差测量误差测量误差 指工件实际尺寸与量具指工件实际尺寸与量具表示出的

24、尺寸之间的差值。表示出的尺寸之间的差值。测量误差产生原因：测量误差产生原因：(1) 计量器具本身精度计量器具本身精度 (2) 温度的影响温度的影响 (3) 人的主观原因人的主观原因 调整误差调整误差 指在加工时由于刀具指在加工时由于刀具机床机床夹具工艺系统没有调整到正夹具工艺系统没有调整到正确位置而产生的加工误差。确位置而产生的加工误差。 一、加工表面质量的基本概念一、加工表面质量的基本概念 7.4 7.4 表面质量表面质量 表面质量是指机械加工以后，零件表面质量是指机械加工以后，零件表面的几何形状表面的几何形状(主要是表面粗糙度主要是表面粗糙度)和和表面层表面层的物理力学性能两个方面。的物理

25、力学性能两个方面。 在机器的运转过程中，零件的损坏现象大多数是从最外在机器的运转过程中，零件的损坏现象大多数是从最外层金属开始的，如磨损、剥落、腐蚀、断裂等。这些损坏层金属开始的，如磨损、剥落、腐蚀、断裂等。这些损坏现象与外界工作条件现象与外界工作条件(速度、温度、压力等速度、温度、压力等)有关，也取决有关，也取决于零件工作表面的质量。机件的表面质量是关系机器使用于零件工作表面的质量。机件的表面质量是关系机器使用性能和使用寿命的重要因素之一。性能和使用寿命的重要因素之一。 1表面的几何形状表面的几何形状 零件经过机械加工后，表面实际形状总存在着与理想零件经过机械加工后，表面实际形状总存在着与理

26、想几何形状的偏差。这种偏差包含以下三种情况：几何形状的偏差。这种偏差包含以下三种情况： 1)宏观几何形状偏差或宏观几何形状偏差或宏观不平度宏观不平度2)微观几何形状偏差或微观不平度，即微观几何形状偏差或微观不平度，即表面粗糙度表面粗糙度3)表面波度表面波度 表面性质介于上述两者之间表面性质介于上述两者之间 2表面层的物理力学性能表面层的物理力学性能 表面层的物理力学性能包括：表面层的物理力学性能包括： 1)1)表面层的冷硬程度和深度。表面层的冷硬程度和深度。 2)2)表面层残余应力的种类表面层残余应力的种类( (拉伸或压缩拉伸或压缩) )、大小及其分布状况。、大小及其分布状况。 3)3)表面层

27、的金相组织。表面层的金相组织。 二、表面质量对零件使用性能的影响二、表面质量对零件使用性能的影响 1对零件耐磨性的影响对零件耐磨性的影响 2对零件疲劳强度的影响对零件疲劳强度的影响 零件的耐磨性主要与摩擦副的材料和润滑条件有关。但零件的耐磨性主要与摩擦副的材料和润滑条件有关。但在这些条件确定的前提下，表面质量就起着决定性的作用。在这些条件确定的前提下，表面质量就起着决定性的作用。 在交变载荷作用下、，零件表面粗糙度、划痕以及裂纹等在交变载荷作用下、，零件表面粗糙度、划痕以及裂纹等缺陷容易引起应力集中，产生和加大疲劳裂纹而造成疲劳损缺陷容易引起应力集中，产生和加大疲劳裂纹而造成疲劳损坏。试验表明，对于承受交变载荷的零件，减小表面粗糙度坏。试验表明，对于承受交变载荷的零件，减小表面粗糙度值可以使疲劳强度提高。值可以使疲劳强度提高。 3对零件耐腐蚀性的影响对零件耐腐蚀性的影响 4对零件配合性质的影响对零件配合性质的影响 三、影响加工表面粗糙度的工艺因素三、影响加工表面粗糙度的工艺因素 产生表面粗糙度的原因主要有几何因素和物理因