机械制造工程学第章 机械加工方法概述

机械制造工程学主讲教师叶仲新机械工程系机械制造教研室第1章

机械加工方法概述1.1零件加工表面的形成方法1.2机械加工方法1.1零件的成形方法

第1章

机械加工方法概述零件表面是由若干个表面元素组成的。这些形状都要通过各种成形方法来完成。零件表面在由原材料或毛坯制造方法来实现的过程中，按照质量m减小或增大的变化状态，可将获得方式分为：△m＝0，△m＜0，△m＞0三种类型，不同类型将采用不同的工艺方法。△m＝0，毛坯制造方法。铸造、锻造及模具成形（注塑、冲压等）工艺中，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，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切除而获得需要的几何形状。△m＞0，快速成型制造方法。在成形中通过材料累加获得所需形状，这种制造方法又称为材料累加法第1章

机械加工方法概述1.△m=0的制造过程△m=0的制造过程是指利用材料塑性变形的工艺来获得零件形状的方法，属无屑加工方法。包括铸造、锻造、冲压等毛坯制造方法。锻压设备包括锻造机、冲压机、挤压机和轧制机四大类。模具是用来将材料填充在其型腔中，以获得所需形状和尺寸制件的工具。按填充方法和填充材料的不同，模具可分为：锻压具模、冲裁具模、拉伸具模、压铸模具、冷冲模具、注射模具、吹塑模具、粉末冶金模具等。第1章

机械加工方法概述2.△m＜0的制造过程

△m＜0制造过程是指从表面去除材料来获得零件形状的方法。包括切削加工和特种加工。切削加工是指零件在切削机床上，通过机床的传动系统，使零件与刀具按一定规律作相对运动，从而获得所需要的表面几何形状的方法。包括车、铣、钻、镗、刨、拉、磨等加工方法。在切削过程中，有力、热、变形、振动、磨损等现象发生，这些运动的综合决定了零件最终获得的几何形状及表面质量。特种加工是指利用电或化学等方法以完成零件材料的去除，从而获得所需要的表面几何形状。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。也称为高能束流加工，包括激光束、电子束、离子束、高压水射流等加工方法。特种加工机床近年来发展很快，按其加工原理可分成：电加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、水射流等加工机床。第1章

机械加工方法概述3.△m＞0的制造过程△m＞0的制造过程是指通过材料逐渐堆积形成三维实体工艺方法。成形后与成形前相比△m＞0，零件是逐渐生长出来的，称为快速成型制造（RPM）方法。RPM方法是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术集成，以实现从设计到三维实体造型的制造一体化系统技术。RPM方法是通过采用粘结、熔结、聚合作用或化学反应等手段，逐层可选择地固化树脂、切割薄片、烧结粉末、材料熔覆或材料喷洒等方式来实现的。第1章

机械加工方法概述1.2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和刀具的不同，可分为不同的加工方法。刀具切削加工的方式有：车削加工；铣削加工；钻削加工；镗削加工；刨削加工；拉削加工；齿轮加工；螺纹加工等。磨料切削加工的方式有：磨削加工；珩磨加工；研磨加工；超精加工等。第1章

机械加工方法概述1.车削加工车削方法的是工件旋转，形成主切削运动，车削时通过刀具相对工件实现不同的进给运动，可以获得不同的工件形状，加工后形成的工件表面主要是回转表面，还可以加工螺纹面、端平面及偏心轴等。车削加工精度一般为IT8～IT7，表面粗糙度为Ra6.3～1.6μm。精车时，可达IT6～IT5，表面粗糙度可达Ra0.4～0.1μm。特点有：工艺范围广、加工精度范围大、生产率高、可实现超精密加工、生产成本较低。第1章

机械加工方法概述第1章

机械加工方法概述2.铣削加工铣削的主切削运动是刀具的旋转运动，工件本身不动，由机床的工作台完成进给运动。铣削刀具较复杂，一般为多刃刀具。铣削可加工平面、沟槽以及螺旋面、齿面、成形表面。在专用铣床上还可加工外圆。不同的铣削方法，铣刀完成切削的方式不同，卧铣时，平面的形成是由铣刀的外圆面上的切削刃形成的；立铣时，平面是由铣刀的端面刃形成的。铣削可获得较高的切削速度，因此生产率较高。第1章机械加工方方法概述2.铣削加工第1章机械加工方方法概述由于铣刀刀刀齿的切入入、切出，，形成冲击击，切削过过程容易产产生振动，，因而限制制了表面质质量的提高高。这种冲冲击，也加加剧了刀具具的磨损和和破损，往往往导致硬硬质合金刀刀片的碎裂裂。铣削时时，铣刀在在切离工件件的一段时时间内，可可以得到一一定冷却，，因此散热热条件较好好。由于铣削加加工属多刃刃断续切削削，冲击振振动较大。。多用于粗粗加工或半半精加工。。加工精度度为IT10~IT7；表面粗糙糙度为Ra6.3~1.6μm。普通铣削一一般能加工工平面或槽槽面等，用用成形铣刀刀也可以加加工出特定定的曲面，，如铣削齿齿轮等。数数控铣床可可通过数控控系统控制制几个轴按按一定关系系联动，铣铣出复杂曲曲面来，这这时刀具一一般采用球球头铣刀。。数控铣床床在加工模模具的模芯芯和型腔，，叶轮机械械的叶片等等形状复杂杂的工件时时，应用非非常广泛的的，因而得得到了很快快的发展。。2.铣削加工第1章机械加工方方法概述按照铣削削时主运运动速度度方向与与工件进进给方向向的相同同或相反反，又分分为顺铣铣和逆铣铣。顺铣时，，铣削力力的水平平分力与与工件的的进给方方向相同同，而工工作台进进给丝杠杠与固定定螺母之之间一般般又有间间隙存在在，因此此切削力力容易引引起工件件和工作作台一起起向前窜窜动，使使进给量量突然增增大，容容易引起起打刀。。逆铣则则可以避避免这一一现象，，因此，，生产中中多采用用逆铣。。2.铣削加工工第1章机械加工工方法概概述a）逆铣

b）顺铣第1章机械加工工方法概概述在铣削铸铸件或锻锻件等表表面较硬硬的工件件时，顺顺铣时铣铣刀齿首首先接触触工件的的硬皮，，加剧了了铣刀的的磨损；；逆铣则则无这一一缺点。。但逆铣铣时，切切削厚度度从零开开始逐渐渐增大，，因而切切削刃开开始经历历了一段段在切削削硬化的的已加工工表面上上挤压滑滑行的阶阶段，也也会加速速刀具的的磨损。。同时，，逆铣时时，铣削削力具有有将工件件上抬的的趋势，，也易引引起振动动，这是是逆铣的的不利之之处。2.铣削加工工第1章机械加工工方法概概述端铣时的的顺铣与与逆铣a)对称端铣铣b）不对称称逆铣c）不对称称顺铣第1章机械加工工方法概概述3.刨、插、、拉削加加工刨削时的的主运动动和进给给运动均均为直线线运动。。刨床床主要用用于加工工各种平平面和沟沟槽。因因此，刨刨削速度度不可能能太高，，故生产产率较低低。刨削削比铣削削平稳，，其加工工精度一一般可达达IT8～IT7，表面粗粗糙度为为Ra6.3～1.6μμm。1）刨削加加工第1章机械加工工方法概概述1）刨削加加工第1章机械加工工方法概概述刨床可分分为牛头头刨床和和龙门刨刨床。牛牛头刨床床的主运运动为滑滑枕带动动刀具作作直线往往复运动动，进给给运动为为工作台台带动工工件作间间歇横向向运动。。一般只只用于单单件生产产，加工工中小型型工件。。龙门刨床床的主运运动为工工作台带带动工件件作纵向向往复运运动，进进给运动动为刀架架在龙门门架上作作横向间间歇运动动。主要要用来加加工大型型工件，，加工精精度和生生产率都都高于牛牛头刨床床。1）刨削加加工第1章机械加工工方法概概述1）刨削加加工第1章机械加工工方法概概述插削主要要用于加加工工件件的内表表面，如如键槽、、内孔等等，相当当于立式式刨削。。2）插削加加工第1章机械加工工方法概概述拉削可使使加工表表面一次次切削成成形。机机床运动动简单，，切削速速度低，，效率高高，刀具具成本高高，适用用于大批批量生产产。拉床床可分为为卧式和和立式，，内拉和和外拉等等。3）拉削加加工第1章机械加工工方法概概述3）拉削加加工第1章机械加工工方法概概述4.钻削与镗镗削加工工在钻床上上，用旋旋转的钻钻头钻削削孔是孔孔加工最最常用的的方法，，钻头的的旋转运运动为主主切削运运动。钻钻削的加加工精度度较低，，一般只只能达到到IT10，表面粗糙糙度一般为为Ra12.5～6.3μm。在单件、、小批生产产中，中小小型工件上上较大的孔孔（D＜50mm）常用立式式钻床加工工；大中型型工件上的的孔，用摇摇臂钻床加加工。精度度高、表面面质量要求求高的小孔孔，在钻削削后常常采采用扩孔和和铰孔来进进行半精加加工和精加加工。第1章机械加工方方法概述1）钻削加工工第1章机械加工方方法概述扩孔采用扩扩孔钻头，，铰孔采用用铰刀进行行加工。铰铰削加工精精度一般为为IT9～IT6，表面粗糙糙度为Ra1.6～0.4μm。扩孔、铰铰孔时，扩扩孔钻和铰铰刀均在原原底孔的基基础上进行行加工，因因此无法提提高孔轴线线的位置精精度以及直直线度。镗孔可在镗镗床上或车车床上进行行。在镗床床上镗孔时时，镗刀与与车刀基本本相同，不不同之处是是镗刀随镗镗杆一起转转动，形成成主切削运运动，而工工件不动。。镗孔加工工精度一般般为IT9～IT7，表面粗糙糙度为Ra6.3～0.8μm。数控钻床、、数控镗床床主要是实实现孔轴线线的位置控控制，因此此只要控制制刀具移到到孔中心的的坐标上即即可即实现现点位控制制。2）镗削加工工第1章机械加工方方法概述2）镗削加工工第1章机械加工方方法概述5.齿轮齿形（（面）加工工齿轮齿形的加工，按其其形成齿形形的工作原原理可分为为成形法和和展成法。。用成形法加加工齿轮齿形时，刀刃的的形状应与与被加工齿齿轮的齿槽槽的横截面面形状相同同。这类刀刀具有盘状状和指状铣铣刀、刨刀刀、拉刀。。用展成法加工齿轮齿形时，要求刀刀具与工件件之间模拟拟一对齿轮轮的啮合，，用刀齿的的运动轨迹迹包络出工工件的齿形形。这类刀刀具有滚刀刀、插齿刀刀、剃齿刀刀等。第1章机械加工方方法概述1）齿形（面面）成形法法加工第1章机械加工方方法概述1）齿形（面面）展成法法加工第1章机械加工方方法概述2）齿形（面面）展成法法加工滚齿加工就就是在滚齿齿机上用齿齿轮滚刀加加工齿面。。其过程相相当于一对对螺旋齿轮轮啮合的过过程。第1章机械加工方方法概述2）齿形（面面）展成法法加工a）交错轴斜齿轮副

b）滚齿运动第1章机械加工方方法概述滚齿机第1章机械加工方方法概述滚齿刀第1章机械加工方方法概述插齿加工就是在在插齿机床用插齿刀加工齿面。加工原理为为一对圆柱柱齿轮的啮啮合按展成成法加工圆圆柱齿轮。。2）齿形（面面）展成法法加工第1章机械加工方方法概述2）齿形（面面）展成法法加工第1章机械加工方方法概述插齿刀第1章机械加工方方法概述6.复杂曲面加加工三维曲面的的切削加工工，主要采采用仿形铣铣和数控铣铣的方法或或特种加工工方法。仿仿形铣必须须有型体作作为靠模，，加工中球球头仿形头头始终以一一定压力接接触原型曲曲面，仿形形头的运动动变换为电电感量，信信号经过放放大控制铣铣床三个轴轴的运动，，形成刀头头沿曲面运运动的轨迹迹。铣刀多多采用与仿仿形头等半半径的球头头铣刀。第1章机械加工方方法概述数控技术的的出现为曲曲面加工提提供了更有有效的方法法。在数控控铣床或加加工中心上上加工时，，曲面是通通过球头铣铣刀逐点按按曲面坐标标值加工而而成。在编编制数控程程序时，要要考虑刀具具半径补偿偿，因为数数控系统控控制的是球球头铣刀球球心位置轨轨迹，而成成形面是球球头铣刀切切削刃运动动的包络面面。6.复杂曲面面加工第1章机械加工工方法概概述磨削加工工是一种种历史悠悠久的加加工方法法，又是是一种具具有发展展前景的的加工方方法。这这种加工工方法既既能作为为精加工工、超精精加工，，也能作作为粗加加工。既既能加工工普通材材，也能能加工超超硬材料料。磨削可可分为为外圆圆磨、、内孔孔磨、、平磨磨等。。分别别用于于外圆圆柱面面、圆锥面面、平平面、螺旋旋面、、齿面面等各各种成成形表表面的加工工。磨削加加工的的主运运动是是砂轮轮的旋旋转运运动。。磨削削加工工所用用的刀刀具以以砂轮轮和砂砂带为为主。。与前前述的的刀具具切削削有着着不同同的加加工机机理。。7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述砂轮可可看成成是一一把具具有无无数微微小刀刀刃所所构成成的铣铣刀。。其磨磨削过过程实实际上上是磨磨粒对对工件件表面面的切切削、、刻削削和滑滑擦三三种作作用的的综合合效应应。磨磨削中中，磨磨粒本本身也也会由由尖锐锐逐渐渐磨钝钝，使使切削削能力力变差差，切切削力力变大大。当当切削削力超超过粘粘结剂剂强度度时，，磨钝钝的磨磨粒会会脱落落，露露出一一层新新的磨磨粒，，这就就是砂砂轮的的“自自锐性性”。。但切切屑和和碎磨磨粒仍仍会阻阻塞砂砂轮，，因而而，磨磨削一一定时时间后后，需需用金金刚石石车刀刀等对对砂轮轮进行行修整整。7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述7.磨削加加工砂轮的构造砂轮结合剂磨粒磨屑气孔工件第1章机械加加工方方法概概述7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述磨削时时，由由于切切削刃刃很多多，所所以加加工时时平稳稳、精精度高高，表表面粗粗糙度度小。。磨床床是精精加工工机床床，磨磨削精精度可可达IT6～IT4，表面面粗糙糙度可可达Ra1.25～0.01μμm，甚至至可达达Ra0.1～0.008μm。磨削削的另另一特特点是是可以以对淬淬硬的的工件件进行行加工工，因因此，，磨削削往往往作为为最终终加工工工序序。但但磨削削时，，产生生热量量大，，需要要有充充分的的切削削液进进行冷冷却，，否则则会产产生磨磨削烧烧伤，，降低低表面面质量量。强强力磨磨削技技术，，可以以在单单位时时间内内达到到很大大的切切除量量，因因而可可以一一次完完成粗粗精加加工。。7.磨削加加工第1章机械加加工方方法概概述8.特种加加工随着科科学技技术的的不断断发展展，许许多具具有高高硬度度、高高强度度、高高脆性性或高高熔点点的难难加工工新型型材料料（如如硬质质合金金、钛钛合金金、淬淬火工工具钢钢、陶陶瓷、、玻璃璃等）），以以及具具有较较低刚刚度或或复杂杂曲面面形状状的特特殊零零件（（如薄薄壁件件、弹弹性元元件、、具有有复杂杂曲面面形状状的模模具、、叶轮轮机械械的叶叶片、、喷埋埋头等等）的的出现现，采采用传传统切切削加加工方方法以以无法法完成成其加加工任任务。。特种种加工工方法法正是是在为为完成成这些些加工工任务务而产产生和和发展展起来来的。。第1章机械加加工方方法概概述特种加加工方方法不不同于于传统统切削削加工工方法法，它它是利利用化化学、、物理理（电电、声声、光光、热热、磁磁）或或电化化学方方法对对工件件材料料进行行去除除的一一系列列加厂厂方法法的总总称。。这些些加工工方法法包括括：化学加加工、、电化化学加加工、、电化化学机机械加加工、、电火火花加加工、、电接接触加加工、、超声声波加加工、、激光光束加加工、、离子子束加加工、、电子子束加加工、、等离离子体体加工工、电电液加加工、、磨料料流加加工、、磨料料喷射射加工工、液液体喷喷射加加工等等各类类复合合加工工。8.特种加加工第1章机械加加工方方法概概述1）电火火花加加工电火花花加工工是利利用工工具电电极和和工件件电极极间瞬瞬时火火花放放电所所产生生的高高温，，熔蚀蚀工件件材料料来形形成所所需的的工件件表面面。电火花花加工工机床床一般般由脉脉冲电电源、、自动动进给给机构构、机机床本本体及及工作作液及及其循循环过过滤系系统等等部分分组成成。工工件固固定在在机床床工作作台上上。脉脉冲电电源提提供加加工所所需的的能量量，其其两极极分别别接在在工具具电极极与工工件上上。第1章机械加加工方方法概概述当工具具电极极与工工件在在进给给机构构的驱驱动下下在工工作液液中相相互靠靠近时时，极极间电电压击击穿间间隙而而产生生火花花放电电，释释放大大量的的热，，工件件表层层吸收收热量量后达达到很很高的的温度度(10000℃℃以上)，其局局部材材料因因熔化化甚至至气化化而被被蚀除除下来来，形形成一一个微微小的的凹坑坑。工工作液液循环环过滤滤系统统强迫迫清洁洁的工工作液液以一一定的的压力力通过过工具具电极极与工工件之之间的的间隙隙及时时排除除电蚀蚀产物物，并并将电电蚀产产物从从工作作液中中过滤滤出去去。1）电火火花加加工第1章机械加加工方方法概概述多次放放电的的结果果，工工件表表面产产生大大量凹凹坑。。工具具电极极在进进给机机构的的驱动动下不不断下下降，，其轮轮廓形形状便便被““复印印”到到工件件上（（工具具电极极材料料尽管管也会会被蚀蚀除，，但其其速度度远小小于工工件材材料））。电火花花加工工机床床根据据加工工方式式分成成两种种类型型：一种是是用特特殊形形状的的电极极工具具加工工相应应工件件的电电火花花成形形加工工机床床。1）电火火花加加工第1章机械加加工方方法概概述另一种种是用用线（（一般般为钼钼丝、、钨丝丝或铜铜丝））电极极加工工二维维轮廓廓形状状工件件的电电火花花线切切割机机床。。电火花花加工工的应应用范范围很很广，，适用用于加加工各各种硬硬、脆脆、韧韧、软软和高高熔点点的导导电材材料，，可以以加工工各种种形孔孔、曲曲线孔孔和微微小孔孔。也也可以以加工工各种种立体体曲面面型腔腔，如如锻模模、压压铸模模、塑塑料模模的模模膛；；既可可以用用来进进行切切断、、切割割，也也可以以用来来进行行表面面强化化、刻刻写、、打印印铭牌牌和标标记等等。1）电火火花加加工第1章机械加加工方方法概概述2）电解解加工工电解加加工是是利用用金属属在电电解液液中产产生阳阳极溶溶解的的电化化学原原理对对工件件进行行成形形加工工的一一种方方法。。电解解加工工的原原理为为：工工件接接直流流电源源正极极，工工具接接负极极，两两极之之间保保持0.1～0.8mm间隙，，将具具有0.5～2.5Mpa压力的的电解解液从从两极极间的的间隙隙中，，以15～60min/s的速度度流过过。当当阴极极工具具向阳阳极工工件不不断进进给时时，在在面对对阴极极的工工件表表面上上，金金属材材料按按阴极极形面面的形形状不不断溶溶解，，电解解产物物被高高速电电解液液带走走，于于是工工具形形面的的形状状就相相应地地“复复印””在工工件上上。第1章机械械加加工工方方法法概概述述1）工工作作电电压压小小（（24V），工作电电流大（20000A）2）能以运动动一次加工工出形状复复杂的形面面或型腔3）可加工难难加工材料料4）生产率较较高，约为为电火花加加工的1～10倍5）加工中无无机械切削削力或切削削热6）平均加工工公差可达达±0.1mm左右7）附屑设备备多，占地地面积大，，造价高8）电解液既既腐蚀机床床，又容易易污染环境境电解加工具具有以下特特点第1章机械加工方方法概述3）激光加工工激光是一种种能量密度度高、方向向性好（发发散角小））、单色性性好（波长长和频率单单一）、相相干性好的的光。通过过光学系统统可使激光光聚焦成一一个直径几几微米至几几十微米极极小的光斑斑，以获得得极大的能能量密度（（100～1000W／cm2）和极高的的温度（10000°C）。在此高高温下，被被加工材料料将瞬时急急剧熔化和和蒸发，并并产生强烈烈的冲击波波，使熔化化的物质爆爆炸式地喷喷射去除。。第1章机械加工方方法概述激光加加工具具有的的特点点：1）不需需要工工具，，不存存在断断屑、、排屑屑的麻麻烦；；2）对任任何难难加工工的金金属和和非金金属材材料（（如高高熔点点材料料、耐耐热合合金及及陶瓷瓷、宝宝石、、金刚刚石等等硬脆脆材料料）都都可以以加工工；3）非接接触加加工，，工件件无受受力变变形；；3）激光光加工工第1章机械加加工方方法概概述4）打孔孔切割割的速速度很很高，，加工工部位位周围围的材材料几几乎不不受切切削热热的影影响，，工件件热变变形很很小。。5）切割割的切切缝窄窄，切切割边边缘质质量好好。激光加加工用用于金金刚石石拉丝丝模、、钟表表宝石石轴承承、发发散式式气冷冷冲片片的多多孔蒙蒙皮、、发动动机喷喷油嘴嘴、航航空发发动机机叶片片等的的加工工，以以及多多种金金属材材料和和非金金属材材料的的切割割、焊焊接、、热处