机械制造技术基础课件：机械加工方法与装备

机械加工方法与装备4.1金属切削基础知识4.2外圆加工4.3内孔加工4.4平面加工4.5磨削加工4.6光整加工与表面处理4.7机械加工工艺规程设计4.8零件加工的结构工艺性习题与思考题

本章介绍金属切削基础知识、各种加工方法的工艺过程、工艺特点和应用范围，各种加工方法的结构工艺性和机械加工的工艺规程。

4.1金属切削基础知识

4.1.1切削加工概述金属切削加工是用刀具从毛坯(或型材)上切去多余的材料，将毛坯加工成符合图样要求的尺寸、形状精度和表面质量的零件的加工过程。在现代机械制造中，凡精度要求较高的机械零件，除少数采用精密铸造、精密锻造以及粉末冶金和工程塑料压制成型等方法直接获得外，绝大多数零件要靠切削加工成型，以保证精度和表面质量要求。因此，切削加工在机械制造中是必不可少的，目前占机械制造总工作量的40%～60%。切削加工多用于金属材料的加工，也可用于某些非金属材料的加工，对于零件的形状和尺寸一般不做限制，可加工内外圆柱面、锥面、平面、螺纹、齿形及空间曲面等各种型面。加工零件的尺寸公差等级一般为IT12～IT5，表面粗糙度Ra = 25～0.008 mm。传统的切削加工方法有车削、铣削、刨削、钻削和磨削等，它们是在相应的车床、铣床、刨床、钻床和磨床上进行的，加工时工件和刀具都安装在机床上。切削加工必须具备三个条件：刀具与工件之间要有相对运动；刀具具有适当的几何参数，即切削角度；刀具材料具有一定的切削性能。

近些年已逐步发展起来许多新的切削加工技术，如高速与超高速切削技术、硬态切削技术、干式(绿色)切削技术、振动切削与磨削技术、加热辅助切削与低温切削技术、特殊切削加工方法、复合加工技术以及射流加工技术等，而电火花、电解、超声波、激光、电子束、离子束加工等特种加工方法，已完全突破传统的依靠机械能进行切削加工的范围，可以加工各种难加工材料、复杂型面和某些具有细微结构的零件。

1．零件的表面成型方法

由于使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，零件的表面成型方法可归纳为以下四种：

(1)轨迹法：利用刀具与工件的相对运动轨迹来加工的方法。这时刀具的切削刃与被加工表面为点接触。当该点按给定的规律运动时，便形成了所需的发生线，如图4-1(a)所示。采用轨迹法形成发生线需要一个成型运动。成型运动的精度决定了工件的形状精度。

(2)成型法：利用成型刀具加工工件的方法。这时刀刃与工件表面之间为线接触，刀刃的形状与形成工件表面的一条发生线完全相同，另一条发生线则由刀具与工件的相对运动来实现，如图4-1(b)所示。此时工件的形状精度取决于刀刃的形状精度和成型运动精度。

(3)展成法：利用刀具与工件作展成运动所形成的包络面进行加工的方法。该方法主要用于齿轮的加工，此时刀刃与工件表面之间为线接触，但刀刃形状不同于齿形表面形状，如图4-1(c)所示。

(4)相切法：利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法。刀具的各个刀刃的运动轨迹共同形成了曲面的发生线，如图4-1(d)所示。

图4-1获得工件表面的切削方法

2．切削运动

在机床上加工各种表面时，刀具与工件之间必须要有适当的相对运动，即成型运动，而各种成型运动是由机床来实现的，因此，又称为机床的切削运动。表面成型运动中各单元的运动，按其在切削加工中所起的作用不同，可分为主运动和进给运动。

(1)主运动。主运动是切下切屑所需要的最基本的运动。它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑。一般情况下，它是切削运动中速度最高、消耗功率最大的运动。任何切削过程必须有一个，也只有一个主运动。它可以是旋转运动，也可以是直线运动。如车削加工时工件的旋转运动，钻削和铣削加工时刀具的旋转运动，牛头刨床刨削时刀具的直线往复运动等都是主运动。主运动可以由工件完成(如车削、龙门刨削等)，也可以由刀具完成(如钻削、铣削、牛头刨床上刨削及磨削加工等)。

(2)进给运动。进给运动是使金属层不断投入切削，以加工出完整表面所需的运动。一般进给运动的速度较低，功率消耗也较少。其数量可以是一个，如钻削(钻头轴向进给)；也可以是多个，如外圆磨削(轴向进给、圆周进给和径向进给)；甚至没有进给运动(如拉削加工)。进给运动可以是连续进行的，如钻孔、车外圆、铣平面等；也可以是断续进行的，如刨平面、车外圆时的横向进给等。进给运动可以由工件完成，如铣削、磨削等；也可以由刀具完成，如车削、钻削等。

主运动和进给运动可由刀具和工件分别完成，也可由刀具单独完成。

3．加工中的工件表面

以车削为例，工件在车削过程中有三个不断变化着的表面(见图4-2)：

(1)待加工表面：将被切除金属层的表面，随着切削过程的进行，它将逐渐减小，直至全部切去。

(2)已加工表面：已经切去一部分金属而形成的新表面，随着切削过程的进行，它将逐渐扩大。

(3)过渡表面：切削刃正在切削的表面，它总是处在待加工表面和已加工表面之间。

上述这些定义也适用于其他类型的切削加工。

图4-2外圆车削运动、工件表面及合成速度

4．切削用量

切削用量是机床调整、切削力或切削功率计算、工时定额确定及工序成本核算等所必需的数据，其数值大小取决于工件材料和结构、加工精度、刀具材料、刀具形状及其他技术要求。切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量，也称为切削用量三要素。

(1)切削速度vc：切削速度为主运动的线速度。主运动为旋转运动时，切削刃上选定点相对于工件的瞬时线速度即为切削速度，如图4-3所示。

(2)进给量f：在主运动的一个循环内，刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述和度量。

(3)背吃刀量ap：工件上待加工表面和已加工表面之间的垂直距离。

图4-3各种切削加工的切削用量

4.1.2刀具

切削刀具的种类虽然很多，形状各异，但它们切削部分的结构要素和几何角度有着许多共同的特征，都可以看做是以外圆车刀切削部分为基本形状的演变和组合。如图4-4所示，各种多齿刀具或复杂刀具，就其一个刀齿而言，都相当于一把车刀的刀头。外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具。下面从外圆车刀入手，对刀具几何参数进行分析和研究。

图4-4刀具的切削部分

1．车刀的基本组成

外圆车刀由刀头和刀体两部分组成。刀头是车刀的切削部分(用于承担切削工作)，刀体是夹持部分(用来安装刀片或与机床连接)，如图4-5所示。车刀切削部分由“三面两刃一尖”(即前面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃、刀尖)组成，各部分定义如下：

(1)前面(Ag)：刀具上与切屑接触并相互作用的表面，又称前刀面。

(2)主后面(Aa)：刀具上与过渡表面相对的表面，又称主后刀面。

(3)副后面(Aa)：刀具上与已加工表面相对的表面，又称副后刀面。

(4)主切削刃(S)：前刀面与主后刀面的交线，在切削过程中担负主要切削工作，并形成工件上的过渡表面。

(5)副切削刃(Sꞌ)：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。

(6)刀尖：主切削刃与副切削刃连接处的那一小部分切削刃。图4-5车刀的组成

2．刀具的角度

为了确定刀具切削部分各表面和切削刃的空间位置，确定和测量刀具角度，需要建立参考系。参考系主要有刀具静止参考系和刀具工作参考系两类，刀具静止参考系是用在刀具设计、制造、刃磨和测量时定义刀具几何角度的参考系，在刀具静止参考系中定义的刀具角度称为刀具的标注角度。

刀具静止参考系主要由以下基准坐标平面组成，如图4-6所示。

图4-6刀具静止参考系的基准平面

(1)基面Pr：通过主切削刃上选定点P，并垂直于该点切削速度方向的平面。如图4-6(b)中的EFGH平面即为P点的基面。

(2)切削平面Ps：通过主切削刃选定点P，切于工件过渡表面的平面。对应于主切削刃和副切削刃的切削平面分别称为主切削平面Ps和副切削平面

。如图4-6(b)中的ABCD平面即为P点的切削平面。

(3)正交平面Po：通过主切削刃选定点P并同时垂直于基面和切削平面的平面。如图4-6(c)和图4-7中过P点的Po-Po截面为主正交平面，-截面为副正交平面。

车刀的标注角度是绘制刀具图样和车刀刃磨必须要标注的角度，有五个主要角度，即前角、后角、主偏角、副偏角及刃倾角。外圆车刀角度的标注如图4-7所示。图4-7车刀标注角度

前角

：在正交平面内测量，是前刀面与基面之间的夹角。根据前刀面与基面相对位置的不同，前角又可分为正前角、零前角和负前角。当前刀面与切削平面夹角小于90°时，前角为正，大于90°时，前角为负，如图4-8所示。前角主要影响主切削刃的锋利程度和刃口强度。增大前角能使刀刃锋利，切削容易，降低切削力和切削热；但前角过大，刀刃部分强度下降，导热体积减小，寿命缩短。

图4-8前、后角正、负的规定

后角

：在正交平面内测量，是主后面与切削平面之间的夹角。在主正交平面内测量的是主后角(

)，在副正交平面内测量的是副后角(

)。当后刀面与基面间的夹角小于

90°时，后角为正值，大于90°时，后角为负值，如图4-8所示。后角的作用是为了减小后刀面与工件之间的摩擦，以减少后刀面的磨损，并配合前角改变切削刃的锋利程度与刃口强度。精加工时取较大后角；粗加工时取较小后角。

．

楔角

：前刀面与主后刀面间的夹角，其值

，是派生角度。

主偏角

：在基面内测量，是主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。主偏角主要影响切削刃工作长度、背向力的大小和刀具寿命。当切削力一定时，增大主偏角可减小径向抗力，所以，加工刚度较弱的细长轴时，可适当选用较大的主偏角。

在进给量和背吃刀量一定时，减小主偏角可使主切削刃相对长度上的切削力减小，从而使刀具寿命提高。车刀常用的主偏角有45°、60°、75°和90°四种。

副偏角

：在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与背离进给运动方向间的夹角。副偏角主要影响已加工表面的粗糙度。粗加工时副偏角取得较大些，精加工时取小些。

刀尖角

：主切削平面与副切削平面间的夹角，其值

，

是派生角度。

刃倾角

：在切削平面中测量，是主切削刃与基面间的夹角。刃倾角也有正、负和零值，如图4-9所示。当刀尖相对车刀刀柄安装面处于最高点时，刃倾角为正值；刀尖处于最低点时，刃倾角为负值；当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为零度，此时切削刃在基面内。

图4-9刃倾角的作用

刃倾角

主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。粗加工时为了增加刀头强度，

常取负值；精加工时为了防止切屑划伤已加工表面，

常取正值或零。负的刃倾角还可在车刀受冲击时起到保护刀尖的作用。

随着刀具安装位置的不同或者是切削加工中进给运动的影响，刀具的工作角度将会在标注角度的基础上改变。

3．常用的刀具材料及其选择

1)刀具材料应具备的性能

切削时，由于变形与摩擦，刀具承受了很大的压力和很高的温度。作为刀具材料应满足以下要求：

(1)高的硬度和耐磨性：比工件材料硬和具有良好的抗磨损能力。

(2)足够的强度和韧度：可以承受切削中的压力、冲击和振动。

(3)高的耐热性：在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧度的能力。

(4)良好的工艺性：如锻造性、热处理性、刃磨加工性等，以便于刀具的制造。

(5)良好的经济性。

2)刀具材料及其选择

目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢(如T10A、T12A)、合金工具钢(如9SiCr、CrWMn)因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。

高速钢是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，有较高的热稳定性，切削温度达500～650ºC时仍能进行切削；有较高的强度、韧度、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的刀具，如钻头、成型刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。

硬质合金由难熔金属碳化物(如WC、TiC)和金属粘结剂(如Co)经粉末冶金法制成。因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。硬度可达HRA89～93，在800～1000℃还能承担切削，耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时，切削速度可提高4～10倍。但抗弯强度较高速钢低，仅为0.9～1.5GPa(90～150kg/cm2)、冲击韧度差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。

4．金属的切削过程

金属切削过程是指通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。在此过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。

金属切削过程就是通过刀具把被切金属层变为切屑的过程，其实质是一种挤压变形过程。

切屑的具体形成过程如图4-10所示。切削塑性金属时，当工件受到刀具的挤压以后，切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形。随着刀具不断左移，当这些金属移至OA面位置时，应力达到材料的屈服强度极限，沿OA面开始剪切滑移，产生塑性变形。OA面上的金属不断向刀具靠拢，依次经过OB、OC诸位置，到达终滑移面OM上，应力和塑性变形达到最大值，切削层金属被挤裂。超过OM面，切削层金属即被切离工件母体，沿刀具的前刀面流出而形成切屑。由此可见，塑性金属的切削过程一般要经过弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段。

图4-10切屑形成过程及切削变形区

切屑在经剪切滑移后，沿前刀面排出，其底层还要继续受到前刀面的挤压与摩擦，使切屑底层产生严重的塑性变形。

5．积屑瘤

1)现象

加工一般钢料或其他塑性金属材料，在切削速度不高而又能形成连续切屑时，常在前刀面切削刃处粘着一块剖面呈三角状的硬块(见图4-11)，称积屑瘤。其硬度很高，为工件材料的2～3倍，处于稳定状态时可代替刀尖进行切削。

图4-11积屑瘤—积屑瘤前角；—切削公称厚度；—积屑瘤高度；—伸出量

2)产生

切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净，当接触面达到一定温度，压力又较高时，会产生粘结现象。这时切屑从粘在前刀面的底层金属上流过，形成内摩擦。如果温度和压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘结成一体。这样，粘结层逐渐增大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。

一般地说，塑性金属材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；温度低、压力低时，不易产生积屑瘤；反之，温度太高，使金属软化，也不易产生积屑瘤。

3)影响

(1)使实际前角增大，减小切削力，对切削过程起积极作用。

(2)使切削深度增加了DhD。因积屑瘤的产生、成长、脱落是一个带有一定周期性的动态过程，所以`是变化的，可能引起振动。

(3)使加工表面粗糙度增大。积屑瘤的顶部很不稳定，容易破裂，或部分粘附于切屑底部而排除，或部分留在已加工表面而影响粗糙度。

(4)影响刀具耐用度。积屑瘤稳定时代替刀刃切削，减少刀具磨损，提高刀具耐用度；但脱落时可能使硬质合金颗粒剥落，反而加剧刀具磨损。

4)控制

精加工时，防止积屑瘤产生的措施有：

(1)用低速切削，使切削温度低，粘结现象不易发生；或用高速切削，使切削温度高于积屑瘤产生的相应温度。

(2)采用润滑性能好的切削液，减小摩擦。

(3)增大刀具前角，减小切屑接触区压力。

(4)提高工件材料硬度(如热处理)，减小加工硬化倾向。

4.1.3切削力与切削热

切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力。

切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、工件表面的摩擦，因此，凡是影响切削过程中材料变形及摩擦的因素都会影响切削力。这些影响因素主要包括工件材料、切削用量、刀具几何参数及其他因素。

切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削温度能改变前刀面上的摩擦系数和工件材料的性能，并影响积屑瘤的大小、已加工表面的质量、刀具的磨损和耐用度及生产率等。

4.2外圆加工

4.2.1车削加工的刀具

在机械制造中车削是使用最广泛的一种加工方法，主要用于加工各种回转表面，如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成型回转面；也可以车削端面、车削螺纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔和滚花等工作，如图4-12所示。由于多数机器零件具有回转表面，车床的通用性又较广，因此在机器制造中，车床的应用极为广泛，在金属切削机床中所占的比重最大，约占机床总台数的20%～35%。图4-12卧式车床所能完成的典型加工

在车床上使用的刀具，主要是各种形式的车刀，有的车床还可以采用各种孔加工刀具如钻头、铰刀、丝锥、板牙等。这里主要介绍各种车刀的形式。根据加工表面的不同，车削加工刀具可分为外圆车刀、端面车刀、割刀、镗刀和成型车刀等多种形式，如图4-13所示。

1．外圆车刀

外圆车刀用于纵向车削外圆，如图4-13所示，它又可分为三种：

(1)直头外圆车刀(图4-13之5)：这种车刀制造简单，但只能加工外圆，加工端面时必须转动刀架。

(2)弯头外圆车刀(图4-13之4)：用于纵向车削外圆，也可用于横车端面及内外圆倒角，但其副偏角

较大，加工表面粗糙度及刀具耐用度均较差。

(3)宽刃精车刀(图4-13之7)：做成平头直线刃，它和曲线刃车刀均可使工件表面获得较小的表面粗糙度，用于精车工作。

图4-13各种车刀形式

2．端面车刀

用于车端面，进给方向可以是纵向也可以横向，因此又分为两种。

(1)纵切端面车刀又称劈刀，实际上就是=90°的外圆车刀，按进给方向不同分为左偏刀和右偏刀，用于加工不大的台肩端面，在车削阶梯轴及细长的轴时也常使用。

(2)横切端面车刀(图4-13之9)可以由外圆向内进给，也可以由中心向外进给，这两种情况的主、副刀刃及主、副偏角均不相同，前者的轴向切削分力有可能使车刀压入端面，得到逐渐加深的内凹锥面(如图4-14(a)中虚线所示)，会造成不可修复的废品；后者受切削力外推(如图4-14(b)所示)，可能会车出逐渐变浅的凸面，但能修复，故车端面时要加以考虑。

图4-14端面车刀形式

3．切断刀

切割刀又称割刀，用于切断工件或切槽。刀头长度和宽度由工件直径及槽宽尺寸决定。用于切断时，刀头长度应比切断处外圆半径略大一些，而在选择宽度的时候，要考虑减少工件材料消耗，又要保证刀具本身强度，通常在2 mm～6 mm之间。割刀有两个副刀削刃，一般取副偏角= 1°～2°以减少与工件侧面之摩擦。

4．内孔车刀

内孔车刀又称镗刀，用在车床上加工孔内的槽、盲孔、通孔或端面(图4-13之10、11、12)。

镗刀刀杆尺寸受孔径和孔深限制，而且伸出较长，刚度相应降低，特别在加工小直径的深孔时，切削条件很不利，生产率很低。

5．成型车刀

成型车刀是根据工件外形加工出其型面轮廓而设计的专用车刀，主要用于卧式车床、转塔车床、半自动和自动车床上加工工件内、外表面的回转型面。

用普通车刀加工固然可车削工件的复杂型面，但这种方法不仅操作费力，生产率低，而且很难保证所加工的各零件有准确一致的加工精度，特别是大批生产，困难更大。所以常采用仿形装置或成型车刀加工；前者适用于长度较大的型面，后者主要用于长度较小的型面。在仪表制造中，常有形状复杂、精度高而生产批量很大的零件，往往用成型车刀在转塔车床或自动车床上加工。

成型车刀按车刀形状可分为杆形、棱形和圆形三种。

(1)杆形成型车刀：相当于刀刃磨成特定形状的普通车刀，杆形成型车刀构造简单，但用钝后，为保持刀刃形状不变，只能沿车刀前面刃磨，可磨次数不多，常用的螺纹车刀(图4-13之8、10)和铲齿车刀即属此类。

(2)棱形成型车刀：如图4-15(a)所示，外形为棱柱体，刀头厚，可磨次数增多，刀刃强度和加工精度较高，但制造复杂，且不能加工内表面。通常用的棱形成型车刀进给方向在工件的径向，它与割刀进给的方向相同。

(3)圆形成型车刀：如图4-15(b)所示，外形为回转体，沿圆周开缺口磨出刀刃，可重磨次数更多，其制造较为简单，且可加工内外成型表面。

图4-15棱形和圆形成型车刀

4.2.2其他类型车床的工艺范围

1．转塔、回轮车床的工艺范围

用卧式车床加工形状比较复杂，特别是带有内孔和内外螺纹的工件，如各种阶梯小轴、套筒、螺钉、螺母、接头和法兰盘等零件时(见图4-16)，由于需要使用多种车刀、孔加工刀具和螺纹加工刀具，因此产生多次装卸刀具、移动尾座、频繁对刀试切和测量尺寸等操作问题，致使生产率很低，工人劳动强度高。转

塔、回轮车床是针对上述问题在卧式车床的基础上发展起来的，它与卧式车床在结构上的主要区别是：没有尾座和丝杠，并在床身尾部装有一个能纵向移动的多工位刀架，其上可安装多把刀具(见图4-17)。转塔刀架可周期地转位，将不同刀具依次转到加工位置，顺序地对工件进行加工。因此它在成批生产，特别是在加工形状较复杂的工件时，生产率比卧式车床高。根据多工位刀架的结构不同，主要有转塔式车床和回轮式车床两种。图4-16转塔、回轮车床上加工的典型工件图4-17转塔车床

2．自动车床的工艺范围

自动机床是指那些在调整好后无需工人参与便能自动完成表面成型运动和辅助运动，并能自动地重复其工作循环的机床。若机床能自动完成预定的工作循环，但装卸工作仍由人工进行，这种机床称为半自动机床。相应符合上述定义的车床就称为自动或半自动车床。

机床实现自动化可以显著减少辅助时间，并为多刀多工位同时加工创造有利条件，因而可有效地提高劳动生产率，还可以大大地减轻工人的劳动强度，改善劳动条件。

自动车床种类繁多。按自动化程度，可分为自动、半自动车床；按主轴数目，可分为单轴、多轴自动车床；按工艺特征，可分为纵切、横切自动车床等。这里仅介绍CM1107型精密单轴纵切自动车床。

图4-18是CM1107型单轴纵切自动车床的外形。它由底座1、床身2、天平刀架3、主轴箱4、送料装置5、上刀架6、钻铰附件7和分配轴8等部件组成。这种机床用于加工精度较高、必须一次加工成型的轴类零件，可以车削圆柱面、圆锥面、成型面以及切槽等，特别适宜于加工图4-19所示的细长阶梯轴类零件。

图4-18CM1107型自动车床外形1—底座；2—床身；3—天平刀架；4—主轴箱；5—送料装置；6—上刀架；7—钻铰附件；8—分配轴图4-19自动车床上加工的典型工件

3．立式车床的工艺范围

立式车床用以加工厚度大、长度较短、质量大，直径超过1000mm的大型工件的旋转表面。立式车床分单柱式(见图4-20(a))和双柱式(见图4-20(b))两类。单柱式立式车床只用于加工直径不太大的工件。

图4-20立式车床

4.2.3外圆表面的加工方法

外圆表面是轴类零件的主要表面，外圆表面的加工方法主要是车削与磨削。

1．外圆表面的车削加工

根据毛坯的制造精度和工件最终加工要求，外圆车削一般可分为粗车、半精车、精车、精细车，加工阶段的划分主要根据零件毛坯情况和加工要求来决定。

(1)粗车：中小型锻、铸件毛坯一般直接进行粗车。粗车主要切去毛坯大部分余量(一般车出阶梯轮廓)，在工艺系统刚度容许的情况下，应选用较大的切削用量以提高生产效率。

(2)半精车：一般作为中等精度表面的最终加工工序，也可作为磨削和其他加工工序的预加工。对于精度较高的毛坯，可不经粗车，直接半精车。

(3)精车：外圆表面加工的最终加工工序和光整加工前的预加工。

(4)精细车：高精度、细粗糙度表面的最终加工工序，适用于有色金属零件的外圆表面加工，由于有色金属零件不宜磨削，所以可采用精细车代替磨削加工。

但是，精细车要求机床精度高，刚度好，传动平稳，能微量进给，无爬行现象。车削中采用金刚石或硬质合金刀具，刀具主偏角选大些(45°～90°)，刀具的刀尖圆弧半径小于0.1～1.0mm，以减少工艺系统中的弹性变形及振动。

2．车削方法的应用

(1)普通车削：适用于各种批量的轴类零件外圆加工。单件小批量常采用卧式车床完成车削加工；中批、大批生产则采用自动、半自动车床和专用车床等完成车削加工。

(2)数控车削：适用于单件小批和中批生产，近年来应用愈来愈为普遍。其主要优点为柔性好，更换加工零件时设备调整和准备时间短；加工时辅助时间少，可通过优化切削参数和适应控制等提高效率；加工质量好，专用工夹具少，相应生产准备成本低；机床操作技术要求低，不受操作工人的技能、视觉、精神、体力等因素的影响。

对于轴类零件，具有以下特征时适宜选用数控车削：结构或形状复杂，普通加工操作难度大，工时长，加工效率低的零件；加工精度一致性要求较高的零件；切削条件多变的零件，如零件由于形状特点需车槽、车孔、车螺纹等，加工中要多次改变切削用量；批量不大，但每批品种多变并有一定复杂程度的零件。

(3)车削加工中心：对于带有键槽、径向孔(含螺钉孔)、端面有分布的孔(含螺钉孔)系的轴类零件，如带法兰的轴、带键槽或方头的轴，还可以在车削中心上加工；除了进行普通的数控车削外，零件上的各种槽、孔(含螺钉孔)、面等加工面也一并能加工完毕。车削加工中心的工序高度集中，其加工效率较普通数控车削更高，加工精度也更为稳定可靠。

4.3内孔加工

4.3.1孔的加工概述

在机械制造中，大多数零件都有孔的加工，通常在工件上形成孔，扩大或修整已有孔的加工方法有钻孔、扩孔、锪孔、镗孔和铰孔等。在整个机械加工中，孔加工约占30%～40%。所使用的刀具主要有钻头、铰刀、镗刀，所使用机床主要是钻床和镗床。孔加工有以下特点：

(1)与外圆加工相比，孔加工的条件一般较差。刀具在切削时，常处在已加工表面的包围之中，刀具的散热条件差，切削液不易进入切削区，排屑比较困难。

(2)大部分孔加工刀具都是定尺寸刀具，如钻头、铰刀等。工件的尺寸在很大程度上取决于刀具的精度。这种刀具需要有一定的容屑和排屑空间，刀具本身的刚度较差，结构也较复杂。

(3)与外圆加工相比，在加工尺寸相同、精度相同的工件时，孔加工所需工序要多些，刀具的损耗量要大些，而且生产率比外圆加工低，加工成本也要高些。

4.3.2

孔的加工方法

内孔表面加工方法较多，常用的有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、车孔、磨孔、拉孔和孔的精密加工等方法。其中钻孔、扩孔和镗孔作为孔的粗加工与半精加工(镗孔也可作精加工)，而铰孔、磨孔、拉孔和孔的精密加工是孔的精加工方法。本节主要介绍常用的孔的加工方法。

1．钻孔

用钻头在工件实体部位加工孔称为钻孔。钻孔属粗加工，可作为攻螺钉、扩孔、铰孔和镗孔的预备加工，可达到的尺寸公差等级为IT13～IT11，表面粗糙度Ra = 50～12.5 μm。钻孔常用的工具是钻头，其按结构特点和用途可分为扁钻、麻花钻、深孔钻和中心钻等。生产中使用最多的是麻花钻，由于麻花钻长度较长，钻芯直径小而刚度差，又有横刃的影响，故钻孔有以下工艺特点：

(1)钻头容易偏斜。由于横刃的影响，使钻头定心不准，且钻头的刚度和导向作用较差，切削时钻头容易引偏和弯曲。其中在钻床上钻孔时，容易引起孔的轴线偏移和不直，但孔径无显著变化；在车床上钻孔时，容易引起孔径的变化，但孔的轴线仍然是直的。因此，在钻孔前应先加工端面，并用钻头或中心钻预钻一个锥坑，如图4-21所示，以便钻头定心：钻小孔和深孔时，为了避免孔的轴线偏移和不直，应尽可能采用工件回转方式进行钻孔。

图4-21钻孔时预钻锥坑

(2)孔径容易扩大。钻削时钻头两切削刃径向力不等将引起孔径扩大；卧式车床钻孔时的切入引偏也是孔径扩大的重要原因；此外钻头的径向圆跳动等也造成了孔径的扩大。

(3)孔的表面质量较差。钻削时切屑较宽，在孔内被迫卷为螺旋状，流出时与孔壁发生摩擦而削伤已加工表面。

(4)钻削时轴向力大。这主要是由钻头的横刃引起的。试验表明，钻孔时50%的轴向力和15%的扭矩是由横刃产生的。因此，当钻孔直径d＞30mm时，一般分两次进行钻削。第一次钻出(0.5～0.7) d，第二次钻到所需的孔径。由于横刃第二次不参加切削，故可采用较大的进给量，使孔的表面质量和生产率均得到提高。

2．扩孔

扩孔是用扩孔钻对工件上已有的孔进行半精加工的方法，其目的是扩大孔径并提高精度和降低表面粗糙度值。扩孔可达到的尺寸公差等级为IT11～IT10，表面粗糙度Ra=l2.5～6.3μm，属于孔的半精加工方法之一。扩孔时切削深度小，易排屑，且扩孔钻刚度好，刀齿较多，并能纠正孔的轴线歪斜，常作铰削前的预加工，也可作为精度不高的孔的终加工。

扩孔方法如图4-22所示，实际中对扩孔余量的选择，可按零件的技术要求查阅相关的手册，扩孔钻的形式也随之不同。扩孔钻可按直径不同分为直柄、锥柄和套装式三种类型，按材料可分为高速钢扩孔钻和硬质合金扩孔钻等类型。表4-1列出了部分扩孔钻的类型、应用范围和特点。

图4-22扩孔

3．铰孔

铰孔是对未淬硬的中、小尺寸孔进行精加工的一种方法，是在半精加工(扩孔或半精镗)的基础上对孔进行的加工方法，也可用于磨孔和研孔前的预加工。铰孔的尺寸公差等级可达IT9～IT7，表面粗糙度值可达Ra = 3.2～1.6μm，精细铰尺寸公差等级可达IT6，表面粗糙度值可达Ra = 1.6～0.4μm。铰孔不能纠正孔的位置误差，因此孔的位置误差应在前一道工序内保证。铰孔的方式有机铰和手铰两种类型。在实际应用中，短孔、深孔和断续孔的加工不宜采用铰削加工。

1)铰削的工艺特点

(1)铰孔的精度和表面粗糙度不取决于机床的精度，而主要取决于铰刀的精度、铰刀的安装方式、加工余量、切削用量和切削液等条件。例如在相同的条件下，在铰床上铰孔和在车床上铰孔所获得的精度和表面粗糙度基本一致。

(2)铰刀为定径的精加工刀具，铰孔比精镗孔容易保证尺寸精度和形状精度，生产率也较高，对于小孔和细长孔更是如此。但由于铰削余量小，铰刀常为浮动连接，故不能校正原孔的轴线偏斜，孔与其他表面的位置精度则需由前工序或后工序来保证。

(3)铰孔的适应性较差。一定直径的铰刀只能加工一种直径和尺寸公差等级的孔，如需提高孔径的公差等级，则需对铰刀进行研磨。铰削的孔径一般小于f 80mm，常用的在

f40mm以下。对于阶梯孔和盲孔，则铰削的工艺性较差。

2)铰孔时应注意的问题

(1)铰削余量要适中。余量过大，会因切削热多而导致铰刀直径增大，孔径扩大；余量过小，会留下底孔的刀痕，使表面粗糙度达不到要求。粗铰余量一般为0.15～0.35mm，精铰余量一般为0.05～0.15mm。

(2)铰削精度较高，铰刀齿数较多，芯部直径大，导向性及刚度好。铰削余量小，且综合了切削和挤光作用，能获得较高的加工精度和表面质量。

(3)铰削时采用较低的切削速度，并且要使用切削液，以免积屑瘤对加工质量产生不良影响。粗铰时取0.07～0.17m/s，精铰时取0.025～0.08m/s。

(4)铰刀适应性很差。一把铰刀只能加工一种尺寸、一种精度要求的孔，且直径大于80mm的孔不适宜铰削。

(5)为防止铰刀轴线与主轴轴线相互偏斜而引起的孔轴线歪斜、孔径扩大等现象，铰刀与主轴之间应采用浮动连接。当采用浮动连接时，铰削不能校正底孔轴线的偏斜，孔的位置精度应由前道或后道工序来保证。

(6)机用铰刀不可倒转，以免崩刃。

4．镗孔、车孔

镗孔(车孔)是用镗刀(车刀)对已钻出、铸出或锻出的孔做进一步的加工，可在车床、镗床上进行。镗孔是常用的孔加工方法之一，其加工范围很广，可分为粗镗、半精镗和精镗。在小批量生产中对非标准孔、大直径孔、精确的短孔和盲孔一般都采用镗孔。粗镗的尺寸精度为IT13～IT12，表面粗糙度值Ra = 12.5～6.3μm；半精镗的尺寸精度为IT10～IT9，表面粗糙度值Ra = 6.3～3.2 μm；精镗的尺寸精度为IT8～IT7，表面粗糙度值Ra = 1.6～0.8 μm。

1)车床车孔

用车削方法扩大工件的孔或加工空心工件的内表面称为车孔。车床车孔多用于加工盘套类和小型支架类零件的孔。在套筒零件上车孔，通常分为车通孔、车台阶孔和车不通孔(盲孔)。车削内表面车刀在主副后面一般均磨成双重后角防止车刀后面与工件相碰，减少车刀后面与加工表面的摩擦。

(1)车通孔：如图4-23所示，是在车床上车削套类零件的通孔。在车通孔时，车刀应选取较大的主偏角，一般取在45°～90°之间，相应地减小背向力，从而防止切削时产生振动。

(2)车台阶孔：如图4-24所示，是在车床上车削套类零件的台阶孔。在车台阶孔时，车刀主偏角一般在90°～95°的范围内选取，刀尖与伸入孔内的刀杆外侧间的距离应小于大、小两孔之和的1/2，以保证孔的台阶平面能车平。

(3)车不通孔：不通孔又叫盲孔，如图4-25所示，是在车床上车削套类零件的不通孔。在车不通孔时，除了要保证主偏角必须超过90°外，刀尖与伸入孔内的刀杆外侧间的距离应小于孔径的1/2，才能保证孔的台阶面能车平。

图4-23车通孔

图4-24车台阶孔

图4-25车不通孔

2)镗床镗孔

镗孔可在镗床、车床、铣床上进行加工，因受孔的尺寸的限制(特别是小直径孔)，一般镗杆刚度较差，容易产生振动，生产率较低。但由于镗刀结构简单，又可在多种机床上进行镗孔，故单件小批量生产中镗孔是较经济的方法。此外，镗孔能够修正前工序加工所导致的轴心线歪斜和偏移，从而可以提高孔的位置精度。镗床镗孔主要有以下三种方式：

(1)镗床主轴带动刀杆和镗刀旋转，工作台带动工件做纵向进给运动，如图4-26所示，这种方式镗削的孔径一般小于120 mm。图4-26所示为悬伸式刀杆，不宜伸出过长，以免弯曲变形过大，一般用以镗削深度较小的孔。

图4-26工件纵向进给镗削

(2)镗床主轴带动刀杆和镗刀旋转，并做纵向进给运动，如图4-27所示。这种方式主轴悬伸的长度不断增大，刚度随之减弱，一般只用来镗削长度较短的孔。

图4-27镗轴纵向进给镗削

上述两种镗削方式，孔径的尺寸和公差要由调整刀头伸出的长度来保证，需要进行调整、试镗和测量，孔径合格后方能正式镗削，其操作技术要求较高。

(3)镗床平旋盘带动镗刀旋转，工作台带动工件做纵向进给运动。如图4-28(a)所示，利用径向刀架使镗刀处于偏心位置，即可镗削大孔。f 200mm以上的孔多用这种镗削方式，但孔不宜过长。图4-28(b)为镗削内槽，平旋盘带动镗刀旋转，径向刀架带动镗刀做连续的径向进给运动。若将刀尖伸出刀杆端部，亦可镗削孔的端面。

镗床主要用于镗削大中型支架或箱体的支承孔、内槽和孔的端面，也可用来钻孔、扩孔、铰孔、铣槽和铣平面。

图4-28利用平旋盘镗削大孔和内槽

3)镗孔的工艺特点

(1)适应性强。镗削孔径尺寸范围很广，且一把镗刀可以加工不同直径的孔；加工精度可高可低；镗削材料可以是塑性材料，也可以是脆性材料。从结构上讲，除直径很小且较深的孔以外，各种直径和各种结构类型的孔几乎都可镗削，如表4-2所示。

(2)能修正底孔轴线的位置偏差。镗削时通过调整刀具和工件的相对位置，可以校正底孔的轴线位置偏差，保证孔的位置精度。

(3)加工精度较低。镗刀与镗杆的刚度取决于孔的尺寸和位置。小尺寸的镗刀易振动，特别是镗削细长孔时。另外，镗削加工时排屑和使用切削液都不方便，影响加工质量，但采用金刚石镗刀进行精细镗削时可获得较小的表面粗糙度和较高的尺寸精度。

(4)成本较低。镗刀结构简单，刃磨方便，加工尺寸范围大，在单件小批生产中采用镗削加工较经济；在大批生产中，需使用镗模完成镗削加工。

(5)生产率低。一般来说，镗刀的切削刃少，生产率不如铰削。

5．拉孔

1)拉削原理

拉孔是一种高效率的孔的精加工方法。除拉削圆孔外，还可拉削各种截面形状的通孔及内键槽，并可获得较高的尺寸精度和表面粗糙度，如图4-29所示。拉削圆孔可达的尺寸公差等级为IT9～IT7，表面粗糙度Ra = 1.6～0.4μm。

图4-29可拉削的各种孔的形状

2)拉削的工艺特点

(1)拉削时拉刀多齿同时工作，在一次行程中完成粗精加工，因此生产率高。

(2)拉刀为定尺寸刀具，且有校准齿进行校准和修光；拉床采用液压系统，传动平稳，拉削速度很低，一般为2～8 m/min，切削厚度薄，不会产生积屑瘤，因此拉削可获得较高的加工质量。

(3)拉孔不能修正前一道工序加工所导致的轴心线歪斜和偏移，因此拉孔不能提高孔的位置精度。

(4)拉刀制造复杂，成本昂贵，一把拉刀只适用于一种规格尺寸的孔或键槽，因此拉削主要用于大批大量生产或定型产品的成批生产。

(5)拉削不能加工台阶孔和盲孔。由于拉床的工作特点，某些复杂零件的孔也不宜进行拉削，例如箱体上的孔。

4.4平面加工

平面加工方法有刨、铣、拉、磨等，刨削和铣削常用于平面的粗加工和半精加工，而磨削则用于平面的精加工。此外还有刮研、研磨、超精加工、抛光等光整加工方法。采用哪种加工方法较合理，需根据零件的形状、尺寸、材料、技术要求、生产类型及工厂现有设备来决定。

4.4.1铣削加工概述

1．铣削加工适用范围

铣削是金属切削加工常用的方法之一。铣削可以加工平面、台阶面、沟槽(键槽、T形槽、燕尾槽等)、分齿零件(齿轮、链轮、棘轮、花键轴等)、螺旋形表面(螺纹、螺旋槽)及各种曲面等，如图4-30所示。

从图中看出，铣削可以加工各种形状的表面，而且使用范围还在不断扩大。近来，已有用精铣刀加工导轨面，加工表面粗糙度Ra = 0.8～0.4 mm，代替了精刨和磨削工艺，大大提高了生产率，成为高效切削加工方法。

图4-30铣削加工的典型表面

2．铣削方式

在铣削过程中，刀齿依次切入和切离工件，切削厚度与切削面积随时在变化，容易引起振动和冲击，所以铣削过程又有一些特殊规律。铣削方式是指铣削时铣刀相对于工件的运动和位置关系。它对铣刀寿命、工件加工表面粗糙度、铣削过程平稳性及切削加工生产率都有较大的影响。铣刀刀齿在刀具上的分布有两种形式：一种是切削刃分布在铣刀的圆柱面上；一种是切削刃分布在铣刀的端部。这两种形式对应的铣削方式分别是圆周铣削(周铣)和端面铣削(端铣)。

1)周铣

周铣是用铣刀圆周上的切削刃来铣削工件的表面。铣削时，根据铣刀旋转方向和工件进给方向的相互关系，可分为逆铣和顺铣两种，如图4-31所示。

图4-31顺铣与逆铣

(1)逆铣。

在切削部位，刀齿的旋转方向和工件的进给方向相反称为逆铣。切削过程中，切削厚度从零逐渐增大到最大。开始切削时，由于切削厚度为零，小于铣刀刃口钝圆半径，刀齿在加工表面上挤压、滑移，切不下切屑，使这段表面产生严重冷硬层，直到切削厚度大于刃口钝圆半径，才能切下切屑。在刚开始切削时的一段已加工表面形成冷硬层，致使工件表面粗糙，刀齿容易磨损。

逆铣时，刀齿初切入工件，由于与工件的挤压摩擦，垂直分力FfN可能向下；当刀齿切离工件时，FfN可能向上，工件受向上抬的切削力。在切削过程中，垂直分力的方向时上时下，引起振动，从而影响加工精度。

铣床工作台的纵向进给运动一般是依靠工作台下面的丝杠和螺母来实现的，螺母固定不动，丝杠一边转动，一边带动工作台移动。在逆铣时，工件所受的水平分力方向与纵向进给方向相反，使丝杠与螺母间传动面紧贴，故工作台不会发生窜动现象，铣削较平稳。

(2)顺铣。

在切削部位刀齿的旋转方向和工件的进给方向相同，称为顺铣，如图4-31(b)所示。切削时，切削厚度从最大开始逐渐减小至零，避免在已加工表面产生冷硬层，刀齿也不会产生挤压、滑移现象，从而使工件表面粗糙度减小，铣刀耐用度可提高2～3倍。但顺铣不宜于铣削带硬皮的工件。

顺铣时，在切削过程中垂直分力FfN始终向下，把工件压在工作台上，不会产生振动，可获得好的加工质量。

顺铣时，工件所受的水平分力Ff与纵向进给方向相同。纵向进给运动是由铣床工作台下面的丝杠和螺母实现的，本来应当由螺母螺纹表面推动丝杠前进，但由于丝杠、螺母之间螺纹有轴向间隙，所以螺母与螺纹只能在右侧面接触。在切削过程中，当水平分力Ff超过螺母螺纹表面推动丝杠前进的力时，就变成由铣刀带动工作台前进，使工作台带动丝杠向左窜动，丝杠与螺母传动右侧面出现间隙。在切削过程中，水平分力Ff可能不稳定，致使工作台带动丝杠左右窜动，造成工作台颤动和进给不均匀，严重时会使铣刀崩刃。因此在没有消除丝杠与螺母间隙装置的铣床上，是无法采用顺铣的。

2)端铣

端铣是用铣刀端面上的刀齿铣削工件表面的一种加工方式。端铣可分为对称铣、不对称逆铣和不对称顺铣。

(1)对称铣：工件安装在端铣刀的对称位置上进行铣削，如图4-32(a)所示。这种方式具有较大的平均切削厚度，可使刀齿在加工表面冷硬层下铣削，避免了铣削开始时对加工表面硬度的挤刮，从而可提高铣刀的耐用度，能获得比较均匀的已加工表面质量。铣削淬硬钢时，宜采用这种方式。

(2)不对称逆铣：工件安装偏向端铣切入一边进行铣削，如图4-32(b)所示。端铣刀从最小的切削厚度切入，从较大的切削厚度切出。切入时切削厚度最小，可减少切入时的冲击力，当铣削碳钢和一般合金钢时，可提高硬质合金端铣刀耐用度一倍左右，也可减小工件已加工表面粗糙度数值。

(3)不对称顺铣：工件安装偏向端铣刀切出一边进行铣削，如图4-32(c)所示。端铣刀从最大的切削厚度切入，从最小的切削厚度切出，适合铣削不锈钢和耐热合金钢。因为铣削这些材料工件切出时切屑与被切削层分离，一部分金属受压而成为毛刺，这时对切削刃来说，受到一个力，也是一次冲击。以最小的切削厚度切出，可减少这样的冲击，能提高铣刀的耐用度。

图4-32三种端铣方式

3)端铣与周铣加工的特点

端铣与周铣均可加工平面，但端铣比周铣的生产率高，表面质量好，故一般采用端铣；但周铣也有它的用途，如可同时装几把刀加工组合平面等。铣削平面时根据具体情况，决定使用哪种铣削方式。对端铣和周铣作如下分析：

(1)端铣时形成已加工表面是靠主切削刃，过渡刃和副切削刃有修光的作用，使已加工表面粗糙度数值小。周铣仅由主切削刃形成加工表面，特别是逆铣时切削厚度从零开始，刀齿产生滑移使刀齿磨损加剧，已加工表面粗糙度数值大，因此从加工表面质量方面看，周铣比端铣差些。

(2)端铣时每齿切下的切削层厚度变化较小，故切削力变化较小，不会使切削过程有较大的振动。周铣切削层厚度变化很大，切削力变化也大，使切削过程振动较大。

(3)端铣时所用的端铣刀便于使用机械夹固可转位硬质合金刀片或镶装硬质合金刀片，主轴刚度较好，可进行高速铣削，故生产率高。周铣由于使用的圆柱铣刀和本身结构的关系，难以用硬质合金刀，也不能使用很高的切削速度。

(4)端铣时同时参加切削的刀齿数较多，铣削过程比较平稳，有利于提高加工表面质量。

4.4.2铣削加工的刀具

铣刀为多齿回转刀具，其每一个刀齿都相当于一把车刀固定在铣刀的回转面上。铣刀种类很多，结构不一，应用范围很广，按其用途可分为加工平面用铣刀、加工沟槽用铣刀、加工成型面用铣刀等三大类。通用规格的铣刀已标准化，一般均由专业工具厂生产。下面介绍几种常用铣刀的特点及其适用范围。

1．圆柱铣刀

圆柱铣刀如图4-33所示。它一般都是用高速钢整体制成的，螺旋形切削刃分布在圆柱表面上，没有副切削刃，螺旋形的刀齿切削时是逐渐切入和脱离工件的，所以切削过程较平稳。圆柱铣刀主要用于卧式铣床上加工宽度小于铣刀长度的狭长平面。根据加工要求不同，圆柱铣刀有粗齿、细齿之分，粗齿的容屑槽大，用于粗加工；细齿用于精加工。铣刀大径较大时，常制成镶齿式。图4-33圆柱铣刀

2．端铣刀

端铣刀如图4-34所示，主切削刃分布在圆柱或圆锥表面上，端面切削刃为副切削刃，铣刀的轴线垂直于被加工表面。按刀齿材料可分为高速钢和硬质合金两大类，多制成套式镶齿结构，主要用在立式铣床和卧式铣床上加工台阶面和平面，特别适合较大平面的加工，主偏角为90°的端铣刀可铣底部较宽的台阶面。用端铣刀加工平面，同时参加切削的刀齿较多，又有副切削刃的修光作用，使加工表面粗糙度值小，因此可以用较大的切削用量，生产率较高，应用广泛。

图4-34端铣刀

3．立铣刀

立铣刀如图4-35所示，一般由3～4个刀齿组成，圆柱面上的切削刃是主切削刃，端面上分布着副切削刃，工作时不能沿铣刀轴线方向作进给运动。它主要用于加工凹槽、台阶面以及利用靠模加工成型面。另外有粗齿大螺旋角立铣刀、玉米铣刀、硬质合金波形刃立铣刀等，它们的直径较大，可以采用大的进给量，生产率很高。

4．三面刃铣刀

三面刃铣刀如图4-36所示，可分为直齿三面刃和错齿三面刃。它主要用在卧式铣床上加工台阶面和一端或两端贯穿的浅沟槽。三面刃铣刀除圆周具有主切削刃外，两侧面也有副切削刃，从而改善了切削条件，提高了切削效率，减小了表面粗糙度值。

三面刃铣刀重磨后宽度尺寸变化较大，镶齿三面刃铣刀可解决这一个问题。

图4-35立铣刀

图4-36三面刃铣刀

5．锯片铣刀

锯片铣刀如图4-37所示，锯片铣刀本身很薄，只在圆周上有刀齿，用于切断工件和铣窄槽。为了避免夹刀，其厚度由边缘向中心减薄，使两侧形成副偏角。

图4-37锯片铣刀

6．键槽铣刀

键槽铣刀如图4-38所示。它的外形与立铣刀相似，不同的是它在圆周上只有两个螺旋刀齿，其端面刀齿的刀刃延伸至中心，因此在铣两端不通的键槽时，可以作适量的轴向进给。它主要用于加工圆头封闭键槽，使用它加工时，要作多次垂直进给和纵向进给才能完成键槽加工。图4-38键槽铣刀

此外还有角度铣刀(见图4-39(a)、(b)、(c))、成型铣刀(见图4-39(d)、(e)、(f))、T形槽铣刀(见图4-39(g))、燕尾槽铣刀(见图4-39(h))、仿形铣用的指状铣刀(见图4-39(i))等。

图4-39特种铣刀

4.4.3铣削加工的工艺特点

铣削加工的工艺特点如下：

(1)工艺范围广。通过合理地选用铣刀和铣床附件，铣削不仅可以加工平面、沟槽、成型面、台阶，还可以进行切断和分度加工。

(2)生产效率高。铣削时，同时参加铣削的刀齿较多，进给速度快，铣削的主运动是铣刀的旋转，有利于进行高速切削。因此，铣削生产效率比刨削高。

(3)刀齿散热条件较好。由于是间断切削，每个刀齿依次参加切削。在切离工件的一段时间内，刀齿可以得到冷却，有利于减小铣刀的磨损，延长使用寿命。

(4)容易产生振动。铣削过程是多刀齿的不连续切削，刀齿的切削厚度和切削力时刻变化，容易引起振动，对加工质量有一定影响。另外，铣刀刀齿安装高度的误差，会影响工件表面的粗糙度值。

4.4.4刨削

刨削是单件小批量生产的平面加工最常用的加工方法，加工精度一般可达IT9～IT7，表面粗糙值Ra = 12.5～1.6 mm。刨削可以在牛头刨床或龙门刨床上进行，如图4-40所示。刨削的主运动是变速往复直线运动。因为在变速时有惯性，限制了切削速度的提高，并且在回程时不切削，所以刨削加工生产效率低。但刨削所需的机床、刀具结构简单，制造安装方便，调整容易，通用性强。因此在单件、小批生产中特别是加工狭长平面时被广泛应用。

图4-40刨削

当前，普遍采用宽刃刀精刨代替刮研，能取得良好的效果，如图4-41所示。采用宽刃刀精刨，切削速度较低(2～5 m/min)，加工余量小(预刨余量为0.08～0.12 mm，终刨余量为0.03～0.05 mm)，工件发热变形小，可获得较小的表面粗糙度值(Ra = 0.8～0.25 mm)和较高的加工精度(直线度为0.02/1000)，且生产率也较高。图4-41所示的宽刃精刨刀，前角为 -10°～-15°，有挤光作用；后角为5°，可增加后面支承，防止振动；刃倾角为3°～5°。加工时用煤油作切削液。

图4-41宽刃精刨刀刨削

4.5磨削加工

磨削是一种被广泛使用的切削加工方法。磨削后可达到加工精度IT6～IT4，表面粗糙度Ra=0.8～0.25 mm。它除能磨削普通材料外，还能磨削一般刀具难以切削的高硬度材料，如淬硬钢、硬质合金、陶瓷等，以及磨削外圆、内孔、平面、螺纹、花键、齿轮和成型表面。磨削既可用于精加工和超精加工，也可用于荒加工和粗加工。此外，随着高速磨削和强力磨削工艺的发展，进一步提高了磨削效率，磨削加工的使用范围正日益扩大。

4.5.1磨削过程与磨削运动

1．磨削运动

生产中常用的外圆、内圆和平面磨削一般分为主运动和进给运动，参见图4-42。

图4-42磨削运动

1)主运动

砂轮旋转运动是主运动。砂轮旋转的线速度为磨削速度vc，单位为m/s。

2)进给运动

磨削的进给运动可分为以下几种：

(1)背向进给运动：砂轮切入工件的运动，其大小用背向进给量fp表示。fp指工作台每单行程或双行程切入工件的深度，单位为mm/单行程或mm/双行程。

(2)轴向进给运动：工件相对于砂轮的轴向运动，其大小用进给量ff表示。ff指工件每转一转或工作台每一次行程，工件相对于砂轮的轴向移动距离，单位为mm/r或mm/单行程。

(3)圆周(直线)进给运动：工件的旋转运动(或工作台的往复直线运动)，其大小用vw表示。vw指工件旋转线速度或工作台直线移动速度，单位为m/min。

外圆磨削的速度：

平面磨削的速度：

式中：dw——工作直径，mm；

nw——工作转速，r/mm；

L——工作台行程长度，mm；

nr——工作台每分钟的往复次数，双行程/min。

2．磨削表面质量

磨削表面质量包括磨削的表面粗糙度、表面烧伤和表面残余应力三个方面，下面分别加以分析。

1)表面粗糙度

磨削的表面粗糙度是由砂轮上的磨粒在工件表面上形成的残留面积和工艺系统振动所引起的振纹组成的。

磨削时的残留面积取决于砂轮的粒度、硬度、砂轮的修整情况和磨削用量的选择。

磨削时的振动对粗糙度的影响比残留面积大得多，减小振动的措施有：严格控制磨床主轴的径向圆跳动；确保砂轮及其他高速旋转部件经过仔细地动平衡；避免工作台进给时的爬行；提高磨床动刚度；合理选择砂轮与磨削用量等。

2)表面烧伤

磨削时，磨削热的产生使工件表面层金属发生相变，其硬度与塑性发生变化。这种表面变质的现象称为表面烧伤。表面烧伤损坏了零件的表层组织，影响零件的使用寿命。生产中，合理选用砂轮及磨削用量，采用良好的冷却措施，改进磨床结构等可降低磨削温度，避免表面烧伤现象的产生。

3)表面残余应力

残余应力是指零件在去除外力和热源作用后，存在于零件内部的保持零件内部各部分平衡的应力。残余应力的产生有下列三个原因：相变引起金相结构的体积变化而产生的相变应力；温度引起的热胀冷缩不均而产生的热应力；塑性变形不均而产生的塑变应力。

磨削后工件表层的残余应力是由相变应力、热应力和塑变应力合成的。残余压应力可提高零件疲劳强度和使用寿命，而残余拉应力将使零件表面翘曲、强度下降，形成疲劳破坏，所以磨削时应尽量避免形成残余拉应力。

磨削时采用切削液及减少背吃刀量可以使表面残余拉应力显著降低。此外，由于磨削的残余应力与精磨次数有关，增加精磨次数可显著降低残余应力。

4.5.2磨削加工方法

磨床用于磨削各种表面，如内外圆柱面和圆锥面、平面、螺旋面、齿轮的轮齿表面以及各种成型面等，还可以刃磨刀具，应用范围非常广泛。

由于磨削加工容易得到高的加工精度和好的表面质量，所以磨床主要应用于零件的精加工，尤其是淬硬钢件和高硬度特殊材料的精加工。近年来由于科学技术的发展，现代机械零件的精度和表面粗糙度要求愈来愈高，各种高硬度材料的应用日益增多，以及由于精密铸造和精密锻造工艺的发展，有可能将毛坯直接磨成成品。

1．平面磨削

平面磨床主要用于磨削各种平面，其磨削方法如图4-43所示。

根据砂轮的工作面不同，平面磨床可以分为用砂轮周边(即圆周)进行磨削和用砂轮端面进行磨削两类。用砂轮周边磨削的平面磨床，砂轮主轴为水平布置(卧式)；而用砂轮端面磨削的平面磨床，砂轮主轴为竖直布置。根据工作台的形状不同，平面磨床又分为矩形工作台和圆形工作台两类。

图4-43平面磨床磨削方法

按上述方法分类，常把普通平面磨床分为四类：卧轴矩台式平面磨床(见图4-43(a))、卧轴圆台式平面磨床(见图4-43(b))、立轴矩台式平面磨床(见图4-43(c))、立轴圆台式平面磨床(见图4-43(d))。

图4-43中，nt为砂轮的旋转主运动；f1为工作台旋转直线进给运动；f2为轴向进给运动；f3为砂轮垂直周期切入进给运动。

目前我国生产的卧轴矩台平面磨床能达到的加工质量如下：

普通精度级：试件精磨后，加工面对基准面的平行度为0.015 mm/1000 mm，表面粗糙度Ra = 0.32～0.63 μm；

高精度级：试件精磨后，加工面对基准面的平行度为0.005 mm/1000 mm，表面粗糙度Ra = 0.04～0.01 m。

2．无心磨削

无心磨削是用无心外圆磨削，是外圆磨削的一种特殊形式。磨削时，工件不用顶尖来定心和支承，而是直接将工件放在砂轮、导轮之间，用托板支承着，工件被磨削的外圆面作定位面，如图4-44所示。

图4-44无心外圆磨削的加工示意图

1)工作原理

从图4-44(a)可以看出，砂轮和导轮的旋转方向相同，磨削砂轮的圆周速度很大(约为导轮的70～80倍)，通过切向磨削力带动工件旋转，但导轮是用摩擦系数较大的树脂或橡胶作粘结剂制成的刚玉砂轮，它依靠摩擦力限制工件旋转，使工件的圆周线速度基本上等于导轮的线速度，从而在磨削轮和工件间形成很大的速度差，产生磨削作用。改变导轮的转速，可以调节工件的圆周进给速度。

为了加快成圆过程和提高工件圆度，工件的中心必须高于磨削轮和导轮的中心连线(见图4-44(a))，这样便能使工件与磨削砂轮的导轮间的接触点不可能对称，于是工件上的某些凸起表面(即棱圆部分)在多次转动中能逐渐磨圆。所以，工件中心高于砂轮和导轮的连心线是工件磨圆的关键，但高出的距离不能太大，否则导轮对工件的向上垂直分力有可能引起工件跳动，影响加工表面质量。一般h = (0.15～0.25)d，d为工件直径。

2)磨削方式

无心外圆磨床有两种磨削方式：贯穿磨削法(纵磨法)和切入磨削法(横磨法)。

贯穿磨削时，将工件从机床前面放到托板上，推入磨削区域后，工件旋转，同时又轴向向前移动，从机床另一端出去就磨削完毕。而另一个工件可相继进入磨削区，这样就可以一件接一件地连续加工。工件的轴向进给是由于导轮的中心线在竖直平面内向前倾斜了a角所引起的(见图4-44(b))。为了保证导轮与工件间的接触线呈直线形状，需将导轮的形状修正成回转双曲面形。

切入磨削时，先将工件放在托板和导轮之间，然后使磨削砂轮横向切入进给，来磨削工件表面。这时导轮的轴心线仅倾斜很少的角度(约30′ )，对工件有微小的轴向推力，使它靠住挡块(见图4-44(c))，得到可靠的轴向定位。

3)特点与应用

在无心磨床上加工工件时，工件不需打中心孔，且装夹工件省时省力，可连续磨削，所以生产效率较高。

由于工件定位基准是被磨削的外圆表面，而不是中心孔，所以就消除了工件中心孔误差、外圆磨床工作台运动方向与前后顶尖连线的不平行以及顶尖的径向圆跳动等项误差的影响。所以磨削出来的工件尺寸精度和几何精度比较高，表面粗糙度比较好。如果配备适当的自动装卸料机构，则易于实现全自动工作。

无心磨床在成批、大量生产中的应用较普通，并且随着无心磨床结构进一步改进，加工精度和自动化程度的逐步提高，其应用范围有日益扩大的趋势。

但是，由于无心磨床调整费时，所以，批量较小时不宜采用。当工件表面周向不连续(例如有长键槽)或与其他表面的同轴度要求较高时，不宜采用无心磨床加工。

3．内圆磨床

内圆磨床主要用于磨削各种内孔(包括圆柱形通孔、盲孔、阶梯孔以及圆锥孔等)。某些内圆磨床还附有磨削端面的磨头。

内圆磨床的主要类型有普通内圆磨床、无心内圆磨床和行星式内圆磨床。

普通内圆磨床是生产中应用最广的一种内圆磨床。图4-45(a)、(b)为采用纵磨法或切入法磨削内孔；图4-45(c)为采用专门的端磨装置，可在工件一次装夹中磨削内孔和端面，这样不仅易于保证孔和端面的垂直度，而且生产率较高。

图4-45普通内圆磨床的磨削方法

普通精度内圆磨床的加工精度为：对于最大磨削孔径为50～200 mm的机床，如试件的孔径为机床最大磨削孔径的一半，磨削孔深为机床最大磨削深度的一半时，精磨后能达到圆度≤0.006 mm、圆柱度≤0.005 mm及表面粗糙度Ra = 0.32～0.63 mm。

为了满足成批和大量生产的需要，还有自动化程度较高的半自动和全自动内圆磨床。这种机床从装上工件到加工完毕，整个磨削过程为全自动循环的，工件尺寸采用自动测量仪自动控制。所以，全自动内圆磨床生产率较高，并可投入自动线中使用。

4．砂带磨削

砂带磨削是用高速运动的砂带作为磨削工具磨削各种表面的加工方法，它是近年来发展极为迅速的一种新型高效磨削方法，能得到高的加工精度和表面质量，具有广泛的应用前景和应用范围。

4.6光整加工与表面处理

对于某些要求高的表面，在精加工(精车、精镗、磨削、拉削等)之后，如果需要进一步提高精度和降低粗糙度，可采用珩磨或研磨进行光整加工；如果只需进一步降低粗糙度，则可采用超精加工或抛光。

4.6.1珩磨

与其他光整加工方法相比较，珩磨具有如下特点：

(1)生产率较高。珩磨时有多个磨条同时工作，并且经常连续变化切削方向，能较长时间保持磨粒锋利，所以珩磨的效率较高。珩磨余量比研磨稍大，一