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1、 中南大学CentralSouthUniversity 机械制造工程训练 中南大学工程训练中心 多媒体教学课件 材料成形工艺基础 主要介绍机械零件毛坯成形方法的工艺特点 工艺参数的选择 各类零件毛坯的结构工艺性 零件的材料选择与成形方法选择的基本原则 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 机械加工工艺基础 中南大学工业训练中心 中南大学CentralSouthUniversity 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
2、章 零件的结构工艺性第六章 数控加工技术 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 25 04 2020 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
3、点 线 面 相对于基准之间位置的准确度 25 04 2020 25 04 2020 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
4、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
5、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 25 04 2020 Ra h1h2h3 hn 2 2表面粗糙
6、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 25 04 2020 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 2 4零件的加工精度与表面粗糙度的关系 精度 宏观几何参数的误差表面粗糙度 微观几何参数的误差加工精度高 必须采用一系列的高精度的加工方法 而经过高精度的加工后零件表面粗糙度一定低 反之 表面粗糙度低 零件必须采用一系列的降低表面粗糙度的加工方法 而低表面粗糙度的加工方法不一定是高精度的加工方法 实例 各种机床上的手柄 表面粗糙度非常低 但精度不高 25 04 2020 零件
7、的加工精度与表面粗糙度的关系如何 提问 机器零件的基本表面包括 外圆 内圆 孔 平面和成型面基本表面主要由如下的加工方法获得 3 切削运动与切削用量 要完成零件表面的切削加工 刀具和工件应具备形成表面的基本运动 即切削运动切削运动 刀具和工件的相对运动切削运动分为主运动和进给运动主运动 提供切削可能性的运动 主运动只有一个进给运动 提供连续切削可能性的运动 进给运动可以有多个 3 1切削运动 3 1切削运动 机床的切削运动 3 2切削用量 切削用量包括切削速度 进给量和背吃刀量切削速度 切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度 用V表示 单位为m s进给量 刀具在进给运动方向上相对于工件的位移
8、量 用f表示 车 钻和铣削时单位为mm r背吃刀量 已加工表面和待加工表面之间的垂直距离 用ap表示 单位为mm 如下图 3 2 1车削切削速度 背吃刀量的计算 V 切削速度d 工件直径n 工件转速 背吃刀量 切削速度 dmax 待加工表面直径dmin 已加工表面直径ap 背吃刀量 3 3切削用量的合理选择问题 1 粗加工按ap f v的顺序选择a 粗加工的主要目的是用最少的走刀次数尽快切除多余金属 只留后续工序的加工余量 所以应根据毛坯尺寸首先选择apb 粗加工不必考虑表面粗糙度 在ap确定后 选取大的f 减少走刀时间c ap和f确定后 在机床功率和刀具耐用度允许的前提下选择v 2 精加工按
9、v f ap的顺序选择精加工的主要目的是保证产品质量和降低零件的表面粗糙度 因此首先应选择尽可能高的v 然后选择达到表面粗糙度要求的f 最后再根据精加工余量决定ap 4 切削刀具 刀具性能的好坏也是直接影响切削效果的一个重要因素 刀具性能主要取决于两个因素 即刀具材料和刀具的几何角度 4 1刀具材料应具备如下五个基本特性 1 高硬度 HRC 60以上 2 高的强度与韧性 保证能够承受切削力的作用而不破坏 3 高的热硬性 材料在高温下仍然保持高硬度的性能 热硬性用热硬温度表示 4 良好的耐磨性 5 良好的工艺性和经济性 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
10、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
11、 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 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 车刀分为切削部分和夹持部分 切削部分由三个刀面组成 前刀面 主后刀面 副后刀面 前刀面和主后刀面的交线叫主切削刃前刀面和副后刀面的交线叫副切削刃两条切削刃的交点叫刀尖
12、但刀尖并非绝对尖锐 为了研究刀具的几何角度 建立三个辅助平面 基面 通过主切削刃上的某一点 与该点切削速度方向垂直的平面 切削平面 通过主切削刃上的某一点 与该点加工表面相切的平面 正交平面 通过主切削刃上的某一点 与主切削刃在基面上的投影垂直的平面 4 2刀具的几何角度 车刀的基本形状 前角 在正交平面中 前刀面与基面之间的夹角 后角 在正交平面中 主后刀面与切削平面之间的夹角 主偏角Kr 在基面上 主切削刃的投影与进给方向的夹角 副偏角Kr 在基面上 副切削刃的投影与进给反方向的夹角 刃倾角 s 4 2 1车刀的几何角度 4 2 2前角的正与负一般加工韧性材料 应取较大的前角 加工脆性材料
13、 应取较小的前角 前角的取值范围常在 5 25 之间 4 2 3刃倾角 s 刃倾角 s 在切削平面中 主切削刃与基面之间的夹角 它主要影响刀头的强度和排屑方向 一般取 s 10 10 粗加工时常取负值 增加刀头强度 精加工时常取正值 避免切屑擦伤已加工表面 4 2 4刃倾角 s的正与负 当刀尖在主切削刃上最高点时 s为正值 反之为负值 4 3刀具角度的合理选择问题 原则 粗加工时 为了提高切削效率 切削力会较大 因此强度要高 精加工时 切削力较小 为了保证零件质量因此刀具较锋利 粗加工 前角 后角均小 强度高精加工 前角 后角均大 刀具锋利主偏角 车台阶轴 取90度既车外圆又车端面 取45度副
14、偏角 为降低表面粗糙度 取小值 一般为 5 15度刃倾角 粗加工常取负值 精加工取正值 麻花钻由工作部分 颈部和柄部组成 工作部分又包括导向部分和切削部分 4 4麻花钻的基本形状 螺旋角 刃带切线与钻头轴线的夹角 一般 18 30度 前角 后角 f顶角2 两个主切削刃在垂直钻头轴线平面上投影的夹角 通常2 116 120度之间 横刃斜角 它是横刃与主切削刃在钻头垂直轴线平面上投影的夹角 通常为47 55度 4 4 1麻花钻的主要几何角度 砂轮 是磨削加工的刀具 它是由磨料和结合剂烧结而成的 磨料 磨料是砂轮的主要组成因素 担负切削作用 所以磨料有很高的硬度 粒度 是指磨料颗粒的大小 结合剂 结
15、合剂起粘结磨粒的作用 硬度 指砂轮上的磨粒脱落的难以程度 4 5砂轮的材料及形状 4 5 1常用的磨料的特性及用途 4 5 2砂轮的形状 代号及用途 5 刀具磨损和刀具耐用度 刀具经过一定时间的使用后 由于摩擦和切削热的作用 使刀具变钝 切削温度上升 影响加工精度和表面质量 因此必须及时刃磨 刀具耐用度是刀具从开始切削至达到磨损限度为止的切削时间 例 硬质合金焊接刀具的耐用度规定为60分钟 25 04 2020 刀具使用 磨钝 刃磨刀具 包括 三种磨损形式与三个磨损阶段 5 1刀具的使用过程 金属切削过程是指从工件表面切除一层多余的金属 从而形成切屑的过程 1 金属在刀具前刀面的作用下 受到挤
16、压产生弹性变形 2 应力逐渐变大 产生塑性变形 滑移 3 应力达到强度极限 剪切滑移被挤裂形成切屑 4 切离 1弹性变形2塑性变形3挤裂切屑 6 金属的切削过程 常见的切屑有如下三种 a 带状切屑 用大前角刀具 高切削速度 小进给量加工塑性材料时出现 形成带状切屑时 切削力平稳 表面光洁 但切屑连续不断 不安全或容易刮伤已加工表面 b 节状切屑 用低切削速度 大进给量加工中等硬度的钢材时出现 形成这种切屑时 金属经弹性变形 塑性变形 挤裂和切离阶段 是典型的切削过程 但切削力波动大 工件表面粗糙 c 崩碎切屑 加工铸铁 黄铜等脆性材料时出现 形成这种切屑时 切削热和切削力均集中在刀刃和刀尖 刀具容易磨损 6 1金属的切屑类型 6 2积屑瘤 积屑瘤 当切屑沿前刀面流出时 与前刀面接触的切屑底层受到摩擦阻力 速度变慢 形成滞流层 于是 金属粘附在切削刃附近 形成了积屑瘤 积屑瘤的影响 1 保护切削刃 粗加工时 希望产生积屑瘤2 本身不断形成和脱落 会引起振动 影响工件表面粗糙度 精加工不希望产生积屑瘤 6 3切削力 1 切向力 切削力 Fz 总切削力在主运动方向上的正投影 其大小约占总切削
