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1、扬州工业职业技术学院毕业设计（课程设计）第 1 页 共 32 页+典型框架形零件的设计与制造典型框架形零件的设计与制造姓名：唐正右姓名：唐正右班级：班级：09020902 机械设计与制造机械设计与制造 摘摘 要要 ：随着产品性能要求的进一步提高，现代工业中大量使用整体薄壁结构零件。而且从美观耐用的角度出发，广泛采用不锈钢和铝合金等材料。薄壁结构零件主要由侧壁和腹板组成，结构简洁、但加工余量大（大部分材料变为废屑，材料利用率很低）、相对刚度低。 不锈钢属难加工材料，内应力大，导热性不良，故加工工艺性很差，在切削力、切削热、切削振颤等因素影响下，不锈钢薄壁结构零件极易发生加工变形，不易控制加工精度
2、和提高加工效率。加工变形和加工效率成为薄壁结构件加工的瓶颈问题。本文结合一个生产中的实例, 分析讨论了不锈钢薄壁结构件的工艺和结构特点，提出了操作性较强的解决方案；同时作者注意到：在设备已经确定的情况下，数控加工工艺和工装就是一个决定性因素，直接影响了数控加工的质量和效率。但是这方面的问题并没有引起足够的重视，与先进国家相比，在产品研发方面我们已经初步接轨，计算机三维辅助设计和分析的使用越来越普遍；但是工装设计主要还是凭经验，缺乏先进的手段，导致工装设计效率低下，一次成功率不高。作者运用 UG（大型 CAD/CAM/CAE 三维软件）进行三维造型、工艺、工装设计，实现了零件设计、工装设计和数控
3、软件编程的无缝联接，在产品设计和加工一体化方面作了有益的尝试。 关键词关键词 不锈钢、薄壁结构件，工艺工装、数控编程一、对材料性能一、对材料性能(物理性能和工艺性能物理性能和工艺性能)进行分析进行分析扬州工业职业技术学院毕业设计（课程设计）第 2 页 共 32 页不锈钢一般指含铬量大于 12%或含镍量大于 8%的合金钢。这种钢在大气中或在腐蚀性介质中具有一定的耐蚀能力，并在较高温度(450)下具有较高的强度。含铬量达 16%18%的钢称为耐酸钢或耐酸不锈钢，习惯上通称为不锈钢。不锈钢具有美丽的金属光泽、较大的强度和耐腐蚀能力，已经广泛地应用于航空、航天、化工、石油、建筑和食品等工业部门及日常生
4、活中，但所含的铬、镍等合金元素对切削加工性影响很大，强度和硬度较高，导热性差，加工工艺性不好，这一点必须引起我们的足够重视。 1、不、不锈钢锈钢的分的分类类不锈钢按其成分，可分为以铬为主的铬不锈钢和以铬、镍为主的铬镍不锈钢两大类。 工业上常用的不锈钢一般按金相组织分类，可分为以下五大类： （1） 马氏体不锈钢：含铬量 12%18%，含碳量0.1%0.5%(有 时达 1%) （2） 铁素体不锈钢： 含铬量 12%30%，常见的有 0Cr13 等 （3） 奥氏体不锈钢：含络量 12%25%，含镍量 7%20%(或 20%以上)，最典型的代表是 1Cr18Ni9Ti，常见的还有00Cr18Ni10、
5、00Cr18Ni14Mo2Cu2 等。 （4） 奥氏体+铁素体不锈钢：与奥氏体不锈钢相似，仅在组织中 含有一定量的铁素体，常见的有 0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、等。 （5） 沉淀硬化不锈钢：含有较高的铬、镍和很低的碳，常见的有 0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7M02Al 等。前两类为铬不锈钢，后三类为铬镍不锈钢。 2、不、不锈钢锈钢的物理、力学性能的物理、力学性能(1) 马氏体不锈钢：能进行淬火，淬火后具有较高的硬度、强度和耐磨性及良好的抗氧化性，有的有磁性，但内应力大且脆。经低温回火后可消除其应力，提高塑性，切削加工较困难，有切屑擦伤或粘结的
6、明显趋向，刀具易磨损。 当钢中含碳量低于 0.3%时，组织不均匀，粘附性强，切削时容易产生积屑瘤，且断屑困难，工件已加工表面质量低。含碳量达0.4%0.5%时，切削加工性较好。 马氏体不锈钢经调质处理后，可获得优良的综合力学性能，其切削加工性比退火状态有很大改善。 扬州工业职业技术学院毕业设计（课程设计）第 3 页 共 32 页(2)铁素体不锈钢：加热冷却时组织稳定，不发生相变，故热处理不能使其强化，只能靠变形强化，性能较脆，切削加工性一般较好。切屑呈带状，切屑容易擦伤或粘结于切削刃上，从而增大切削力，切削温度升高，同时可能使工件表面产生撕裂现象。 (3)奥氏体不锈钢：由于含有较多的镍(或锰)
7、，加热时组织不变，故淬火不能使其强化，可略改善其加工性。通过冷加工硬化可大幅度提高强度，如果再经时效处理，抗拉强度可达 25502740 MPa。 奥氏体不锈钢切削时的带状切屑连绵不断，断屑困难，极易产生加工硬化，硬化层给下一次切削带来很大难度，使刀具急剧磨损，刀具耐用度大幅度下降。 奥氏体不锈钢具有优良的力学性能，良好的耐蚀能力，较突出的是冷变形能力，无磁性。 (4)奥氏体+铁素体不锈钢：有硬度极高的金属间化合物析出，强度比奥氏体不锈钢高，其切削加工性更差。 (5)沉淀硬化不锈钢：含有能起沉淀硬化的铊、铝、钼、钛等合金元素，它们在回火时时效析出，产生沉淀硬化，使钢具有很高的强度和硬度。由于含
8、碳量低保证了足够的含铬量，因此具有良好的耐腐蚀性能。3、不、不锈钢锈钢的切削性能的切削性能不同的不锈钢的切削性能有很大的差异。一般所说不锈钢的切削性能比其他钢差，是指奥氏体型不锈钢的切削性能差。这是由于奥氏体不锈钢的加工硬化严重，导热系数低造成的。为此在切削过程中需使用水性切削冷却液，以减少切削热变形。特别是当焊接时的热处理不好时，无论是怎样提高切削精度，其变形也是不可避免的。其他类型如马氏体型不锈钢、铁素体性不锈钢等不锈钢的切削性能只要不是淬火后进行切削，那么与碳素钢没有太大的不同。但两者均是含碳量越高则切削性能越差。沉淀硬化型不锈钢由于其不同的组织和处理方法而显示不同的切削性能，但一般来说
9、其切削性能在退火状态下与同一系列及同一强度的马氏体型不锈钢和奥氏体型不锈钢相同。相对而言不锈钢的切削加工性比中碳钢差得多。以普通 45 号钢的切削加工性作为 100%，奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9Ti 的相对切削加工性为 40%；铁素体不锈钢 1Cr28 为 48%；马氏体不锈钢 2Cr13 为55%。其中，以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢的切削加工性最差。不锈钢在切削过程中有如下几方面特点： 扬州工业职业技术学院毕业设计（课程设计）第 4 页 共 32 页(1) 加工硬化严重：在不锈钢中，以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢的加工硬化现象最为突出。如奥氏体不锈钢硬化后的强度b达14701960MP
10、a，而且随b的提高，屈服极限s升高；退火状态的奥氏体不锈钢s不超过的 b30%45%，而加工硬化后达 85%95%。 (2)切削力大：不锈钢在切削过程中塑性变形大，尤其是奥氏体不锈钢(其伸长率超过 45 号钢的 1.5 倍以上)，使切削力增加。同时，不锈钢的加工硬化严重，热强度高，进一步增大了切削抗力，切屑的卷曲折断也比较困难。因此加工不锈钢的切削力大。 切削温度高：切削时塑性变形及与刀具间的摩擦都很大，产生的切削热多；加上不锈钢的导热系数约为 45 号钢的，大量切削热都集中在切削区和刀屑接触的界面上，散热条件差。 (3)切屑不易折断、易粘结：不锈钢的塑性、韧性都很大，车加工时切屑连绵不断，不
11、仅影响操作的顺利进行，切屑还会挤伤已加工表面。在高温、高压下，不锈钢与其他金属的亲和性强，易产生粘附现象，并形成积屑瘤，既加剧刀具磨损，又会出现撕扯现象而使已加工表面恶化。含碳量较低的马氏体不锈钢的这一特点更为明显。 (4)刀具易磨损：切削不锈钢过程中的亲和作用，使刀屑间产生粘结、扩散，从而使刀具产生粘结磨损、扩散磨损，致使刀具前刀面产生月牙洼，切削刃还会形成微小的剥落和缺口；加上不锈钢中的碳化物(如 TiC)微粒硬度很高，切削时直接与刀具接触、摩擦，擦伤刀具，还有加工硬化现象，均会使刀具磨损加剧。 (5)线膨胀系数大：不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的 1.5 倍，在切削温度作用下，工件容易产生
12、热变形，尺寸精度较难控制。二二, 如何根据材料选择刀具如何根据材料选择刀具, 怎样选择几何参数和切削用量怎样选择几何参数和切削用量?(一一) 合理选择刀具材料是保证高效率切削加工不锈钢的重要条件合理选择刀具材料是保证高效率切削加工不锈钢的重要条件根据不锈钢的切削特点，要求刀具材料应具有耐热性好、耐磨性高、与不锈钢的亲和作用小等特点。目前常用的刀具材料有高速钢和硬质合金。 1,高速钢的选择：普通高速钢加工不锈钢刀具耐用度很低。采用新型高速钢刀具切削不锈钢可获得较好的效果，特别是钨钼系和高钒高速钢非常适合加工不锈钢。 2,硬质合金的选择：扬州工业职业技术学院毕业设计（课程设计）第 5 页 共 32
13、 页YG 类硬质合金的韧性较好，可采用较大的前角，刀刃也可以磨得锋利些，使切削轻快，且切屑与刀具不易产生粘结，较适于加工不锈钢。特别是在振动的粗车和断续切削时，YG 类合金的这一优点更为重要。另外，YG 类合金的导热性较好，其导热系数比高速钢高将近两倍，比 YT 类合金高一倍。因此 YG 类合金在不锈钢切削中应用较多，特别是在粗车刀、切断刀、扩孔钻及铰刀等制造中应用更为广泛。(二二 ),切削不锈钢时刀具几何参数的选择切削不锈钢时刀具几何参数的选择(1) 前角0：不锈钢的硬度、强度并不高，但其塑性、韧性都较好，热强性高，切削时切屑不易被切离。在保证刀具有足够强度的前提下，应选用较大的前角，这样不
14、仅能够减小被切削金属的塑性变形，而且可以降低切削力和切削温度，同时使硬化层深度减小。 (2)后角0：加大后角能减小后刀面与加工表面的摩擦，但会使切削刃的强度和散热能力降低。后角的合理值取决于切削厚度，切削厚度小时，宜选较大后角。 不锈钢车刀或镗刀通常取0=1020(精加工)或0=610(粗加工)；高速钢端铣刀取0=1020，立铣刀取0=1520；硬度合金端铣刀取0=510，立铣刀取0=1216；铰刀和丝锥取0=812(3)主偏角r、副偏角r，和 r：减小主偏角可增加刀刃工作长度，有利于散热，但在切削过程中使径向力加大，容易产生振动，常取r=4575，若机床刚性不足，可适当加大。副偏角常取r=8
15、15。为了加强刀尖，一般应磨出=0.51.0 mm 的刀尖圆弧。 (4)刃倾角s：为了增加刀尖强度，刃倾角一般取s=-8-3，断续切削时取较大值s=-15-5。 生产实践中，为了加大切屑变形，提高刀尖强度与散热能力，采用双刃倾角车刀，取得了良好的断屑效果，也加宽了断屑范围，如图 1 所示。第一刃倾角s10，第二刃倾角在接近刀尖部位，s2-20，第二刃倾角的刀刃长度 ls2。ap/3。 图 1 双刃倾角断屑车刀扬州工业职业技术学院毕业设计（课程设计）第 6 页 共 32 页当双刃倾角车刀的0=20、0=68、r=90或 75、倒棱前角01=-10、r=0.150.2 mm 时，在 Vc=8010
16、0 m/min、f=0.20.3 mm/r、ap=415 mm 的条件下切削，断屑效果良好，刀具耐用度高。 要求刀具前后刀面的表面粗糙度值小，刀具磨钝标锥 VB 为加工一般材料的 1/2。（5）刀具断(卷)屑槽和刃口形式的选择切削不锈钢时还应选择合适的刀具断(卷)屑槽，以便控制连绵不断的切屑，通常采用全圆弧形或直线圆弧形断(卷)屑槽。断(卷)屑槽的宽度 Bn=35 mm，槽深 h=0.51.3 mm，Rn=28 mm。一般情况下，粗车时 ap、f 大，断(卷)屑槽宜宽而浅；精车时 ap、f 小，应窄而深些。断(卷)屑槽的形式见图 2。 (三三),切削不切削不锈钢时锈钢时切削用量的切削用量的选择选择切削用量对加工不锈钢时的加工硬化、切削力、切削热等有很大影响，特别是对刀具耐用度的影响较大。选择的切削用量合理与
