第2章机械制造过程基础知识

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1、第第2 2章章 机械制造过程基础知机械制造过程基础知识识本章要点机械制造工艺机械加工方法定位原理与定位误差工件材料切削加工性刀具材料与刀具几何角度机床与夹具1机械制造技术基础机械制造技术基础第第2章章 机械制造过程基础知识机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process2.1 机械制造工艺总论机械制造工艺总论Introduction to Mechanical Manufacturing Process22.1.1 机械制造工艺过程机械制造工艺过程机械制造中与产品生成直接有关的生产过程常被称为机械制造工艺过程 机械制造工艺过程机

2、械制造工艺过程主要内容主要内容 毛毛坯坯和和零零件件成成形形铸铸造造、锻锻压压、冲冲压压、焊焊接接 、压压制、烧结、注塑、压塑制、烧结、注塑、压塑 机械加工机械加工切削、磨削、特种加工切削、磨削、特种加工 材材料料改改性性与与处处理理热热处处理理、电电镀镀、转转化化膜膜、涂涂装装、热喷涂热喷涂 机机械械装装配配把把零零件件按按一一定定的的关关系系和和要要求求连连接接在在一一起起，组组合合成成部部件件和和整整台台机机械械产产品品，包包括括零零件件的的固固定定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作连接、调整、平衡、检验和试验等工作 32.1.2 机械制造工艺方法机械制造工艺方法机械制造工艺方法与分类

3、机械制造工艺方法与分类JB/T5992-92按大、中、小和细分类四个层次划分 大类中类代码代码名称0123456789中类名称0铸造砂型铸造特种铸造1压力加工锻造轧制冲压挤压旋压拉拔其他2焊接电弧焊电阻焊气焊压焊特种焊接钎焊3切削加工刃具加工磨削钳加工4特种加工电物理加工电化学加工 化学加工复合加工其他5热处理整体热处理表面热处理化学热处理6覆盖层电镀化学镀真空沉积 热侵镀 转化膜 热喷涂涂装其他78装配包装装配试验与检验包装9其他粉末冶金冷作非金属成形表面处理防锈缠绕编织其他表2-1机械制造工艺方法类别划分及代码（JB/T5992-92）42.1.3 零件成形方法零件成形方法零件成形方法零件

4、成形方法 材材料料成成形形法法进入工艺过程物料初始重量近似等于加工后最终重量。如铸造、压力加工、粉末冶金、注塑成形等，这些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。 材材料料去去除除法法零件的最终几何形状局限在毛坯的初始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分材料，减少一部分重量来实现的。如切削与磨削，电火花加工、电解加工等特种加工等。 材材料料累累加加法法传统的累加方法有焊接、粘接或铆接等，通过不可拆卸连接使物料结合成一个整体，形成零件。近几年才发展起来的快速原型制造技术（RPM），是材料累加法的新发展。5快速原型制造技术（快速原型制造技术（RPMRPM）快速原型制造（Rapid Pho

5、tograph Manufacturing RPM），又称“快速成形技术”（ Rapid Photograph RP）或“分层制造”（Layer Manufacturing LM），是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成

6、三维实体（见图2-1）。2.1.3 零件成形方法零件成形方法6图2-1快速成型过程喷粘结剂喷热熔材料三维产品（样品/模具）表面处理构造三维模型模型近似处理切片处理激光喷射源固化树脂切割箔材烧结粉末2.1.3 零件成形方法零件成形方法7a）b）图2-2传统加工与快速成型比较模具模具设计铸造焊接锻压毛坯（大于工件）半成品半成品工件去去除除加加工工设计模具样品快快速速成成形形2.1.3 零件成形方法零件成形方法8图2-2a快速成型机床及快速成型件2.1.3 零件成形方法零件成形方法Real9机械制造技术基础机械制造技术基础第第2章章 机械制造过程基础知识机械制造过程基础知识Fundamental o

7、f Mechanical Manufacturing Process2.2 机械制造工艺过程机械制造工艺过程Mechanical Manufacturing Process102.2.1 机械加工工艺过程及其组成机械加工工艺过程及其组成200.07210.8图2-3阶梯轴3240250.07350-0.0170.80.8354030550150其余倒角1453.221flashflash 工工序序是是指指由由一一个个或或一一组组工工人人在在同同一一台台机机床床或或同同一一个个工工作作地地，对对一一个个或或同同时时对对几几个个工工件件所所连连续续完完成成的的那那一一部部分分机械加工工艺过程。机械

8、加工工艺过程。 安安装装在在一一道道工工序序中中，工工件件每每经经一一次次装装夹夹后后所所完完成成的的那部分工序称为安装。那部分工序称为安装。112.2.1 机械加工工艺过程及其组成机械加工工艺过程及其组成工工位位工工件件在在机机床床上上占占据据每每一一个个位位置置所所完完成成的的那那部部分分工序称为工位。工序称为工位。图2-4多工位加工1：装卸工件2：钻孔3：扩孔4：绞孔flash122.2.1 机械加工工艺过程及其组成机械加工工艺过程及其组成工工步步指指在在加加工工表表面面不不变变、切切削削刀刀具具不不变变的的情情况况下下所所连连续续完完成成的的那那部部分分工工序序。（在在一一个个工工步步

9、内内，若若有有几几把把刀刀具具同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步）同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步） 走走刀刀同同一一加加工工表表面面加加工工余余量量较较大大，可可以以分分作作几几次次工工作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。 a）立轴转塔车床的一个复合工步b）钻孔、扩孔复合工步图2-5复合工步132.2.2 机械装配工艺过程机械装配工艺过程 机械装配工艺过程机械装配工艺过程 将组成机器的零、部件按一定的精度要求和技术条件连接与固定在一起，构成合格机械产品的过程 机械装配工作机械装配工作 包括：组装、部装、总装、调试、检验、试

10、车、涂装与包装等 装配工序、工步和操作装配工序、工步和操作装配工序在一个工作地点，由一个或一组工人所连续完成的那一部分装配工作装配工步装配工序的组成部分，在装配工步中，装配对象、装配工具和装配方法均不改变装配操作装配工步中各个装配动作 flash142.2.3 生产类型及其工艺特点生产类型及其工艺特点 生产纲领生产纲领 N N=Q nQ n（1+1+ %+%+ %）（2-1）单件小批生产批量生产大批大量生产 式中Q 产品年产量（件/年）； n 每台产品中该零件数量（件/台）； 备品率； 废品率。 生产类型生产类型15机械制造技术基础机械制造技术基础第第2章章 机械制造过程基础知识机械制造过程基

11、础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process2.3 零件机械加工方法零件机械加工方法Mechanical Machining Method for Parts162.3.1 零件表面形成方法零件表面形成方法 轨迹法轨迹法 成形法成形法 相切法相切法 展成法展成法flashflashflashflasha）轨迹法b）成形法c）相切法d）展成法图2-6零件表面成形方法17主运动主运动指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用v（m/s）表示。 主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来

12、完成；可以是直线运动（用T表示），也可以是回转运动（用 R表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。进给运动进给运动指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（fmm/r）或进给速度（vf mm/min）表示。定位和调整运动定位和调整运动使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。2.3.2 切削加工的成形运动切削加工的成形运动 18外圆磨无心磨车铣加工滚压加工铣削成形磨（横磨）主运动 进给运动表2-2外圆表面加工方法刀具T/RT主运动 进给运动工件表面成形原理图RRRRRTRRT/R车削成形车削拉削研磨2.3.3 典型表

13、面加工方法典型表面加工方法19表2-3内圆表面加工方法表 面 成 形 原 理 图钻扩铰镗拉挤行星式内圆磨主运动 进给运动刀 具主运动 进给运动工 件RRTRRT/RTRTRTTRTT内圆磨无心磨2.3.3 典型表面加工方法典型表面加工方法20主运动 进给运动表2-4平面加工方法刀 具主运动 进给运动工 件表 面 成 形 原 理 图RTRTTT刨插周铣端铣平磨端面平磨车拉T2.3.3 典型表面加工方法典型表面加工方法21车螺纹板牙主运动 进给运动表2-5螺纹加工方法刀 具主运动 进给运动工 件表 面 成 形 原 理 图RTRRTTR滚压丝锥铣螺纹梳形铣刀旋风铣磨螺纹RR2.3.3 典型表面加工方

14、法典型表面加工方法22主运动 进给运动表2-6齿形加工方法刀 具主运动 进给运动工 件表 面 成 形 原 理 图RTRTTR/TRRR/T铣齿指状铣刀铣齿成形磨齿滚齿剃齿插齿蜗杆砂轮磨齿碟形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿2.3.3 典型表面加工方法典型表面加工方法232.3.4 切削用量与切削层截面参数切削用量与切削层截面参数切削用量切削用量切削速度切削速度v vc c若主运动为往复运动时，其平均速度为：（2-2）式中n主运动转速（r/s）； d刀具或工件的最大直径（mm）。式中nr主运动每秒钟往复次数（str/s）； l往复运动行程长度（mm）。（2-3）进进给给量量：工工件件或或刀刀具具每每转转一一

15、周周时时( (或或主主运运动动一一循循环环时时) )，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/rmm/r。背吃刀量背吃刀量：主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。 242.3.4 切削用量与切削层截面参数切削用量与切削层截面参数切削层截面参数切削层截面参数切削切削厚度厚度 （2-4）切削切削宽度宽度 （2-5）图2-7切削层截面bDhD = ffdwDmapa）rhDbD=apb）c）25机械制造技术基础机械制造技术

16、基础第第2章章 机械制造过程基础知识机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process2.4 基准与装夹基准与装夹Datum and Fixing262.4.1 基准基准基准基准确定加工对象上几何要素间几何关系所依据的那些点、确定加工对象上几何要素间几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。线、面称为基准。 设计基准设计基准在设计图样上在设计图样上所采用的基准所采用的基准 图2-8定位支座零件272.4.1 基准基准工艺基准工艺基准在工艺过程中所采用的基准。又可分为：工序基准、定在工艺过程中所采用的基准。又可分为：工序基准、定位基准

17、、测量基准与装配基准。位基准、测量基准与装配基准。 图2-9a支座零件第1工序（车削）282.4.1 基准基准图2-9b支座零件第1工序（钻孔）292.4.1 基准基准图2-9c支座零件第3工序（钻、锪4分布孔）302.4.1 基准基准图2-9d支座零件第4工序（磨内孔、端面）图2-9e支座零件第5工序（磨外圆、台阶面）312.4.2 工件装夹工件装夹划划线线找找正正装装夹夹（图图2-112-11） 精精度度不不高高，效效率率低低，多多用于形状复杂的铸件用于形状复杂的铸件直直接接找找正正装装夹夹（图图2-102-10） 精精度度高高，效效率率低低，对对工工人技术水平高人技术水平高夹具装夹夹具装

18、夹（图（图2-122-12） 精度和效率均高，广泛采用精度和效率均高，广泛采用装夹的含义装夹的含义装夹又称安装，包括定位和夹紧两项内容。定位定位使工件在机床或夹具上占有正确位置夹紧夹紧对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变工件装夹方法工件装夹方法322.4.2 工件装夹工件装夹图2-10直接找正安装flash毛坯孔加工线找正线图2-11划线找正安装flash332.4.2 工件装夹工件装夹图2-12工件在夹具上装夹（滚齿夹具）342.4.3 定位原理定位原理 图2-13六点定位原理XZY 六点定位原理六点定位原理要确定其空间位置，就需要限制其6个自由度将6个支承抽象为6个“

19、点”，6个点限制了工件的6个自由度，这就是六点定位原理。任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度用表示35图2-14工件以平面3点定位XYZ与理论力学、机构学自由度概念差别位置不定度夹紧与定位概念分开工件、夹具是弹性体两点注意两点注意：“点”的含义对自由度的限制，与实际接触点不同2.4.3 定位原理定位原理36工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。完全定位与不完全定位完全定位与不完全定位不完全定位主要有两种情况：工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度无法被限制（即使被限制也无意义）。例如球体绕过球心轴

20、线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制3个自由度就够了。2.4.3 定位原理定位原理372.4.3 定位原理定位原理 完全定位与不完全定位完全定位与不完全定位ZYXa）ZYXb）ZYXc）ZYXd）e）ZYXf）ZYX图2-15工件应限制的自由度38欠定位欠定位工工件件加加工工时时必必须须限限制制的的自自由由度度未未被被完完全全限限制制，称称为为欠欠定定位。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。位。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。图2-16欠定位示例XZYa）b）BB

21、 B2.4.3 定位原理定位原理 39过定位过定位 过过定定位位工工件件某某一一个个自自由由度度（或或某某几几个个自自由由度度）被两个（或两个以上）约束点约束，称为过定位。被两个（或两个以上）约束点约束，称为过定位。 过定位是否允许，要视具体情况而定：过定位是否允许，要视具体情况而定：1 1）如如果果工工件件的的定定位位面面经经过过机机械械加加工工，且且形形状状、尺尺寸寸、位位置置精精度度均均较较高高，则则过过定定位位是是允允许许的的。有有时时还还是是必必要要的的，因因为为合合理理的的过过定定位位不不仅仅不不会会影影响响加加工工精精度度，还还会会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。起到

22、加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。2 2）反反之之，如如果果工工件件的的定定位位面面是是毛毛坯坯面面，或或虽虽经经过过机机械械加加工工，但但加加工工精精度度不不高高，这这时时过过定定位位一一般般是是不不允允许许的的，因因为为它它可可能能造造成成定定位位不不准准确确，或或定定位位不不稳稳定定，或或发发生生定位干涉等情况。定位干涉等情况。2.4.3 定位原理定位原理 40过定位分析过定位分析（桌子与三角架）图2-17过定位分析2.4.3 定位原理定位原理 41过定位分析过定位分析图2-18过定位示例a）ZYXYc）ZYXY2.4.3 定位原理定位原理 b）ZYYX42过定位分析过定位分析图2

23、-19过定位示例XYa）ZYb）ZYXY2.4.3 定位原理定位原理 43一面两孔定位分析一面两孔定位分析D1D2d2d1b图2-20一面两孔定位干涉分析2.4.3 定位原理定位原理 44刀柄主轴拉杆涨套过定位应用图2-21HSK刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄传统刀柄1:107:24间隙主轴拉杆刀柄2.4.3 定位原理定位原理定位端面配合锥面45过定位讨论过定位讨论如如图图示示，齿齿轮轮坯坯以以内内孔孔和和一一小小端端面面定定位位，车车削削外外圆圆和和大大端端面面。加加工工后后检检测测发发现现大大端端面面与与内内孔孔垂垂直直度度超超差差。试试分分析原因，提出改进意见。析原因，提出改进意见。4A0

24、.02A间隙配合刚性心轴图2-22过定位示例2.4.3 定位原理定位原理 46图2-22a过定位引起夹紧变形2.4.3 定位原理定位原理 47橡胶垫橡胶垫图2-22b过定位处理分析2.4.3 定位原理定位原理 48讨论讨论分析图示定位方案：分析图示定位方案：各方案限制的自由度各方案限制的自由度有无欠定位或过定位有无欠定位或过定位对对不不合合理理的的定定位位方方案案提提出改进意见。出改进意见。 b）XZYXc）XZYXa）YXZ图2-23过定位分析2.4.3 定位原理定位原理 49a）YXZa1）YXZa2）YXZa3）YXZ图2-23a过定位示例分析2.4.3 定位原理定位原理 50b）XZY

25、Xb1）XZYXXZb2）YXXZb3）YX图2-23b过定位示例分析2.4.3 定位原理定位原理 51c）XZYXc）XZYXc1）YXXZ图2-23c过定位示例分析2.4.3 定位原理定位原理 52ZXYZXYZXYZXY图2-24工件以平面定位平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。图2-24给出了平面定位的几种情况。ZXYZXY2.4.4 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以平面定位工件以平面定位53图2-25工件以圆孔定位工件以圆孔定位多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。常用定位元件是定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥

26、销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴（又有过盈配合、间隙配合和小锥度心轴等）、弹性心轴之分。工件以圆孔定位所限制的自由度见图2-25。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ2.4.4 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以圆孔定位工件以圆孔定位54图2-26工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位两种形式：定心定位和支承定位。工件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支承定位的元件常采用V型块，短V型块限制2个自由度，长V型块（或两个短V型块组合）限制4个自由度。XYZXYZXYZXYZXYZ2.4.4 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工

27、件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位55除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。图2-27为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了除绕工件自身轴线转动外的5个自由度。图2-27工件以锥孔定位2.4.4 定位方法与定位元件定位方法与定位元件工件以其他表面定位工件以其他表面定位56在在多多个个表表面面同同时时参参与与定定位位情情况况下下，各各定定位位表表面面所所起起作作用用有有主主次次之之分分。通通常常称称定定位位点点数数最最多多的的表表面面为为主主要要定定位位面面或或支支承承面面，称称定定位位点点数数次次多多的的表表面面为为第第二二定定位位基基准准面面

28、或或导导向向面，称定位点数为面，称定位点数为 1 1的表面为第三定位基准面或止动面。的表面为第三定位基准面或止动面。2.4.4 定位方法与定位元件定位方法与定位元件定位表面的组合定位表面的组合XZY图2-28工件在两顶尖上定位在在分分析析多多个个表表面面定定位位情情况况下下各各表表面面限限制制的的自自由由度度时时，分分清清主主次次定定位位面面很很重重要要。如如图图2-282-28所所示示工工件件在在两两顶顶尖尖上上的的定定位位，应应首首先先确确定定前前顶顶尖尖限限制制的的自自由由度度，他他们们是是 。然然后后再再分分析析后后顶顶尖尖限限制制的的自自由由度度。此此时时，应应与与前前顶顶尖尖一一起

29、起综综合考虑，可以确定其限制的自由度是合考虑，可以确定其限制的自由度是。572.4.5 定位误差定位误差 定位误差的概念定位误差的概念 例例如如在在轴轴上上铣铣键键槽槽，要要求求保保证证槽槽底底至至轴轴心心的的距距离离H H。若若采采用用VV型型块块定定位位，键键槽槽铣铣刀刀按按规规定定尺尺寸寸H H调调整整好好位位置置（图图2-292-29）。实实际际加加工工时时，由由于于工工件件直直径径存存在在公公差差，会会使使轴轴心心位位置置发发生生变变化化。不不考考虑虑加加工工过过程程误误差差，仅仅由由于于轴轴心心位位置置变变化化而而使使工工序序尺尺寸寸H H也也发发生生变变化化。此此变变化化量量（即

30、即加加工工误误差差）是是由由于于工工件件的的定定位位而而引引起起的的，故故称称为为定定位误差。位误差。图2-29定位误差HOAO1O2DW定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。而引起的加工误差。581）由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差，如图2-29所示例子。2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。 图图2-302-30所所示示工工件件以以底底面面定定位位铣铣台台阶阶面面，要要求求保保证证尺尺寸寸a a，即即工工序序基基准准为为工工件件顶顶面面。

31、如如刀刀具具已已调调整整好好位位置置，则则由由于于尺尺寸寸b b的的误误差差会会使使工工件件顶顶面面位位置置发发生生变变化化，从而使工序尺寸从而使工序尺寸a a产生误差。产生误差。bDWa图2-30由于基准不重合引起的定位误差工序基准定位基准2.4.5 定位误差定位误差定位误差的来源定位误差的来源592.4.5 定位误差定位误差 定位误差计算定位误差计算在采用调整法加工时，工件的定位误差实质上就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。因此计算定位误差，首先要找出工序尺寸的工序基准，然后求其在工序尺寸方向上的最大变动量即可。用几何方法计算定位误差通常要画出工件的定位简图，并在图中夸张地画出工件变

32、动的极限位置；然后运用三角几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，即为定位误差。1. 1. 用几何方法计算定位误差用几何方法计算定位误差60当工件孔径为最大，定位销的直径为最小时，孔心在任意方向上的最大变动量等于孔与销配合的最大间隙量，即无论工序尺寸方向如何，只要工序尺寸方向垂直于孔心轴线，其定位误差均为：DW=Dmaxdmin（2-6）式中DW定位误差Dmax工件定位孔最大直径dmin夹具定位销最小直径【解】2.4.5 定位误差定位误差 【例2-4】图2-31所示为孔与销间隙配合的情况，若工件的工序基准为孔心，试确定其定位误差。图2-31孔与销间隙配合时的定位误差Dmaxdmin

33、ODWO1O2612.4.5 定位误差定位误差 某某些些情情况况，工工件件孔孔与与夹夹具具定定位位销销保保持持固固定定边边接接触触（图图2-2-3232），此此时时孔孔心心在在接接触触点点与与销销子子中中心心连连线线方方向向上上的的最最大大变变动动量量为为孔孔径径公公差差的的一一半半。若若工工件件的的定定位位基基准准仍仍为为孔孔心心，且且工工序序尺尺寸寸方方向向与与接接触触点点和和销销子子中中心心连连线线方方向向相相同同，则则其其定定位误差为：位误差为：图2-32孔与销间隙配合固定边接触时定位误差DmaxO1DminODWO2 DW=（DmaxDmin）=TD （2-7）1212此此时时，孔孔

34、在在销销上上的的定定位位已已由由定心定位转转化化为为支承定位的的形形式式，定定位位基基准准也也由由孔孔心心变变成成了了与与定定位位销销固固定定边边接接触触的的一一条条母母线线。这这种种情情况况下下，定定位位误误差差是是由由于于定定位位基基准准与与工工序序基基准准不不重重合合所所造造成成的的，属属于于基基准准不不重重合误差，与定位销直径无关。合误差，与定位销直径无关。622.4.5 定位误差定位误差 2. 2. 用微分方法计算定位误差用微分方法计算定位误差【例2-5】工件在V型块上定位铣键槽，计算定位误差【解】要求保证的工序尺寸和工序要求：槽底至工件外圆中心的距离H（或槽底至外圆下母线的距离H1

35、，或槽底至外圆上母线的距离H2）；键槽对工件外圆中心的对称度OA =Sin(/ 2)OB=Sin(/ 2)d对上式求全微分，得到：d(OA)=Sin(/ 2)1d(d)Sin(/ 2)1d()图2-33外圆表面在V型块上的定位误差HBOA 对对于于第第1 1项项要要求求，考考虑虑第第1 1种种情情况况（工工序序基基准准为为圆圆心心O O，见见图图2-332-33），），写出写出O O点至加工尺寸方向上点至加工尺寸方向上某某一一固固定定点点（如如V V型型块块两两斜斜面面交交点点A A）的距离：的距离：63以微小增量代替微分，并将尺寸误差视为微小增量，且考虑到尺寸误差可正可负，各项误差均取最大值

36、，得到工序尺寸H的定位误差：2.4.5 定位误差定位误差 定位（2-8）式中Td 工件外圆直径公差；T V型块两斜面夹角角度公差。若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V型块对外圆表面定位，当工序基准为外圆中心时，在垂直方向（图2-33中尺寸H方向）上的定位误差为：（2-9）64对对于于第第2 2项项要要求求，若若忽忽略略工工件件的的圆圆度度误误差差和和V V型型块块角角度度偏偏差差，可可以以认认为为工工序序基基准准（工工件件外外圆圆中中心心）在在水水平平方方向向上上的的位位置置变变动动量量为为零零，即即使使用用V V型型块块对对外外圆圆表表面面定定位位时时，在在垂垂直直于于V V型型块

37、对称面方向上定位误差为零。块对称面方向上定位误差为零。2.4.5 定位误差定位误差 若工件工序基准为外圆下母线或上母线时，用同样方法可求出其定位误差分别为：图2-34外圆表面在V型块上的定位误差b）a）H2BdOH1BOAC（2-10）65机械制造技术基础机械制造技术基础第第2章章 机械制造过程基础知识机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process2.5 机床与夹具机床与夹具Machine Tool and Fixture662.5.1机床的分类与型号编制 机床的分类机床的分类 按按机机床床的的加加工工性性质质和和所所用用刀刀

38、具具来来分分类类，分分成成为为1212大大类类：车车床床、钻钻床床、镗镗床床、磨磨床床、齿齿轮轮加加工工机机床床、螺螺纹纹加加工工机机床床、铣铣床床、刨刨插插床床、拉拉床床、特特种种加加工工机机床床、锯锯床床和和其其它它机床。机床。 每每一一类类机机床床，又又可可按按其其结结构构、性性能能和和工工艺艺特特点点的的不不同同细分为若干组。细分为若干组。672.5.1机床的分类与型号编制 注：1）有“”符号者，为大写的汉语拼音字母；2）有“”符号者，为阿拉伯数字；3）有“（）”的代号或数字，当无内容时则不表示，有内容时应去掉括号分类代号类别代号通用特性和结构特性代号组别代号型别代号主参数或设计顺序号

39、主轴数（用“”分开）重大改进序号同一型号机床的变型代号(用“”分开)最大跨距、最大工件长度、工作台长度等第二参数(用“”分开)()()()()()()机床型号表示方法机床型号表示方法682.5.2机床的组成 1）动力源：为机床提供动力（功率）和运动的驱动部分2）传动系统：包括主传动系统、进给传动系统和其他运动的传动系统，如变速箱、进给箱等部件3）支撑件：用于安装和支承其它固定的或运动的部件，承受其重力和切削力，如床身、底座、立柱等4）工作部件：包括机床的组成机床的组成与主运动和进给运动的有关执行部件，如主轴及主轴箱、工作台及其溜板、滑枕等安装工件或刀具的部件；与工件和刀具有关的部件或装置，如自

40、动上下料装置、自动换刀装置、砂轮修整器等；与上述部件或装置有关的分度、转位、定位机构和操纵机构等。692.5.2机床的组成 5）控制系统：控制系统用于控制各工作部件的正常工作，主要是电气控制系统，有些机床局部采用液压或气动控制系统。数控机床则是数控系统。6）冷却系统7）润滑系统机床的组成机床的组成8）其他装置：如排屑装置，自动测量装置70图2-35卧式车床的基本结构及运动1主轴箱2夹盘3刀架4后顶尖5尾座6床身7光杠8丝杠9溜板箱10底座11进给箱XZn 普通车床普通车床2.5.2机床的组成 71万能卧式升降台铣床万能卧式升降台铣床nXY2.5.2机床的组成 图2-36万能卧式升降台铣床1底座

41、2床身3悬梁4主轴5支架6工作台7回转盘8床鞍9升降台72图2-37立式钻床1工作台2主轴3主轴箱4立柱5底座图2-38摇臂钻床1底座2工作台3立柱4摇臂5主轴箱和进给箱6主轴nnff立式钻床与摇臂钻床立式钻床与摇臂钻床2.5.2机床的组成 73图2-39卧式镗床1床身2下滑座3工作台4主轴箱5前立柱6主轴7后立柱8后支撑XZfn卧式镗床卧式镗床2.5.2机床的组成 74普通外圆磨床普通外圆磨床图2-40普通外圆磨床1床身2床头箱3砂轮4砂轮主轴箱5尾座6导轨7工件8工作台fLfRnGnW2.5.2机床的组成 75立式加工中心立式加工中心2.5.2机床的组成 nXYZ图2-41立式加工中心1床

42、身2滑座3工作台4立柱5数控柜6机械手7刀库8主轴箱9驱动电柜10操纵面板762.5.3机床的运动 1）主运动对切削起主要作用的工作运动，消耗机床的主要功率。机床主运动只有1个。主要形式：工件或刀具作回转运动，用转速（r/mim）表示；工件或刀具作直线运动，用速度（m/s）或行程次数（dst/min）表示；复合运动2）进给运动使工件不断投入切削的运动。机床的进给运动可以有一个或几个。两种形式：连续进给和间歇进给。表示方法：mm/s，mm/r，mm/dst表面成形运动表面成形运动773.5.3机床的运动 1）切入（吃刀）运动2）空行程运动（ 趋进、退刀、返回、调位）3）其他（分度、转位、变速、换

43、刀、测量、补偿）辅助运动辅助运动782.5.3机床的技术参数 表2-7常用机床主参数和第二主参数最大模数最大工件直径滚齿机工作台工作面长度工作台工作面宽度坐标镗床工作台工作面长度工作台工作面宽度矩台平面磨床最大磨削长度最大磨削直径外圆磨床主轴直径卧式镗床最大跨矩最大钻孔直径摇臂钻床工作台工作面长度工作台工作面宽度升降台铣床最大车削直径立式车床工件最大长度床身上工件最大回转直径普通车床第二主参数主参数机床名称尺寸参数尺寸参数 表示机床加工范围，包括主参数、第二主参数和其他参数。792.5.3机床的技术参数 运动参数运动参数指机床执行件运动速度。如主轴最高、最低转速，最大、最小进给量等。动力参数动

44、力参数 指机床电动机功率。精度参数精度参数 表示机床精度的参数，如主轴回转精度、工作台定位精度、重复定位精度等。刚度参数刚度参数 表示机床刚度的参数，包括静刚度和动刚度。其他参数其他参数80图2-42铣轴端槽夹具1V型块2支撑套3手柄4定向键5夹具体6对刀块2.5.4机床夹具1）定位元件及装置1236 646）其他元件及装置（防护、防错、分度）5）夹具体4）连接元件3）对刀及导向元件2）夹紧元件及装置夹具的组成夹具的组成81夹具的分类夹具的分类1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳等，一般由专业厂生产，常作为机床附件提供给用户。2）专用夹具：为某一工件特定工序专门设计的夹具，多用于批量生产中。3

45、）通用可调整夹具及成组夹具：夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。4）组合夹具：由一套预先制造好的标准元件组合而成。根据工件的工艺要求，将不同的组合夹具元件像搭积木一样，组装成各种专用夹具。使用后，元件可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。组合夹具特别适用于新产品试制和单件小批生产。5）随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。按夹具使用范围划分2.5.4机床夹具822.5.4机床夹具三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头图2-43通用夹具83图2-44专用夹具43D L零件工序简图2.5.4机床夹具84零件工序简图43DLLD43D43LDL34DL43DL

46、34图2-45成组夹具KH1KH2KH3KH42.5.4机床夹具85图2-46组合夹具1234567891011121314151617181加筋角铁（2）2槽用螺栓（6）3平键（10）4方形支承5定位支承6方形支承7平垫圈8六角螺母（8）9槽用螺栓10钻套螺钉11快换钻套12钻模板13圆形定位销14工件15方形支承16角铁17压紧螺钉18基础板2.5.4机床夹具86图2-46a铣拨叉槽组合夹具1方形基础板2小长方支承3，14，20六角螺母440圆形定位盘5大长方支承6螺钉7右支承角铁8，10厚六角螺母9垫圈11槽用螺栓12侧中孔定位支承13小长方支承15回转压板16双头螺栓1724圆形定位销

47、18圆螺母19工件87图2-46b组合夹具实例2.5.4机床夹具88可分为钻床夹具、铣床夹具、车床夹具、磨床夹具等。按使用机床划分可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、真空夹具、电动夹具等。按夹紧力源划分2.5.4机床夹具夹具的分类夹具的分类气动虎钳 液压夹具89机械制造技术基础机械制造技术基础第第2章章 机械制造过程基础知识机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process2.6 切削刀具切削刀具Cutting Tool902.6.1刀具结构 车刀车刀a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀图2-47车刀的结构 外圆车刀是最基本

48、、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。 车刀的切削部分由车刀的切削部分由3 3个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），面），2 2个刀刃（主切削刃和副切削刃）和个刀刃（主切削刃和副切削刃）和1 1个刀尖组成。个刀尖组成。912.6.1刀具结构 刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合图2-48各种刀具切削部分的形状922.6.2刀具几何角度 刀具标注角度坐标系刀具标注角度坐标系（主剖面坐标系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面PoA1）基面Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。切削

49、平面Ps基面Pr图2-49车刀主剖面坐标系2）切削平面Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。931 1）前角前角 oo 在在主主剖剖面面内内测测量量，是是前前刀刀面面与与基基面面的的夹夹角角。通通过过选选定定点点的的基基面面位位于于刀刀头头实实体体之之外外时时 o o定定为为正正值值；位位于于刀刀头头实实体体之之内时内时 o o定为负值。定为负值。 o o影影响响切切削削难难易易程程度度。增增大大前前角角可可使使刀刀具具锋锋利利，切切削削轻轻快快。但但前前角角过过大大，刀刀刃刃和和刀刀尖尖强强度度下下降降

50、，刀刀具具导导热热体体积积减减小小，影影响刀具寿命。响刀具寿命。ArA向f图2-50车刀的主要角度0000rrs02.6.2刀具几何角度 刀具标注角度刀具标注角度q用硬质合金车刀切削钢件，o取1020；切削灰铸铁，o取515；切削铝及铝台金，o取2535；切削高强度钢，o取-5-10。94ArA向f图2-50车刀的主要角度0000rrs2 2）后角后角 oo 后后角角 o o在在主主剖剖面面内内测测量量，是是主主后后刀刀面面与与切切削削平面的夹角。平面的夹角。 后角的作用是为了减后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后

51、角后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨而会加快主后刀面的磨损。损。02.6.2刀具几何角度 q粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为46；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为812。95q主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。3 3）主偏角主偏角 r r 在在基基面面内内测测量量，是是主主切切削削刃刃在在基基面面上上投投影影与与假定进给方向的夹角。假定进给方向的夹角。 r r的的大大小小影影响响刀刀具具寿寿命命。减减

52、小小主主偏偏角角，主主刃刃参参加加切切削削的的长长度度增增加加，负负荷荷减减轻轻，同同时时加加强强了了刀刀尖尖，增增大大了了散散热热面面积积，使刀具寿命提高。使刀具寿命提高。 r r的的大大小小还还影影响响切切削削分分力力。减减小小主主偏偏角角使使吃吃刀刀抗抗力力增增大大，当当加加工工刚刚性性较较弱弱的的工工件件时时，易易引引起工件变形和振动。起工件变形和振动。2.6.2刀具几何角度 ArA向f图2-50车刀的主要角度0000rrsr96rAA向f图2-50车刀的主要角度0000rrs4 4）副偏角副偏角 r r r r 在在基基面面内内测测量量，是是副副切切削削刃刃在在基基面面上上的的投投影

53、影与与假假定定进进给给反反方方向向的夹角。的夹角。 副副偏偏角角的的作作用用是是为为了了减减小小副副切切削削刃刃与与工工件件已已加加工工表表面面之之间间的的摩摩擦擦，以以防防止止切切削削时时产产生生振振动动。副副偏偏角角的的大大小小影影响响刀刀尖尖强度和表面粗糙度。强度和表面粗糙度。2.6.2刀具几何角度 rq在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。97a）b）c）图2-51刃倾角对排屑方向的影响2.6.2刀具几何角度 5）刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之位负。qs影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工

54、时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。98刀具工作角度刀具工作角度刀具安装对工作角度的影响图2-52车刀安装高度对工作角度的影响re=r0e=0a） 0e0b） 0e0c） rer rer2.6.2刀具几何角度 99刀具工作角度刀具工作角度式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。 进给运动对工作角度的影响横切横切（图2-53）0e=0-0e=0+0PsPes图2-53切断刀的工作角度fx0（2-8）2.6.2刀具几何角度 （2-8a）100纵切纵切（图2-54）在进给剖面，有：将其换算到主剖面内得到：在主剖面内：（2-9）O O图2-54外圆车刀

55、工作角度ffoeoedwooforACAOvfBCBfOdwf ffefef ffefe2.6.2刀具几何角度 101对刀具切削部分材料的要求对刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性2.6.3刀具材料 刀具材料的发展刀具材料的发展1022.6.3刀具材料 图2-55刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC

56、-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）1032.6.3刀具材料 天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图2-56刀具材料的耐磨性与断裂韧性104刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。 高速钢高速钢 高高速速钢钢是是一一种种加加入入了了较较多多的的钨钨、钼钼、铬铬、钒钒等等合合金金元元素的高合金工具钢。素的高合金工具钢。 特特点点：1 1

57、）强强度度高高，抗抗弯弯强强度度为为硬硬质质合合金金的的2 23 3倍倍；2 2）韧韧性性高高，比比硬硬质质合合金金高高几几十十倍倍；3 3）硬硬度度HRc63HRc63以以上上，且有较好的耐热性且有较好的耐热性；4 4）可加工性好，热处理变形较小。）可加工性好，热处理变形较小。 应应用用：常常用用于于制制造造各各种种复复杂杂刀刀具具（如如钻钻头头、丝丝锥锥、拉拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。刀、成型刀具、齿轮刀具等）。2.6.3刀具材料 常用刀具材料常用刀具材料105表2-9常用高速钢牌号及其应用范围类别牌号主要用途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W

58、6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4

59、VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵2.6.3刀具材料 106 硬质合金硬质合金 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，

60、耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由

61、于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分

62、发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 硬硬质质合合金金是是用用高高硬硬度度、高高熔熔点点的的金金属属碳碳化化物物（如如WCWC、TiCTiC、TaCTaC、NbCNbC等等）粉粉末末和和金金属属粘粘结结剂剂（如如CoCo、NiNi、MoMo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。 硬硬质质合合金金的的硬硬度度、耐耐磨磨性性、耐耐热热性性都都很很高高，允允许许的的切切削削速速度度远远高高于于高高速速钢钢，且且能能切切削削诸诸如如淬淬火火钢钢等等硬硬材材料料。硬硬质质合合金金的的不不足足是是与与高高速速钢钢相相比比，其其抗

63、抗弯弯强强度度较较低低、脆脆性性较较大大，抗振动和冲击性能也较差。抗振动和冲击性能也较差。 硬硬质质合合金金因因其其切切削削性性能能优优良良而而被被广广泛泛用用来来制制作作各各种种刀刀具具。在在我我国国，绝绝大大多多数数车车刀刀、面面铣铣刀刀和和深深孔孔钻钻都都采采用用硬硬质质合合金金制制造造，目目前前，在在一一些些较较复复杂杂的的刀刀具具上上，如如立立铣铣刀刀、孔孔加加工工刀具等也开始应用硬质合金制造。刀具等也开始应用硬质合金制造。2.6.3刀具材料 107 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及

64、铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多

65、面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV30004500间变动，其耐热性

66、达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。表2-10各种硬质合金的应用范围牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金

67、的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量硬

68、度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度2.6.3刀具材料 108 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶

69、体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚

70、晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。

71、只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料 陶陶瓷瓷材材料料比比硬硬质质合合金金具具有有更更高高的的硬硬度度（HRA91HRA919595）和和耐耐热热性性，在在12001200的的温温度度下下仍仍能能切切削削，耐耐磨磨性性和和化化学学惰惰性性好好，摩摩擦擦系系数数小小，抗抗粘粘结结和和扩扩散散磨磨损损能能力力强强，因因而而能能以以更更高高的的速速度度切切削削，并并可可切削难加工的高硬度材料。切削难加工的高硬度材料。2.6.3刀具材料 主主要要缺缺点点是是性性脆脆、抗抗冲冲击击韧性差，抗弯强度低。韧性差，抗弯强度低。109 超硬刀具材料超硬刀具材

72、料 天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。 聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。 金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV30004500，耐热性达1200，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。2

73、.6.3刀具材料 1102.6.3刀具材料 刀具材料种类合金高速钢硬质合金陶瓷天然聚晶金刚石聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4金刚石PCD化硼PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000HV7500HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa导热系数40-5020-3070-10030-40146.5100-12040-100热稳定性35062010001400800600-8001000化学惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低较高高最高最高很高一般精度Ra0.8高精度Ra=0.4-0.

74、2加工质量Ra0.8IT7-8Ra=0.1-0.05IT5-6IT7-8IT5-6可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表2-11普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比111机械制造技术基础机械制造技术基础第第2章章 机械制造过程基础知识机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process2.7 工件材料可加工性工件材料可加工性Machining ability for Work

75、piece Material1122.7.1材料切削加工性概念和指标 工件材料的切削加工性是指材料在一定条件下被切削加工成合格零件的难易程度。材料切削加工性的概念材料切削加工性的概念考虑生产率和耐用度的表示方法考虑生产率和耐用度的表示方法 1 1）一定生产率条件下，加工这种材料时刀具耐用度；）一定生产率条件下，加工这种材料时刀具耐用度； 2 2）一一定定刀刀具具耐耐用用度度前前提提下下，加加工工这这种种材材料料所所允允许许的的切切削速度；削速度； 3 3）相相同同的的切切削削条条件件下下，刀刀具具达达到到磨磨钝钝标标准准时时所所能能切切除除工件材料的体积。工件材料的体积。 考虑已加工表面质量的

76、表示方法考虑已加工表面质量的表示方法 考虑切削力或切削功率的表示方法考虑切削力或切削功率的表示方法 考虑是否易于断屑的表示方法考虑是否易于断屑的表示方法材料切削加工性的不同表示方法材料切削加工性的不同表示方法113材料切削加工性的概念材料切削加工性的概念 材材料料切切削削加加工工性性指指标标通通常常用用v vT T表表示示，v vT T是是指指耐耐用用度度为为T T秒秒（或或分分）时时，切切削削某某种种材材料料所所允允许许的的切切削削速速度度。v vT T越越高，表示材料的切削加工性越好。高，表示材料的切削加工性越好。 通通常常取取T T36003600秒秒（6060分分），v vT T写写作

77、作v v36003600（v v6060）；对对于于一一些些特特别别难难加加工工的的材材料料，也也可可取取T T18001800秒秒（3030分分），v vT T写作写作v v18001800（v v3030）。）。 如如果果以以4545钢钢的的v v36003600（v v6060）作作为为基基准准，写写作作（v v36003600）j j ；而而把把其其它它各各种种材材料料的的v v36003600（v v6060）同同它它相相比比，这这个个比比值值K Kr r称为材料的相对加工性。即：称为材料的相对加工性。即：（2-10）2.7.1材料切削加工性概念和指标 114加工性等级表2-12材料

78、相对加工性等级材料名称及种类相对加工性Kr代表性材料1很易切削材料一般有色金属3.0铜铝合金，铝铜合金，铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.53退火l5Cr，b0.373o.441GPa自动机钢，b0.3930.491GPa3较易切削钢1.62.5正火30钢，b0.4410.549GPa4普通材料一般钢、铸铁1.01.645钢，灰铸铁5稍难切削材料0.651.02Crl3，调质b0.834GPa85，钢b0.883GPa6难加工材料较难切削材料0.50.6545Cr，调质b1.03GPa65Mn，调质b0.9320.9817难切削材料0.150.550CrV,调质；1Crl8Ni9Ti,钛合金8

79、很难切削材料0.15某些钛合金，铸造镍基高温合金2.7.1材料切削加工性概念和指标 1152.7.2材料性能对切削加工性影响 工件材料韧性对切削加工性的影响材料力学性能对切削加工性的影响材料力学性能对切削加工性的影响 工件材料硬度的影响1）工件材料常温硬度对切削加工性影响：工件材料硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快。2）工件材料高温硬度的影响：工件材料高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程的有利影响（软化）对高温硬度高的材料不起作用。3）金属材料中硬质点对加工性的影响：金属中硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，则材料的加工性越差。4）材料的加工硬化对切削加工性的影响：

80、加工硬化性越严重，切削加工性越差。1162.7.2材料性能对切削加工性影响 工件材料韧性对切削加工性的影响强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削温度亦越高，刀具容易磨损。因此，在一般情况下，加工性随工件材料强度提高而降低。工件材料强度的影响 工件材料塑性的影响 材材料料塑塑性性大大，切切削削加加工工性性差差： 切切削削力力大大； 刀刀具具容容易易产产生生粘粘结结和和扩扩散散磨磨损损； 低低速速切切削削时时易易出出现现刀刀瘤瘤与鳞刺；与鳞刺； 断屑困难。断屑困难。 但但材材料料塑塑性性太太小小时时，切切屑屑与与前前刀刀面面的的接接触触变变得得很很短短，切切削削力力、切切削削

81、热热集集中中在在切切削削刃刃附附近近，使使刀刀具具磨磨损损严严重重，故切削性也差。故切削性也差。117工件材料韧性对切削加工性的影响 工件材料韧性的影响韧性大的材料，切削加工性较差：在断裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且断屑困难。 工件材料弹性模量的影响材料的弹性模量E是衡量材料刚度（抵抗弹性变形的性能）的指标，E值越大，材料刚度越大，切削加工性越差。 材料的切削加工性是上述这些机械性能（硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量等）综合影响的结果。100图3-47碳钢硬度与可切削性的关系0100200300400500255075可切削性布氏硬度（HB）2.7.2材料性能对切削加工性影响 118工件

82、材料韧性对切削加工性的影响材料物理化学性能对切削加工性的影响材料物理化学性能对切削加工性的影响如镁合金易燃烧，钛合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削进行。工件材料导热系数的影响工工件件材材料料导导热热系系数数低低，切切削削温温度度高高，刀刀具具易易磨磨损损，切切削加工性差。削加工性差。金金属属材材料料导导热热系系数数大大小小顺顺序序：纯纯金金属属、有有色色金金属属、碳碳结结构构钢钢、铸铸铁铁、低低合合金金结结构构钢钢、合合金金结结构构钢钢、工工具具钢钢、耐热钢、不锈钢。耐热钢、不锈钢。 工件材料物理化学反应的影响2.7.2材料性能对切削加工性影响 1192.7.3常用金属材料的切削加工性表2

83、-13工件材料加工性分级表切削加工易切削较易切削较难切围难切削等级代号01234567899a9b硬度HB5050100100150150200200250250300300350350400400480480635635HRC1424.824.832.332.338.138.1434350506060抗拉强度b（GPa）0.1960.1960.4410.4410.5880.5880.7840.7840.980.981.1761.1761.3721.372l.5681.6581.7641.7641.961.962.452.45延伸率()10101515202025253030353540405

84、0506060100100冲击值k(kJ/m2)19619639239258858878478498098013721372176417641962196224502450294029403920导热系数k(W/mK)418.68293.08293.08167.47167.4783.7483.4762.8062.8041.8741.8733.533.525.1225.1216.7516.758.378.37120常用金属材料的切削加工性常用金属材料的切削加工性 有色金属有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。 铸铁铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于

85、石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。，2.7.3常用金属材料的切削加工性121常用金属材料的切削加工性常用金属材料的切削加工性 碳素钢普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。高，断屑困难，故加工性较差。高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，

86、切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。相对而言，中碳钢的切削加工性较好。相对而言，中碳钢的切削加工性较好。，在碳素钢中加入一定合金元素，如在碳素钢中加入一定合金元素，如SiSi、MnMn、CrCr、NiNi、MoMo、WW、V V、TiTi等，使钢的机械性能提高，但加工性也等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。随着变差。 合金工具钢2.7.3常用金属材料的切削加工性1222.7.4难切削材料，表2-14难切削金属材料的切削加工性比较（恶化顺序1234）影响切削加工性的因素难切削金属材料（淬火或析出硬化状态）高锰钢高强度钢不锈钢高温合金低合金高合金马氏体时效钢沉淀硬化型奥氏体型马氏体型索氏体型铁基镍基钴基钛合金硬度1234234131223122322高温强度11221l21123332微观硬质点 121231111123321与刀具亲和性111112222334导热性42223322343444加工硬化性4221232133432粘附件21111231133421相对切削加工性0.20.40.20.50.20.450.10.250.30.40.50.60.50.70.60.80.150.30.80.20.050.150.250.38123