制造工程基础（总稿-1-切削部分）

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1、制造工程基础制造工程基础课程主要内容（课程主要内容（32学时）学时）第一章第一章 总论总论第二章第二章 金属切削基本要素（金属切削基本要素（2h）第三章第三章 金属切削过程（金属切削过程（4h）第四章第四章 金属切削机床与刀具金属切削机床与刀具 （6h）第五章第五章 公差与互换性（公差与互换性（8h）第六章第六章 工件的安装及夹具工件的安装及夹具 （2h）第七章第七章 机械加工表面质量与精度机械加工表面质量与精度 （4h）第八章第八章 机械加工工艺规程制订（机械加工工艺规程制订（4h） 实验一：刀具角度测量（实验一：刀具角度测量（2h） 实验二：加工质量检测实验二：加工质量检测 （2h） 材料

2、材料 结构设计结构设计 制造制造 力控制力控制机械工程机械工程四大技术领域四大技术领域机械设计机械制造机械工程材料机械控制工程总论：制造工程的内涵与体系总论：制造工程的内涵与体系一、制造工程的内涵一、制造工程的内涵二、制造工程的体系二、制造工程的体系三、制造工程在国民经济中的地位三、制造工程在国民经济中的地位四、制造工程基础课程体系四、制造工程基础课程体系一、制造工程的内涵一、制造工程的内涵1、产品设计过程：、产品设计过程： 系统构思系统构思系统设计系统设计零件零件设计设计工艺设计工艺设计2、产品制造过程：、产品制造过程： 原材料原材料加工加工零件零件装配装配系统系统原材料加工加工加工加工零件

3、装配装配装配装配系统金属材料刀具精密手装机电复合材料机床超小机装机电液脆性材料工艺复杂组装/封装机电光高分子材夹量具超大集成机电生物二、制造工程的体系二、制造工程的体系机械制造零件制造机械装配 机械制造的目的机械制造的目的对原材料或半成品进行加对原材料或半成品进行加工，使其几何工，使其几何形状形状、尺寸、尺寸精度精度、内部或表面、内部或表面性能性能发发生改变，从而达到规定要生改变，从而达到规定要求。求。机械制造过程的实质机械制造过程的实质是在加工过程中，原材料是在加工过程中，原材料或半成品的或半成品的宏观或微观几宏观或微观几何形状、内部或表面的组何形状、内部或表面的组织结构状态织结构状态发生了

4、改变。发生了改变。三、制造工程在国民经济中的地位三、制造工程在国民经济中的地位 一方面人类不断发明新产品、新材料，对加工技术不断提出新的一方面人类不断发明新产品、新材料，对加工技术不断提出新的要求。要求。 另一方面新的加工方法不断出现，在加工效率、精度、成本等诸另一方面新的加工方法不断出现，在加工效率、精度、成本等诸多方面提高了人类开发和制造新产品的能力。多方面提高了人类开发和制造新产品的能力。 20世纪中叶，美国曾一度弱化制造，重心转移到信息、生物等产世纪中叶，美国曾一度弱化制造，重心转移到信息、生物等产业，结果许多产品竞争力被日德反超。业，结果许多产品竞争力被日德反超。1988年重新确立制

5、造在国民年重新确立制造在国民经济中的地位，夺回制造优势。经济中的地位，夺回制造优势。 “十一五十一五”把能源、环境、制造放在十大优先发展领域的前三位。把能源、环境、制造放在十大优先发展领域的前三位。 我国制造装备（机床）业又得到了一次难得的历史发展机遇。我国制造装备（机床）业又得到了一次难得的历史发展机遇。四、制造工程基础的课程体系四、制造工程基础的课程体系制造业的三大目标是提高产品制造质量、效率、成本的综合指标。制造业的三大目标是提高产品制造质量、效率、成本的综合指标。本课程四大部分的作用：本课程四大部分的作用：公差部分公差部分机械产品设计质量要求如何制定；机械产品设计质量要求如何制定；切削

6、原理切削原理从加工机理上优化加工参数；从加工机理上优化加工参数；机床工具机床工具为保证制造综合指标提供合理的制造手段；为保证制造综合指标提供合理的制造手段；工艺部分工艺部分为保证制造综合指标编排合理的加工工序和措施。为保证制造综合指标编排合理的加工工序和措施。第二章第二章 金属切削基本要素金属切削基本要素 2.1 加工表面及切削用量加工表面及切削用量2.2 刀具角度刀具角度2.3 刀具材料刀具材料 2.1 加工表面及切削用量加工表面及切削用量金属切削：金属切削：刀具和工件按一定规律作 （轨迹、成形、展成、相切），通过切削刃切除工件上的多余的金属，使工件的形状、尺寸精度及表面质量达到预定要求。表

7、面成形运动表面成形运动车削加工：典型切削加工方法车削加工：典型切削加工方法切削用量三要素：切削用量三要素：切削速度切削速度vc进给速度进给速度vf（进给量（进给量f）切削深度切削深度ap切削用量切削用量2.2 刀具角度刀具角度一、车刀基本结构一、车刀基本结构（切削部分几何形状与参数有共性）（切削部分几何形状与参数有共性） 二、车刀坐标系：二、车刀坐标系：1基面基面Pr2切削平面切削平面Ps3切削刃剖面切削刃剖面 1）主剖面）主剖面P0 2）法剖面）法剖面Pn 3）进给（工作）剖面）进给（工作）剖面Pf 4）切深（背）剖面）切深（背）剖面Pp车刀的标注角度三、车刀基本角度1主偏角r：在基面内主切

8、削刃的投影与进给运动方向之间的夹角2刃倾角s：在切削平面 内主刀刃与基面的夹角。3前角o：在主剖面内前刀面与基面间的夹角。4后角o：在主剖面内后刀面与基面间的夹角。5副偏角r：在基面内副切削刃的投影与进给运动方向间的夹角6. 副刃后角o ：在副刃主剖面内副后刀面与基面间的夹角s 、r主切削刃方位o、 o 前后刀面主、副切削刃共在平面前刀面加 r、 o 外圆车削切削层参数切削厚度 hD切削宽度bD切削面积AD金属去除率切削层四、切削层参数2.3 刀具材料刀具材料刀具切削性能：刀具材料、几何形状和结构刀具切削性能：刀具材料、几何形状和结构 一、刀具材料应具备的性能一、刀具材料应具备的性能硬度、耐磨

9、性、耐热性、强度与韧性、减摩性、导热性硬度、耐磨性、耐热性、强度与韧性、减摩性、导热性与热膨胀系数、工艺性与经济性。与热膨胀系数、工艺性与经济性。二、刀具材料分类二、刀具材料分类金属类：金属类： 高速钢（高速钢（60）、硬质合金（）、硬质合金（3040） 非金属类：（非金属类：（510） 陶瓷、金刚石、立方氮化硼陶瓷、金刚石、立方氮化硼三、高速钢刀具三、高速钢刀具高碳钢加入高碳钢加入W、Mo、Cr、V钢的耐磨性、淬透钢的耐磨性、淬透性性最大优点：强度、韧性和工艺性能好，价格便宜，最大优点：强度、韧性和工艺性能好，价格便宜，广泛应用于复杂刀具和小型刀具的制造广泛应用于复杂刀具和小型刀具的制造中碳

10、钢加工中碳钢加工 切削速度可达切削速度可达30m/min600以上以上硬度硬度 切削性能失去切削性能失去三、高速钢刀具三、高速钢刀具1、通用高速钢：、通用高速钢：W18Cr4V（最常用）（最常用）2、特殊用途高速钢：、特殊用途高速钢： 钴高速钢：钴高速钢：M42（W2Mo9Cr4VCo8） 铝高速钢：铝高速钢：W6Mo5Cr4V2Al（替代（替代M42） 钼高速钢：锻造性好。钼高速钢：锻造性好。 钒高速钢：耐磨性好。钒高速钢：耐磨性好。四、硬质合金刀具（高硬度、难熔金属碳化物四、硬质合金刀具（高硬度、难熔金属碳化物WC、TiC微米级粉末，微米级粉末，用钴或镍作黏结剂烧结而成，用钴或镍作黏结剂烧

11、结而成，)优点：耐温：优点：耐温：800-1000 ，切削速度，切削速度100-200m/min缺点：脆性材料，韧性、工艺性差，主要用于简单刀具制造缺点：脆性材料，韧性、工艺性差，主要用于简单刀具制造（1）国产老牌号：）国产老牌号： YG：WCCo，韧性好。，韧性好。 YT：WCTiCCo，硬度高。，硬度高。 YW：WCTiCTaCCo，综合性好。，综合性好。（2）涂层硬质合金：）涂层硬质合金： TiC、TiN涂层：综合性能提高。涂层：综合性能提高。 Ti离子注入：表面硬化，综合性能提高。离子注入：表面硬化，综合性能提高。五、新型刀具材料五、新型刀具材料（1）陶瓷（）陶瓷（很高的高温硬度、化学

12、稳定性好、与金属亲很高的高温硬度、化学稳定性好、与金属亲和作用小；但抗弯强度、韧性差和作用小；但抗弯强度、韧性差） 纯氧化铝陶瓷：抗弯强度太低纯氧化铝陶瓷：抗弯强度太低 复合（氧化铝、氮化硅）陶瓷：复合（氧化铝、氮化硅）陶瓷：Al2O3基体基体SiC晶须晶须（2）金刚石：）金刚石：C，不能切黑色金属，不能切黑色金属 天然：各向异形，最锋利天然：各向异形，最锋利用于超精加工。用于超精加工。 人造人造(PCD)：单晶细粉：单晶细粉制成砂轮。制成砂轮。 聚晶颗粒聚晶颗粒制成刀片，各向同性。制成刀片，各向同性。（3）立方氮化硼：）立方氮化硼：CBN 硬度仅次于金刚石，热稳定性和化学惰性高。硬度仅次于金

13、刚石，热稳定性和化学惰性高。刀具材料综合比较：第三章第三章 金属切削过程金属切削过程 3.1 切削变形切削变形3.2 切削力切削力3.3 切削温度切削温度3.4 刀具磨损和寿命刀具磨损和寿命3.5 切削加工性切削加工性Va0 a0ac hhy硬化层硬化层表面回弹表面回弹已加工表面已加工表面刃口接触区刃口接触区后刀面接触区后刀面接触区前刀面接触区前刀面接触区前刀面前刀面后刀面后刀面刀具刀具r rn nO O3.1 切削变形切削变形一、切削过程的描述一、切削过程的描述切削过程的基本属性： 力学属性：压力、内外摩擦变形 几何属性：刀具、运动表面、切屑第二变形区第二变形区第一变形区第一变形区第三变形区

14、第三变形区侧面网格法取得的切屑根部试样二、切削变形区：二、切削变形区： 第变形区：切削层金属的剪切滑移区(剪切变形,加工硬化)，是切削力和切削热的主要来源。 第变形区：前刀面处切屑底层滑移区，引起前刀面磨损和积屑瘤。 第变形区：后刀面熨压变形区，引起后刀面磨损、加工硬化、残余应力。三、切屑的形成三、切屑的形成 切屑的形成：滑移、卷曲、挤裂、崩碎。切屑的形成：滑移、卷曲、挤裂、崩碎。 切屑的种类：连续切屑的种类：连续(带状、螺旋等带状、螺旋等)、挤裂（节状）、单元、挤裂（节状）、单元（粒状）、崩碎等多种形状。（粒状）、崩碎等多种形状。 切屑形态厚度小、速度高、前角大厚度小、速度高、前角大切削平稳

15、、切削力波动小切削平稳、切削力波动小表面粗糙度小表面粗糙度小厚度较大、速度较低厚度较大、速度较低切削不平稳、切削不平稳、切削力波动切削力波动表面粗糙度较大表面粗糙度较大切削塑性材料且速切削塑性材料且速度极低度极低切削力波动大切削力波动大表面粗糙度较大表面粗糙度较大切削脆性材料切削脆性材料四、切屑变形的度量四、切屑变形的度量（几何方法求变形） 剪切面剪切角工件工件切切屑屑1 1、变形系数、变形系数: :aclca0l0 切屑变形 与切削用量(切深、切宽、切速)、工件材料、 刀具角度等因素有关。l 0 切削长度，lC 切屑长度；a 0 切削厚度，aC 切屑厚度。2、剪切角：、剪切角： 0a0acs

16、y3、相对滑移：、相对滑移： a0切削层刀具刀具切削层工件工件剪切面切屑0 前角，s 滑移量，y 滑移层 切屑变形 切屑变形2、剪切角：、剪切角： 0a0acsy3、相对滑移：、相对滑移： 切削层刀具工件剪切面切屑0 前角，s 滑移量，y 滑移层 切屑变形 切屑变形a0刀具工件切削层4、切屑变形的影响因素 工件材料：强度、与刀面之间的摩擦系数。 切削用量：切削速度、进给量、切削深度。 刀具角度：主要是前角影响大。五、剪切角理论公式（力学方法求变形） 最小切削功率法（Merchant 角公式）VBAO+-0FrFrFyFzFnsFs-0FnFf0塑性应力场切削功率：Pm=FzV时，切屑刀具工件a

17、w 切削宽度， 剪切面剪应力， 摩擦角假设：Fr和Fr共线。 滑移线场理论法（Lee and Shaffer）切削合力与剪切面夹角为45，即两种两种角公式与角公式与试验结果比果比较1.1. ，变形增大，变形增大2.2.0 0，变形减小，变形减小六、第变形区（前刀面）的摩擦1、前刀面摩擦力Vlflf2lf1滑动滑动粘结粘结 s max r rX应力应力a0摩擦系数分布：前刀面滑动区前刀面滑动区前刀面粘结区前刀面粘结区( = s)第二变形区第二变形区第一变形区第一变形区第三变形区第三变形区主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面前刀面前刀面前刀面磨损（月牙洼形）前刀面磨损（月牙洼形）切屑与前刀面摩擦导致前

18、刀面磨损刀尖刀尖2、积屑瘤积屑瘤使工作前角增大积屑瘤使工作前角增大积屑瘤硬度大于工件基体硬度积屑瘤硬度大于工件基体硬度h切屑刀具已加工表面特大孔浮动铰刀杆特大孔浮动铰刀杆 浮动刀片浮动刀片炮体药室特大孔精铰后的表面沟痕炮体药室特大孔精铰后的表面沟痕（积屑瘤划伤表面）（积屑瘤划伤表面）振动控制器振动动力头进给溜板主轴振动铰削缩比试验系统振动铰削缩比试验系统振动铰削的理论切屑单元的形状振动铰削的理论切屑单元的形状振动振动回转回转进给进给普通铰孔表面沟痕普通铰孔表面沟痕振动铰孔表面振动铰孔表面Vh(积屑瘤高度) 积屑瘤的产生：中等切削速度易产生 积屑瘤的作用： 稳定的积屑瘤保护刀刃。 不稳定的积屑瘤

19、损坏刀具。 积屑瘤增大表面粗糙度。 增大前角、切削厚度。 结论： 粗加工允许生成稳定的积屑瘤。 精加工尽量避免积屑瘤。Va0 a0ac hhy硬化层硬化层表面回弹表面回弹已加工表面已加工表面刃口接触区刃口接触区后刀面接触区后刀面接触区前刀面接触区前刀面接触区前刀面前刀面后刀面后刀面刀具刀具r rn nO O七、第变形区（后刀面）的变形已加工表面层形貌与组织已加工表面层形貌与组织鳞刺产生过程1、表面粗糙度（进给方向） 理论粗糙度：fRmaxr 实际粗糙度： 受切削变形（侧向隆起）、积屑瘤、刀具磨损、机床精度等因素影响，实际粗糙度值大于理论粗糙度值。2、加工硬化 硬化程度表示： 硬化层深度hy。

20、硬化程度N=(H-H0)/H0100 H表面硬度；H0基体硬度。 影响因素：工件材料性质、刀具锋利性、第 变形区变形量、金相组织变化等。HhhyH03、残余应力（表面内应力） 分类：残余拉应力，残余压应力。 产生原因： 热塑变形：表层热塑变形冷却后残余拉应力 弹性变形：里层弹性变形恢复后相反的应力 表层相变：高温奥氏体冷却为马氏体表面体 积加大残余压应力。 影响因素：切削温度、切削力、装夹力等。八、难加工材料切削过程的特点1、钛合金 锯齿状切屑 表面回弹很大 加工硬化严重2、高温合金 切削力、切削热更大 表面残余应力不易消除 加工硬化非常严重回弹量剪切面剪切面剪切面一、力分解一、力分解 分力：

21、主切削力Fz、背向力Fy、进给力Ff 刃口合力Fp（不随切深变化）、前刀面合力Fr三维切削时切削合力：3.2 切削力切削力应变片应变片应变电桥应变电桥八角环车削测力仪八角环车削测力仪二、切削力测量二、切削力测量应变式测力仪测力八角环车削测力仪八角环车削测力仪压电式测力仪测力压电测力仪实测的三向切削力压电测力仪实测的三向切削力三、切削力经验公式通过切削测力仪测出不同a0和aw下的Fz ，再通过对数坐标法求出指数x和y，从而得出经验公式：因此，同样切削断面积下，较大a0有利。x=tan11C值为截距y=tan2fap粗加工生产率重要：选T尽可能大ap f算V精加工精度重要：按粗糙度选f 、ap 算

22、V2、最佳的切削速度和温度 切削路程：lm=V TV0为最长切削路程速度。VTmax为最长刀具耐用度速度。 VTmax乳化液切削油 润滑作用：降低摩擦力和磨损。 水溶液乳化液切削油2、选用 粗加工：切削温度高，以冷却为主，选水、乳 精加工：改善加工质量，润滑为主，选油、乳水包油乳化液油包水乳化液3.5 切削加工性切削加工性一、相对切削加工性指标：以正火45#钢为比较基准1、相同切削条件下的刀具寿命比值衡量 KT=T/Tj（T-切被评定材料的刀具寿命，Tj-切45#钢刀具寿命）2、相同刀具寿命下的切削速度比值衡量 Kr=Vc60/(vc60)j Vc60-切45#钢刀具寿命T=60min时的切削速度； (Vc60)j-切待评定材料刀具寿命T=60min时的切削速度。3、以切削力或切削温度衡量4、以已加工表面质量衡量5、以断屑排屑的难易程度衡量二、影响材料切削加工性的因素： 材料物理和机械性能 材料化学成分 材料热处理状态