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强大的国防、现代化的农牧业生产、先进的医疗保健手段、可靠的能源供给、丰富的生活资源等,其所用的生产设备均需要机械制造业的强大支持。
国家对机械制造业的重视程度,决定其制造能力和制造技术的发展速度和国际地位。
因此,机械制造业是一个国家工业发展的基础与核心,也是一个国家工业化水平和国际竞争力的重要标志。
1.2.2机械制造业的发展方向
在人类历史发展的过程中,从利用天然石块作为工具到有目的地制造工具,从制造简单的手工工具发展到制造功能齐全的复杂设备,从以满足农业生产为主的附属产业,发展成为国民经济的支柱产业,机械制造业的进步大大推动了人类文明的发展。
随着科学技术的发展,对机械制造业提出了越来越高的要求,推动着机械制造技术向智能化、全球化、集成化、网络化、精密化和绿色、柔性方向发展。
电子、信息等高新技术的不断发展,给机械制造业带来了先进的工艺技术和工艺装备,机械制造业成为各门学科合作的集合体,成为科学发现和技术发明转换为生产力的关键环节。
目前,制造技术向计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和智能制造系统(IMS)等方向发展,形成了面向21世纪的信息化的制造技术。
1.2.3本课程的主要内容及学习要求
本课程以机械产品的制造为主线,介绍机械零件的生产过程、生产组织方式以及机械加工装备,包括金属切削过程及其基本规律、机床、刀具、夹具的基本知识、机械加工和装配工艺规程的设计、机械加工中精度及表面质量的控制,制造技术发展的前沿与趋势。
通过本课程学习,要求学生能对机械制造有一个总体的、清晰的了解与把握,掌握金属切削过程的基本规律,掌握机械加工的基本知识,能正确选择加工方法与机床、刀具、夹具及加工参数,具备制订工艺规程的能力和掌握机械加工精度和表面质量的基本知识,初步具备分析解决现场工艺问题的能力和对制造系统、制造模式选择决策的能力。
本课程具有很强的实践性和综合性,在学习时必须加强实践训练,注意理论联系实际,在实践中强化对所学知识的应用,在理论与实际的结合中培养分析和解决实际问题的能力。
1.3金属切削机床分类及型号
1.3.1机床的分类
为了适应不同的加工对象和加工要求,需要种类繁多的金属切削机床,为了便于区别、使用和管理,需要对机床加以分类和编制型号。
传统的分类方法主要是按加工方法和所用刀具进行分类,将机床分为:
车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、锯床、其他机床和特种加工机床共12类。
此外,根据机床的特性还可以进一步分类。
1.按照通用性程度分类
(1)通用机床
这类机床的工艺范围很宽,可以加工一定尺寸范围内的多种类型零件,完成多种工序的加工。
如:
卧式车床、万能升降台铣床、万能外圆磨床等。
(2)专门化机床
这类机床的工艺范围较窄,只能用于加工不同尺寸的一类或几类零件的一种或几种特定工序。
丝杆车床、凸轮轴车床等。
(3)专用机床
这类机床的工艺范围最窄,通常只能完成某一特定零件的特定工序。
加工机床主轴箱体的专用镗床,加工机床导轨的专用导轨磨床等。
它是根据特定的工艺要求专门设计制造的,生产率和自动化程度较高,适用于大批量生产。
组合机床也属于专用机床。
2.按照机床的工作精度分类
分为普通机床、精密机床和高精度机床。
3.按照机床的重量和尺寸分类
分为仪表机床、中型机床(一般机床)、大型机床(质量大于10t)、重型机床(质量在30t以上)和超重型机床(质量在100t以上)。
还可以按照机床主要部件分为单轴与多轴、单刀和多刀等机床;
按照自动化程度分为普通、半自动和自动机床。
自动机床具有完整的自动工作循环,包括自动装卸工件、连续自动地加工工件。
半自动机床也有完整的自动工作循环,但装卸工件还需人工完成,因此,不能连续地加工。
1.3.2机床型号的组成
机床的型号简明地表示机床的类别、类型、技术参数和结构特点等,由类别代号和分类代号等组成。
机床的类别代号以大写的汉语拼音字母表示,按其相对应的汉字字意读音。
当需要时,每个类别又可分为若干分类。
分类代号在类别代号之前作为型号的首位,用阿拉伯数字表示。
但第一分类的代号1省略不予表示,如磨床类机床有M、2M、3M三个分类。
见表1-1所示。
表1-1机床类别和分类代号(摘自GB/T15375-1994)
类别
车床
钻床
镗床
磨床
齿轮加工
机床
螺纹加工
铣床
刨插床
拉床
锯床
其他机床
代号
C
Z
T
M
2M
3M
Y
S
X
B
L
G
Q
读音
车
钻
镗
磨
二磨
三磨
牙
丝
铣
刨
拉
割
其
机床的主参数、设计序号、第二主参数都是用数字表示的。
主参数表示机床的规格大小,是机床的最主要的技术参数,反映机床的加工能力,影响机床的其它参数,通常以最大加工尺寸或机床工作台尺寸作为主参数。
如图1-1所示。
当机床除普通型外还有某种特性时,应在类别代号后用相应的代号表示,表1-2所示。
表1-2通用特性代号
通用特性
高精度
精密
自动
半自动
数控
加工中心
仿形
轻型
加重型
简式
或经济型
柔性加工单元
数显
高速
代号
B
K
H
F
J
R
读音
高
密
自
半
控
换
仿
轻
重
简
柔
显
速
重大改进顺序号用于表示机床性能和结构上的重大改进,用字母表示与原型的区别。
机床其它特性代号用于反映各类机床的特性,用字母或阿拉伯数字表示,如数控机床控制系统的不同、同一型号机床的变型等。
企业代号包括机床生产厂家或机床研究所代号,置于辅助部分尾部,用“—”分开,若辅助部分只有企业代号,则不加“—”。
图1-1机床型号示例
1.4金属切削原理
金属切削过程是指通过切削运动,利用刀具将工件上多余的金属层切除而形成切屑,从而获得需要的加工表面的过程。
在切削过程中,由于刀具和工件之间存在切除和反切除的关系,产生了一系列的加工现象,通过研究这些现象,了解切削加工过程的物理本质及其变化规律,掌握金属切削变形过程的规律,对提高切削加工生产率,保证加工质量,降低加工成本有着很重要的意义。
1.4.1工件表面的成形方法
1.工件表面的构成
机械零件多种多样,形状各异。
但是,加工表面大都是由若干常见的表面组合而成的,这些表面包括平面、圆柱面、圆锥面和各种成形表面等。
如图1-2所示。
2.工件表面的成形方法
图1-2工件表面的构成
1-母线2-导线
图1-3工件表面的成形运动
常见的工件表面都可以通过一条母线沿另一条导线运动形成。
如图1-3所示。
加工零件的过程实质就是形成零件上各表面的过程,也就是依据刀具切削刃的形状以及工件与刀具之间的相对运动,共同形成所需要的母线和导线的过程。
由于加工方法、刀具结构及切削刃的形状不同,形成母线和导线的方法以及所需运动也不同,工件成形方法常用的有轨迹法、成形法、范成法、相切法等。
(1)轨迹法
轨迹法是指刀具切削刃与工件表面之间近似的为点接触,通过刀具与工件之间的相对运动,由刀尖运动轨迹形成工件表面的加工方法。
如图1-4(a)所示,用刨刀加工零件,直线A为导线,曲线B为母线。
刨刀沿A方向作直线运动,通过母线沿导线的运动,形成被加工表面。
(2)成形法
成形法是指刀具切削刃与工件表面之间为线接触,切削刃的形状与形成工件表面的母线完全相同,无需任何运动来形成母线的加工方法。
如图1-4(b)所示,刀具只需沿A方向做直线运动就能形成被加工表面。
(3)范成法
图1-4工件表面的成形方法
范成法是指刀具的切削刃与工件表面之间为线接触,刀具与工件之间作展成运动(或称啮合运动)对各种齿形表面进行加工的方法,齿形表面的母线是切削刃各瞬时位置的包络线。
如图1-4(c)、(d)所示插齿刀沿箭头A方向的直线运动形成了直线型母线,而工件的旋转运动B和直线运动C使插齿刀能不断地对工件进行切削,其直线型切削刃的一系列瞬间位置的包络线便是所需加工的齿形表面。
B和C组合是所需的渐开线型导线,这两个运动必须保持严格的运动关系,彼此不能独立,它们的复合运动称为范成运动。
(4)相切法
相切法是利用刀具边旋转边沿轨迹运动对工件进行加工的方法。
如图1-4(e)所示,刀具做旋转运动B,刀具圆柱面与被加工表面相切的直线就是母线,刀具沿A作曲线运动形成导线,两个运动的叠加,形成加工表面。
1.4.2切削运动
切削过程中刀具和工件之间的相对运动,称为切削运动。
根据切削运动在切削加工过程中所起的作用不同,可分为主运动、进给运动及合成运动。
1.主运动
主运动是最基本的运动,是使工件与刀具产生相对运动从而进行切削的运动,其速度最高,所消耗的功率最大,约占功率总消耗的90%。
在切削运动中,主运动只有一个,可以是旋转运动,也可以是直线运动;
可以由工件完成,也可以由刀具完成。
例如:
车床工件的旋转运动、牛头刨床刨刀的直线往复运动,铣床铣刀的旋转、钻床钻头的旋转和磨床砂轮的旋转等都是切削加工时的主运动。
如图1-5所示。
2.进给运动
进给运动是把被切削层不断地投入切削,以加工出整个表面的运动。
进给运动可由一个或多个运动组成,一般速度较低,可以是连续的也可以是间断的,消耗的功率较少,约占功率总消耗的10%。
如图1-5所示,外圆车刀的直线运动,还有刨削平面时工作台的间歇直线运动、铣削平面时工件的直线运动、钻孔时钻头的轴向直线运动、磨削外圆时工件的旋转运动和往复直线运动都是进给运动。
但是,并不是所有的切削加工都需要进给运动,如拉床的拉削加工只有一个主运动而没有进给运动,切削层的切削完全是靠拉刀径向尺寸的变化来实现的。
图1-5切削运动与加工面
3.合成运动
当主运动与进给运动同时进行时,刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成运动。
如图1-5所示,合成速度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和,用
表示。
1.4.3工件表面
在切削过程中,随着切削运动的进行,在工件上必然会形成三种不断变化的表面,即已加工表面、待加工表面和加工表面。
1.已加工表面
工件上被刀具切削金属层后形成的新表面称为已加工表面。
在切削过程中,已加工表面随着切削的进行逐渐扩大。
2.待加工表面
工件上即将被切除金属层的表面称为待加工表面。
在切削过程中,待加工表面将逐渐减小,直至全部切除。
3.加工表面
工件上切削刃正在切削的金属层表面称为加工表面。
在切削过程中,加工表面是不断改变的,且总是处于待加工表面和已加工表面之间。
1.4.4切屑的形成与积屑瘤
1.切屑的形成
在金属切削过程中,由于工件材料和切削条件不同而产生不同的切屑,加工塑性材料时,主要形成带状切屑、节状切屑或粒状切屑,加工脆性材料时,一般形成崩碎状切屑。
如图1-6所示。
(1)带状切屑
带状切屑是指切屑呈连续且较长的带状,底面光滑,背面呈微小锯齿状。
这种切屑较常见,其特点是切削力波动小,切削过程较平稳,加工表面质量较好。
在采用较大前角的刀具以较高的切削速度加工塑性金属材料时,容易产生带状切屑。
(2)节状切屑
节状切屑是指切屑背面产生较深的裂纹或呈较大锯齿形。
其特点是切削力波动较大,切削过程不平稳,加工表面质量较粗糙。
当小前角的刀具以较低的切削速度加工塑性材料时,容易产生节状切屑。
(3)粒状切屑
粒状切屑是指切屑裂纹贯穿整个切屑表面,切屑成梯形粒状,这种切屑较少见,其特点是切削力波动大,切削过程不平稳,加工表面质量粗糙。
当小前角刀具以很低的切削速度加工塑性金属材料时,容易产生粒状切屑。
(4)崩碎状切屑
(a)带状切屑(b)节状切屑(c)粒状切屑(d)崩碎状切屑
图1-6切屑类型
崩碎状切屑是指切屑呈不规则的碎块状。
切削脆性金属材料时容易产生这种切屑,其特点是切削过程不太平稳,易损坏刀具,加工表面较粗糙。
可以通过减小进给量、减小刀具主偏角、适当提高切削速度使崩碎切屑转为带状或片状切屑,使切削过程中的不良现象得到改善。
2.积屑瘤
加工塑性材料时,经常在刀具前刀面的主切削刃附近出现了一个硬度很高的凸块,使工件已加工表面变得比较粗糙,这一凸块称为积屑瘤。
如图1-7所示。
(1)积屑瘤的生长过程
在一定的切削速度范围内切削塑性金属材料时,切屑与刀具前面有剧烈的摩擦,使切屑底层流动缓慢,这一缓慢流动层称为滞流层。
滞流层的速度接近于零,于是滞流层因高温与前刀面发生
图1-7积屑瘤
粘结,滞流层不断的粘结堆积,最后形成积屑瘤。
积屑瘤在生长的过程中,一直受到工件与切屑的挤压和摩擦、切削力的冲击和振动、切削温度升高等因素的作用和影响,使积屑瘤达到一定高度后破碎、脱落并嵌附在工件表面上,影响表面粗糙度。
(2)积屑瘤对切削过程的影响
积屑瘤是由受了剧烈塑性变形而强化的被切材料堆积而成,其硬度是工件材料硬度的2~3倍,可代替刀具切削刃进行切削,保护刀具。
积屑瘤使刀具实际工作前角增大,减小切削变形和切削力。
积屑瘤包围着刀具切削刃和前刀面,减小刀具磨损,提高了刀具寿命。
但是积屑瘤的生长是一个不稳定的过程,积屑瘤随时会发生破碎、脱落,脱落的碎片会粘走刀面上的金属材料,或者严重擦伤刀面,使刀具寿命下降。
积屑瘤前端伸出切削刃外,导致切削厚度增大,不利于工件加工尺寸的控制。
由于积屑瘤的外形不规则,使被切削工件表面不平整,又由于积屑瘤不断地破碎、脱落,脱落的碎片使工件表面粗糙,产生缺陷。
精加工时,为了保证工件的加工质量,应抑制积屑瘤的生成。
但是,积屑瘤对切削加工存在有利的一面,粗加工时可以允许它存在,以使切削更轻快,刀具更耐用。
(3)控制积屑瘤的措施
通过对工件材料进行正火或调质处理,适当提高其硬度和强度,降低塑性,可减小刀具与切屑之间的摩擦,减少粘结,抑制积屑瘤的生长。
增大刀具前角,切屑从前刀面流出顺畅,可减小切削变形和切削温度,从而抑制积屑瘤的生长。
实践证明,前角超过40o时,一般不会产生积屑瘤。
由于积屑瘤是在中等切削速度情况下产生的,所以通过控制切削速度,在低速(VC﹤5m/min)或高速(VC﹥70m/min)情况下切削可避免出现积屑瘤。
图1-8切削力的来源
合理使用切削液,使含有活性物质的切削液渗入加工表面和刀具之间,既可减少切削摩擦,又可降低切削温度,从而使积屑瘤的生长得到控制。
1.4.5切削力和切削功率
1.切削力的来源
切削加工时,刀具切入工件,使被加工材料发生变形并成为切屑所需要的力称为切削力。
如图1-8所示,切削力产生于被加工材料发生的变形抗力和切屑、工件已加工表面分别与刀具表面发生的摩擦力等。
2.切削力的分解
切削力是一个大小和方向都不易测量的空间力,为了便于分析和计算,通常将总切削力
分解为三个互相垂直的分力,即主切削力
、背向力FP、进给力
。
如图1-9所示。
图1-9切削分力
(1)主切削力
总切削力F在主运动方向上的分力称为主切削力,用
主切削力消耗机床的功率最多,是计算机床功率、刀具强度、设计机床夹具、选择切削用量不可缺少的参数。
(2)背向力FP
总切削力F在垂直于进给运动方向上的分力称为背向力,用FP表示。
背向力不消耗机床功率,是校验工件刚性和机床刚性不可缺少的参数。
(3)进给力Ff
总切削力F在进给运动方向上的分力称为进给力,用Ff表示。
进给力是计算机床进给功率、设计机床进给机构、校验机床进给强度不可缺少的参数。
总切削力
与三个互相垂直的分力FC、FP、Ff的关系
一般情况下,就车削加工而言,FC最大,FP次之,Ff最小,切削条件不同,FP和Ff对FC的比值在一定范围内变动:
FP=(0.15~0.7)FC
Ff=(0.1~0.6)FC
3.影响切削力的因素
(1)工件材料的影响
工件材料的硬度、强度越高,则切应力越大,切削力越大。
在强度、硬度相近的情况下,工件材料的塑性、冲击韧性越大,则加工硬化越厉害,切削变形越大,切削力越大。
(2)切削用量的影响
背吃刀量。
背吃刀量
增大,切削力
也增大。
增大一倍,
也增大一倍。
其原因是
增大一倍时,切削厚度不变,切削宽度增大一倍,切削刃上的切削载荷随之增大一倍。
进给量。
进给量增大,切削力
进给量增大一倍时,
仅增大75%左右。
其原因是进给量增大一倍时,切削宽度不变,切削厚度增大一倍,切削变形减小。
切削速度。
在中速范围内切削中低碳钢材料时,由于存在着积屑瘤,所以,伴随着积屑瘤生长、破碎、脱落的过程,切削速度对切削力
的影响也呈波浪形;
加工塑性金属材料时,在低速和高速下,切削力一般随着切削速度的增大而减小;
加工铸铁等脆性材料时,因塑性变形小,切削速度对切削力无明显影响。
如图1-10所示。
图1-10切削速度对切削力的影响
切削用量三要素对切削力的影响程度是不相同的,按大到小排列的顺序如下:
背吃刀量、进给量和切削速度。
所以,在同样切削面积的前提下,采用大进给、小切深比采用小进给、大切深更为合理。
(3)切削液的影响
切削液具有冷却、润滑、清洁、防锈的作用。
选用润滑性能好的切削液,可以减小刀具前刀面与切屑、刀具后面与工件之间的摩擦,从而降低切削力。
常用的切削液有矿物油、植物油、极压切削油等。
4.切削功率的计算
为了保证切削加工时机床正常工作和生产安全,应当对切削中功率的消耗加以计算。
切削功率为三个切削分力功率损耗的总和,即Pm=FCvC+FPvP+Ffvf。
但是,主切削力FC是三个分力中最大的一个分力,消耗功率最多,约占总切削功率的90%,背向力FP在纵向走刀时不消耗功率,同时,由于Ff比FC小得多,进给速度vf比主运动速度vC也小得多,故FP、Ff对功率的影响忽略不计。
切削功率按下式近似计算:
Pm=FC×
vC×
10-4/6(KW)
1.4.6切削热和切削温度
切削热传入刀具和工件,使温度升高后,将造成不良后果。
刀具受热膨胀造成切削时实际吃刀量增加,使加工尺寸变化;
工件受热膨胀,尺寸发生变化,切削后不能达到要求的精度或造成测量误差;
工件受热膨胀,因不能伸展而发生弯曲变形,造成形状误差;
刀具的切削温度大于500oC时,会加剧刀具磨损,带来其他不利的影响等。
因此,研究切削热和切削温度的产生及其变化规律有很重要的意义。
1.切削热的来源
在金属切削过程中,切削层金属发生弹性变形和塑性变形,其变形所消耗的功将转变为热能,这是切削热的一个来源。
同时,切屑与前刀面、工件与后刀面间消耗的摩擦功也转化为热能,这是切削热的又一个来源。
切削热是由切屑、工件、刀具和周围介质传散出去的,加工方法不同,由切屑、工件、刀具和周围介质传出的切削热百分比是不同的。
不用切削液时,切削热的50%~80%由切屑带走,40%~10%传入工件,9%~3%传入刀具,1%左右传入空气。
2.切削温度
切削温度一般指切屑与刀具前刀面接触区域的平均温度。
刀具前刀面的温度高于刀具后刀面的温度,这是因为切削塑性材料时,刀具与切屑接触长度较长,切屑沿着前刀
图1-11切削温度分布情况
面流出,摩擦热逐渐增大的缘故,而且刀具前刀面的最高温度不在切削刃上,而是在离切削刃一定距离处。
切削脆性材料时,因切屑较短,切屑与刀具前刀面接触所产生的摩擦热都集中在切削刃附近。
所以,刀具前刀面上的最高温度集中在切削刃附近。
如图1-11所示。
切削温度可以用仪器测定,也可以通过切屑的颜色大致判断。
如切削碳素钢时,切屑的颜色从银白色、黄色、紫色到蓝色,则表明切削温度从低到高。
切削温度的高低取决于产生热量的多少和传散热量的快慢。
1.5拓展知识
1.5.1机床传动系统的组成
现代机床形式各异、种类繁多,但从原理上分析,机床加工过程中所需的各种运动都是通过原动机、传动系统和执行机构按一定规律组成的传动链来实现的。
机床的传动装置一般有机械、液压、电气等形式,按传动原理可分为分级传动和无级传动。
常用的分级变速机构有滑移齿轮变速机构、离合器变速机构、挂轮变速机构等,在此不做赘述。
图1-12某车床主传动原理图
1.5.2机床传动原理
通过一系列的传动系统把执行机构和原动机连接起来构成的传动联系,称为传动链。
在零件的机械加工过程中,机床的各种运动都是经过相应的传动链来实现的。
为了说明机床的传动联系,常用一些简单的符号把传动原理和传动路线表示出来,这类图叫做传动原理图。
如图1-12所示。
在卧式车床上车削螺纹时,需要工件和刀具之间做相对螺旋运动,即工件转一周,车刀纵向移动螺纹一个导程的距离。
如图1-13所示。
这个运动可以分解为两部分:
工件的旋转运动n和车刀的纵向移动f。
实现这个运动的传动链是“4-5-uf-6-7”,这是成形运动的内部传动链,称为内传动链。
在内传动链中,利用换置机构uf可以改变工件和车刀之间的相对运动和速度,以适应车削不同导程螺纹的需要。
这条内传动链必须保证工件和刀具间准确的螺旋成形运动,所以,内传动链所联系的各执行机构之间的相对速度有严格的要求,不能有如链传动、摩擦传动等传动比不确定或瞬时传动比有变化的传动件存在,以保证运动的准确性。
图1-13某卧式车床的传动链
同时,这条内传动链还有个外传动链与运动源相联,即传动链“1-2-uv-3-4”。
外联系传动链通常是联系原动机和执行机构,使执行机构得到预定的运动,并传递一定的动力。
外联系传动链传动比的变化,只影响生产率或表面粗糙度等,不影响工件表面形状。
因此,外联系传动链不要求原动机和执行机构之间有严格的传动比关系。
1.5.3传动系统分析
1.传动路线表达式
传动系统是指在机床加工过程中,全部成形运动和辅助运动的所有传动链的总和。
机床有多少个运动就有多少条传动链,各传动链的组合就组成了机床的传动系统。
如图1-12所示,某车床的主传动变速系统,其主运动由主电动机(1500r/min、3kW)驱动,经过V带传动(φ130/φ297)传至轴I,再由轴Ⅰ经
齿轮传动至轴Ⅱ,再由轴Ⅱ与轴Ⅲ、轴Ⅲ和轴Ⅳ之间的双联滑移齿轮变速组传动,将运动和动力传
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