第一章緒論第一節機械制造工業在國民經濟中的地位與作用機械制造工業是制造業最重要組成之一。它擔負著向國民經濟的各個部門提供機械裝備的任務。第二節機械制造廠的生產過程和工藝過程一、生產過程和工藝過程1生產過程從原材料(或半成品)進廠一直到把成品制造出來的各有關勞動過程的總和統稱為工廠的生產過程，它包括原材料的運輸保管、把原材料做成毛坯、把毛坯做成機器零件、把機器零件裝配成機器、檢驗、試車、油漆、包裝等。,2工藝過程在生產過程中凡屬直接改變生產對象的尺寸、形狀、物理化學性能以及相對位置關系的過程，統稱為工藝過程。二、工藝過程的組成1工序一個工人或一組工人，在一個工作地對同一工件或同時對幾個工件所連續完成的那一部分工藝過程，稱為工序。,例如，加工圖1-1所示零件，其工藝過程可由表1-1所示的五個工序組成。,2安裝安裝是工件經一次裝夾后所完成的那一部分工藝過程。3工位工位是在工件的一次安裝中，工件相對于機床(或刀具)每占據一個確切位置中所完成的那一部分工藝過程。,4工步工步是在加工表面、切削刀具和切削用量(僅指機床主軸轉速和進給量)都不變的情況下所完成的那一部分工藝過程。5走刀在一個工步中，如果要切掉的金屬層很厚，可分幾次切，每切削一次，就稱為一次走刀；圖1-3所示車表面分兩次切就是兩次走刀。綜上分析可知，工藝過程的組成是很復雜的。工藝過程由許多工序組成，一個工序可能有幾個安裝，一個安裝可能有幾個工位，一個工位可能有幾個工步，如此等等。,第三節生產類型及其工藝特征一、加工零件的年生產綱領加工零件的年生產綱領：即該加工零件的年產量。加工零件的年生產綱領N可按下式計算N=Qn(1+a%)(1+b%)式中Q產品的年產量(臺/年)；n每臺產品中該零件的數量(件/臺)；a備品率；b廢品率。,二、生產類型根據加工零件的年產綱領和零件本身的特性(輕重、大小、結構復雜程度、精密程度等)，將零件的生產類型劃分為：單件生產、成批生產和大量生產三種生產類型。產品種類很多，同一種產品的數量不多，生產很少重復，此種生產稱為單件生產。產品的品種較少，數量很大，每臺設備經常重復地進行某一工件的某一工序的生產，此種生產稱為大量生產。成批地制造相同零件的生產，稱為成批生產。每批制造的相同零件的數量，稱為批量。按照批量多少和被加工零件自身的特性，成批生產又可進一步劃分為小批生產、中批生產和大批生產。,三、各種生產類型的工藝特征（表1-4）第四節基準用來確定生產對象幾何要素間幾何關系所依據的那些點、線、面，稱為基準。基準可分為設計基準和工藝基準兩大類；工藝基準又可分為工序基準、定位基準、測量基準和裝配基準等。一、設計基準設計圖樣上標注設計尺寸所依據的基準，稱為設計基準。,二、工藝基準工藝過程中所使用的基準，稱為工藝基準。按其用途之不同，又可分為工序基準、定位基準、測量基準和裝配基準。1工序基準在工序圖上用來確定本工序加工表面尺寸、形狀和位置所依據的基準，稱為工序基準(又稱原始基準)。,2定位基準在加工中用作定位的基準，稱為定位基準。作為定位基準的點、線、面，在工件上有時不一定具體存在(例如，孔的中心線、軸的中心線、平面的對稱中心面等)，而常由某些具體的定位表面來體現，這些定位表面稱為定位基面。3測量基準工件在加工中或加工后，測量尺寸和形位誤差所依據的基準，稱為測量基準。4裝配基準裝配時用來確定零件或部件在產品中相對位置所依據的基準，稱為裝配基準。,述各種基準應盡可能使之重合。在設計機器零件時，應盡量選用裝配基準作為設計基準；在編制零件的加工工藝規程時，應盡量選用設計基準作為工序基準；在加工及測量工作時，應盡量選用工序基準作為定位基準及測量基準；以消除由于基準不重合引起的誤差(基準不重合誤差計算參見第四章第二節、第五章第二節)。,第五節工件的裝夾一、工件的裝夾工件的裝夾包括定位和夾緊兩層含義。在開動機床進行加工之前，必須首先將工件放在機床上或夾具中，使它在夾緊之前就相對于機床占有某一正確的位置，此過程稱為定位。工件在定位之后還不一定能承受外力的作用，為了使工件在加工過程中總能保持其正確位置，還必須把它壓緊，此過程稱為夾緊。定位過程與夾緊過程都可能使工件偏離所要求的正確位置而產生定位誤差與夾緊誤差。定位誤差與夾緊誤差之和稱為裝夾誤差。,二、工件的定位1.工件的六個自由度物體在空間具有六個自由度，即沿三個坐標軸的移動(分別用符號,表示)和繞三個坐標軸的轉動(分別用,表示)。2.工件定位的六點定位原理工件定位的實質就是限制工件的自由度，要使工件在空間處于完全確定的位置，必須限制工件的六個自由度，這就是工件定位的六點定位原理。可以用定位支承點來限制工件的自由度，一般來說，一個定位支承點可以限制工件的一個自由度。,物體在空間具有六個自由度,在XOY面上用三個定位支承點，限制了，和。在YOZ面上用二個定位支承點，限制了和。在XOZ面上用一個定位支承點，限制了。,例1：銑削下圖所示工件上的槽就必須限制工件的六個自由度,例2：銑削下圖所示的通槽必須限制工件的五個自由度。在工件的底面A用三個定位支承點，限制了、和。在工件的側面B用二個定位支承點，限制了和。,3.定位的種類1）完全定位2）不完全定位3）過定位4）欠定位,4.常見典型定位方式及定位元件所限制的自由度(1)工件定位基面為平面,（2）工件定位基面為圓孔,（3）工件定位基面為外圓柱面,（4）工件定位基面為錐孔,第二章切削過程及其控制第一節金屬切削刀具基礎一、切削加工的基本概念,(一)切削運動與切削中的工件表面,ve=vc+vf(2-1),(二)切削用量1切削速度vc(m/s或m/min)切削速度：切削刃相對于工件的主運動速度。主運動為旋轉運動時，切削速度由下式確定vc=,(2-2)式中d工件(或刀具)的最大直徑(mm)；n工件(或刀具)的轉速(r/s或r/min)。2進給量f進給量：工件或刀具轉一周(或每往復一次)，兩者在進給運動方向上的相對位移量。其單位是mm/r(或mm/雙行程)。vf=nf=nzfz(2-3)式中z刀齒數。,3背吃刀量ap(mm)背吃刀量：刀具切削刃與工件的接觸長度在同時垂直于主運動和進給運動的方向上的投影值。外圓車削的背吃兒量就是工件已加工表面和待加工表面間的垂直距離(參見圖2-2)。,式中dw-工件上待加工表面直徑(mm)；dm工件上已加工表面直徑(mm)。,(2-4),(三)切削層參數切削刃在一次走刀中從工件上切下的一層材料稱為切削層。切削層的截面尺寸參數稱為切削層參數。切削層參數通常在與主運動方向相垂直的平面內觀察和度量。1切削層公稱厚度hD切削層公稱厚度hD：垂直于過渡表面度量的切削層尺寸(以下簡稱為切削厚度)。車外圓時(圖2-2)，如車刀主切削刃為直線hD=fsinkr(2-5),2切削層公稱寬度bD切削層公稱寬度bD：沿過渡表面度量的切削層尺寸(以下簡稱為切削寬度)。如車刀主切削刃為直線bD=,3切削層公稱橫截面積AD切削層公稱橫截面積AD：切削層在切削層尺寸度量平面內的橫截面積(以下簡稱為切削面積)。對于車削AD=hDbD=fap(2-7),（2-6）,二、刀具角度下面以外圓車刀為例，給出刀具幾何參數方面的有關定義。,(一)刀具切削部分的構造(1)前刀面(2)主后刀面(3)副后刀面(4)主切削刃(5)副切削刃(6)刀尖,(二)刀具的標注角度1刀具標注角度的參考系,(1)基面Pr通過主切削刃上某一指定點，并與該點切削速度方向相垂直的平面。(2)切削平面Ps通過主切削刃上某一指定點，與主切削刃相切并垂直于該點基面的平面。(3)正交平面Po通過主切削刃上某一指定點，同時垂直于該點基面和切削平面的平面。,上述三個參考平面是互相垂直的，由它們組成的刀具標注角度參考系稱為正交平面參考系。2刀具的標注角度(1)前角o在正交平面內測量的前刀面和基面間的夾角。前角的作用：a.o變形切削力。b.o切削刃強度。c.o散熱體積。所以應有合理前角。,(2)后角o在正交平面內測量的主后刀面與切削平面的夾角，一般為正值。后角的作用：a.o摩擦切削力。b.o切削刃強度。c.o散熱體積。所以后角也應有合理值。,(3)主偏角kr在基面內測量的主切削刃在基面上的投影與進給運動方向的夾角。主偏角的作用：a.在ap和f一定的情況下，kr切削刃單位長度上的受力。,b.kr徑向力Fp，軸向力Ff。所以主偏角也應有合理值。,(4)副偏角kr在基面內測量的副切削刃在基面上的投影與進給運動反方向的夾角。副偏角的作用：a.kr摩擦。b.kr工件表面粗糙度,所以副偏角也應有合理值。,(5)刃傾角s在切削平面內測量的主切削刃與基面之間的夾角。,刃傾角的作用：a.影響切屑的流出方向。正的s切屑流向工件的待加工表面。負的s切屑流向工件的已加工表面。b.正的s刀尖強度。所以刃傾角也應有合理值。,3刀具的工作角度(1)進給運動對工作角度的影響a.橫向進給運動對工作角度的影響,oe=o+oe=o-,b.縱向進給運動對工作角度的影響螺紋車刀左側刀刃上A點在正交平面內的工作前角度,oe=o+oe=o-,(2)刀具安裝位置對工作角度的影響a.刀尖高于或低于工件中心的影響刀尖高于工件中心（如圖）：,oeooeo刀尖低于工件中心：oeooeo,b.車刀刀桿中心線與進給方向不垂直時的影響kre=krAkre=kr,A,式中A刀桿中心線的垂線與進給方向的夾角。,三、刀具材料(一)刀具材料的性能要求(1)較高的硬度和耐磨性刀具材料的常溫硬度要求在60HRC以上。(2)足夠的強度和韌性(3)較高的耐熱性(4)良好的導熱性和耐熱沖擊性能(5)良好的工藝性,(二)常用刀具材料1.碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量為0.71.3%的優質高碳鋼。常用牌號有：T8A、T10A、T12A。碳素工具鋼的性能：淬火硬度可達HRC6066，且刀具韌磨時容易鋒利，價格低廉。但耐熱性差，200左右就會失去原來的硬度，故允許的切削速度不高（0.5m/s左右）。淬透性差，熱處理變形大。碳素工具鋼應用：只用來制造手動刀具，如銼刀、手工鋸條等。,2.合金工具鋼在碳素工具鋼中加入一定量的合金元素，如鉻（Cr）、鎢（W）、硅（Si）、錳（Mn）等即成合金工具鋼。常用的牌號有：9SiCr、CrWMn等。合金工具鋼的性能：淬火硬度與碳素工具鋼相同，而耐熱性有所提高，可耐350左右的高溫，耐磨性也略有提高。合金工具鋼的最大優點是熱處理時變形較小。合金工具鋼應用：常用來制造形狀復雜、要求熱處理變形小的低速刀具，如絲錐、板牙、鉸刀等。,3高速鋼高速鋼是加入了較多的鎢(w)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(v)等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼的性能：具有較高的硬度(6267HRC)和耐熱性；高的耐熱性，溫度高達500650時仍能進行切削；高強度(抗彎強度是一般硬質合金的23倍，陶瓷的56倍)；韌性好，可在有沖擊、振動的場合應用；制造工藝性好，容易磨出鋒利的切削刃。高速鋼的應用：適于制造各類刀具，尤其適于制造鉆頭、拉刀、成形刀具、齒輪刀具等形狀復雜的刀具。,高速鋼的分類：按切削性能可分為普通高速鋼和高性能高速鋼按制造工藝方法可分為熔煉高速鋼和粉木冶金高速鋼。（1）普通高速鋼是加入較多的鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素的高合金工具鋼。典型牌號：W18Cr4V(簡稱W18)和W6Mo5Cr4V2(M2)。特點及適用范圍：W18的綜合性能較好，可用于各種復雜刀具。M2的碳化物分布細小、均勻，可用來制造尺寸較大，承受較大沖擊力的刀具；M2的熱塑性好，適合于制造熱扎鉆頭等刀具。,（2）高性能高速鋼在普通高速鋼的基礎上增加一些含碳量、含釩量并添加鈷、鋁等合金元素熔煉而成。典型牌號：W2Mo9Cr4VCo8(M42)和W6Mo5Cr4V2Al(501)。特點及適用范圍：M42的綜合性能好，常溫硬度接近70HRC，600時其硬度為55HRC，刃磨性能也好；但M42含鉆多，成本較貴。501鋼是一種含鋁的無鈷高速鋼，600時硬度達54HRC，501鋼的切削性能與M42大體相當，成本較低，但刃磨性能較差。表2-1列出了幾種常用高速鋼的力學性能。,(3)粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼是在用高壓惰性氣體(氬氣或氮氣)把鋼水霧化成粉末后，再經過熱壓、鍛軋成材。特點及適用范圍：有效地解決了熔煉高速鋼的碳化物共晶偏析問題，結晶組織細小均勻。與熔煉高速鋼相比，粉末冶金高速鋼材質均勻，韌性好，硬度高，熱處理變形小，質量穩定，刃磨性能好，刀具壽命較高。可用它切削各種難加工材料，特別適合于制造各種精密刀具和形狀復雜的刀具。,4硬質合金硬質合金是用高硬度、難熔的金屬碳化物(WC、TiC等)和金屬粘結劑(Co、Ni等)在高溫條件下燒結而成的粉末冶金制品。硬質合金的性質：硬質合金的常溫硬度達8993HRA，760時其硬度為7785HRA，在8001000時硬質合金還能進行切削，刀具壽命比高速鋼刀具高幾倍到幾十倍，可加工包括淬硬鋼在內的多種材料。但硬質合金的強度和韌性比高速鋼差，常溫下的沖擊韌性僅為高速鋼的1/81/30，因此，硬質合金承受切削振動和沖擊的能力較差。,硬質合金的分類：ISO把切削用硬質合金分為三類：P類、K類和M類。(1)P類(相當于我國YT類)硬質合金由WC、TiC和Co組成，也稱鎢鈦鈷類硬質合金。常用牌號有：YT5(TiC的質量分數為5)、YTl5等。性能：隨著TiC質量分數的提高，鈷質量分數相應減少，硬度及耐磨性增高，抗彎強度下降。應用范圍：主要用于加工鋼料及有色金屬等韌性材料。但是不宜加工不銹鋼和鈦合金。,(2)K類(相當于我國YG類)硬質合金由WC和Co組成，也稱鎢鈷類硬質合金。常用牌號：YG6(鈷的質量分數為6)、YG8(鉆的質量分數為8)等。性能：隨著鈷質量分數增多，硬度和耐磨性下降，抗彎強度和韌性增高。應用范圍：主要用來加工鑄鐵、青銅等脆性材料，也可加工有色金屬及其合金。,(3)M類(相當于我國YW類)硬質合金，是在WC、TiC、Co的基礎上再加入TaC(或NbC)而成。常用牌號：YW1和YW2等。性能：加入TaC(或NbC)后，改善了硬質合金的綜合性能。這類硬質合金既可以加工鑄鐵和有色金屬，又可以加工鋼料，還可以加工高溫合金和不銹鋼等難加工材料，有通用硬質合金之稱。表2-2列出了幾種常用的硬質合金的牌號、性能及其使用范圍。,(三)其他刀具材料1陶瓷用于制作刀具的陶瓷材料主要有兩類：氧化鋁(Al2O3)基陶瓷和氮化硅(Si3N4)基陶瓷。A12O3基陶瓷硬度高達9195HBA，耐磨性好、耐熱性好、化學穩定性高、抗粘結能力強，但抗彎強度和韌性差；這種陶瓷用于精加工和半精加工冷硬鑄鐵、淬硬鋼很有效。Si3N4基陶瓷有較高的抗彎強度和韌性，適于加工鑄鐵及高溫合金，切削鋼料效果不顯著。,2立方氮化硼立方氮化硼(CBN)是由六方氮化硼經高溫高壓處理轉化而成，其硬度高達8000HV，僅次于金剛石。CBN是一種新型刀具材料，它可耐13001500的高溫，熱穩定性好；它的化學穩定性也很好，即使溫度高達12001300t也不與鐵產生化學反應。立方氮化硼能以硬質合金切削鑄鐵和普通鋼的切削速度對冷硬鑄鐵、淬硬鋼、高溫合金等進行加工。,3人造金剛石金剛石分為天然金剛石和人造金剛石兩種，由于天然金剛石價格昂貴，工業上多使用人造金剛石。人造金剛石又分為單晶金剛石和聚晶金剛石(PCD)。金剛石的硬度高達600010000HV，是目前已知的最硬物質，可用于加工硬質合金、陶瓷、高硅鋁合金等高硬度、高耐磨材料。金剛石不是碳的穩定狀態，遇熱易氧化和石墨化，用金剛石刀具進行切削時須對切削區進行強制冷卻。金剛石刀具不宜加工鐵族元素，因為金剛石中的碳原子和鐵族元素的親和力大，刀具壽命低。人造金剛石目前主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料主要用于有色金屬的高速精細切削。,第二節金屬切削過程中的變形一、切屑的形成過程1變形區的劃分,(1)第一變形區圖中I區(2)第二變形區圖中區(3)第三變形區圖中區,在第一變形區內的變形：變形的主要特征就是沿滑移線的剪切變形，以及隨之產生的加工硬化。OA、OB和OM等都是等剪應力曲線。OA稱作始滑移線OM稱作終滑移線,滑移與晶粒的伸長：當金屬沿滑移線發生剪切變形時，晶粒會伸長，如圖2-12所示。晶粒伸長的方向與滑移方向(即剪切面方向)是不重合的，它們成一夾角。,塑性金屬切屑形成過程：一般切削速度范圍內，第一變形區的寬度僅為0.020.2mm，所以可以用一剪切面來表示。剪切面與切削速度方向的夾角稱作剪切角，以表示。我們可以用圖2-13形象地模擬塑性金屬切屑形成過程。卡片之間滑移的方向就是剪切面的方向。,2切屑的受力分析在直角自由切削的情況下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff；剪切面上的正壓力Fns和剪切力Fs；這兩對力的合力互相平衡，如圖所示。,如將上述兩對力都畫在切削刃的前方，就可得到圖2-15所示的力關系圖。圖中F是Ff和Fn的合力，稱為切屑形成力；是剪切角；是前刀面對切屑作用的摩擦角；o是刀具前角；Fc是切削運動方向的切削分力；Fp是垂直于切削運動方向的切削分力；hD是切削層公稱厚度。,令bD表示切削層公稱寬度，AD表示切削層公稱橫截面積(AD=hDbD)，As表示剪切面的面積(As=AD/sin)，表示剪切面上的剪應力，則,如用測力儀直接測得作用在刀具上的切削分力Fc和Fp，在忽略被切材料對刀具后刀面作用力的條件下，即可由式(2-9)與式(2-10)推導求得前刀面對切屑作用的摩擦角，進而可近似求得前刀面與切屑間的摩擦系數。以式(2-10)除以式(2-9)得,二、切削變形程度切削變形程度有三種表示方法，分述如下。1變形系數h切屑厚度hch與切削層厚度hD之比稱為厚度變形系數ha；而切削層長度lc與切屑長度lch之比稱為長度變形系數hl。,（2-11）,由于切削層變成切屑后，寬度變化很小，根據體積不變原理，可求得ha=hlha與hl可統一用符號h表示。變形系數h的值是大于1的數。h越大，變形越大。h值可通過實測求得。由式(2-11)知，h與剪切角有關，增大，h減小，切削變形減小。,2相對滑移相對滑移(剪應變)。圖2-17中，平行四邊形OHNM發生剪切變形后，變為平行四邊形OGPM，其相對滑移,（2-12）,3剪切角由式(2-11)知，剪切角與切削變形有密切關系，我們也可以用剪切角來衡量切削變形的程度。因為主應力方向與最大剪應力方向的夾角應為45，即Fs與F的夾角應為45，由圖2-15可知,（2-13）,討論：1)前角o增大時，剪切角隨之增大，變形減小。2)摩擦角增大時，剪切角隨之減小，變形增大。,三、前刀面上的摩擦在OA區：由于正應力值大，切屑在前刀面上形成粘結接觸。=s各點的摩擦系數：,由于(x)隨x變化，故在粘結接觸區切屑與前刀面的摩擦系數是一個變值，離切削刃越遠，摩擦系數越大。,其平均摩擦系數,1平均=,式中Ff1，Fn1分別為粘結接觸區的摩擦力和正壓力；bD切削層公稱寬度；av粘結接觸區平均正應力。在AB區：切屑在前刀面上形成滑動接觸，各點的摩擦系數相同，切應力=。,四、積屑瘤的形成及其對切削過程的影響1積屑瘤的形成及其影響積屑瘤的概念：積屑瘤的成因：影響積屑瘤的的因素：積屑瘤的產生及其成長與工件材料的性質、切削區的溫度分布和壓力分布有關。,2積屑瘤對切削過程的影響(1)使刀具前角變大(2)使切削厚度變化(3)使加工表面粗糙度增大(4)對刀具壽命的影響積屑瘤對切削過程的影響有積極的一面，也有消極的一面。精加工時必須防止積屑瘤的產生。,采取的控制措施有：1)正確選用切削速度，使切削速度避開產生積屑瘤的區域。2)使用潤滑性能好的切削液，目的在于減小切屑底層材料與刀具前刀面間的摩擦。3)增大刀具前角o，減小刀具前刀面與切屑之間的壓力。4)適當提高工件材料硬度，減小加工硬化傾向。,五、影響切屑變形的因素1工件材料工件材料強度越高，切屑的變形越小。2刀具前角o增大刀具前角o，剪切角將隨之增大，變形系數h將隨之減小。3切削速度vc切削速度vc越大，變形系數h越小。4切削層公稱厚度hD切削層公稱厚度hD越大，變形系數h越小。,第三節切屑的類型及控制一、切屑的類型由于工件材料不同，切削條件各異，切削過程中生成的切屑形狀是多種多樣的。切屑的形狀主要分為帶狀、節狀、粒狀和崩碎四種類型。,(1)帶狀切屑這是最常見的一種切屑。它的內表面是光滑的，外表面呈毛茸狀。加工塑性金屬時，在切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大的工況條件下常形成此類切屑。(2)節狀切屑又稱擠裂切屑。它的外表面呈鋸齒形，內表面有時有裂紋。在切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時常產生此類切屑。,(3)粒狀切屑又稱單元切屑。在切屑形成過程中，如剪切面上的剪切應力超過了材料的斷裂強度，切屑單元從被切材料上脫落，形成粒狀切屑。(4)崩碎切屑切削脆性金屬時，由于材料塑性很小、抗拉強度較低，刀具切人后，切削層金屬在刀具前刀面的作用下，未經明顯的塑性變形就在拉應力作用下脆斷，形成形狀不規則的崩碎切屑。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到這類切屑。,二、切屑的控制切屑經第、第變形區的劇烈變形后，硬度增加，塑性下降，性能變脆。在切屑排出過程中，當碰到刀具后刀面、工件上過渡表面或待加工表面等障礙時，如某一部位的應變超過了切屑材料的斷裂應變值，切屑就會折斷。,還可以采取以下措施控制切屑：(1)采用斷屑槽通過設置斷屑槽對流動中的切屑施加一定的約束力，使切屑應變增大，切屑卷曲半徑減小。斷屑槽的尺寸參數應與切削用量的大小相適應，否則會影響斷屑效果。常用的斷屑槽截面形狀有折線形、直線圓弧形和全圓弧形，見圖2-23。,前角較大時，采用全圓弧形斷屑槽刀具的強度較好。,斷屑槽位于前刀面上的形式有平行、外斜、內斜三種。,(2)改變刀具角度增大刀具主偏角r，切削厚度變大，有利于斷屑。減小刀具前角o可使切屑變形加大，切屑易于折斷。刃傾角s可以控制切屑的流向。(3)調整切削用量提高進給量f使切削厚度增大，對斷屑有利；但增大f會增大加工表面粗糙度。適當地降低切削速度使切削變形增大，也有利于斷屑，但這會降低材料切除效率。須根據實際條件適當選擇切削用量。,第四節切削力一、切削力、切削合力與分力、切削功率1切削力切削力來源于以下兩個方面(圖2-25)：,1）變形抗力2）摩擦阻力,2切削合力及分解,切削合力為FFc稱為切削力(也稱切向力、主切削力)。Fp稱為背向力(也稱切深抗力、徑向力)。Ff稱為進給力(也稱軸向力)。在上述三個分力中，Fc值最大，Fp約為(0.150.7)Fc，Ff約為(0.10.6)Fc。由圖2-26可知,3切削功率,式中Fc切削力(N)；vc切削速度(m/s)；Ff進給力(N)；nw工件轉速(rs)；f進給量(mmr)。Pc=Fcvc10-3（2-17）機床電動機的功率PE，應為,（2-16）,式中m機床傳動效率，一般取為0.750.85。,（2-18）,4單位切削力的概念單位切削面積上的切削力稱為單位切削力，用kc(Nmm2)表示：,式中Fc切削力(N)；AD切削面積(mm2)。若已知單位切削力kc，可通過式(2-19)計算切削力Fc。,(2-19),二、切削力的測量及切削力經驗公式1切削力的測量（略）2切削力經驗公式生產實際中應用比較廣泛的切削力經驗公式為,表2-3車削力公式中的系數和指數,三、影響切削力的因素1工件材料的影響工件材料的強度、硬度越高，切削力越大。切削脆性材料時，被切材料的塑性變形及它與前刀面的摩擦都比較小，故其切削力相對較小。2切削用量的影響（1）背吃刀量ap和進給量fap和f增大，都會使切削力增大，但兩者的影響程度不同。ap增大時，變形系數h不變，切削力成正比增大；f增大時，h有所下降，故切削力不成正比增大。,(2)切削速度vc切削塑性材料時，在無積屑瘤產生的切削速度范圍內隨著vc的增大，切削力減小；這是因為vc增大時，切削溫度升高，摩擦系數減小，從而使h減小，切削力下降。在產生積屑瘤的情況下，刀具的實際前角是隨積屑瘤的成長與脫落變化的。在積屑瘤增長期，vc增大，積屑瘤高度增大，實際前角增大，h減小，切削力下降；在積屑瘤消退期，vc增大，積屑瘤減小，實際前角變小，h增大，切削力上升。切削鑄鐵等脆性材料時，被切材料的塑性變形及它與前刀面的摩擦均比較小，vc對切削力沒有顯著影響。,3刀具兒何參數的影響（1）前角oo增大，h減小，切削力下降。切削塑性材料時，o對切削力的影響較大；切削脆性材料時，由于切削變形很小，o對切削力的影響不顯著。（2）主偏角kr由圖2-26可知，主偏角kr增大，背向力Fp減小，進給力Ff增大。（3）刃傾角s改變刃傾角將影響切屑在前刀面上的流動方向，從而使切削合力的方向發生變化。增大s，Fp減小，Ff增大。s在4510范圍內變化時，Fc基本不變。,4刀具磨損后刀面磨損增大時，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。5切削液使用以冷卻作用為主的切削液（如水溶液）對切削力影響不大，使用潤滑作用強的切削液（如切削油）可使切削力減小。6刀具材料刀具材料與工件材料間的摩擦系數影響摩擦力的大小導致切削力變化。,第五節切削熱和切削溫度一、切削熱的產生與傳導,切削熱的產生：一是切削層金屬發生彈性和塑性變形所消耗的能量；二是切屑與前刀面、工件與后刀面間產生的摩擦熱。切削熱的傳導：切削熱由切屑、工件、刀具及周圍的介質（空氣，切削液）向外傳導。,二、切削溫度的測量（略）三、影響切削溫度的主要因素1切削用量對切削溫度的影響用實驗方法求得的刀具與切屑接觸區平均切削溫度的經驗公式為,(2-22)式中刀具與切屑接觸區平均溫度（）；C切削溫度系數；vc切削速度（m/min)；f進給量（mm/r);ap背吃刀量（mm);z，y，x分別為vc、f、ap的指數。,2刀具幾何參數對切削溫度的影響,(1)前角o對切削溫度的影響o增大，變形減小，切削力減小，切削溫度下降。,（2）主偏角kr對切削溫度的影響減小kr，切削刃工作長度和刀尖角增大，散熱條件變好，使切削溫度下降。,3工件材料對切削溫度的影響強度和硬度高，產生的切削熱多，切削溫度就高。導熱系數小時，切削熱不易散出，切削溫度相對較高。切削灰鑄鐵等脆性材料時，切削變形小、摩擦小，切削溫度一般較切削鋼時低。4刀具磨損對切削溫度的影響刀具磨損使切削刃變鈍，切削時變形增大、摩擦加劇，切削溫度上升。5切削液對切削溫度的影響使用切削液可以從切削區帶走大量熱量，可以明顯降低切削溫度，提高刀具壽命。,第六節刀具磨損和刀具壽命一、刀具磨損形態和磨損機制1刀具磨損的形態,(1)前刀面磨損磨損量以其深度KT表示。(2)后刀面磨損其平均磨損寬度以VB表示。(3)邊界磨損,2刀具磨損機制(1)硬質點劃痕(2）冷焊粘結(3)擴散磨損(4)化學磨損,二、刀具磨損過程及磨鈍標準1刀具磨損過程,(1)初期磨損階段(2)正常磨損階段(3)急劇磨損階段,2刀具的磨鈍標準ISO統一規定以1/2背吃刀量處后刀面上測量的磨損帶寬度VB作為刀具的磨鈍標準。,自動化生產中，常以刀具的徑向尺寸磨損量NB作為衡量刀具的磨鈍標準。,三、刀具壽命1刀具壽命的定義刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達到磨鈍標準為止所經歷的總切削時間，稱為刀具壽命，用T表示。2刀具壽命的經驗公式logvcmlogTlogCovcTmCo(2-23）式中vc切削速度（m/min)；T刀具壽命（min);m表示vc對T的影響程度的指數Co與刀具材料、工件材料、切削條件有關的系數。,按照同樣的方法可以求得f-T和ap-T關系式：fTgC1(2-24)apThC2（2-25）綜合式（2-23)、式（2-24)、式（2-25)可得：,（2-26）,用硬質合金車刀切削b=0.75GPa的碳鋼，在進給量f0.75mm/r時有,（2-27）,四、刀具的破損1脆性破損(1)崩刃(2)碎斷(3)剝落(4)裂紋破損2塑性破損,可采取以下相應措施防止刀具破損：(1)合理選擇刀具材料(2)合理選擇刀具幾何參數(3)保證刀具的刃磨質量(4)合理選擇切削用量(5)工藝系統應有較好的剛性,第三章機械制造中的加工方法及裝備第一節概述一、機械制造中的加工方法機械制造中的加工方法很多，按照工件在加工過程中質量的變化（m)，可將加工方法分為材料去除加工（m0)三種形式。1材料去除加工（m0)包括電鍍、化學鍍等原子沉積加工，熱噴涂、靜電噴涂等微粒沉積加工以及快速原型制造等。,二、零件表面成形原理及機床基本知識（一）零件表面的形成方法及所需運動1.零件表面的形狀,(1)旋轉表面(2)縱向表面(3)特形表面,2零件表面的形成方法及所需的成形運動表面發生線的形成方法：,(1)軌跡法(2)成形法(3)相切法(4)展成法,機床的運動：1）主運動：它是機床上形成切削速度并消耗大部分切削動力的運動，是必不可少的成形運動。2）進給運動：進給運動是配合主運動維持切削加工連續不斷進行的運動。3）輔助運動：與形成發生線不直接有關的一些輔助運動，如切入運動、分度運動、操縱和控制運動等。,（二）機床的基本結構和傳動1金屬切削機床的基本結構機床的基本結構包括如下幾個部分：(1)動力源(2)運動執行機構(3)傳動機構(4)控制系統(5)支承系統,2金屬切削機床的傳動構成一個傳動聯系的一系列傳動件稱為傳動鏈。根據傳動聯系的性質，傳動鏈可分為如下兩類：(1)外聯系傳動鏈：機床動力源和運動執行機構之間的傳動聯系稱為外聯系傳動鏈。外聯系傳動鏈傳動比的變化只影響執行機構的運動速度，不影響發生線的性質。(2)內聯系傳動鏈：執行件與執行件之間的傳動聯系稱為內聯系傳動鏈。,（三）機床的分類1.最基本的是按機床的主要加工方法、所用刀具及其用途進行分類。機床共分為11類：2.同類機床按應用范圍（通用性程度）又可分為通用機床、專門化機床和專用機床。3.同類機床按工作精度又可分為普通精度機床、精密機床和高精度機床。機床還可按重量、尺寸、自動化程度、主要工作部件（如主軸等）的數目等進行分類。,（四）金屬切削機床型號的編制（GB/T15375-1994）機床型號由一組漢語拼音字母和阿拉伯數字按一定規律組合而成。1通用機床的型號編制(1)型號表示方法通用機床型號由基本部分和輔助部分組成，中間用“隔開，讀作“之”。基本部分需統一管理，輔助部分是否納入型號由企業自定。,通用機床型號的表示方法為：,(2)機床類、組、系的劃分及其代號(3)機床的特性代號(4)機床主參數和設計順序號(5)主軸數和第二主參數的表示方法(6)機床的重大改進順序號(7)其他特征代號及其表示方法(8)企業代號及其表示方法,通用機床型號編制實例：CA6140型臥式車床,2專用機床的型號編制專用機床型號由設計單位代號和設計順序號組成。專用機床型號表示方法為：,第二節常用機床及安裝工件所用的附件一、車床及安裝工件所用的附件（一）車床1臥式車床它是加工范圍很廣的一種萬能性機床，適于加工一般回轉體零件。但臥式車床的自動化程度較低，加工形狀比較復雜的工件時，換刀比較麻煩，加工過程中的輔助時間較多，所以只適用于單件、小批生產及修配車間。,2六角轉塔車床,可同時安裝若干把不同用途的刀具，順序地對工件進行加工。因此，在成批加工復雜工件時，六角車床的生產率比臥式車床高。,六角轉塔車床加工實例,3立式車床,主軸是直立的，工件安裝在由主軸帶動旋轉的工作臺上。立式車床適于加工直徑大而長度短的重型盤類零件，如皮帶輪、飛輪等。,（二）車床安裝工件所用的附件1用三爪卡盤安裝工件,三爪卡盤能自動定心，一般不需找正，使用方便，但夾緊力較小，通常用于裝夾規則的(如圓柱、六方等形狀)中小型工件。軸類件長徑比L/D4時，可直接使用。,2用四爪卡盤安裝工件,中心可調、夾緊力大，但效率較低。用于安裝不規則形狀的工件。,3用花盤安裝工件,用于安裝形狀很復雜的工件,4用頂尖安裝工件,用于4L/D10的軸類工件。使用方法：三爪卡盤頂尖、雙頂尖,5中心架及跟刀架的應用（L/D10時使用）1）中心架,特點：增加了固定支撐，一般用于支撐長的階梯軸。使用方法：三爪卡盤頂尖中心架、雙頂尖中心架、三爪卡盤中心架,2）跟刀架,特點：增加了活動支撐，一般用于長的光軸或絲杠。使用方法：三爪卡盤頂尖跟刀架、雙頂尖跟刀架,6用心軸安裝工件,特點：有利于保證工件內外圓柱面的同軸度及兩個端面的平行度。,二、鉆床及安裝工件所用的附件（一）鉆床1.臺式鉆床,一般用來加工小型工件上直徑不超過13mm的孔。,2.立式鉆床,主要適于在單件、小批生產中加工中、小型工件。,3.搖臂鉆床,適于加工單件、小批生產中重而大的工件。,（二）鉆床安裝工件所用的附件1.用平口鉗安裝,用于安裝較小的工件。,2.用壓板螺栓安裝,用于安裝較大的工件。,3.用V形鐵安裝,用于安裝圓柱形工件。,三、鏜床及安裝工件所用的附件（一）鏜床1.臥式鏜床,2.坐標鏜床,（二）鏜床安裝工件所用的附件一般用壓板螺栓安裝工件三、刨床及安裝工件所用的附件（一）刨床,1.牛頭刨床,牛頭刨床用于加工中、小型工件，加工長度一般不超過1000mm。,2.龍門刨床,用來加工大型工件，或同時加工數個中、小型工件。,3.插床,主要用于單件、小批生產中加工多邊形孔和孔內鍵槽。,（二）刨床安裝工件所用的附件小件用平口鉗安裝工件大件一般用壓板螺栓安裝工件插床也可用三爪卡盤安裝工件四、銑床及安裝工件所用的附件（一）銑床,1.臥式銑床,主要用于銑削平面、溝槽和成形表面等。,2.立式銑床,3.龍門銑床,適于在成批、大量生產中加工大、中型工件的表面。,五、磨床及安裝工件所用的附件（一）磨床1.外圓磨床,1）普通外圓磨床2）萬能外圓磨床,3）無心外圓磨床,無心磨削外圓時，工件不用頂尖支承，而由托板和導輪支持，用砂輪進行磨削。,2.內圓磨床,內圓磨床主要用于磨削圓柱孔，如把頭架轉一角度，也能磨圓錐孔。,3.平面磨床,（二）磨床及安裝工件所用的附件1.外圓磨床通常用雙頂尖或三爪卡盤安裝工件。2.內圓磨床通常用三爪卡盤安裝工件。3.平面磨床通常用雙頂尖或電磁吸盤安裝工件，也可用精密平口鉗或專用夾具等導磁性夾具安裝。,第三節外圓表面加工一、外圓表面的車削加工（一）加工方法1粗車粗車的目的主要是迅速地從毛坯上切除多余的金屬，因此，提高生產率是其主要任務。盡可能大的背吃刀量和進給量來提高生產率。而為了保證必要的刀具壽命，切削速度則通常較低。,車刀應選取較大的主偏角，以減小背向力，防止工件的彎曲變形和振動；選取較小的前角、后角和負值的刃傾角，以增強車刀切削部分的強度。加工精度為IT12IT11，表面粗糙度Ra為5012.5m。,2精車精車的主要任務是保證零件所要求的加工精度和表面質量。精車外圓表面一般采用較小的背吃刀量與進給量和較高的切削速度（v100m/min）進行加工。在加工大型軸類零件外圓時，則常采用寬刃車刀低速精車（v212m/min)。精車時車刀應選用較大的前角、后角和正值的刃傾角，以提高加工表面質量。精車可作為較高精度外圓的最終加工或作為精細加工的預加工。精車的加工精度可達IT8IT6級，表面粗糙度Ra可達1.60.8m。,3精細車精細車的特點是：背吃刀量ap和進給量f取值極小，切削速度高達1502000m/min。精細車一般采用立方氮化硼（CBN)、金剛石等超硬材料刀具進行加工，所用機床也必須是主軸能作高速回轉、并具有很高剛度的高精度或精密機床。精細車的加工精度及表面粗糙度與普通外圓磨削大體相當，加工精度可達IT6以上，表面粗糙度Ra可達0.40.05m。多用于磨削加工性不好的有色金屬工件的精密加工，對于容易堵塞砂輪氣孔的鋁及鋁合金等工件，精細車更為有效。在加工大型精密外圓表面時，精細車可以代替磨削加工。,（二）提高外圓表面車削生產效率的途徑1)采用高速切削2)采用強力切削強力切削是通過增大切削面積（fap）來提高生產效率的。其特點是對車刀切削刃進行改革，在刀尖處磨出一段副偏角kr=0、長度取為1.21.5f的修光刃，在進給量提高幾倍甚至十幾倍的條件下進行切削時，加工表面粗糙度Ra仍能達到52.5m。強力切削比高速切削的生產效率更高，適用于剛度比較好的軸類零件的粗加工。采用強力切削時，車床加工系統必須具有足夠的剛性及功率。3)采用多刀加工方法多刀加工是通過減少刀架行程長度提高生產效率的。,（三）車刀的種類和用途1.車刀按用途分為外圓車刀、端面車刀、內孔車刀、切斷刀、切槽刀等多種形式。,2.車刀在結構上可分為整體車刀、焊接車刀和機械夾固式車刀。機械夾固車刀簡稱機夾車刀，根據使用情況不同又分為機夾重磨車刀和機夾可轉位車刀。,幾種常用的夾固機構:,（四）C6132型臥式車床傳動系統分析,C6132型臥式車床,C6132型臥式車床傳動框圖,C6132型臥式車床傳動系統圖,1.主運動系統電動機主軸傳動結構式表示如下：,根據傳動結構式，可計算出主軸的每一種轉速。,例如，主軸最高轉速為：,主軸最低轉速為：,主軸的反轉是通過電運機反轉實現的。,2.進給運動系統主軸刀具傳動結構式表示如下：,二、外圓表面的磨削加工（一）加工方法1工件有中心支承的外圓磨削(1)縱向進給磨削,磨削精度較高，表面粗糙度較小，但生產率較低，適于在單件小批生產中磨削較長的外圓表面。,(2)橫向進給磨削,橫向進給磨削的生產效率高，但加工精度低，表面粗糙度較大，適于在大批大量生產中加工剛性較好的工件外圓表面。,同時磨削外圓和端面：,生產效率高，適于在大批大量生產中磨削軸頸對相鄰軸肩有垂直度要求的軸、套類工件。,2.工件無中心支承的外圓磨削（無心磨削）,生產效率高，容易實現工藝過程的自動化；但不能磨削帶長鍵槽和平面的圓柱表面，也不能用于磨削同軸度要求較高的階梯軸外圓表面。,（二）外圓磨削加工的工藝特點及應用范圍(1)可加工高硬材料。例如，帶有不均勻鑄、鍛硬皮的工件表面，淬硬表面等。(2）加工質量好。加工精度高（IT6IT5)，加工表面粗糙度小（Ra可小至0.1m)，原因如下：1)磨粒的刃口鈍圓半徑小2)磨粒在砂輪上隨機分布，同時參加磨削的磨粒數相當多，磨痕軌跡縱橫交錯，容易磨出表面粗糙度小的光潔表面。,（3）磨削溫度高磨削溫度高達8001000（4）耗能較多，徑向力大。綜上分析可知，磨削加工更適用于做精加工工作，也可用砂輪磨削帶有不均勻鑄、鍛硬皮的工件；但它不適宜加工塑性較大的有色金屬材料（例如銅、鋁及其合金），因為這類材料在磨削過程中容易堵塞砂輪，使其失去切削作用。磨削加工既廣泛用于單件小批生產，也廣泛用于大批大量生產。,三、外圓表面的精整、光整加工精整、光整加工是精加工后，從工件表面上不切除或切除極薄金屬層，用以提高加工表面的尺寸和形狀精度、減小表面粗糙度或用以強化表面的加工方法。對于加工精度要求很高(IT6以上）、表面粗糙度要求很小（Ra為0.2以下）的外圓表面，須經精整、光整加工。1研磨研磨是在研具與工件之間加人研磨劑，對工件表面進行精整、光整加工的方法。,特點：能提高加工表面的尺寸精度（IT6IT4）、形狀精度和減小表面粗糙度（Ra=0.10.008m）。可加工鋼、鑄鐵、硬質合金、光學玻璃、陶瓷等多種材料。方法：研磨分手工研磨和機械研磨兩種。,2超精加工超精加工是用細粒度的磨條或砂帶進行微量磨削的一種精整、光整加工方法。,特點：能減小工件表面粗糙度（Ra可達0.10.012m)，但不能提高尺寸精度和形狀位置精度。,第四節孔加工與外圓表面加工相比，孔加工的條件要差得多，加工孔要比加工外圓困難。一、鉆孔與擴孔1.鉆孔鉆孔是在實心材料上加工孔的第一個工序，鉆孔直徑一般小于80mm。（1）常用的鉆孔刀具有：麻花鉆、中心鉆、深孔鉆等。其中最常用的是麻花鉆，其直徑規格為0.180mm。標準麻花鉆的結構如圖3-28所示,麻花鉆的結構特點：a.剛性差b.有橫刃c.沿主切削刃上任一點的前角大小是變化的,（2）鉆孔加工有兩種方式,a.鉆頭旋轉，例如在鉆床、鏜床上鉆孔。若鉆頭引偏時，被加工孔的中心線會發生偏斜或不直，但孔徑基本不變。b.工件旋轉，例如在車床上鉆孔。若鉆頭引偏時，會引起孔徑變化，而孔中心線仍是直的。,(3)鉆削加工的特點1)鉆頭容易“引偏”克服的方法：a.對稱刃磨刀具b.預鉆c.用鉆套為鉆頭導向,2)排屑困難3)切削熱不易傳散4)鉆削的孔壁質量差精度低，一般只能達到IT13IT11，表面粗糙度Ra一般為5012.5m以上，屬于粗加工范疇。,2.擴孔擴孔是用擴孔鉆對已經鉆出、鑄出或鍛出的孔作進一步加工，以擴大孔徑并提高孔的加工質量，擴孔加工既可以作為精加工孔前的預加工，也可以作為要求不高的孔的最終加工。（1）擴孔鉆,（2）擴孔的特點,a.無橫刃的影響b.刀具剛性提高c.排屑容易d.散熱條件改善e.導向性改善擴孔加工的精度一般為IT11IT10級，表面粗糙度Ra為12.56.3m。,擴孔常用于直徑小于100mm孔的加工。在鉆直徑較大的孔時（D30mm)，常先用小鉆頭（直徑為孔徑的0.50.7倍）預鉆孔，然后再用相應尺寸的擴孔鉆擴孔，這樣可以提高孔的加工質量和生產效率。,擴孔除了可加工圓柱孔之外，還可以用各種特殊形狀的擴孔鉆（亦稱锪鉆）來加工各種沉頭座孔和锪平端面。,二、鉸孔鉸孔是孔的精加工方法之一，在生產中應用很廣。對于較小的孔，相對于內圓磨削及精鏜而言，鉸孔是一種較為經濟實用的加工方法。1.鉸刀,2.鉸孔的工藝特點及應用a.加工余量小，一般粗鉸余量取為0.350.15mm，精鉸取為0.150.05mm；切削速度低。b.無橫刃的影響c.刀具剛性進一步提高d.排屑順暢e.散熱條件好f.導向性好g.鉸刀有修光部分,鉸孔尺寸精度一般為1T9IT7級，表面粗糙度Ra一般為3.20.8m。對于中等尺寸、精度要求較高的孔（例如IT7級精度孔），鉆擴鉸工藝是生產中常用的典型加工方案。,三、鏜孔鏜孔是在預制孔上用切削刀具使之擴大加工方法，鏜孔工作既可以在鏜床上進行，也可以在車床上進行。1.鏜孔方式(1)工件旋轉，刀具作進給運動,(2)刀具旋轉，工件作進給運動,這種鏜孔方式鏜桿的懸伸長度L一定，鏜桿變形對孔的軸向形狀精度無影響。但工作臺進給方向的偏斜會使孔中心線產生位置誤差。,下圖為用專用鏜模鏜孔的情形，鏜桿與機床主軸采用浮動聯接，鏜桿支承在鏜模的兩個導向套中，剛性較好。,(3)刀具旋轉并作進給運動,鏜桿的懸伸長度是變化的，鏜桿的受力變形也變化