机械制造工程学.docx

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机械制造工程学

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第一章金属切削加工

金属切削加工：

就是利用工件和刀具之间的相对（切削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，从而获得具有一定加工质量零件的过程

金属切削加工目的：

使被加工零件的尺寸、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。

1、主运动

是使刀具和工件之间产生相对运动，从而实现切削的最基本运动。

主运动特点：

速度最高，消耗功率最大。

2、进给运动

是刀具与工件间附加的相对运动，是使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面的运动。

进给运动特点：

一般速度较低，消耗功率较少

3、主运动和进给运动的合成

当主运动和进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对于工件的运动为合成切削运动，常用合成速度向量Ve来表示

4、切削加工过程中的工件表面

v切削刃相对于工件的运动过程,就是表面形成过程。

v在这个过程中,不同的切削运动的组合,即可形成各种不同的工件表面。

v以最常见的、典型的车削加工为例，车削过程中工件上三个不断变化着的表面。

切削用量三要素：

①切削速度vc②进给量f③背吃刀量ap

1、切削速度vc：

主运动的线速度，单位时间内刀具相对工件沿主运动方向的相对位移。

主运动为旋转运动时，切

削速度vc一般为最大线速度，

计算公式为:

2、进给量f：

刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。

（1）主运动为回转运动：

车削时进给量是工件每转一圈，刀具沿进给运动方向移动的距离，单位是mm/r。

（2）主运动为直线运动：

刨削时主运动为往复直线运动，其间歇进给量为每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。

（mm/双行程）

（3）对于多齿的旋转刀具（如铣刀、切齿刀），还规定了每齿进给量，用az表示，单位为mm/z，与进给量关系为az=f/z

车削时的进给速度vf计算公式为:

铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量计算式为：

3、背吃刀量tp：

工件待加工表面与加工表面之间的垂直距离，也称切削深度，单位为mm。

如车削外圆时

背吃刀量ap为:

切削层：

是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属。

切削层参数：

切削层的截面尺寸（长度、宽度、面积）。

为简化计算，切削层几何参数尺寸规定在垂直于切削速度的平面中（刀具基面）度量

切削层的几何参数尺寸直接影响刀具承受的负荷和切屑的尺寸大小，是与切削用量f、ap有关的量。

切削层几何参数包括：

1、切削层公称厚度hD：

是相邻两加工表面间的垂直距离。

hD＝f×sinκr

2、切削层公称宽度bD：

是沿主切削韧度量的切削层尺寸，即参加切削的宽度。

bD＝ap/sinκr

3、切削层公称横截面积AD：

是切削层在基面内的面积。

第二节刀具材料与角度

1、刀具材料应具备的性能

高硬度：

常温硬度应在60HRC以上，硬过工件。

足够的强度韧度：

为了承受切削力、冲击和振动。

高耐磨性：

抵抗磨损的能力高，以保持切削刃的锋利。

一般来说，硬度愈高，耐磨性愈好。

高热硬性：

以便在高温下仍能保持较高硬度、耐磨性、强度和韧度等，是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标。

用能承受最高的切削温度来表示。

良好的工艺性：

为了便于刀具制造，材料应具有良好的锻轧、焊接、切削加工、可磨削性和热处理特性等。

2、选择刀具材料一般遵循以下原则：

（1）加工普通工件材料时，一般选用普通高速钢与硬质合金；加工难加工材料时可选用高性能和新型刀具材料牌号。

只有在加工高硬材料或精密加工中常规刀具材料难以胜任时，才考虑用超硬材料立方氮化硼和金刚石。

（2）由于刀具材料在强度韧性和硬度耐磨性之间难以完全兼顾，因此选择刀具材料时，根据工件材料切削加工性和加工条件，通常先考虑耐磨性，崩刃问题尽可能用几何参数解决。

（3）低速切削时，切削过程不平稳，容易崩刃，宜选强度和韧性好的刀具材料。

高速切削时，高的切削温度对刀具材料的磨损影响最大，应选择耐磨性好的刀具材料牌号。

3、高速钢与硬质合金钢的区别

1）高速钢（highSpeedSteel）

•特点：

强度、韧性和耐磨性高、耐热性为540～600C°、工艺性能较好，容易磨出锋利的刃口。

（硬度和耐热性不如硬质合金，但刀具的刃口强度和韧性比硬质合金高，能承受较大的冲击载荷）。

•适用范围：

结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等。

2）硬质合金（cementedcarbide）

特点：

硬度较高，常温下可达74～81HRC，它的耐磨性较好

耐热性较高，能耐800～1000C的高温。

抗弯强度和冲击韧度比高速钢低。

刃口不能磨得象高速钢刀具那样锋利。

适用范围：

由于硬质合金脆性大，进行切削加工较难，因此常制成结构简单的刀具，如车刀、铣刀、刨刀等。

硬质合金刀具比高速钢切削速度高4～7倍，刀具寿命高5～80倍。

制造模具、量具，寿命比合金工具钢高20～150倍。

可切削50HRC左右的硬质材料。

但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。

4、刀具角度

①主偏角r：

主切削刃投影与进给运动方向之间的夹角（+）。

②副偏角r’：

副切削刃投影与进给运动反方向之间的夹角（+）。

③刀尖角r：

主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角。

刀尖角与主、副偏角关系

①前角o：

前刀面与基面间的夹角。

前刀面与基面平行时，o为零。

基面在前刀面以内，o为负。

基面在前刀面以外，o为正。

②后角o：

主剖面内测得的主后刀面与切削平面间的夹角。

③楔角o：

前刀面与主后刀面间的夹角。

④刃倾角：

在切削平面内度量的猪切削刃与基面之间的夹角。

第二章金属切削过程的基本规律

一、切屑的类型

①带状切屑：

带状切屑连续不断带状，内表面光滑，外表面呈毛绒状。

采用较高的切削速度、较小的切削厚度和前角较大的刀具，切削塑性较好的金属材料时，易形成带状切削。

②节状切屑：

节状切屑的外表面呈锯齿状并带有裂纹，但底部仍然相连。

采用较低的切削速度、较大的切削厚度和前角较小的刀具，切削中等硬度的塑性材料时，易形成。

③单元切屑：

切削塑性材料时，切削层金属在塑性变形过程中，剪切面上产生的切应力超过材料的轻度极限，切屑沿剪切面完全断开，形成形状类似而又互相分离的屑块，采用极低的切削速度、大的切削厚度，小的前角、切削塑性较差的材料时易产生。

④崩碎切屑：

切削脆性材料时，由于材料的塑性小，抗拉强度低，切削层金属在产生弹性变形后，几乎不产生塑性变形而突然崩裂，形成形状极不规则的碎块。

形成崩碎切屑时，切削力变化幅度小，但波动很大，伴有震动和冲击，使已加工表面凹凸不平。

二、切屑形成的过程

切屑形成与切离过程：

是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。

正挤压：

金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45°

偏挤压：

金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移

切削：

与偏挤压类似。

弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离

三、影响切削温度的因素

1.切削用量的影响

经验公式：

Vc：

切削速度提高时，单位时间的金属切除率成正比增多，刀具与工件及切削间的摩擦加剧，消耗于切削层金属变形和摩擦的功增加，因此产生大量的切削热。

第一变形区和第二变形区的热量向工件和切屑内部传导需要一定的时间，因此提高切削速度的结果是摩擦热大量的积聚在切屑底层来不及传导出去，使切削温度上升。

f：

单位时间内的金属切除量增多，切削功转换成的热量也增

加，切削温度上升。

（上升幅度不如Vc）但当进给量增大后，切削厚度增大，切屑带走的热量增多，同时切屑与前刀面接触长度增加，散热面积增大。

ap：

背吃刀量对切削温度的影响很小。

因为背吃刀量增大后，切削区产生的热量虽然成正比增多，但因切削刃参加切削工作长度也成正比增大，大大改善了散热条件，因此切削温度上升甚微。

2.刀具几何参数的影响

前角go↑→切削温度↓，但是go达到一定程度后继续增加，切削温度升高（散热体积减小）。

主偏角kr↑→切削温度↑圆弧半径增加，降低切削温度

3.工件材料的影响

工件材料机械性能↑→切削温度↑

工件材料导热性↑→切削温度↓

4.冷却液的影响

切削液有两个作用：

一方面可减小切屑与前刀面、后刀面与工件摩擦；另一方面可吸收切削热。

但切削液对切削温度的影响，与其导热系数、比热容、流量及浇注方式有关。

四、积屑瘤对切削过程的影响

1）使实际前角增大（可使切削力减小）

2）增大切入深度

3）使加工表面粗糙度值增大

4）影响刀具耐用度

切削力的来源阿

1）被加工金属产生的弹、塑性变形抗力

2）切削、工件表面与刀具之间的摩擦力

切削用量对切削温度的影响

1）切削速度增加切削温度显著升高

2）进给量增加，金属切除率增加温度升高，另一方面切屑变厚，带走的热量增多

3）背吃刀量增加，散热条件改善

五、刀具的磨损

刀具的磨损方式：

正常磨损和非正常磨损

正常磨损：

前刀面磨损、后刀面磨损、前后刀面同时磨损

磨损原因：

磨料磨损、粘结磨损、扩撒磨损、氧化磨损、相变磨损

非正常磨损：

切削刃崩裂、切削刃剥落、热裂

六、刀具的磨损过程：

1）初期磨损工程

2）正常磨损阶段

3）剧烈磨损阶段

七、切削液的作用

1）冷却作用

2）润滑作用

3）清洗与防锈作用

八、影响刀具寿命的因素

1）切削速度

2）进给量与背吃刀量

3）刀具几何参数的影响

4）工件材料5）刀具材料

九、刀具合理几何参数的选取

前角的功用：

1）影响切削区的变形程度。

2）影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件

3）影响切屑形态和断屑效果

4）影响已加工表面质量

后角的功用：

1）影响后刀面与工件加工表面之间的摩擦

2）影响加工精度

3）影响刃口的强度和刀具的耐用度

十、影响材料切削加工性能的主要因素

1）铸铁切削加工性受到石墨的存在形式、数量、大小的影响。

数量越多越小越好。

2）碳素结构钢切削性主要取决于含碳量

低碳钢塑性好，切削变形大，温度高，易黏刀。

切削加工性不好。

高碳钢硬度大，切削力大，温度高，刀具易磨损，切削加工性差。

3）合金结构钢加入合金元素，其切削性能随之下降。

第三章机床与刀具

一、工艺特点

车削的工艺特点

1）易于保证零件各加工表面位置精度

2）生产效率高

3）生产成本低

4）适于车床加工的材料广泛

钻削的工艺特点（主要加工直径不大精度要求较低的孔）

1）钻头易引偏（孔径扩大或孔轴线偏移和不直的现象）

2）排屑困难

3）切削温度高刀具磨损快

4）主要用于粗加工

镗削的工艺特点

1）加工灵活性大适应性强

2）加工精度高获得的粗糙度值小

3）镗床和镗刀调整复杂，操作技术要求高

拉削的工艺特点

1）生产率高

2）加工精度高粗糙度小

3）拉床结构和操作比较简单

4）拉刀成本高

5）拉削不能纠正孔的位置误差

6）不能加工盲孔深孔阶梯孔及有障碍的外表面

铣削的工艺特点

1）生产率高

2）振动容易产生

3）刀齿散热条件好

4）容易产生振动

5）加工质量中等

二、周铣与端铣的特点与比较

周铣与端铣的比较（平面铣多采用端铣，周铣适应性更广）

1）端铣的切削过程比周铣平稳，有利于提高加工质量

2）端铣可达到较小的表面粗糙度

3）端铣可采用高速铣削，提高了生产效率和加工质量

周铣包括顺铣和逆铣

顺铣：

铣刀的旋转方向与工件的进给方向相同（刀齿切削层厚度由最大减小到零）

逆铣：

铣刀的旋转方向与工件的进给方向相反（刀齿切削层厚度由零增加到最大）

磨削的工艺特点

1）加工精度高，表面粗糙度值小

2）砂轮有自锐作用

3）具有很高的磨削速度

4）具有很高的磨削温度（磨削时需采用冷却液）

5）零件表面变形强化和残余应力严重（背向磨削力较大）

三、磨削的工艺特点

①具有很高的加工精度

②具有很高的磨削速度

③具有很高的磨削温度

④具有很小的切削余量

⑤能磨削硬度很高的材料

⑥砂轮有自锐作用

第四章机械加工精度

一、加工精度概念

加工精度：

零件加工后实际几何参数与理想几何参数的符合程度

加工精度包括

1）尺寸精度（零件直径长度表面间距离尺寸实际值与理想值的符合程度）

2）形状精度（实际形状与理想形状的符合程度）

3）位置精度（实际位置与理想位置的符合程度）

二、获得尺寸精度的方法

1）试切法，通过试切出一小段-测量-调刀-再试切，反复进行，直至达到规定的尺寸再行加工方法。

2）调整法，先调整好刀具位置，然后以不变的位置加工一批零件的方法。

3）定尺寸刀具法，通过刀具的尺寸来保证加工来保证加工表面的尺寸与精度的方法。

4）自动控制法，通过自动测量和数字控制装置，在达到尺寸精度时自动停止加工的方法。

第五章机械加工表面质量

一、表面质量的含义

1）表面的几何特征：

表面粗糙度、表面波度、纹理方向

2）表面层力学物理特性：

表面层加工硬化、金相组织变化、表面层残余应力

二、表面金属金相组织变化

表层金属金相组织变化：

工件表层温度达到或超过金属材料相变温度时，表层金相组织、显微硬度发生变化，并伴随残余应力产生，甚至出现裂纹。

1、磨削烧伤

主要由切削热引起，尤其磨削时负前角切削，加工表面温度急剧升高，产生磨削烧伤，磨削时按照磨削区温度不同：

回火烧伤淬火烧伤退火烧伤

2、磨削裂纹

磨削表面残余拉应力达到材料强度极限，在表层或表面层下产生微裂纹。

裂纹方向常与磨削方向垂直或呈网状，常与烧伤同时出现。

3、磨削烧伤与磨削裂纹的控制

合理选择砂轮（硬↓自锐↑刮擦小）

合理选择磨削用量（ap↓f纵↑V工件↑热作用时间↓）

改善冷却条件（外冷却效果较差，图5-17）

三、磨削烧伤

主要由切削热引起，尤其是磨削时负前角切削，加工表面温度急剧升高

当温升达到相变临界点时，表层金属就会发生金相组织变化，从而使表层强度和硬度降低，产生残余应力，甚至出现微观裂纹。

烧伤形式：

1，退火烧伤2，回火烧伤3，淬火烧伤

影响磨削烧伤的因素：

1，磨削用量2，工件材料3，砂轮特征4，冷却

四、机加工工艺过程及其组成

1，工序

一个或一组工人在一个工作地点，对一个或同时几个工件所连续完成的那一部分工业过程叫工艺。

2，工步与复合工步

在加工表面，切削刀具和切削用量都不变的情况下，所连续完成的那部分工艺过程，称为一个工步。

3，进给

在一个工步内，有些表面由于加工余量太大，或由于其他原因，需用同一把刀具对同一表面进行多次切削。

4，安装

为完成一道或多道工序的加工，在加工前对工件进行定位，夹紧和调整作业称为安装。

5，为了减少工件的安装次数，在加工中长采用各种回转工作台。

生产类型的划分

1）单件生产

2）大量生产

3）成批生产

五、定位基准的选择

基准的概念及分类：

一般把零件上用以确定其他点，线，面得位置所依据的那些点，线，面称为基准。

根据其功用的不同，可分为设计基准和工艺基准两大类。

1，设计基准：

零件图上用以确定其他点，线，面位置的基准，称为设计基准

2，工艺基准：

零件在加工，测量，装配等工艺过程中所使用的基准统称为工艺基准。

①装配基准，在零件或部件装配时用以确定他在部件或机器中相对位置的基准

②测量基准，用以测量工件已加工表面所依据的基准。

③工序基准，在工序图中用以确认被加工表面位置所依据的基准。

④定位基准，用以确定工件在机床上或夹具中位置所依据的基准。

简答题；定位基准的选择

1、粗基准的选择

一般按下列原则选择粗基准：

1）若共建中有不加工表面，则选取该不加工表面为粗基准；若不加工表面较多，则应选取中与加工表面相互为止精度要求较高的表面作为粗基准。

2）若工件所有表面都需加工，在选择粗基准时，应考虑合理分配备加工表面的加工余量。

一般按下列原则选取：

①应以余量最小的表面做粗基准，以保证各表面都有足够的加工余量。

②选择零件上重要表面做粗基准。

③选择零件上那些平整的，足够大的表面做粗基准。

已使零件表面上总的金属切削量减少。

④粗基准应尽量避免重复使用，原则上指只使用一次。

2、精基准的选择

1）基准重合原则，直接选用设计基准为定位基准，称为基准重合原则。

2）基准同一原则，同一零件的多道工序尽可能选择同一个定位基准。

3）自为基准原则，精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，加工时就以加工表面本身作为精基准。

4）互为基准原则，为使个加工表面间有较高的位置精度，或使加工表面具有均匀的加工余量，有时可采取两个加工表面互为基准反加工的方法。

简答题；加工阶段的划分

工艺过程按加工性质和目的的不同可划分为下列几个阶段。

1，粗加工阶段

该阶段主要任务是切除毛坯的大部分加工余量，因此，此阶段的主要目标是提高生产率。

2，半精加工阶段

该阶段任务是减小粗加工后留下的误差和表面缺陷层，使被加工表面达到一定精度，并为主要表面的精加工做好准备。

同时完成一些次要表面的最后加工。

3，精加工阶段

给阶段任务是各主要表面经加工后达到图样的全部要求，因此，此阶段的主要目标是全面保证加工质量。

4，光整加工阶段

对于零件上精度和表面粗糙度要求很高的表面，应安排光整加工阶段。

给阶段主要任务是减小表面粗糙度值，或进一步提高尺寸精度，一般不用于纠正位置误差。

六、工序的集中与分散

工序集中：

使每个工序中包括尽可能多的工步，从而使工序的总数减少

特点：

1）基准统一

1）有利于采用高效机床，节省装夹时间

2）减少生产所需面积

工序分散：

使每个工序中包括相对较少少的工步，从而使工序的总数增加

特点：

1）每个工序使用的设备和工艺装备相对简单，调整、对刀简单

3）对操作工人技术水平要求不高

工序顺序的安排（机加工、热处理）

七、机加工顺序的安排

1）先基准后其他：

先加工基准面面再加工其他表面（利于保证加工精度）

2）先面后孔：

当零件有较大平面可作基准时，先加工面，再以面定位加工孔（面定位稳定，装夹方便。

毛坯面上打孔或镗孔容易引偏或打刀）

3）先主后次：

先加工主要表面再加工次要表面。

（主要表面：

设计基准面、主要加工面。

次要表面：

键槽、螺孔。

主要表面和次要表面之间往往有相互位置要求，常要求主要表面达到加工精度后，再定位加工次要表面）

4）先粗后精：

先粗加工-切掉大量余量，及时发现瑕疵。

后精加工-保证加工后零件的精度

第六章机加工工艺规程制定

一、时间定额

1基本时间2辅助时间3布置工作地时间4休息和生理需要时间5准备与终结时间

第七章机器装配工艺

一、装配精度与零件精度关系

单件自保：

由一个零件的精度，保证某项装配精度的情况。

（A、B平行度）

形成尺寸链：

由多个零件精度保证装配精度。

（封闭环为装配精度，取决于其它环（零件）精度）。

简答题；装配方法

1）完全互换法

工艺特点：

①配合件公差之和小于/等于装配公差；②装配操作简单；便于组织流水作业和维修工作

适用范围：

大批量生产中零件数较少、零件可用加工经济精度制造；或零件数较多但装配精度要求不高时适用

2）大数互换法

工艺特点：

①配合件公差平方和的平方根小于/等于规定的装配公差；②装配操作简单，便于流水作业；③会出现极少数超差件

适用范围：

大批量生产中零件数略多、装配精度有一定要求，零件加工公差较完全互换法可适当放宽；完全互换法适用产品的其它一些部件装配

3）分组选配法

工艺特点：

①零件按尺寸分组，将对应尺寸组零件装配在一起；②零件误差较完全互换法可以大数倍

适用范围：

适用于大批量生产中零件数少、装配精度要求较高又不便采用其它调整装置的场合

4）修配法

工艺特点：

预留修配量的零件，在装配过程中通过手工修配或机械加工，达到装配精度

适用范围：

用于单件小批生产中装配精度要求高的场合

5）调整法

工艺特点：

装配过程中调整零件之间的相互位置，或选用尺寸分级的调整件，以保证装配精度

适用范围：

动调整法多用于对装配间隙要求较高并可以设置调整机构的场合；静调整法多用于大批量生产中零件数较多、装配精度要求较高的场合