机械制造技术基础专升本练习题.docx

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机械制造技术基础专升本练习题

1机械加工工艺系统

工艺系统

机床、夹具、刀具和工件，构成一个机械加工工艺系统，切削过程的各种现象和规律都在这个系统的运动状态中去研究。

2切削运动与切削用量

切削运动

为实现切削过程，工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动，它由金属切削机床来完成。

切削用量三要素：

切削速度vc、进给量f（或进给速度值vf）,还要选定适宜的背吃刀量值ap

3刀具的标注角度参考系（正交主剖面参考系）及标注角度

4刀具工作角度的变化

1）前角γ0

在正交平面内测量，前刀面与基面之间的夹角。

2）后角α0

在正交平面内测量，主后刀面与切削平面之间的夹角。

3）主偏角κr

主切削平面与假定工作平面之间的夹角。

4）副偏角κr’

副切削平面与假定工作平面之间的夹角。

副偏角可减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，减小已加工表面的粗糙度。

副偏角一般为50～150

5）刃倾角λs

在切削平面中测量，主切削刃与基面的夹角。

5刀具材料应具备的性能

（1）高的硬度和耐磨性

（2）足够的强度和韧性

（3）高的耐热性

（4）良好的工艺性

（5）良好的经济性

6切削过程（切屑类型、积屑瘤）

切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区：

第Ⅰ变形区近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；金属的剪切滑移变形；

第Ⅱ变形区与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；金属的挤压摩擦变形；

第Ⅲ变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区；金属的挤压摩擦变形。

屑分为四类：

（1）带状切屑

它是经过上述塑性变形过程形成的切屑,外形呈带状。

切削塑性较高的金属材料,例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金时,常出现这类切屑

2）挤裂切屑

在形成切屑的过程中,剪切面上局部位置处的剪应力τ达到材料的强度极限,使切屑上与前刀面接触的一面较光洁,其背面局部开裂成节状。

切削黄铜或用低速切削钢,较易得到这类切屑。

（3）单元切屑

当剪切面上的剪应力超过材料的强度极限时产生了剪切破坏,使切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。

切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。

（4）崩碎切屑

在切削脆性金属时,例如铸铁、黄铜等材料,切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂,得到的切屑呈不规则的细粒状。

积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块

积屑瘤的形成有许多解释：

通常认为是由于切屑在前刀面上粘结造成的。

当在一定的加工条件下，随着切屑与前刀面间温度和压力的增加，摩擦力也增大，使近前刀面处切屑中塑性变形层流速减慢，产生“滞流”现象。

越贴近前刀面处的金属层，流速越低。

当温度和压力增加到一定程度，滞流层中底层与前刀面产生了粘结。

当切屑底层中剪应力超过金属的剪切屈服极限时，底层金属流速为零而被剪断，并粘结在前刀面上。

该粘结层经过剧烈的塑性变形使硬度提高，在继续切削时，硬的粘结层又剪断软的金属层。

这样层层堆积，高度逐渐增加，形成了积屑瘤。

长高了的积屑瘤，受外力或振动的作用可能发生局部断裂或脱落。

有些资料表明积屑瘤的产生、成长和脱落是在瞬间内进行的，它们的频率很高，是个周期性的动态过程

形成积屑瘤的条件：

是切屑底层与前刀面发生冷焊的结果。

主要决定于切削温度。

在切削温度很低时,故不易形成粘结；

在温度很高时,润滑，积屑瘤同样不易形成。

在中温区，例如切削中碳钢的温度在300～380℃时，切屑底层材料软化，粘结严重，摩擦系数μ最大，产生的积屑瘤高度达到很大值。

此外，接触面间压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。

合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域，就能较有效地抑制或避免积屑瘤的产生。

以切削中碳钢为例，从图示的曲线可知，低速（vc≤3m/min左右）切削时，产生的切削温度很低；较高速（vc＞60m/min）切削时，产生的切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均小，故不易形成积屑瘤。

在中速（vc≈20m/min），积屑瘤的高度达到最大值。

为了抑制积屑瘤，通常选用中等以上切削速度加工。

同时，切削塑性高的材料，需选用高的切削速度才能消除积屑瘤。

积屑瘤的特性：

硬度高，为母体金属的2-3倍，积屑瘤具有形成、长大、脱落的周期过程；积屑瘤效果：

粗加工时可以利用积屑瘤，可代替刀尖参加切削，增加刀具的耐用度，；

精加工时应限制积屑瘤的产生。

由于积屑瘤会改变刀具的尺寸，影响加工精度，同时积屑瘤的脱落，会留在已加工表面上，会使工件的表面粗糙度增大。

7切削力的合成和分解，各分力的作用

主切削力Fz主运动切削速度方向的分力；

切深抗力Fy切深方向的分力；

进给抗力Fx进给方向的分力。

主切削力Fz是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率。

切深抗力Fy不消耗功率，但在机床—工件—夹具—刀具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。

进给抗力Fx消耗了总功率5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。

8切削用量对切削温度的影响

切削用量是影响切削温度的主要因素。

切削用量对切削温度影响规律是：

切削用量ap、f和vc增大，切削温度增加，其中切削速度vc对切削温度影响最大，进给量f次之，切削深度ap影响最小，

当切削用量ap、f和vc增大时，变形和摩擦加剧，切削功增大，故切削温度升高。

背吃刀量ap增大后，切屑与刀具接触面积以相同比例增大，散热条件显著改善；

进给量f增大，切屑与前刀面接触长度增加，散热条件有所改善；

切削速度增高，虽切削力减少，但切屑与前刀面接触长度减短，故散热较差。

切削用量对切削温度的影响，就是由生热与散热两方面作用的结果。

由此可见，在金属切除率相同的条件下，增大切削深度ap或给进量f比增大切削速度vc更有利。

9刀具磨损形式，刀具磨损原因（注意区别）

（1）正常磨损

正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐产生的磨损。

①后刀面磨损②前刀面磨损③前后刀面同时磨损

在生产中，较常见到的是后刀面磨损，尤其是在切削脆性金属和切削厚度hD较小情况下。

月牙洼磨损通常是在高速、大进给（f＞0.5mm）切削塑性金属时产生的。

（2）非正常磨损

非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象。

其中有：

①破损:

在切削刃或刀面上产生裂纹、崩刃或碎裂。

②卷刃:

切削时在高温作用下，使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象

刀具磨损原因

（1）磨粒磨损

在切削过程中,刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。

这主要由于“磨粒”的切削作用造成的。

构成这些“磨粒”硬质点的来源,是切屑底层和切削表面材料中含有氧化物

磨粒磨损对高速钢作用较明显。

（2）粘结磨损

是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成的，通常剪切破坏在较软金属一方，但刀面受到摩擦压力和温度连续作用下使强度降低，也会破坏。

此外，当前刀面上粘结的积屑瘤脱落时，带走了刀具材料，也形成粘结磨损。

低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。

（3）扩散磨损

切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。

扩散磨损是一种化学性质的磨损

（4）相变磨损

当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发生变化。

如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。

相变磨损造成了刀面塌陷和刀刃卷曲。

（5）氧化磨损

氧化磨损是一种化学性质的磨损。

在主、副切削刃与切削层金属表面接触处，硬质合金中WC、Co与空气介质中O2化合成脆性、低强度的氧化膜WO2，该膜受到了工件表面中氧化皮、硬化层等摩擦和冲击作用，形成了边界磨损。

10刀具耐用度，切削用量对刀具耐用度的影响

刀具耐用度是指刃磨后的刀具从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所用的切削时间。

用T分钟表示。

刀具耐用度还可以用达到磨钝标准所经过的切削路程lm或加工出的零件数N表示。

刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。

利用刀具耐用度来控制磨损量VB值，比用测量VB来判别是否达到磨钝标准要简便。

1）切削用量的影响

切削用量vc、f和ap对刀具耐用度的影响规律如同对切削温度的影响规律。

即vc、f和ap增大，使切削温度提高、刀具耐用度下降，其中vc影响最大，其次f，ap最小。

根据vc、f和ap对T的影响程度可知，当确定刀具耐用度合理数值后，应首先考虑增大ap、其次增大f，然后根据T、ap和f的值计算出vT，这样既能保持刀具耐用度又能发挥刀具切削性能，提高切削效率。

11切削液的作用和分类

切削液主要用来减少切削过程中的摩擦和降低切削温度。

合理使用切削液，对提高刀具耐用度和加工表面质量、加工精度起重要的作用。

（1）冷却作用

切削液浇注在切削区域后，通过切削热的传导、对流和汽化，使切屑、刀具和工件的热量散逸起到冷却作用。

冷却的主要目的是使切削区切削温度降低，尤为重要的是降低前刀面上最高温度。

通常采用的从前刀面上方往下浇注切削液的方法，由于受切屑排出的影响，冷却效果并不最好。

（2）润滑作用——边界润滑原理

切削液的润滑作用是通过切削液渗透到刀具与切屑、工件表面之间形成润滑膜而达到的。

由于切削时各接触面间具有高速、高温、高压和粘结等特点，故切削液的渗透作用是较困难的。

（3）洗涤与防锈作用

浇注切削液能冲走在切削过程中留下的细屑或磨粒，从而能起到清洗、防止刮伤加工表面和机床导轨面的作用

分类

（1）水溶液

水溶液主要起冷却作用。

由于水的导热系数、比热和汽化热均较大，故水溶液就是以水为主要成分并加入防锈添加剂的切削液。

电解水溶液是在水中加入各种电解质，能渗透至表面油膜内部起冷却作用，它主要用在磨削、钻孔和粗车等情况下；

表面活性水溶液是水中加入皂类、硫化蓖麻油等表面活性物质，用以增强水溶液的润滑作用，常用于精车、精铣和铰孔等。

（2）切削油

切削油主要起润滑作用。

它们中有10号和20号机油、轻柴油、煤油、豆油、菜油和蓖麻油等矿物油和动、植物油。

但由于动、植物油用于食用，且易变质，故较少使用。

普通车削、攻丝可选用机油。

在精加工有色金属和铸铁时，为了保证加工表面质量，常选用粘度小、浸润性好的煤油或煤油与矿物油的混合物。

3）乳化液

乳化液是在切削加工中使用较广的切削液，它是由水和油混合而成的液体，常用它代替动植物油。

由于油不能溶于水，为使二者混合，须添加乳化剂。

乳化剂主要成分为蓖麻油、油酸或松脂，它呈液体或油膏状。

利用乳化剂分子的二个头中一头亲水、另一头亲油的特点使水和油均匀地混合。

浓度低的乳化液含水比例多，主要起冷却作用，适用于粗加工和磨削；

浓度高的乳化液，主要起润滑作用，适用于精加工。

（4）极压切削油和极压乳化液

在切削油或乳化液中加入了硫、氯和磷极压添加剂后，能在高温条件下显著提高冷却和润滑效果，特别在精加工、关键工序和难加工材料切削时尤为需要。

12刀具几何角度的选择（不同材料，不同零件，不同加工环境等等情况）

前角影响切削过程中的变形和摩擦，同时又影响刀具的强度。

（1）增大前角，使切削变形和摩擦减小，从而降低切削力、切削温度和功率消耗，抑制积屑瘤的产生，减轻切削振动，改善加工质量，并提高刀具耐用度。

（2）增大前角会使楔角减小，一方面使刀刃强度降低，容易造成崩刃，另一方面使刀头散热面积减小，能容纳热量的体积减小，使切削温度增高，使刀具容易破损和磨损。

如下页图。

可见，前角太大或太小，刀具耐用度都较低。

在一定的加工条件下，存在一个合理前角，此时刀具耐用度为最大

前角选择原则：

（1）刀具的前角取决于工件材料的种类和性质。

1）加工塑性材料（钢）,应选较大γo,加工脆性材料（铸铁）应选较小γo；

2）工件材料的强度，硬度较高时，切削力大，刀具易崩刃,宜选较小的γo，有时使用-γo；

3）加工易产生变形的工件材料，或工艺系统刚性差，而易引起切削振动或机床功率不足，应选较大的γo减小切削力。

（2）选择前角时还应考虑具体加工条件。

1）粗加工，特别是断续加工时，切削力和冲击较大，为保证切削刃有足够的强度，选小γo。

（刨削时，有时还采用-γo）

2）精加工时，对切削力要求较低，为使刀刃锋利，降低F，以减小工件变形和降低表面粗糙度，选大γo

1、后角的作用规律：

a、减小后角，会加剧后刀面与加工表面间摩擦，使刀具磨损加大，加工表面冷硬程度增加、质量变差。

b、减小后角，刀具强度高，散热性能好;在磨损量VB相同条件下，小后角刀具经重磨后，刀具材料损耗小，图（a）、（b）所示

2、后角选择原则是：

a、精加工时,为保证工件的表面质量减轻刀具与工件的磨损，可适当增大后角αo；

b、当工件材料的强度和硬度较高时,为了提高切削刃的强度，可选择较小的αo；

c、当工艺系统刚性较差时，防止出现振动，应适当减小αo。

主偏角、副偏角的功用与选择

主偏角κr主要影响切削宽度bD和切削厚度hD的比例并影响刀具强度。

主偏角κr减小，使切削宽度bD增大、刀尖角εr增大、刀具强度高、散热性能好，故刀具耐用度高。

但会增大切深抗力，引起振动和加工变形。

此外，增大主偏角κr是控制断屑的一个重要措施。

主偏角κr选择的原则主要是：

在工艺系统刚性不足的情况下，为减小切削力，选取较大的主偏角。

在加工强度高、硬度高的材料时，为提高刀具耐用度，选取较小主偏角。

根据加工表面形状要求选取，如车削台阶轴取κr≤90°，车外圆又车端面取κr=45°、镗盲孔取κr＞90°等。

副偏角κr’影响加工表面粗糙度和刀具强度。

通常在不产生摩擦和振动条件下，应选取较小的副偏角。

刃倾角的功用与选择

刃倾角λs主要影响切屑的流向和刀具强度。

刃倾角λs的选择原则是：

主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。

如图所示，在带间断或冲击振动切削时，选-λs能提高刀头强度、保护刀尖；许多大前角刀具常配合选用负的刃倾角来增加刀具强度;

13切削用量的合理选择

切削用量选择原则

要提高生产效率，应尽量增大切削用量ap、f和vc。

事实上，在提高切削用量时会受到切削力、切削功率、刀具耐用度和加工表面粗糙度等许多因素的限制。

确定切削用量的原则应该是：

能达到零件的质量要求（主要指表面粗糙度和加工精度）并在工艺系统强度和刚性允许条件下及充分利用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下选取一组最大切削用量。

①生产效率切削用量ap、f和vc增大，切削时间减小。

当加工余量一定时，减小背吃刀量ap后，使走刀次数增多，切削时间成倍增加，生产效率成倍降低，所以，一般情况下尽量优先增大ap，以求一次进刀全部切除加工余量。

②机床功率切削用量对功率的影响是由于使切削力与切削速度变化造成的。

当背吃刀量ap和切削速度vc增大时，均使切削功率成正比增加，此外，增大背吃刀量ap、使切削力增加多，而增大进给量f使切削力增加较少、消耗功率也较少。

所以，在粗加工时，应尽量增大进给量f是合理的。

③刀具耐用度在切削用量参数中,对刀具耐用度影响最大的是切削速度vc,其次是进给量f,影响最小的是背吃刀量ap，过高的切削速度和大的进给量,会由于经常磨刀、装卸刀具而增加费用、提高加工成本。

可见,优先增大背吃刀量ap不只是达到高的生产率,相对vc与f来说对发挥刀具切削性能、降低加工成本也是有利的。

　④表面粗糙度这是在半精加工、精加工时确定切削用量应考虑的主要原则。

在较理想的条件下,提高切削速度vc能降低表面粗糙度值。

而在一般条件下，提高背吃刀量ap对切削过程产生的积屑瘤、鳞刺、冷硬和残余应力的影响并不显著，故提高背吃刀量对表面粗糙度影响较小。

所以,加工表面粗糙度主要限制的是进给量f的提高。

综上所述，合理选择切削用量，应该首先选择一个尽量大的背吃刀量ap，其次选择一个大的进给量f，最后根据已确定的和ap和f，并在刀具耐用度和机床功率允许条件下选择一个合理的切削速度vc。

14金属切削机床的分类、型号及主要技术参数

1、基本分类方法

机床主要是按加工方法和所用刀具进行分类，根据国家制订的机床型号编制方法，机床共分为：

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、特种机床、锯床和其它机床。

2、其他分类方法

按万能程度分:

通用机床、专门化机床、专用机床；

按工作精度分：

普通精度机床、精密机床、高精度机床；

按重量和尺寸分：

仪表机床、中型机床、

大型机床（质量＞20t）、

重型机床（质量＞30t）、

超重型机床（质量＞100t）；

按机床主要器官数目分：

单轴、多轴、单刀、多刀机床等；

按自动化程度分：

普通、半自动、自动机床。

主要技术参数包括:

主参数和基本参数

基本参数包括:

尺寸参数、运动参数和动力参数。

尺寸参数

是指机床的主要结构尺寸。

尺寸参数确定后，机床上所能加工（或安装）的最大工件尺寸就已确定。

它与所设计机床能加工工件的尺寸有关。

例如：

卧式车床CA6140，主参数:

床身上工件最大回转直径400mm，

第二主参数:

最大工件长度750;1000;1500;2000mm，

刀架上最大工件回转直径:

210mm。

运动参数

指机床执行件的运动速度,包括主运动的速度范围、速度数列和进

给运动的进给量范围、进给量数列，以及空行程的速度等。

包括：

主运动参数、进给运动参数。

（1）主运动参数

①主轴转速

对主运动作回转运动的机床，其主运动参数是主轴转速。

n=1000v/πd

式中n-----转速（r/min），v-----切削速度（m/min），

d------工件或刀具直径（mm）

（2）进给运动参数

大部分机床（如车床、钻床等）的进给量用工件或刀具每转的位移

（mm/r）表示。

直线往复运动的机床，如刨床、插床，以每一往复的位移量表示。

铣床和磨床使用的是多刃刀具，进给量常以每分钟的位移

（mm/min）表示。

3.1.3.3动力参数

机床的动力参数是指驱动主运动、进给运动和空行程运动的电动机

功率。

①主传动功率

P主=P切+P空+P附

a）切削功率P切

与加工情况、工件和刀具材料及切削用量的大小有关。

P切=Fz*Vc/60000kw

15工件表面成形方法

①轨迹法

指的是刀具切削刃与工件表面之间为近似点接触，通过刀具与工件之

间的相对运动，由刀具刀尖的运动轨迹来实现表面的成形。

采用轨迹法

形成发生线时，需要一个独立的成形运动。

②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

表面的一条发生线完全相同，另一条发生线由刀具与工件的相对运动来

实现。

③展成法

是指对各种齿形表面进行加工时，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），齿形表面的母线

是切削刃各瞬时位置的的包络线。

用范成法形成发生线需要一个独立的

成形运动。

④相切法

利用刀具边旋转边做轨迹运动对工件进行加工的方法。

采用相切法生成发生线时，需要两个相互独立的成形运动。

16机床运动分析（简单成形运动与复合成形运动，内外联系传动链）

如果一个独立的成形运动，是由单独的旋转运动或直线运动构成的，则此成形运动称为简单成形运动。

如果一个独立的成形运动，是由两个或两个以上旋转运动或（和）直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成，则称此成形运动为复合成形运动。

①外联系传动链联系动力源与执行机构之间的传动链。

它使执行件获得一定的速度和运动方向。

外联系传动链中可以有摩擦传动等传动比不准确的传动副（链传动、带传动）。

如普通车床在电动机与主轴之间的传动链就是外联系传动链。

②内联系传动链 联系一个执行机构和另一个执行机构之间运动的传动链。

因此，内联系传动链的传动比必须准确，不应有摩擦传动或瞬时传动比变化的传动副（如皮带传动和链传动）。

车削螺纹时，保证主轴和刀架之间的严格运动关系的传动链就是内联系传动链。

17机床的传递原理图

18Ca6140车床的主要用途技术性能

（1）工艺范围：

它适用于加工各种轴类，套筒类和盘类零件上的回转表

面，如：

内圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转表面；端面及各种常用螺

纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔和滚花等工艺。

机床的主要技术性能：

加工的圆柱度,圆度的精度为0.01,表面粗糙度Ra1.25～2.5微米；

床身上最大工件回转直径----------------------------------400mm

最大工件长度--------------------------750；1000；1500；2000mm

刀架上最大工件回转直径----------------------------------210mm

主轴内孔直径为48mm

主轴转速：

正转    24级---------------------------10～1400r/min

反转   12级---------------------------14～1580r/min

进给量：

纵向    64级---------------------------0.028～6.33mm/r

横向    64级---------------------------0.014～3.16mm/r

车削螺纹范围：

米制螺纹   44种--------------------P=1～192mm英制螺纹   20种--------------------α=2～24牙/in模数螺纹   39种--------------------m=0.25～48mm

径节螺纹   37种--------------------DP=1～96牙/in主电动机功率：

-----------------------7.5kW

19.Ca6140的主传动系统分析

20.磨床的种类和运动分析

磨床种类很多,其主要类型有:

外圆磨床,内圆磨床,平面磨床,工具磨床，刀具和刃具磨床及各种专门化磨床.如曲轴磨床、凸轮磨床、齿轮磨床、螺纹磨床等。

此外还有珩磨机,研磨机和超精加工机床等。

外圆磨床

主要用于磨削内,外圆柱和圆锥表面,也能磨阶梯轴的轴肩和端面,可获得IT6-IT7及精度Ra在1.25--0.08μm之间。

外圆磨床的主要类型有：

普通外圆磨床、万能外圆磨床，无心外圆磨床、宽砂轮外圆磨床和端面外圆磨床等 。

主参数:

最大磨削直径。

万能型外圆磨床加工各种典型表面时，机床各部件的相对位置关系和所需要的各种运动：

无心外圆磨床

工作原理

①工件放在砂轮和导轨之间,由托板支撑进行磨削。

而由工件的被磨削外圆面作为定位面；

②导轮是用树脂或橡胶为粘结剂制成的刚玉砂轮，不起磨削作用，它与工件之间的磨擦系数较大，靠摩擦力带动工件旋转，实现圆周进给运动；

③导轮的线速度在10～50m/min范围内。

砂轮的转速很高1800m/min，从而在砂轮和工件间形成很大的相对速度，即磨削速度；

④为了避免磨削出棱圆形工件，工件的中心应高于磨削砂轮与导轮的中心连线（