精加工外表面零件浅析本科学位论文.docx
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精加工外表面零件浅析本科学位论文
精
加
工
外
表
面
零
件
浅
析
目录
摘要II
AbstractIII
前言1
一、切削过程的基本知识1
1.1金属切削运动和切削要素1
1.2切削刀具2
1.3刀具磨损和切削液选择3
1.4切削过程的物理现象3
1.5刀具几何参数与切削用量选择4
二、零件外表面加工方法的选择6
2.1分析轴零件图6
2.2确定加工方法并划分加工阶段7
2.3制定加工工艺7
三、影响加工精度的因素10
3.1加工原理误差10
3.2工艺系统的静误差10
3.3工艺系统的动误差11
四、提高加工精度的途径12
4.1直接减少或消除误差12
4.2补偿和抵消误差12
4.3均分与均化误差13
4.4转移变形和转移误差13
4.5加工过程主动控制误差13
4.6就地加工，保证精度13
五、精加工外表面的意义14
5.1精加工对机器装配的意义14
5.2新加工技术的的产生14
结论16
参考文献17
致谢词18
诚信声明19
摘要
机器零件的结构形状尽管多种多样，但均由一些基本表面组成，每一种表面又有许多种加工方法，正确的选择加工方法，对保证质量提高生产效率和降低成本有着重要的意义。
外表面的加工在机器零件的制造中是很常见的，根据外表面的尺寸、材料及加工要求不同，可选择不同的加工方法。
金属切削加工是最常见的切削加工。
就是利用刀具切除工件毛坯上多余的金属层，以获得具有一定加工精度和表面质量的机械零件的加工方法，它是机械制造工业中应用最广泛的一种加工方法。
本文将对组成零件的基本表面的加工方法进行分析，精加工是加工阶段最重要的一步，为保证各主要表面达到图纸规定的质量要求起着关键的作用。
关键词：
零件外表面切削运动精加工加工工艺
Abstract
Machinepartsstructureandshape,althoughvaried,butbysomeofthebasicsurfacecomposition,eachtypeofsurface,therearemanykindsofprocessingmethods,thecorrectchoiceofprocessingmethods,toensurethequalitytoincreaseproductivityandreducecostshasimportantsignificance.Metalcuttingisthemostcommonmachining.Istheuseofknivesontheremovalofexcessblankpieceofmetallayerstoobtainwithacertainmachiningaccuracyandsurfacequalityofthemechanicalpartsoftheprocessingmethod,whichisthemachinerymanufacturingindustrythemostwidelyusedasaprocessingmethod.Thispaperwillformpartofthebasicanalysisofthesurfaceprocessingmethods,finishingtheprocessingstageofthemostimportantstep,inordertoensurethatallofthemajorsurfacetoachievethequalityrequirementsoftheprovisionsofdrawingsplayakeyrole.
Keywords:
PartoutsidesurfaceCuttingSportsFinishmachiningProcessing
前言
随着现在制造技术的迅速发展，机械加工方式层出不穷，但是使刀具与工件坯料处于一定的相对位置并发生相对运动的切削加工方式，仍是主要的机械加工方式。
在我国，机械制造工业特别是装备制造业处于制造工业的中心地位，是国民经济持续发展的基础，是工业化、现代化建设的发动机和动力源，是参与国际竞争取胜的法宝，是技术进步的主要舞台，更是发展现代文明的物质基础。
虽然传统和现代先进的切削加工的方式繁多，但都有共同的现象与规律，因此学习和掌握切削运动、切削刀具及切削时的物理现象是掌握机械加工和其他各种精加工的基础，对有效控制金属的切削过程、保证加工精度和表面质量、提高切削效益、降低生产成本、促进切削加工技术的发展等有着十分重要的指导意义。
一、切削过程的基本知识
金属切削加工是最常见的切削加工。
金属切削加工就是利用刀具切除工件毛坯上多余的金属层，以获得具有一定加工精度和表面质量的机械零件的加工方法，它是机械制造工业中应用最广泛的一种加工方法。
1.1金属切削运动和切削要素
机器零件形状很多，但主要由外表面、内圆（孔）面、平面和成形面等基本表面组成。
这些表面可以认为是由某一形状的母线作一定轨迹的运动而形成的。
如外圆面和孔都是以一直线为母线，以圆为轨迹旋转运动所形成的。
根据母线与圆心轴线位置的不同，相对位置又可形成圆柱面、圆锥面和端平面等。
这些母线和运动轨迹，都是通过刀具与工件之间的相对运动来实现的。
根据切削过程中作用的不同，切削运动可分成主运动和进给运动。
主运动主要完成切削运动，通常它的速度最高，消耗功率最大。
在一种加工方式中主运动只有一个。
进给运动指的是使切削连续进行的运动，进给运动可有一个或一个以上。
在切削过程中，工件上有三个不断变化的表面即：
待加工表面、已加工表面、过渡表面。
待加工表面是有待切除的表面，已加工表面是经刀具切削后形成的表面，过渡表面是正由刀具切削刃形成的那部分表面。
针对不同的工件材料、刀具材料和其他技术要求，切削加工过程中应选择适宜的切削速度、进给量和背吃刀量。
切削速度、进给量和背吃刀量通常称为切削用量。
切削速度c是切削刃上选定点相对于工件的主运动的线速度，单位为m／s（或m／min）车削时切削速度的计算公式c=dn／1000其中n表示主轴的转速，d表示刀具或工件的最大直径。
进给量f是指当主运动旋转一周时，刀具沿进给方向上的位移量，单位为mm／r。
进给量的大小反映了进给速度f（单位mm／min）的大小，两者关系为f=nf
背吃刀量p是工件上待加工表面和已加工表面间的垂直距离。
外圆车削的背吃刀量为p=Dw-Dm／2其中Dw表示待加工表面，Dm表示已加工表面。
1.2切削刀具
切削过程中刀具是直接完成切削工作的，一般都由切削部分和夹持部分。
夹持部分是用来将刀具夹持在机床上，传递所需的运动和动力，保证刀具有正确的工作位置，并夹固可靠，装卸方便。
切削部分是直接参与切削的，它的材料、几何角度与结果决定了刀具切削性能的优劣。
由于刀具切削时要经历高温、高压、高摩擦和强的冲击和振动，所以刀具材料必须具备高硬度、足够的强度和韧性、高的耐磨性好、高的耐热性和良好的工艺性。
由于目前还没有一种刀具能完全满足以上要求，因此必须了解常用刀具和新型刀具材料的性能特点，以便根据工件材料切削性能和加工要求选取合适的刀具。
常用的刀具材料种类有：
碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金与陶瓷材料等。
高速钢是含有较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。
高速钢制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适合于制造各类刀具，尤其适于结构复杂的成型刀具及钻头、丝锥、铣刀、拉刀、齿轮刀等形状复杂的刀具。
硬质合金是高硬度、难熔的金属碳化物和金属黏结剂在高温条件下烧制而成。
在800℃1000℃时硬质合金还能进行切削，刀具寿命比普通高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的许多种材料。
用作制刀具的陶瓷材料主要有氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷。
陶瓷材料制作的刀具硬度可达9095HRA，耐热温度高达1200℃1400℃，能承受的切削速度比硬质合金还要高，但抗弯强度低、冲击韧性差，目前主要应用于半精加工和精加工高硬度高强度刚及冷硬铸铁等材料。
1.3刀具磨损和切削液选择
切削时刀具在高温条件下，受到工件、切削的摩擦作用，刀具材料被逐渐磨耗或出现其他形式的破坏。
当磨损量达到一定程度时，切削力加大，切削温度上升，切屑形状和颜色改变，甚至产生振动，不能继续正常切削。
因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。
刀具磨损是指刀具与工件或切削的接触面上，刀具材料的微粒被切削或工件带走的现象，这种现象成为刀具的正常磨损。
若由冲击、振动、热效应等原因使刀具崩刃、碎裂而损坏，这种现象被称为非正常磨损，造成的形式主要有前刀面磨损、后刀面磨损、前后刀面同时磨损。
另外，刀具通常都有一定的磨钝标准，刀具磨钝后将影响切削力、切削温度好和加工质量，因此必须根据规定最大的允许磨钝标准来选择更换刀具。
在切削过程中，如果合理的选用切削液也可以减小刀具与切屑、刀具与加工表面的摩擦，降低切削力和切削温度，减小刀具磨损、提高加工表面的质量。
金属切削加工中最常用的切削液可分为水溶液、切削油和乳化液。
切削液主要起冷却和润滑作用，同时还具有清洗和防锈的功用。
根据切削液的性能不同，在精加工时，如果加工的是钢件材料，切削液应选择具有良好的润滑性能和冷却性能。
高速钢车刀在中低速度下，应选择极压切削油或高浓度极压乳化液。
硬质合金刀具在精加工时应选择低浓度的乳化液或水溶液，但必须连续充分地浇注以免因冷热不均产生很大的热效应使刀具因热裂而损坏。
1.4切削过程的物理现象
金属在切削过程中会产生切削变形、切削热、切削力、积屑溜和刀具磨损等物理现象。
通过对这些现象的研究可以合理使用和设计刀具、夹具和机床，保证加工质量，减少能量消耗，提高生产率和促进生产技术发展都有很重呀的意义。
金属切削过程一般经历弹性变形和塑性变形这两个阶段。
然后发生挤裂和切离，在切离的过程中，切屑一般分为带状切屑、挤裂切屑、单元切削和崩碎这四种。
同一工件，切屑的类型可以随着切削条件的不同而改变，在生产实践中，常根据具体情况选取不同的措施来得到需要的切屑，以保证切削加工顺利的进行。
在切削加工时，会有积屑溜的产生，这是由于切屑与前刀面的剧烈的摩擦、黏结而形成的。
当切屑沿前刀面流出时，在高温和高压的作用下，切屑层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流动速度降低，形成“滞流层”。
当滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑本身分子的结合力时，就会有一部分金属黏结在刀刃附近形成积屑瘤。
积屑瘤形成后不断长大，达到一定程度又会破裂，切屑带下或嵌附在工件表面上，影响表面粗糙度。
但是在粗加工时对精度和粗糙度要求不高时，如皋积屑瘤能稳定生长，则可以代替刀具进行切削，保护刀具，同时减小切削变形；精加工时则应避免积屑瘤的产生。
切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需要的力称为切削力。
切削力的来源主要有两方面，一方面是切屑形成的过程中，弹性变形和塑性变形产生的抗力。
另一方面，切屑和刀面的摩擦阻力及工件和刀具的后刀面的摩擦阻力。
通过对这些力的分析，可以计算出切削效率，设计刀具、机床和机床夹具以及制定切削用量。
由于切削过程比较复杂，影响因素多，生产中常用经验公式Fc=Kc﹒Ad来计算切削力，其中，Fc表示切削力，Kc表示切削层单位面积切削力，Ad表示切削层公称横截面积。
切削功率用Pm=Fc﹒Vc计算，Vc表示切削速度。
1.5刀具几何参数与切削用量选择
刀具几何参数和切削用量的合理选择，对保证质量，提高生产率，降低成本有着重要的意义。
刀具几何参数可分为两类：
一类是刀具几何角度，一类是刀具刃型尺寸参数。
在保证加工质量的前提下，刀具几何参数选择时应考虑以下一些因素，首先是工件材料，要考虑工件材料的化学成分，制造方法，热处理状态，物理和机械性能，还有毛坯表层情况、工件的形状尺寸、精度和表面的质量要求。
其次是刀具材料和刀具结构，除了考虑刀具的材料的化学成分、物理性能和机械性能外，还要考虑刀具的结构形式，如整体式还是焊接式或机夹式。
最后还要考虑具体的加工条件，如夹具和机床的选择，工艺系统的刚性和功率大小等。
一般来说，粗加工时，着重考虑保证最大的生产率；精加工时，主要考虑保证加工精度和已加工表面的质量要求；对于自动线生产的刀具，主要考虑刀具工作的稳定性，有时还要考虑断屑问题；机床钢性和动力不足时，刀具应力求锋利，以减少切削力和振动。
刀具的角度分为前角、后角、主偏角和副偏角。
一般来说，增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减少切削力和切削热。
前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定的影响。
增大前角还可以抑制积屑瘤的产生，改善已加工表面的粗糙度。
但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具的使用寿命。
增大后角，可以减小刀具与已加工表面的摩擦，减小刀具磨损还可使切削刃钝圆半径减小，刀尖锋利，提高工件表面质量。
但后角过大，会使刀楔角显著减小，减弱切削刃的强度，使容热体积减小、散热条件变差，降低刀具耐用度。
因此，后角也存在一个合理值，即粗加工以确保刀具强度为主，可在4o～6o选取；精加工以加工表面为主，常取8o～12o。
主偏角的大小影响刀具耐用度、背向力与进给力的大小。
减小主偏角能提高刀刃强度、改善散热条件，并使切削层厚度增加，减轻单位长度刀刃上的负荷，从而有利于提高刀具的耐用度；而增大主偏角，则有利于减小背向力，防止工件变形，间隙加工过程中的振动和工件的变形。
主偏角的选择原则是在保证表面加工质量和刀具耐用度的前提下，尽量选用较大值。
另外，加工细长轴时由于工艺系统刚度差，应选用较大的主偏角，以减小背向力。
加工强度、硬度高的材料时，切削力大，工艺系统刚度好时，应选用较小的主偏角，以增大散热面积，提高刀具耐用度。
副偏角影响刀具的耐用度和已加工表面的粗糙度。
增大副偏角，可减小切削刃与已加工表面的摩擦，防止切削时产生振动。
减小副偏角有利于降低已加工表面的残留高度，降低已加工表面的粗糙度，但会加剧副后刀面与已加工表面的摩擦。
副偏角的选择是在保证表面质量和刀具耐用度的前提下，尽量选用较小值。
切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、生产成本等有着非常重要的影响。
所谓合理的切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。
切削用量的选择原则是：
能达到零件质量要求，并在工艺系统的强度和刚度允许的条件下充分利用机床的功率和发挥刀具切削性能的前提下，选取一组最大的切削用量。
一般情况下，粗加工时应尽量选择大的进给量，因为背吃刀量和切削速度增大时，均会使切削功率成正比增加，进给量对切削功率影响较小。
精加工时，增大进给量将增大加工表面的粗糙度。
因此，它是精加工时抑制生产率提高的主要因素。
在较理想的情况下，提高切削速度能降低表面粗糙度值，背吃刀量对表面粗糙度的影响较小。
切削用量三要素对刀具寿命的影响最大是进给速度、其次是进给量，最后是背吃刀量。
因此切削用量的选择应综合考虑，这样才能提高生产效率，创造更好的经济效益。
二、零件外表面加工方法的选择
2.1分析轴零件图
图2-1传动轴
外圆表面是构成零件的基本表面，如轴类、套类和盘类零件是具有外圆表面的典型零件。
外圆表面的加工在机器零件的制造中是最常见的，根据外圆表面的尺寸、材料及加工要求不同，可选择不同的加工方法确保加工精度和质量。
下面将以典型轴类零件的加工为例说明加工方法的选择。
如图2-1所示零件是减速器中的传动轴。
它属于台阶轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、砂轮越程槽和键槽等组成。
轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用是使零件装配时有一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传递转矩；螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。
根据工作性能与条件，该传动轴图样规定了主要轴颈M，N，外圆P、Q以及轴肩G、H、I有较高的尺寸、位置精度和较小的表面粗糙度值，并有热处理要求。
这些技术要求必须在加工中给予保证。
因此，该传动轴的关键工序是轴颈M、N和外圆P、Q的加工。
2.2确定加工方法并划分加工阶段
传动轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。
由于该传动轴的主要表面M、N、P、Q的公差等级（IT6）较高，表面粗糙度Ra值（Ra=0.8um）较小，故车削后还需磨削。
因此该外圆表面加工方法可选粗车半精车磨削。
由于该零件对精度要求较高，粗、精加工应分开，才能保证零件的质量。
该传动轴加工划分为三个阶段：
粗车（粗车外圆、钻中心孔等），半精车（半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等），粗、精磨（粗、精磨各处外圆）。
各阶段划分大致以热处理为界。
2.3制定加工工艺
轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。
对于传动轴，正火、调质和表面淬火用得较多。
该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆之后，半精车各外圆之前。
综合上述分析，传动轴的工艺路线如下：
下料车两端面，钻中心孔粗车各外圆调质修研中心孔半精车各外圆，车槽，倒角车螺纹画键槽加工线铣键槽修研中心孔磨削检验
表2-1传动轴机械加工工艺卡
机械加工工艺卡
产品名称
图 号
零件名称
传动轴
共1页
第1页
毛坯种类
圆钢
材料牌号
45钢
毛坯尺寸
￠60mm×265mm
序号
工种
工步
工序内容
设备
工 具
夹具
刃具
量具
1
下料
￠60mm×265mm
2
车
三爪自定心卡盘夹持工件毛坯外圆
车床
1
车端面见平
C6140
2
钻中心孔
中心钻
￠2mm
用尾座顶尖顶住中心孔
3
粗车￠46mm外圆至￠48mm，长118mm
4
粗车￠35mm外圆至￠37mm，长66mm
5
粗车M24mm外圆至￠26mm，长14mm
调头，三爪自定心卡盘夹持￠48mm处
（￠44mm外圆）
6
车另一端面，保证总长250mm
7
钻中心孔
用尾座顶尖顶住中心孔
8
粗车￠52mm外圆至￠54mm
A
粗车￠35mm外圆至￠37mm，长A3mm
10
粗车￠30mm外圆至￠32mm，长36mm
11
粗车M24mm外圆至￠26mm，长16mm
12
检验
3
热
调质处理220～240HBS
4
钳
修研两端中心孔
车床
5
车
双顶尖装夹
车床
1
半精车￠46mm外圆至￠46.5mm，长120mm
2
半精车￠35mm外圆至￠35.5mm，长68mm
3
半精车M24mm外圆至￠24－0.1－0.2mm，长16mm
4
半精车2～3mm×0.5mm环槽
5
半精车3mm×l.5mm环槽
6
倒外角1mm×45°,3处
调头，双顶尖装夹
7
半精车￠35mm外圆至￠35.5mm,长A5mm
8
半精车￠30mm外圆至￠35.5mm长38mm
9
半精M24mm外圆至￠24－0.1－0.2mmmm,长18mm
10
半精车￠44mm至尺寸，长4mm
11
车2～3mm×0.5mm环槽
12
车3mm×l.5mm环槽
13
倒外角lmm×45°,4处
14
检验
6
车
双顶尖装夹
1
车M24mm×l.5mm～6g至尺寸
车床
调头，双顶尖装夹
2
车M24mm×1.5mm～6g至尺寸
3
检验
7
钳
划两个键槽及一个止动垫圈槽加工线
8
铣
用V形虎钳装夹，按线找正
1
铣键槽12mm×36mm，保证尺寸41～41.25mm
立铣
2
铣键槽8mm×l6mm，保证尺寸26～26.25mm
3
铣止动垫圈槽6mm×l6mm，保证20.5mm至尺寸
4
检验
9
钳
修研两端中心孔
车床
10
磨
1
磨外圆￠35±0.008mm至尺寸
外圆磨床
2
磨轴肩面I
3
磨外圆￠30±0.0065mm至尺寸
4
磨轴肩面H
调头，双顶尖装夹
5
磨外圆P至尺寸
6
磨轴肩面G
7
磨外圆N至尺寸
8
磨轴肩面F
9
检验
由上表2-1例子可分析出，轴类零件外表面的加工应根据实际要求去分析制定加工工艺，确保加工精度和质量。
但一般零件外表面都要经过粗车精车高速细精车磨削加工精整和光整加工这些步骤。
三、影响加工精度的因素
高产、优质、低消耗，产品性能好、使用寿命长，这是对机械制造业的基本要求。
要获得这些要求，就需要确保加工精度，即零件在加工后的几何参数（尺寸大小、几何形状、表面间的相互位置）的实际值与理论值相符合。
3.1加工原理误差
加工原理误差是指采用了近似的成形运动或近似的刀刃轮廓进行加工而产生的误差。
生产中采用近似的加工原理进行加工的例子很多，如用齿轮滚刀滚齿就有两种误差：
一种是滚刀
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