机械制造工程原理.ppt

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1、机械制造工程原理,中北大学,绪论,一、机械制造业的地位与作用 1、制造业是人类生存和发展的重要条件 2、制造业是人类文明发展的重要条件 3、机械制造业在国民经济中是基础工业 4、制造业水平代表一个国家和地区的经济 实力综合国力,二.目前形势和任务 三.课程的性质任务和目的 四.内容和要求 1.掌握基本理论； 2.掌握基本知识； 3.掌握基本技能； 4.了解国内外机械制造方面的新成就和发展趋势， 能初步进行试验研究，锻炼和提高解决问题的能力；,5.学习方法： （1）要求举一反三,掌握规律,打好基础； （2）理论联系实际,防止关在房间死记硬背 这是理论性和实践性很强的课,一定要与金工 实习相联系,

2、多到实验室和工厂看看； （3）防止孤立静止的学习方法,学会分析问题的方法影响零件质量的因素很多 ,各章各门课要联系起来,靠一部分内容是不够的； （4）有的内容要自学,有的部分要讨论；,几点要求: 1.不得随意缺课； 2.按时交作业； 3.实验提前准备; 4.解决基础课专业课人生又一适应问题。,第1章 金属切削的基本要素,金属切削加工： 金属切削过程是在机械设备（机床）（锉、锯靠人这部高级自动机）作用下，工件与刀具相互作用的过程。其过程是： 1.工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动； 2.刀具材料必须具有一定的切削性能（硬度、耐磨、耐热、）； 3.刀具切削部分必须具有适当的几何参数切削角度。,

3、1.1 工件表面的成形方法和成形运动,1.1.1工件的加工表面及其形成方法,1被加工工件的表面形状,2.工件表面的形成方法,各种典型表面都可以看作是一条线(称为母线)沿着另一条线(称为导线)运动的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发生线。 （1）两条发生线及其表面形成方法 （2）母线相对旋转轴线位置不同，所产生的表面 也不同,(a)平面、(b)直线成形表面、(c)圆柱面、(d)圆锥面、(e)球面、(f)圆环面、g)螺旋面等,3发生线的形成方法及所需的运动,1)成形法 利用成形刀具对工件进行加工的方法。 刀刃为切削线1，其形状和长短与需要形成的发生线 2完全重合。 2)展成法利用工件和刀具作展成切

4、削运动的加工方 法。展成法需要一个展成运动（滚齿和插齿，刀具 与工件都旋转；用齿条形刀具加工齿轮，齿坯旋 转，刀具作直线用动）,（3） 轨迹法 刀具作一定的轨迹运动来对工件进行加工，称为轨迹法。 刀刃为切削点1，它按一定规律作直线或曲线(图为圆弧)运动，从而形成所需的发生线2。 （4 ）相切法 刀具边旋转边作轨迹运动来对工件进行加工的方法。,小结：欲得到所需的工件表面形状，刀具和工件必须按上述四种方法之一完成一定的运动，这个一定的运动称为表面形成运动。,1.1.2 表面成形运动,定义：保证得到工件要求的表面形状的运动。 1.表面成形运动的组合 （1）简单运动组合 车削外圆柱面时，形成母线和导线

5、的方法都属于轨迹法。其必要条件是有两个运动单元：一个是工件的旋转运动B1产生母线（圆）；另一个是刀具的纵向直线运动A2产生导线(直线) 。,又如刨削，牛头刨床(插床)的滑枕带着刨刀或龙门刨床工作台带着工件作往复直线运动，产生母线；牛头刨床（插床）的工作台带着工件或龙门刨床的刀架带着刀具作间歇的直线运动，产生导线。 铣削时刀具旋转运动B1和工作台带着工件作直线运动A2。 简单运动组合：由一个旋转运动B1和一个直线运动A2组成。这两种运动最简单，也最容易得到，因而都称为简单成形运动。,（2）复合成形运动,加工飞机发动机叶片需要相当复杂的表面成形运动。多个运动单元组成复合运动。 小结：上述两种成形运

6、动虽都是旋转和直线运动组成，但有本质区别： 1.简单运动组合各运动单元之间是互相独立 的，没有严格的相对运动关系； 2.复合运动组合各运动单元之间是不能互相 独立的，必须保持严格的相对运动关系。,（3）零件表面成形所需的成形运动,母线和导线是形成零件表面的两条发生线。因此，形成表面所需的成形运动就是形成母线及导线所需要的成形运动的总和。,2. 主运动、进给运动和合成切削运动,（1）主运动使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动。这个运动的速度最高、消耗功率最多。其形式可以是旋转也可能是直线运动，它可由工件完成，也可由刀具完成，且每种切削加工方法的主运动只有一个。 （2）进给运动不断地把

7、切削层投入切削的运动使主运动能够继续切除工件上多余金属层以形成新表面的运动。,进给运动也叫辅助运动，它可以由刀具（车）或工件（铣）完成。 进给运动最少有一个，但不只是一个，如外圆磨，内圆磨，滚齿，插齿。 进给运动可能是直线运动，可能是旋转运动，也可能是直线和旋转运动组合（仿形铣连杆周边、旋风铣螺纹）。 有的进给运动是靠刀齿的升量来实现逐层 切削，如：拉削。 进给运动有连续的，也有间歇的。 无论哪种进给运动都比主运动消耗功率小。,运动单元的组合是研究切削理论的重要内容之一在理论上，还可有更多更新颖的运动组合，但工艺上目前尚不能实现。我们根据运动组合和斜角切削理论研制的滚切端铣刀填补了新型加工方法

8、的空白，其基本原理:,滚切刀具加工,（3）合成切削运动由同时进行的主运动向量和进给运动向量合成的切削运动。 主运动方向切削刃上选定 点相对工件的瞬时主运动方向。 进给运动方向切削刃上选定 点相对工件的瞬时进给运动方向。 进给运动速度切削刃上选定 点相对工件的进给瞬时运动速度。 合成切削速度切削刃上选定 点相对工件的合成切削运动速度。,它在工作进给剖面 内度量， 值为： 除加工丝杠或多头螺纹外， 一般加工值很小。,合成切削速度角主运动方向和合成切削运动方向之间的夹角。,1.2 加工表面和切削用量三要素,1.2.1切削过程中工件上的加工表面 (1)待加工表面 即将被切除金属层的表面。 Worksp

9、ace surface to be cutthe surface from which the excess metal Will be cut off.,(2)已加工表面 已经被切除多余金属层而形成的新表面（这是我们所需要的表面） Machined surface it is a new surface from which the excess metal has already been cut off.,(3)过渡表面（切削表面、加工表面）刀刃正在切削着的表面。 Cutting surface the surface that is being cut,在切削过程中，切削刃相对于工件运

10、动的轨迹面，就是工件上的过渡表面和已加工表面。 切削运动切削刃新表面 用图113 (教材)加强对“切削运动切削刃新表面”的认识：,1.2.2 切削用量三要素,切削速度 、进给量 和切削深度 称为切削 用量三要素。 1.切削速度 主运动为回转运动时，切削速度的计算公式,（m/s或m/min）,车： 镗: 钻： 刨,2.进给速度 ，进给量 和每齿进给量 （ ） 进给速度 ：是单位时间内的进给位移量，单位是 mms(或mmmin)； 进给量 ：是工件或刀具每回转一周时二者沿进给 方向的相对位移，单位是mmr。 对于刨削、插削等主运动为往复直线运动的加工，虽然可以不规定间歇进给速度，但要规定间歇进给的

11、进给量，单位为mm/双行程。 对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃刀具，规定每齿进给量 （ ），单位是 mm/z(齿)。 三者关系,3切削深度（背吃刀量） 对车削和刨削来说，切削深度为工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，单位为mm。 车外圆时 （mm） 镗孔时 （mm） 钻孔时 （mm）,小结： 1.切削用量三要素几乎以后各章都用。 切削用量三要素是生产和科研中重要参数; 2.切削深度ISO标准称作“背吃刀量”。,1.3刀具角度,1.3.1 刀具切削部分的结构要素 外圆车刀切削部分可以当作各类切削刀具切削部分的基本形态。其它各类刀具，包括复杂刀具，都是在这个基本形态上演变出来的。,现代

12、切削刀具引入“可转位”概念之后,使得刀具切削部分的统一性获得了新的发展，许多结构迥异的切削刀具其切削部分都不过是一个或若干个“可转位式刀片”。刀具切削部分的这一步变革，大大促进了切削工具的发展。,1.三个表面： (1)前刀面Ar在切削过程中，直接作用于被切削的金属层，并且切屑沿其排出的表面； (2)后刀面A在切削过程中，与工件上过渡表面（切削表面）相对的表面； (3)副后刀面A 在切削过程中， 与工件上已加工表面 相对的表面。,2.切削刃(三个) (1)主切削刃S Ar与 A相交而得到的边锋，用以形成工件的过渡表面，完成金属切削层切除的主要工作； (2)副切削刃SAr与A相交而得到的边锋，它同

13、主切削刃完成切除工作，并最终形成工件已加工表面； 3.刀尖(过渡刃) S和 S连接处通常有一小 段直刃或圆弧，以提 高强度和改善散热条 件。称为刀尖(过渡刃),1.3.2 刀具角度参考系,为了确定刀具切削部分（刀面、切削刃）的空间位置（几何参数）而假定的参考系。 1、刀具标注角度参考系（静止系） tool-in-hand system 什么叫刀具标注角度呢？ 刀具标注角度是设计、制造、刃磨和检验所需要的，并在刀具设计图纸上予以标注的角度。它是在两个假定条件下的切削角度。,假定条件： 1）假定运动条件：只考虑主运动，即切削速度 的方向，不考虑进给运动的影响； 2）假定安装条件：刀具安装绝对正确。

14、即对于车刀，刀杆中心线垂直进给运动方向；刀尖（刀刃选定点）安装时与工件中心线等高。 为了确定和测量车刀的几何角度，需要选取三个辅助平面作为基准，这三个辅助平面是基面、切削平面和主剖面。,（1）基面 过切削刃上选定点，而垂直于主运动（ ）方向的平面；,（2）切削平面 过切削刃上选定点，与切削刃相 切，并垂直于基面 的平面。,Pr和Ps是十分重要的两个平面，和下面所述的任一剖 面组合，构成不同的刀具角度参考系。,（3）主剖面P0和主剖面（正交平面）参考系 主剖面P0（正交平面）过切削刃上选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。,此图表示PrPsP0组成 一个正交的主剖面参考系。,（4）法剖

15、面Pn和法剖面参考系 法剖面Pn过切削刃上选定点，并垂直于主切削刃（或该点切线）的平面。,由图可知，法剖面PnS则Pn Ps。但不一定垂直Pr PnPsPr构成法剖面参考系。,（5）进给剖面Pf和切深剖面Pp及其参考系,进给剖面Pf过切削刃上选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面Pr的 平面。,切深剖面Pp过切削刃上选定点，同时垂直于基面Pr和进给剖面Pf的平面。,PrPfPp组成进给、切深 剖面参考系,2.刀具工作角度参考平面根据ISO标准形成 工作系tool-in-use system 为了确定刀具工作状态下的切削角度，就必须按合成切削运动方向建立参考系（见表11）。,1.3.3 刀具标注

16、角度 1.主剖面参考系内的标注角度 （1）在主剖面P0内的标注角度 1)前角0 ：在主剖面内度量的 基面Pr与前刀面Ar之间的夹角。 2)后角0 ：在主剖面内度量的后 刀面A 与切削平面Ps之间的夹角。 3)楔角0 ：在主剖面内度量的前 刀面Ar与后刀面 A 之间的夹角。 0900（ 0 + 0 ）,(2)在切削平面Ps内的标注角度 刃倾角s：在切削平面内度量的主切削刃S与基面Pr的夹角。 (3)在基面Pr内的标注角度 1)主偏角Kr：在基面Pr内度量的切削平面Ps与进给平面Pf的夹角。或主切削刃S在基面Pr内投影与进给平面Pf的夹角。,2)刀尖角r在基面Pr 内切削平面Ps和副切削平面Ps间

17、的夹角。 r1800-( kr+kr),小结： 1.在主剖面参考系里5个角度0、0、 0、s、kr 2.0是派生的角度。除0外4个角度是独立的。 3.刃倾角和主偏角给定后，主切削刃S在空间的方位就唯一被确定。 4.给定0和0后，前刀面和后刀面也唯一被确定。 5.对于单刃刀具，若给定这4个独立角度，那么它的切削部分的几何形状便被唯一确定。 6.副切削刃也有4个独立角度：0、0、 kr、s 7.0、0、 s有正负之分。,2. 法剖面参考系内的标注角度 在法剖面P0内标注的角度 1)法前角n：在法剖面内度量的Ar与Pr的夹角。 2)法后角n：在法剖面内度量的Ps与A的夹角。 3)法楔角n：在法剖面内

18、度量的Ar与A的夹角。 三个角度有如下关系： n +n +n =90o,3进给、切深剖面参考系内的标注角度 同上述同理：进给、切深剖面参考系中的 标注角度有公共部分Kr、Kr； Pf内的角度有： f、f、f； Pp内的角度有： p、p、p 。,小结： 1.一把车刀标出六个角度 即可。不必标封闭的值。 2.要掌握三个参考系中的参考平面的概念，这在刀具上是见不到的，而是设计时规定的参考平面。 3.掌握主要标注角度 的定义，而后，其余 就好理解了。,1.3.4 刀具角度换算 1主剖面与法剖面内的角度换算 1）设计、制造、刃磨、检验要知道法剖面 内角度； 2）大刃倾角刀具（如螺旋圆柱铣刀）规定 必须标

19、注法剖面内角度； 3）法平面参考系应用越来越广泛。,主法剖面角度换算图,任意剖面与主剖面（正交平面）内前、后角 之间的角度换算,任意剖面角度换算图,任意剖面角度换算图,当0时，（与主切削刃重合） 切削刃前角即刃倾角 （定义） （无定义） 当90时，（在主剖面内） 当90 r时，（在切深剖面内）,当 时，（在进给剖面内） 由上两式得 同理后角关系为,1.3.5刀具的工作角度,刀具工作角度刀具在工作状态下的切削角度；按切削工作中的参考系确定的角度；同时考虑和安装条件下的角度。 刀具工作角度就是刀具实际切削中的角度 1.进给运动对工作角度的影响 （1）横向进给运动的影响,（实际上工件转一转d，刀具近

20、给量为，刀具每转一个微小的角度 ，刀具横向移动,d是不断减小的变量值。 切断刀越切到工件中心为什么越容易打刀？这里是一个主要影响因素。综合分析时切记这是第一条关键内容，第二，第三等以后个章再补充。 （2）纵向进给运动的影响,换算到正交平面内,右侧正好相反,2.刀具安装位置对工作角度的影响,1）刀具安装高低的影响,假定,，在切深剖面内,换算到主剖面内： ,当刀尖安装低于工件中心线时,镗孔时：计算公式与上述外圆车削计算式符号相反； 当考虑刃倾角时：,(a),式中,(b),车外圆时：A点高于工件中心，式(a)中取（+）式(b) 中取（） A点低于工件中心，式(a)中取（）式(b) 中取（+） 镗孔时

21、：与车削时相反,2）刀杆中心线与进给方向不垂直时的影响,1.4 切削层参数与切削方式,1.4.1切削层参数 定义： 切削层在切削过程中，主运动一个循环刀具切削刃在一个进给量时从工件待加工表面上切下的一层金属层。 切削层参数指切削层金属的切面尺寸，它决定刀具切削部分所承受的负荷和切削层尺寸大小。,1.切削层厚度 在主切削刃选定点的基面内，垂直于过渡表面测量的切削层尺寸，,2.切削宽度 在主切削刃选定点的基面内，沿过渡表面测量的切削层尺寸，,3.切削面积AD,这是理论切削面积，实际上走刀量螺纹线形成螺纹面，有残留断面积，它的高度影响表面粗糙度。 实际切削面积为,4.金属切除率 单位时间内刀具从工件

22、上切除的金属体积，它是衡量切削加工效率的指标。,对于车削,近似计算公式,对于钻孔,对于扩孔,1.4.2 切削方式,1.直角切削与斜角切削 2.自由切削与非自由切削 3.直角自由切削与非直角自由切削,1.5 刀具材料,刀具材料的重要性：俗语“没有金刚钻，别揽瓷器活”。 1.5.1刀具材料应具备的基本性能 1.硬度 2.强度和韧性 3.耐磨性 4.耐热性 5.减磨性 6.导热行和热膨胀系数 7.工艺性和经济性,1.5.2 高速钢,1.高速钢的种类及化学成分 2.高速钢的性能 3.高速钢的发展 1）改变化学成分（锰、稀土元素、钒、钴、硅、铌、铝、氮等） 2）粉末冶金技术 3）表面化学渗入技术 4）表

23、面涂覆硬质薄膜技术,1.5.3硬质合金微米级的粉末冶金,硬质相：WC、TiC 粘结剂：Co或Ni 1.高温碳化物 硬质合金的性能取决于碳化物的种类、 性能、数量、粒度、粘结剂分量。 (1)碳化物的种类和性能 (2)碳化物的粒度,2.硬质合金的种类和牌号 (1)WC为基 1)YG类(WC+Co) 2)YT类(WC+TiC+Co) 3)YW类(WC+TiC+TaC(NbC)+Co) 4)YA类(WC+TaC(NbC)+Co) (2)TiC为基 YN类(TiC+ WC+Ni+Mo),3.硬质合金的性能,(1)硬度： HRA8993；在700800时，HRC70左右。 含TaC(NbC) ，高温硬度

24、（2）抗弯强度： 常用硬质合金的抗弯强度在0.91.5GPa 粘结剂比例 ，b 。 TiC ， b （3）韧性： 硬质合金的值仅为高速钢的 1/301/8 TiC , k,（4）导热系数k：(见表15) TiC ,k （5）线膨胀系数 ：(见表15) （6）抗冷焊性 硬质合金抗冷焊性比高速钢 YT类比YG类(WC+Co) ,4.硬质合金的选用,5.新型硬质合金,（1）添加碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)的硬质合金 在WCCo合金中添加少量TaC或NbC可显著提高常温硬度、高温硬度、高温强度和耐磨性，而抗弯强度略有降低。表l6中的YG6A就是这种合金。在TiC含量少于10的WCTiCCo合金中

25、，添加少量TaC(或NbC)，可以获得较好的综合机械性能，既可加工铸铁、有色金属，又可加工碳素钢、合金钢，也适合于加工高温合金、不锈钢等难加工材料，从而有“通用合金”之称。目前，这种硬质合金应用日益广泛，而且在国际市场上的竞争力强，YG，YT类旧牌号硬质台金呈被淘汰趋势。,(2)涂层硬质合金 解决刀具硬度、耐磨性与强度、韧性之间矛盾的最好方法是采用涂层技术。在YG8，YT5上用CVD法(化学气相沉积法)涂上颗粒极细TiC、TiN或Al2O3等提高刀具耐磨性。复合涂层合金，其性能优于单层。金刚石涂层硬质合金刀具，刀具使用寿命可提高50倍、而成本仅提高10倍。 涂层合金也有局限性,(3)细晶粒和超

26、细晶粒硬质合金 一般硬质合金中的晶粒均大于lm，如使晶粒细化到小于l0.5m，耐磨性有较大改善，刀具使用寿命可提高l2倍。添加Cr203可使晶粒细化。这类合金可用于加工冷硬铸铁、淬硬钢、不锈钢、高温台金等难加工材料。,(4)TiC基和Ti(C，N)基硬质合金 TiC基合金是以TiC为主体成分，以镍、钴作粘结剂，TiC含量达6070。与WC基合金比较，它的硬度较高，抗冷焊磨损能力较强，热硬性也较好，但韧性和抗塑性变形的能力较差，性能介于陶瓷和WC基合金之间。国内代表性牌号是YNl0和YN5，它们适合于碳素钢、合金钢的半精加工和精加工，其性能优于YTl5和YT30。 在TiC基合金中进一步加入氮化

27、物形成Ti(C，N)基硬质合金。Ti(C，N)基硬质合金的强度、韧性、抗塑性变形的能力均高于TiC基合金，是很有发展前景的刀具材料。,(5)添加稀土元素的硬质合金 在WC基合金中，加入少量稀土元素能有效地提高合金的韧住、抗弯强度和耐磨性。适用于粗加工，目前处于研究阶段。 (6)高速钢基硬质合金 TiC或WC作硬质相(占3040)，以高速钢作粘结剂(占6070)，用粉末冶金工艺制成。其性能介于硬质合金和高速钢之间，具有良好的耐磨性和韧性，改善了工艺性，适合于制造复杂刀具。,1.5.4超硬刀具材料,1陶瓷 (1)纯氧化铝陶瓷 主要用Al203加微量添加剂(如MgO)，经冷压烧结而成，是一种廉价的非

28、金属刀具材料。其抗弯强度为400500Nmm2，硬度HRA9l92。缺点：抗弯强度太低，难以推广应用。,(2)复合氧化铝陶瓷 在Al203基体中添加高硬度、难熔碳化物(如TiC)，并加入一些其它金属(如镍、钼)进行热压而成的一种陶瓷。其抗弯强度为800Nmm2以上，硬度达到HRA9394。 陶瓷具有很高的高温硬度，在1200时硬度尚能达到HRA80；化学稳定性好，与被加工金属亲和作用小。但陶瓷的抗弯强度和冲击韧性较差对冲击十分敏感。,(3)复合氮化硅陶瓷 在Si3N4基体中添加TiC等和金属Co等进行热压、可以制成复合氯化硅陶瓷。它的机械性能与复合氧化铝陶瓷相近，特别适合于切削冷硬铸铁和淬硬钢

29、。 在自然界陶瓷原料多，价格低。 缺点：抗冲击能力低,2. 金刚石 金刚石分天然和人造两种，它们都是碳的同素异构体。其硬度高达HV10000，是自然界中最硬的材料。天然金刚石质量好，但价格昂贵,人造金刚石是在高温高压条件下借助于某些台金的触媒作用，由石墨转化而成。金刚石能切削陶瓷、高硅铝合金、硬质合金等难加工材料，还可以切削有色金属及其合金，但不能切削铁族材料。,因为金刚石中碳元素和铁元素有很强的亲和性，碳元素向工件扩散，加快刀具磨损。当温度大于700时，金刚石转化为石墨结构而丧失了硬度。金刚石刀具的刃口可以磨得很锋利，对有色金属进行精密和超精密切削时，表面粗糙度可达到0.01一0.1m。,3.立方氮化硼 氮化硼的性质和形状同石墨很相似。六方氮化硼经高温高压处理转化为立方氮化硼 (CBN)。立方氮化硼是六方氯化硼的同素异构体，其硬度仅次于金刚石。两者的性能比较见表17。立方氯化硼的热稳定性和化学惰性优于金刚石，可耐1300一l 500的高温。用于切削淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金等，切削速度比硬质合金高5倍。立方氮化硼刀片多采用机夹式或焊接式。,