机械制造技术基础2基础知识.ppt

1,第2章 机械制造过程基础知识,本章要点,机械制造工艺,机械加工方法,定位原理与定位误差,工件材料切削加工性,刀具材料与刀具几何角度,机床与夹具,2,机械制造技术基础,第2章 机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,2.1 机械制造工艺总论Introduction to Mechanical Manufacturing Process,3,2.1.1 机械制造工艺过程,机械制造中与产品生成直接有关的生产过程常被称为机械制造工艺过程,机械制造工艺过程,毛坯和零件成形铸造、锻压、冲压、焊接、压制、烧结、注塑、压塑 机械加工切削、磨削、特种加工 材料改性与处理热处理、电镀、转化膜、涂装、热喷涂 机械装配把零件按一定的关系和要求连接在一起，组合成部件和整台机械产品，包括零件的固定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作,4,2.1.2 机械制造工艺方法,机械制造工艺方法与分类,JB/T5992-92按大、中、小和细分类四个层次划分,表2-1 机械制造工艺方法类别划分及代码（JB/T5992-92）,5,2.1.3 零件成形方法,零件成形方法,材料成形法进入工艺过程物料初始重量近似等于加工后最终重量。如铸造、压力加工、粉末冶金、注塑成形等，这些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。材料去除法零件的最终几何形状局限在毛坯的初始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分材料，减少一部分重量来实现的。如切削与磨削，电火花加工、电解加工等特种加工等。材料累加法传统的累加方法有焊接、粘接或铆接等，通过不可拆卸连接使物料结合成一个整体，形成零件。近几年才发展起来的快速原型制造技术（RPM），是材料累加法的新发展。,6,快速原型制造技术（RPM）,快速原型制造（Rapid Photograph Manufacturing RPM），又称“快速成形技术”（Rapid Photograph RP）或“分层制造”（Layer Manufacturing LM），是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体（见图2-1）。,2.1.3 零件成形方法,7,2.1.3 零件成形方法,8,2.1.3 零件成形方法,9,图2-2a 快速成型机床及快速成型件,2.1.3 零件成形方法,10,机械制造技术基础,第2章 机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,2.2 机械制造工艺过程Mechanical Manufacturing Process,11,2.2.1 机械加工工艺过程及其组成,工序是指由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地，对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分机械加工工艺过程。安装在一道工序中，工件每经一次装夹后所完成的那部分工序称为安装。,12,2.2.1 机械加工工艺过程及其组成,工位工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序称为工位。,13,2.2.1 机械加工工艺过程及其组成,工步指在加工表面不变、切削刀具不变的情况下所连续完成的那部分工序。（在一个工步内，若有几把刀具同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步）,走刀同一加工表面加工余量较大，可以分作几次工作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。,a）立轴转塔车床的一个复合工步 b）钻孔、扩孔复合工步图2-5 复合工步,14,2.2.2 机械装配工艺过程,机械装配工艺过程 将组成机器的零、部件按一定的精度要求和技术条件连接与固定在一起，构成合格机械产品的过程 机械装配工作 包括：组装、部装、总装、调试、检验、试车、涂装与包装等 装配工序、工步和操作,装配工序在一个工作地点，由一个或一组工人所连续完成的那一部分装配工作装配工步装配工序的组成部分，在装配工步中，装配对象、装配工具和装配方法均不改变,15,2.2.3 生产类型及其工艺特点,生产纲领 N=Q n（1+%+%）（2-1）,单件小批生产批量生产大批大量生产,式中 Q 产品年产量（件/年）；n 每台产品中该零件数量（件/台）；备品率；废品率。,生产类型,16,机械制造技术基础,第2章 机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,2.3 零件机械加工方法Mechanical Machining Method for Parts,17,2.3.1 零件表面形成方法,轨迹法 成形法 相切法 展成法,18,主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用 T 表示），也可以是回转运动（用 R 表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。,2.3.2 切削加工的成形运动,19,2.3.3 典型表面加工方法,20,2.3.3 典型表面加工方法,21,2.3.3 典型表面加工方法,22,2.3.3 典型表面加工方法,23,2.3.3 典型表面加工方法,24,2.3.4 切削用量与切削层截面参数,切削速度vc,若主运动为往复运动时，其平均速度为：,（2-2）,式中 n 主运动转速（r/s）；d 刀具或工件的最大直径（mm）。,式中 nr 主运动每秒钟往复次数（str/s）；l 往复运动行程长度（mm）。,（2-3）,进给量：工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/r。背吃刀量：主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。,25,2.3.4 切削用量与切削层截面参数,切削厚度,（2-4）,切削宽度,（2-5）,26,机械制造技术基础,第2章 机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,2.4 基准与装夹Datum and Fixing,27,2.4.1 基准,确定加工对象上几何要素间几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。,在设计图样上所采用的基准,图2-8 定位支座零件,28,2.4.1 基准,在工艺过程中所采用的基准。又可分为：工序基准、定位基准、测量基准与装配基准。,图2-9a 支座零件第1工序（车削）,29,2.4.1 基准,图2-9b 支座零件第1工序（钻孔）,30,2.4.1 基准,图2-9c 支座零件第3工序（钻、锪 4 分布孔）,31,2.4.1 基准,图2-9d 支座零件第4工序（磨内孔、端面）,图2-9e 支座零件第5工序（磨外圆、台阶面）,32,2.4.2 工件装夹,划线找正装夹（图2-11）精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件,直接找正装夹（图2-10）精度高，效率低，对工人技术水平高,夹具装夹（图2-12）精度和效率均高，广泛采用,定位 使工件在机床或夹具上占有正确位置夹紧 对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变,33,2.4.2 工件装夹,34,2.4.2 工件装夹,图2-12 工件在夹具上装夹（滚齿夹具）,35,2.4.3 定位原理,六点定位原理,要确定其空间位置，就需要限制其 6 个自由度,将 6 个支承抽象为6个“点”，6个点限制了工件的6 个自由度，这就是六点定位原理。,任何一个物体在空间直角坐标系中都有 6 个自由度用 表示,36,与理论力学、机构学自由度概念差别 位置不定度 夹紧与定位概念分开 工件、夹具是弹性体,两点注意：,“点”的含义 对自由度的限制，与实际接触点不同,2.4.3 定位原理,37,工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。,完全定位与不完全定位,不完全定位主要有两种情况：工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度无法被限制（即使被限制也无意义）。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制 3 个自由度就够了。,2.4.3 定位原理,38,2.4.3 定位原理,完全定位与不完全定位,图2-15 工件应限制的自由度,39,欠定位,工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。,2.4.3 定位原理,40,过定位,过定位工件某一个自由度（或某几个自由度）被两个（或两个以上）约束点约束，称为过定位。,过定位是否允许，要视具体情况而定：1）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，因为合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。,2.4.3 定位原理,41,过定位分析（桌子与三角架）,图2-17 过定位分析,2.4.3 定位原理,42,过定位分析,图2-18 过定位示例,2.4.3 定位原理,43,过定位分析,图2-19 过定位示例,2.4.3 定位原理,44,一面两孔定位分析,图2-20 一面两孔定位干涉分析,2.4.3 定位原理,45,过定位应用,2.4.3 定位原理,46,过定位讨论,2.4.3 定位原理,47,图2-22a 过定位引起夹紧变形,2.4.3 定位原理,48,图2-22b 过定位处理分析,2.4.3 定位原理,49,讨论,分析图示定位方案：各方案限制的自由度有无欠定位或过定位对不合理的定位方案提出改进意见。,图2-23 过定位分析,2.4.3 定位原理,50,图2-23a 过定位示例分析,2.4.3 定位原理,51,图2-23b 过定位示例分析,2.4.3 定位原理,52,图2-23c 过定位示例分析,2.4.3 定位原理,53,图2-24 工件以平面定位,平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。图2-24给出了平面定位的几种情况。,2.4.4 定位方法与定位元件,54,图2-25 工件以圆孔定位,工件以圆孔定位多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。常用定位元件是定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴（又有过盈配合、间隙配合和小锥度心轴等）、弹性心轴之分。工件以圆孔定位所限制的自由度见图 2-25。,2.4.4 定位方法与定位元件,55,图2-26 工件以外圆柱面定位,工件以外圆柱面定位两种形式：定心定位和支承定位。工件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支承定位的元件常采用V型块，短V型块限制2个自由度，长V型块（或两个短V型块组合）限制4个自由度。,2.4.4 定位方法与定位元件,56,除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。图2-27为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了除绕工件自身轴线转动外的 5个自由度。,2.4.4 定位方法与定位元件,57,在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或支承面，称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向面，称定位点数为 1 的表面为第三定位基准面或止动面。,2.4.4 定位方法与定位元件,58,2.4.5 定位误差,定位误差的概念,定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。,59,1）由于工件定位表面或夹具定位元件制作不准确引起的定位误差，称为基准位置误差，如图2-29所示例子。,2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。,2.4.5 定位误差,60,2.4.5 定位误差,定位误差计算,在采用调整法加工时，工件的定位误差实质上就是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。因此计算定位误差，首先要找出工序尺寸的工序基准，然后求其在工序尺寸方向上的最大变动量即可。,用几何方法计算定位误差通常要画出工件的定位简图，并在图中夸张地画出工件变动的极限位置；然后运用三角几何知识，求出工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量，即为定位误差。,1.用几何方法计算定位误差,61,2.4.5 定位误差,【例2-4】图2-31所示为孔与销间隙配合的情况，若工件的工序基准为孔心，试确定其定位误差。,62,2.4.5 定位误差,此时，孔在销上的定位已由定心定位转化为支承定位的形式，定位基准也由孔心变成了与定位销固定边接触的一条母线。这种情况下，定位误差是由于定位基准与工序基准不重合所造成的，属于基准不重合误差，与定位销直径无关。,63,2.4.5 定位误差,2.用微分方法计算定位误差,【例2-5】工件在V型块上定位铣键槽，计算定位误差【解】要求保证的工序尺寸和工序要求：槽底至工件外圆中心的距离H（或槽底至外圆下母线的距离H1，或槽底至外圆上母线的距离H2）；键槽对工件外圆中心的对称度,对上式求全微分，得到：,64,以微小增量代替微分，并将尺寸误差视为微小增量，且考虑到尺寸误差可正可负，各项误差均取最大值，得到工序尺寸H的定位误差：,2.4.5 定位误差,定位,（2-8）,式中 Td 工件外圆直径公差；T V型块两斜面夹角角度公差。若忽略V型块两斜面夹角的角度公差，可以得到用V型块对外圆表面定位，当工序基准为外圆中心时，在垂直方向（图2-33中尺寸H方向）上的定位误差为：,（2-9）,65,对于第2项要求，若忽略工件的圆度误差和V型块角度偏差，可以认为工序基准（工件外圆中心）在水平方向上的位置变动量为零，即使用V型块对外圆表面定位时，在垂直于V型块对称面方向上定位误差为零。,2.4.5 定位误差,（2-10）,66,机械制造技术基础,第2章 机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,2.5 机床与夹具Machine Tool and Fixture,67,2.5.1 机床的分类与型号编制,按机床的加工性质和所用刀具来分类，分成为12大类：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、特种加工机床、锯床和其它机床。每一类机床，又可按其结构、性能和工艺特点的不同细分为若干组。,68,2.5.1 机床的分类与型号编制,69,2.5.2 机床的组成,1）动力源：为机床提供动力（功率）和运动的驱动部分2）传动系统：包括主传动系统、进给传动系统和其他运动的传动系统，如变速箱、进给箱等部件3）支撑件：用于安装和支承其它固定的或运动的部件，承受其重力和切削力，如床身、底座、立柱等4）工作部件：包括,与主运动和进给运动的有关执行部件，如主轴及主轴箱、工作台及其溜板、滑枕等安装工件或刀具的部件；与工件和刀具有关的部件或装置，如自动上下料装置、自动换刀装置、砂轮修整器等；与上述部件或装置有关的分度、转位、定位机构和操纵机构等。,70,2.5.2 机床的组成,5）控制系统：控制系统用于控制各工作部件的正常工作，主要是电气控制系统，有些机床局部采用液压或气动控制系统。数控机床则是数控系统。6）冷却系统7）润滑系统,8）其他装置：如排屑 装置，自动测量装置,71,普通车床,2.5.2 机床的组成,72,万能卧式升降台铣床,2.5.2 机床的组成,图2-36 万能卧式升降台铣床1底座 2床身 3悬梁 4主轴 5支架 6工作台 7回转盘 8床鞍 9升降台,73,图2-37 立式钻床1工作台 2主轴 3主轴箱 4立柱 5底座,图2-38 摇臂钻床1底座 2工作台 3立柱 4摇臂 5主轴箱和进给箱 6主轴,f,立式钻床与摇臂钻床,2.5.2 机床的组成,74,卧式镗床,2.5.2 机床的组成,75,普通外圆磨床,2.5.2 机床的组成,76,立式加工中心,2.5.2 机床的组成,77,2.5.3 机床的运动,1）主运动对切削起主要作用的工作运动，消耗机床的主要功率。机床主运动只有1个。主要形式：工件或刀具作回转运动，用转速（r/mim）表示；工件或刀具作直线运动，用速度（m/s）或行程次数（dst/min）表示；复合运动2）进给运动使工件不断投入切削的运动。机床的进给运动可以有一个或几个。两种形式：连续进给和间歇进给。表示方法：mm/s，mm/r，mm/dst,78,3.5.3 机床的运动,1）切入（吃刀）运动 2）空行程运动（趋进、退刀、返回、调位）3）其他（分度、转位、变速、换刀、测量、补偿）,79,2.5.3 机床的技术参数,80,2.5.3 机床的技术参数,81,2.5.4 机床夹具,1）定位元件及装置,6）其他元件及装置（防护、防错、分度）,5）夹具体,4）连接元件,3）对刀及导向元件,2）夹紧元件及装置,82,1）通用夹具：三爪、四爪卡盘，平口钳等，一般由专业厂生产，常作为机床附件提供给用户。2）专用夹具：为某一工件特定工序专门设计的夹具，多用于批量生产中。3）通用可调整夹具及成组夹具：夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整，以适应不同零件的加工。4）组合夹具：由一套预先制造好的标准元件组合而成。根据工件的工艺要求，将不同的组合夹具元件像搭积木一样，组装成各种专用夹具。使用后，元件可拆开、洗净后存放，待需要时重新组装。组合夹具特别适用于新产品试制和单件小批生产。5）随行夹具：在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。,按夹具使用范围划分,2.5.4 机床夹具,83,2.5.4 机床夹具,三爪卡盘,四爪卡盘,万向平口钳,回转工作台,分度头,图2-43 通用夹具,84,图2-44 专用夹具,2.5.4 机床夹具,85,2.5.4 机床夹具,86,图2-46 组合夹具,1加筋角铁（2）2槽用螺栓（6）3平键（10）4方形支承 5定位支承 6方形支承 7平垫圈 8六角螺母（8）9 槽用螺栓 10钻套螺钉 11快换钻套 12钻模板 13圆形定位销 14工件 15方形支承 16角铁 17压紧螺钉 18基础板,2.5.4 机床夹具,87,图2-46a 铣拨叉槽组合夹具1方形基础板 2小长方支承 3，14，20六角螺母 440圆形定位盘 5大长方支承 6螺钉 7右支承角铁 8，10厚六角螺母 9垫圈 11槽用螺栓 12侧中孔定位支承 13小长方支承 15回转压板 16双头螺栓 1724圆形定位销 18圆螺母 19工件,88,图2-46b 组合夹具实例,2.5.4 机床夹具,89,2.5.4 机床夹具,气动虎钳 液压夹具,90,机械制造技术基础,第2章 机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,2.6 切削刀具Cutting Tool,91,2.6.1 刀具结构,外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。车刀的切削部分由3个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），2个刀刃（主切削刃和副切削刃）和1个刀尖组成。,92,2.6.1 刀具结构,93,2.6.2 刀具几何角度,1）基面 Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。,图2-49 车刀主剖面坐标系,2）切削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。,3）主剖面 Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。,94,1）前角o 在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时o定为正值；位于刀头实体之内时o定为负值。,o影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。,2.6.2 刀具几何角度,用硬质合金车刀切削钢件，o取1020；切削灰铸铁，o取515；切削铝及铝台金，o取2535；切削高强度钢，o取-5-10。,95,2）后角o 后角o在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。,后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。,2.6.2 刀具几何角度,粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为46；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为812。,96,主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。,3）主偏角r 在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。,r的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。r的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。,2.6.2 刀具几何角度,97,4）副偏角r r在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。,副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。,2.6.2 刀具几何角度,在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。,98,2.6.2 刀具几何角度,5）刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之位负。,s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。,99,刀具安装对工作角度的影响,图2-52 车刀安装高度对工作角度的影响,2.6.2 刀具几何角度,100,式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。,进给运动对工作角度的影响,（2-8）,2.6.2 刀具几何角度,（2-8a）,101,在进给剖面，有：,将其换算到主剖面内得到：,在主剖面内：,（2-9）,2.6.2 刀具几何角度,102,1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性,2.6.3 刀具材料,103,2.6.3 刀具材料,104,2.6.3 刀具材料,105,刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。,高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的23倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRc63以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。,2.6.3 刀具材料,106,2.6.3 刀具材料,107,硬质合金,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。,硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。,2.6.3 刀具材料,108,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,2.6.3 刀具材料,109,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,陶瓷刀具材料,陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA9195）和耐热性，在1200的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。,2.6.3 刀具材料,主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。,110,超硬刀具材料,天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV 30004500，耐热性达1200，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。,2.6.3 刀具材料,111,2.6.3 刀具材料,112,机械制造技术基础,第2章 机械制造过程基础知识Fundamental of Mechanical Manufacturing Process,2.7 工件材料可加工性Machining ability for Workpiece Material,113,2.7.1 材料切削加工性概念和指标,工件材料的切削加工性是指材料在一定条件下被切削加工成合格零件的难易程度。,考虑生产率和耐用度的表示方法 1）一定生产率条件下，加工这种材料时刀具耐用度；2）一定刀具耐用度前提下，加工这种材料所允许的切削速度；3）相同的切削条件下，刀具达到磨钝标准时所能切除工件材料的体积。考虑已加工表面质量的表示方法 考虑切削力或切削功率的表示方法 考虑是否易于断屑的表示方法,114,材料切削加工性指标通常用vT表示，vT是指耐用度为T秒（或分）时，切削某种材料所允许的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。,通常取T3600秒（60分），vT写作v3600（v60）；对于一些特别难加工的材料，也可取T1800秒（30分），vT写作v1800（v30）。,如果以45钢的v3600（v60）作为基准，写作（v3600）j；而把其它各种材料的v3600（v60）同它相比，这个比值Kr称为材料的相对加工性。即：,（2-10）,2.7.1 材料切削加工性概念和指标,115,2.7.1 材料切削加工性概念和指标,116,2.7.2 材料性能对切削加工性影响,工件材料韧性对切削加工性的影响,工件材料硬度的影响,1）工件材料常温硬度对切削加工性影响：工件材料硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快。2）工件材料高温硬度的影响：工件材料高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程的有利影响（软化）对高温硬度高的材料不起作用。3）金属材料中硬质点对加工性的影响：金属中硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，则材料的加工性越差。4）材料的加工硬化对切削加工性的影响：加工硬化性越严重，切削加工性越差。,117,2.7.2 材料性能对切削加工性影响,工件材料韧性对切削加工性的影响,强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削温度亦越高，刀具容易磨损。因此，在一般情况下，加工性随工件材料强度提高而降低。,工件材料强度的影响,工件材料塑性的影响,材料塑性大，切削加工性差：切削力大；刀具容易产生粘结和扩散磨损；低速切削时易出现刀瘤与鳞刺；断屑困难。但材料塑性太小时，切屑与前刀面的接触变得很短，切削力、切削热集中在切削刃附近，使刀具磨损严重，故切削性也差。,118,工件材料韧性对切削加工性的影响,工件材料韧性的影响,韧性大的材料，切削加工性较差：在断裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且断屑困难。,工件材料弹性模量的影响,材料的弹性模量E是衡量材料刚度（抵抗弹性变形的性能）的指标，E值越大，材料刚度越大，切削加工性越差。,材料的切削加工性是上述这些机械性能（硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量等）综合影响的结果。,2.7.2 材料性能对切削加工性影响,119,工件材料韧性对切削加工性的影响,如镁合金易燃烧，钛合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削进行。,工件材料导热系数的影响,工件材料导热系数低，切削温度高，刀具易磨损，切削加工性差。金属材料导热系数大小顺序：纯金属、有色金属、碳结构钢、铸铁、低合金结构钢、合金结构钢、工具钢、耐热钢、不锈钢。,工件材料物理化学反应的影响,2.7.2 材料性能对切削加工性影响,120,2.7.3 常用金属材料的切削加工性,121,有色金属,有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。,铸铁,铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。,，,2.7.3 常用金属材料的切削加工性,122,碳素钢,普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。相对而言，中碳钢的切削加工性较好。,，,在碳素钢中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。,合金工具钢,2.7.3 常用金属材料的切削加工性,123,2.7.4 难切削材料,