制造工程基礎(chǔ)（總稿-1-切削部分）

1、制造工程基礎(chǔ),課程主要內(nèi)容（32學(xué)時(shí),第一章 總論 第二章 金屬切削基本要素（2h） 第三章 金屬切削過程（4h） 第四章 金屬切削機(jī)床與刀具 （6h） 第五章 公差與互換性（8h） 第六章 工件的安裝及夾具 （2h） 第七章 機(jī)械加工表面質(zhì)量與精度 （4h） 第八章 機(jī)械加工工藝規(guī)程制訂（4h） 實(shí)驗(yàn)一：刀具角度測量（2h） 實(shí)驗(yàn)二：加工質(zhì)量檢測 （2h,材料 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 制造 力控制,機(jī)械工程四大技術(shù)領(lǐng)域,機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)械制造 機(jī)械工程材料 機(jī)械控制工程,總論：制造工程的內(nèi)涵與體系,一、制造工程的內(nèi)涵 二、制造工程的體系 三、制造工程在國民經(jīng)濟(jì)中的地位 四、制造工程基礎(chǔ)課程體系,一、制造工程的

2、內(nèi)涵 1、產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程： 系統(tǒng)構(gòu)思系統(tǒng)設(shè)計(jì)零件設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì) 2、產(chǎn)品制造過程： 原材料加工零件裝配系統(tǒng),機(jī)械制造的目的對(duì)原材料或半成品進(jìn)行加工，使其幾何形狀、尺寸精度、內(nèi)部或表面性能發(fā)生改變，從而達(dá)到規(guī)定要求,機(jī)械制造過程的實(shí)質(zhì)是在加工過程中，原材料或半成品的宏觀或微觀幾何形狀、內(nèi)部或表面的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了改變,三、制造工程在國民經(jīng)濟(jì)中的地位 一方面人類不斷發(fā)明新產(chǎn)品、新材料，對(duì)加工技術(shù)不斷提出新的要求。 另一方面新的加工方法不斷出現(xiàn)，在加工效率、精度、成本等諸多方面提高了人類開發(fā)和制造新產(chǎn)品的能力。 20世紀(jì)中葉，美國曾一度弱化制造，重心轉(zhuǎn)移到信息、生物等產(chǎn)業(yè)，結(jié)果許多產(chǎn)品競爭力被日德反超

3、。1988年重新確立制造在國民經(jīng)濟(jì)中的地位，奪回制造優(yōu)勢。 “十一五”把能源、環(huán)境、制造放在十大優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域的前三位。 我國制造裝備（機(jī)床）業(yè)又得到了一次難得的歷史發(fā)展機(jī)遇,四、制造工程基礎(chǔ)的課程體系 制造業(yè)的三大目標(biāo)是提高產(chǎn)品制造質(zhì)量、效率、成本的綜合指標(biāo)。 本課程四大部分的作用： 公差部分機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量要求如何制定； 切削原理從加工機(jī)理上優(yōu)化加工參數(shù)； 機(jī)床工具為保證制造綜合指標(biāo)提供合理的制造手段； 工藝部分為保證制造綜合指標(biāo)編排合理的加工工序和措施,第二章 金屬切削基本要素,2.1 加工表面及切削用量 2.2 刀具角度 2.3 刀具材料,2.1 加工表面及切削用量,金屬切削： 刀具和工

4、件按一定規(guī)律作 （軌跡、成形、展成、相切），通過切削刃切除工件上的多余的金屬，使工件的形狀、尺寸精度及表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)定要求,表面成形運(yùn)動(dòng),車削加工：典型切削加工方法,切削用量三要素： 切削速度vc 進(jìn)給速度vf（進(jìn)給量f） 切削深度ap,切削用量,2.2 刀具角度,一、車刀基本結(jié)構(gòu) （切削部分幾何形狀與參數(shù)有共性,二、車刀坐標(biāo)系： 1基面Pr 2切削平面Ps 3切削刃剖面 1）主剖面P0 2）法剖面Pn 3）進(jìn)給（工作）剖面Pf 4）切深（背）剖面Pp,車刀的標(biāo)注角度,三、車刀基本角度 1主偏角r：在基面內(nèi)主切削刃的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角 2刃傾角s：在切削平面 內(nèi)主刀刃與基面的夾角。

5、3前角o：在主剖面內(nèi)前刀面與基面間的夾角。 4后角o：在主剖面內(nèi)后刀面與基面間的夾角。 5副偏角r：在基面內(nèi)副切削刃的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向間的夾角 6. 副刃后角o ：在副刃主剖面內(nèi)副后刀面與基面間的夾角 s 、r主切削刃方位 o、 o 前后刀面 主、副切削刃共在平面前刀面 加 r、 o,外圓車削切削層參數(shù) 切削厚度 hD 切削寬度bD 切削面積AD 金屬去除率,切削層,四、切削層參數(shù),2.3 刀具材料刀具切削性能：刀具材料、幾何形狀和結(jié)構(gòu),一、刀具材料應(yīng)具備的性能 硬度、耐磨性、耐熱性、強(qiáng)度與韌性、減摩性、導(dǎo)熱性與熱膨脹系數(shù)、工藝性與經(jīng)濟(jì)性。 二、刀具材料分類 金屬類： 高速鋼（60）、硬質(zhì)合

6、金（3040） 非金屬類：（510） 陶瓷、金剛石、立方氮化硼,三、高速鋼刀具 高碳鋼加入W、Mo、Cr、V鋼的耐磨性、淬透性 最大優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度、韌性和工藝性能好，價(jià)格便宜，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜刀具和小型刀具的制造 中碳鋼加工 切削速度可達(dá)30m/min 600以上硬度 切削性能失去,三、高速鋼刀具 1、通用高速鋼：W18Cr4V（最常用） 2、特殊用途高速鋼： 鈷高速鋼：M42（W2Mo9Cr4VCo8） 鋁高速鋼：W6Mo5Cr4V2Al（替代M42） 鉬高速鋼：鍛造性好。 釩高速鋼：耐磨性好,四、硬質(zhì)合金刀具（高硬度、難熔金屬碳化物WC、TiC微米級(jí)粉末，用鈷或鎳作黏結(jié)劑燒結(jié)而成，) 優(yōu)點(diǎn)：耐溫

7、：800-1000 ，切削速度100-200m/min 缺點(diǎn)：脆性材料，韌性、工藝性差，主要用于簡單刀具制造 （1）國產(chǎn)老牌號(hào)： YG：WCCo，韌性好。 YT：WCTiCCo，硬度高。 YW：WCTiCTaCCo，綜合性好。 （2）涂層硬質(zhì)合金： TiC、TiN涂層：綜合性能提高。 Ti離子注入：表面硬化，綜合性能提高,五、新型刀具材料 （1）陶瓷（很高的高溫硬度、化學(xué)穩(wěn)定性好、與金屬親和作用??；但抗彎強(qiáng)度、韌性差） 純氧化鋁陶瓷：抗彎強(qiáng)度太低 復(fù)合（氧化鋁、氮化硅）陶瓷：Al2O3基體SiC晶須 （2）金剛石：C，不能切黑色金屬 天然：各向異形，最鋒利用于超精加工。 人造(PCD)：單晶細(xì)

8、粉制成砂輪。 聚晶顆粒制成刀片，各向同性。 （3）立方氮化硼：CBN 硬度僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性高,刀具材料綜合比較,第三章 金屬切削過程,3.1 切削變形 3.2 切削力 3.3 切削溫度 3.4 刀具磨損和壽命 3.5 切削加工性,V,a0,a0,ac,h,hy,硬化層,表面回彈,已加工表面,刃口接觸區(qū),后刀面接觸區(qū),前刀面接觸區(qū),前刀面,后刀面,刀具,rn,O,3.1 切削變形,一、切削過程的描述,切削過程的基本屬性： 力學(xué)屬性：壓力、內(nèi)外摩擦變形 幾何屬性：刀具、運(yùn)動(dòng)表面、切屑,第二變形區(qū),第一變形區(qū),第三變形區(qū),側(cè)面網(wǎng)格法取得的切屑根部試樣,二、切削變形區(qū)： 第變形區(qū)：切削

9、層金屬的剪切滑移區(qū)(剪切變形,加工硬化)，是切削力和切削熱的主要來源。 第變形區(qū)：前刀面處切屑底層滑移區(qū)，引起前刀面磨損和積屑瘤。 第變形區(qū)：后刀面熨壓變形區(qū)，引起后刀面磨損、加工硬化、殘余應(yīng)力,三、切屑的形成 切屑的形成：滑移、卷曲、擠裂、崩碎。 切屑的種類：連續(xù)(帶狀、螺旋等)、擠裂（節(jié)狀）、單元（粒狀）、崩碎等多種形狀,切屑形態(tài),厚度小、速度高、前角大 切削平穩(wěn)、切削力波動(dòng)小 表面粗糙度小,厚度較大、速度較低 切削不平穩(wěn)、 切削力波動(dòng) 表面粗糙度較大,切削塑性材料且速度極低 切削力波動(dòng)大 表面粗糙度較大,切削脆性材料,四、切屑變形的度量（幾何方法求變形,剪切面,剪切角,工件,切屑,1、變

10、形系數(shù),ac,lc,a0,l0,切屑變形 與切削用量(切深、切寬、切速)、工件材料、 刀具角度等因素有關(guān),l 0 切削長度，lC 切屑長度； a 0 切削厚度，aC 切屑厚度,2、剪切角,0,a0,ac,s,y,3、相對(duì)滑移,a0,切削層,刀具,刀具,切削層,工件,工件,剪切面,切屑,0 前角，s 滑移量，y 滑移層 切屑變形,切屑變形,2、剪切角,0,a0,ac,s,y,3、相對(duì)滑移,切削層,刀具,工件,剪切面,切屑,0 前角，s 滑移量，y 滑移層 切屑變形,切屑變形,a0,刀具,工件,切削層,4、切屑變形的影響因素 工件材料：強(qiáng)度、與刀面之間的摩擦系數(shù)。 切削用量：切削速度、進(jìn)給量、切削

11、深度。 刀具角度：主要是前角影響大,五、剪切角理論公式（力學(xué)方法求變形） 最小切削功率法（Merchant 角公式,切削功率：Pm=FzV,時(shí),切屑,刀具,工件,aw 切削寬度， 剪切面剪應(yīng)力， 摩擦角,假設(shè)：Fr和Fr共線,滑移線場理論法（Lee and Shaffer） 切削合力與剪切面夾角為45，即,兩種角公式與試驗(yàn)結(jié)果比較,，變形增大 0，變形減小,六、第變形區(qū)（前刀面）的摩擦 1、前刀面摩擦力,摩擦系數(shù)分布,前刀面滑動(dòng)區(qū),前刀面粘結(jié)區(qū)(=s,第二變形區(qū),第一變形區(qū),第三變形區(qū),主后刀面,副后刀面,前刀面,前刀面磨損（月牙洼形,切屑與前刀面摩擦導(dǎo)致前刀面磨損,刀尖,2、積屑瘤,積屑瘤使

12、工作前角增大,積屑瘤硬度大于工件基體硬度,h,切屑,刀具,已加工表面,特大孔浮動(dòng)鉸刀桿 浮動(dòng)刀片,炮體藥室特大孔精鉸后的表面溝痕（積屑瘤劃傷表面,振動(dòng)鉸削縮比試驗(yàn)系統(tǒng),振動(dòng)鉸削的理論切屑單元的形狀,普通鉸孔表面溝痕,振動(dòng)鉸孔表面,V,h(積屑瘤高度,積屑瘤的產(chǎn)生： 中等切削速度易產(chǎn)生 積屑瘤的作用： 穩(wěn)定的積屑瘤保護(hù)刀刃。 不穩(wěn)定的積屑瘤損壞刀具。 積屑瘤增大表面粗糙度。 增大前角、切削厚度。 結(jié)論： 粗加工允許生成穩(wěn)定的積屑瘤。 精加工盡量避免積屑瘤,V,a0,a0,ac,h,hy,硬化層,表面回彈,已加工表面,刃口接觸區(qū),后刀面接觸區(qū),前刀面接觸區(qū),前刀面,后刀面,刀具,rn,O,七、第變

13、形區(qū)（后刀面）的變形,已加工表面層形貌與組織,鱗刺產(chǎn)生過程,1、表面粗糙度（進(jìn)給方向） 理論粗糙度,f,Rmax,r,實(shí)際粗糙度： 受切削變形（側(cè)向隆起）、積屑瘤、刀具磨損、機(jī)床精度等因素影響，實(shí)際粗糙度值大于理論粗糙度值,2、加工硬化 硬化程度表示： 硬化層深度hy。 硬化程度N=(H-H0)/H0100 H表面硬度；H0基體硬度。 影響因素：工件材料性質(zhì)、刀具鋒利性、第 變形區(qū)變形量、金相組織變化等,H,h,hy,H0,3、殘余應(yīng)力（表面內(nèi)應(yīng)力） 分類：殘余拉應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力。 產(chǎn)生原因： 熱塑變形：表層熱塑變形冷卻后殘余拉應(yīng)力 彈性變形：里層彈性變形恢復(fù)后相反的應(yīng)力 表層相變：高溫奧氏體

14、冷卻為馬氏體表面體 積加大殘余壓應(yīng)力。 影響因素：切削溫度、切削力、裝夾力等,八、難加工材料切削過程的特點(diǎn) 1、鈦合金 鋸齒狀切屑 表面回彈很大 加工硬化嚴(yán)重 2、高溫合金 切削力、切削熱更大 表面殘余應(yīng)力不易消除 加工硬化非常嚴(yán)重,回彈量,剪切面,剪切面,一、力分解 分力：主切削力Fz、背向力Fy、進(jìn)給力Ff 刃口合力Fp（不隨切深變化）、前刀面合力Fr 三維切削時(shí)切削合力,3.2 切削力,應(yīng)變片,應(yīng)變電橋,八角環(huán)車削測力儀,二、切削力測量,應(yīng)變式測力儀測力,八角環(huán)車削測力儀,壓電式測力儀測力,壓電測力儀實(shí)測的三向切削力,三、切削力經(jīng)驗(yàn)公式 通過切削測力儀測出不同a0和aw下的Fz ， 再通

15、過對(duì)數(shù)坐標(biāo)法求出指數(shù)x和y， 從而得出經(jīng)驗(yàn)公式,因此，同樣切削斷面積下，較大a0有利,x=tan11 C值為截距,y=tan21 C值為截距,Fz/N,aw/mm,a0/mm,切削速度對(duì)切削力的影響,四、切削力的影響因素： 工件材料 切削用量 刀具幾何參數(shù) 刀具狀態(tài)：可用切削力監(jiān)測刀具狀態(tài) （測刀具磨損、破損,一、切削熱 來源于切削變形區(qū)的內(nèi)外摩擦所產(chǎn)生的熱量。 切削熱的擴(kuò)散方式主要是熱傳導(dǎo)。 切削熱主要傳播途徑： 車削時(shí)主要傳給切屑（5086）； 鉆削時(shí)主要傳給工件（50左右）； 磨削時(shí)主要傳給工件（80以上,3.3 切削熱和切削溫度,二、切削溫度 切削溫度通常是指切削區(qū)的平均溫度。 溫度中

16、心是切削區(qū)的溫度最高點(diǎn)，在前刀面,三、切削溫度經(jīng)驗(yàn)公式及切削溫度測量 切削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式,切削溫度測量： 人工熱電偶兩種不同材料金屬絲某點(diǎn)溫度 自然熱電偶刀具和工件組成電極平均溫度,金屬絲A 金屬絲B,工件 刀具,人工熱電偶,自然熱電偶,VB,主后刀面,副后刀面,前刀面,刀具磨損形態(tài),3.4 刀具的磨損和耐用度,一、刀具磨損機(jī)理 磨料磨損：摩擦副上硬質(zhì)點(diǎn)擦傷刀具表面。 取決于硬質(zhì)點(diǎn)的多少，與切削速度無關(guān)。 粘結(jié)磨損：摩擦副新鮮表面粘結(jié)冷焊與脫落。 取決于刀屑親和力，中速切削易發(fā)生。 擴(kuò)散磨損：摩擦副高溫下原子相互擴(kuò)散，強(qiáng)度下降。 切削溫度越高擴(kuò)散越快，高速切削易發(fā)生。 氧化磨損：高溫下刀具產(chǎn)生

17、較軟的氧化膜，被帶走。 取決于高溫氧化速度，高速切削易發(fā)生,V0最佳切削速度,二、刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 1、磨損過程： 初期磨損 正常磨損 劇烈磨損 2、磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 經(jīng)驗(yàn)觀察：切屑顏色和形狀、聲音、振動(dòng)、讓刀等。 間接測量：切削力、切削溫度、切削振動(dòng)等。 直接測量：后刀面切向磨損帶VB，徑向磨損長度NB,VB,T,磨鈍標(biāo)準(zhǔn),初期,正常,劇烈,VB,t,三、刀具耐用度 新刀從開始切削到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間。T 1、刀具耐用度的泰勒公式（車削,切削速度V主要反映切削溫度對(duì)刀具磨損的影響，為主。 進(jìn)給量f、切削深度ap主要反應(yīng)切削力對(duì)刀具磨損的影響。 對(duì)刀具耐用度的影響程度：Vfap 粗加工生產(chǎn)率重要：選T盡可能

18、大ap f算V 精加工精度重要：按粗糙度選f 、ap 算V,2、最佳的切削速度和溫度 切削路程：lm=V T V0為最長切削路程速度。 VTmax為最長刀具耐用度速度。 VTmax V0 V0時(shí)相對(duì)磨損VBr（單位lm的磨損量）最小。 最佳切削溫度0 ：V0所對(duì)應(yīng)的切削溫度, 實(shí)質(zhì)上是粘結(jié)磨損向擴(kuò)散磨損轉(zhuǎn)化的溫度,最佳切削溫度,最佳切削速度,最佳切削速度時(shí)相對(duì)磨損最小， 最小相對(duì)磨損量與進(jìn)給量有關(guān)， 最佳切削速度與進(jìn)給量有關(guān),最佳切削速度時(shí)切削路程最長， 最長切削路程與進(jìn)給量有關(guān),最佳切削速度時(shí)切削溫度相等， 最佳切削溫度與進(jìn)給量無關(guān),四、切削液 1、作用 冷卻作用：使V0和T提高。 水溶液乳化液切削油 潤滑作用：降低摩擦力和磨損。 水溶液乳化液切削油 2、選用 粗加工：切削溫度高，以冷卻為主，選水、乳 精加工：改善加工質(zhì)量，潤滑為主，選