,第4版,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),機械工業(yè)出版社,機械制造技術(shù)基礎(chǔ),01,第一章,機械加工方法,零件的成形原理,第一節(jié),按照零件由原材料或毛坯制造成為零件過程中質(zhì)量m的變化,可分為m0三種原理,不同原理采用不同的成形工藝方法。m0材料累加成形原理,如20世紀80年代出現(xiàn)的快速原形(RapidPrototyping)技術(shù),在成形過程中通過材料累加獲得所需形狀。,零件的成形原理,第一節(jié),一、減材制造技術(shù)(m0)增材制造是依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)連接材料制作物體的過程,相對于減材制造技術(shù)它通常是逐層累加的過程。這一工藝方法的長處是可以成形任意復雜形狀的零件,而無需刀、夾具等專用裝備。這一工藝由于成形速度快,但技術(shù)發(fā)展之初只能成形原型,所以被稱為快速原形技術(shù),即RP技術(shù)(RapidPrototyping)。RP技術(shù)與快速精鑄技術(shù)(QuickCasting)及快速模具制造技術(shù)(RapidTooling)等相結(jié)合,可以為小批量或大批量生產(chǎn)服務,因而RP技術(shù)成為加速新產(chǎn)品開發(fā)及實現(xiàn)并行工程的有效技術(shù)。一些工業(yè)發(fā)達國家(如美、日等)已經(jīng)全面應用這一技術(shù)來提高制造業(yè)的競爭能力。,零件的成形原理,第一節(jié),RP技術(shù)已形成了幾種成熟的工藝方法,進入了商品化階段。目前商業(yè)化的設(shè)備主要有光固化法、疊層制造法、激光選區(qū)燒結(jié)法、熔積法、3D打印。這些工藝各自特點不同,各有不同的適用場合。近年來人們將這種增材制造技術(shù)稱為3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)直接取材于工程材料,其制造的產(chǎn)品或零件可直接(或只經(jīng)少量的機械加工)作為產(chǎn)品或功能零件使用,從而實現(xiàn)真正意義上的快速制造。3D打印技術(shù)使用的材料種類相當廣泛,比如玻璃纖維、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁合金、鈦合金、不銹鋼、橡膠類材料、生物材料、食品材料等?，F(xiàn)在,利用3D打印設(shè)備可以“打印”出真實的3D物體,在科研、生產(chǎn)領(lǐng)域以及人類的日常生活中發(fā)揮著極為重要的作用。,機械加工方法,第二節(jié),車削,磨削,復雜曲面的數(shù)控聯(lián)動加工,齒面加工,鉆削與鏜削,刨削,銑削,機械加工方法,第二節(jié),一、車削車削方法的特點是工件旋轉(zhuǎn),形成主切削運動,因此車削加工后形成的面主要是回轉(zhuǎn)表面,也可加工工件的端面。通過刀具相對工件實現(xiàn)不同的進給運動,可以獲得不同的工件形狀：當?shù)毒哐仄叫杏诠ぜD(zhuǎn)軸線運動時,就形成內(nèi)、外圓柱面;當?shù)毒哐嘏c軸線相交的斜線運動時,就形成錐面。仿形車床或數(shù)控車床,可以控制刀具沿著一條曲線進給,從而形成特定的旋轉(zhuǎn)曲面。采用成形車刀橫向進給時,也可加工出旋轉(zhuǎn)曲面來。車削還可以加工螺紋面、端平面及偏心軸等。車削的生產(chǎn)率較高,切削過程比較平穩(wěn),刀具較簡單。,機械加工方法,第二節(jié),圖1-1車床加工的典型工序,機械加工方法,第二節(jié),二、銑削銑削的主切削運動是刀具的旋轉(zhuǎn)運動,工件通過裝夾在機床的工作臺上完成進給運動。銑削刀具較復雜,一般為多刃刀具。提高銑刀的轉(zhuǎn)速可以獲得較高的切削速度,因此生產(chǎn)率較高。但由于銑刀刀齒的切入、切出會形成沖擊,切削過程容易產(chǎn)生振動,因而限制了表面質(zhì)量的提高。這種沖擊,也加劇了刀具的磨損和破損,往往導致硬質(zhì)合金刀片的碎裂。銑削時,銑刀在切離工件的一段時間內(nèi),可以得到一定冷卻,因此散熱條件較好。,圖1-2銑削加工,臥銑時,平面的形成是由銑刀外圓面上的刃形成的;立銑時,平面是由銑刀的端面刃形成的。,機械加工方法,第二節(jié),按照銑削時主運動速度方向與工件進給方向的相同或相反,又分為順銑和逆銑。,順銑:銑削力的水平分力與工件的進給方向相同,而工作臺進給絲杠與固定螺母之間一般又有間隙存在,因此切削力容易引起工件和工作臺一起向前竄動,使進給量突然增大,容易引起打刀。在順銑鑄件或鍛件等表面有硬皮的工件時,銑刀齒首先接觸工件的硬皮,加劇了銑刀的磨損,逆銑則無這一缺點。但逆銑時,切削厚度從零開始逐漸增大,因而切削刃開始經(jīng)歷了一段在切削硬化的已加工表面上擠壓滑行的階段,也會加速刀具的磨損,同時,逆銑時,銑削力具有將工件上抬的趨勢,也易引起振動,這是逆銑的不利之處。,圖1-3順銑和逆銑a)順銑b)逆銑,機械加工方法,第二節(jié),三、刨削刨削時,刀具的往復直線運動為切削主運動。因此,刨削速度不可能太高,生產(chǎn)率較低。刨削比銑削平穩(wěn),牛頭刨床一般只用于單件生產(chǎn),加工中小型工件;龍門刨床主要用來加工大型工件,加工精度和生產(chǎn)率都高于牛頭刨床。插床實際上可以看作立式的牛頭刨床,主要用來加工鍵槽等內(nèi)表面。插齒機的插刀與轉(zhuǎn)動的工件形成展成運動,可加工出漸開線齒輪的齒面。,圖1-4刨削加工,機械加工方法,第二節(jié),四、鉆削與鏜削在鉆床上,用旋轉(zhuǎn)的鉆頭鉆削孔,是孔加工最常用的方法,鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動為主切削運動,鉆頭的軸向運動是進給運動。單件、小批生產(chǎn)中,中小型工件上較大的孔(D50mm),常用立式鉆床加工;大中型工件上的孔,用搖臂鉆床加工。,圖1-5鉆削加工,機械加工方法,第二節(jié),精度高、表面質(zhì)量要求高的小孔,在鉆削后常常采用擴孔和鉸孔來進行半精加工和精加工。擴孔采用擴孔鉆頭,鉸孔采用鉸刀進行加工。擴孔、鉸孔時,擴孔鉆和鉸刀均在原底孔的基礎(chǔ)上進行加工,因此無法提高孔軸線的位置精度以及直線度。鏜孔時,鏜孔后的軸線是以鏜桿的回轉(zhuǎn)軸線決定的,因此可以校正原底孔軸線的位置精度。鏜孔可在鏜床上或車床上進行。在鏜床上鏜孔時,鏜刀與車刀基本相同,不同之處是鏜刀隨鏜桿一起轉(zhuǎn)動,形成主切削運動,而工件不動。,圖1-6鏜削加工,圖1-7車床鏜孔,機械加工方法,第二節(jié),五、齒面加工齒輪齒面的加工運動較復雜,根據(jù)形成齒面的方法不同,可分為兩大類:成形法和展成法。成形法加工齒面所使用的機床一般為普通銑床,刀具為成形銑刀,需要兩個簡單的成形運動:刀具的旋轉(zhuǎn)運動(主切削運動)和直線移動(進給運動)。展成法加工齒面的常用機床有滾齒機(如Y3150E型滾齒機)、插齒機等。在滾齒機上滾切斜齒圓柱齒輪時,一般需要兩個復合成形運動:由滾刀的旋轉(zhuǎn)運動B11和工件的旋轉(zhuǎn)運動B12組成的展成運動;由刀架軸向移動A21和工件附加旋轉(zhuǎn)運動B22組成的差動運動。前者產(chǎn)生漸開線齒形,后者產(chǎn)生螺旋線齒長。,機械加工方法,第二節(jié),速度傳動鏈:“電動機-1-2-uv-3-4”主運動傳動鏈,使?jié)L刀和工件共同獲得一定速度和方向的運動;展成傳動鏈:“4-5-6-7-ux-8-9”產(chǎn)生展成運動并保證滾刀與工件之間的嚴格運動關(guān)系(工件轉(zhuǎn)過一個齒、滾刀轉(zhuǎn)過一個齒);軸向進給傳動鏈:“9-10-uf-11-12”使刀架獲得軸向進給運動;差動傳動鏈:“12-13-uy-14-15-6-7-ux-8-9”,保證差動運動的嚴格運動關(guān)系。,圖1-8滾齒機滾切斜齒圓柱齒輪的傳動原理,機械加工方法,第二節(jié),六、復雜曲面的數(shù)控聯(lián)動加工三維曲面的銑削加工主要采用數(shù)控銑的方法。數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)為曲面加工提供了更有效的方法。在數(shù)控銑床或加工中心上加工時,曲面是通過球頭銑刀逐點按曲面坐標值加工而成。在編制數(shù)控程序時,要考慮刀具半徑補償,因為數(shù)控系統(tǒng)控制的是球頭銑刀球心位置軌跡,而成形面是球頭銑刀切削刃運動的包絡(luò)面。曲面加工數(shù)控程序的編制,一般情況下,可由CAD/CAM集成軟件包(大型商用CAD軟件都有CAM模塊)自動生成,特殊情況下,還要二次開發(fā)。采用加工中心加工復雜曲面的優(yōu)點是加工中心上有刀庫,配備多把刀具,對曲面的粗、精加工及凹曲面的不同曲率半徑的要求,都可選到合適的刀具。同時,通過一次裝夾,可完成各主要表面及輔助表面如孔、螺紋、槽等的加工,有利于保證各加工表面的相對位置精度。,機械加工方法,第二節(jié),七、磨削磨削以砂輪或其他磨具對工件進行加工。其主運動是砂輪的旋轉(zhuǎn)運動。砂輪上的每個磨粒都可以看成一個微小刀齒,砂輪的磨削過程,實際上是磨粒對工件表面的切削、刻削和滑擦三種作用的綜合效應。磨削中,磨粒本身也會由尖銳逐漸磨鈍,使切削能力變差,切削力變大,當切削力超過粘結(jié)劑強度時,磨鈍的磨粒會脫落,露出一層新的磨粒,這就是砂輪的“自銳性”。但切屑和碎磨粒仍會阻塞砂輪,因而,磨削一定時間后,需用金剛石刀具等對砂輪進行修整。,圖1-9磨削加工,a)磨外圓1-撥盤2-撥銷3-尾架4-工件5-雞心夾頭6-頭架,b)磨內(nèi)孔1-自定心卡盤2-砂輪3-工件,c)磨平面,機械加工方法,第二節(jié),磨削時,由于刀刃很多,所以加工過程平穩(wěn)、精度高,表面粗糙度值小。磨削的另一特點是可以對淬硬的工件進行加工,因此,磨削往往作為最終加工工序。但磨削時,產(chǎn)生熱量大,需要有充分的切削液進行冷卻,否則會產(chǎn)生磨削燒傷,降低表面質(zhì)量。強力磨削技術(shù),可以在單位時間內(nèi)達到很大的切除量,因而可以一次完成粗精加工。按功能不同,磨削可分為外圓磨、內(nèi)圓磨、平面磨等,分別用于外圓面、內(nèi)孔及平面的加工。,特種加工,第三節(jié),電火花加工,磁流變拋光,高壓水射流加工,超聲波加工,激光加工,電解加工,特種加工,第三節(jié),一、電火花加工電火花加工是利用工具電極和工件電極間瞬時火花放電所產(chǎn)生的高溫,熔蝕工件材料來獲得工件成形的。電火花加工在專用的電火花加工機床上進行。,圖1-10電火花加工原理示意圖1床身2立柱3工作臺4工件電極5工具電極6進給機構(gòu)7工作液8脈沖電源9工作液循環(huán)過濾系統(tǒng),特種加工,第三節(jié),電火花加工機床已有系列產(chǎn)品,根據(jù)加工方式,可將其分成兩種類型:用特殊形狀的電極工具加工相應工件的電火花成形加工機床(如前所述);用線(一般為鉬絲、鎢絲或銅絲)電極加工二維輪廓形狀工件的電火花線切割機床。,圖1-11電火花線切割加工機床的工作原理1貯絲筒2工作臺X-Y向驅(qū)動電動機3導輪4電極絲5工件6脈沖電源,特種加工,第三節(jié),電火花加工的應用范圍很廣:加工各種硬、脆、韌、軟和高熔點的導電材料加工各種型孔(圓孔、方孔、異形孔)曲線孔微小孔(如拉絲模和噴絲頭小孔)加工各種立體曲面型腔,如鍛模、壓鑄模、塑料模的模膛進行切斷、切割,進行表面強化、刻寫、打印銘牌和標記,特種加工,第三節(jié),二、電解加工電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的電化學原理對工件進行成形加工的一種方法。工件接直流電源正極,工具接負極,兩極之間保持狹小間隙(0.10.8mm),具有一定壓力(0.52.5MPa)的電解液從兩極間的間隙中高速(1560m/s)流過。當陰極工具向陽極工件不斷進給時,在面對陰極的工件表面上,金屬材料按陰極型面的形狀不斷溶解,電解產(chǎn)物被高速電解液帶走,于是工具型面的形狀就相應地“復印”在工件上。,圖1-12電解加工的原理1直流電源2工件3工具電極4電解液5進給機構(gòu),特種加工,第三節(jié),電解加工特點:工作電壓小(624V),工作電流大(50020000A);能以簡單的進給運動一次加工出形狀復雜的型面或型腔(如鍛模、葉片等);可加工難加工材料;生產(chǎn)率較高,為電火花加工的510倍;加工中無機械切削力或切削熱,適于易變形或薄壁零件的加工;平均加工公差可達0.1mm左右;附屬設(shè)備多,占地面積大,造價高;電解液既腐蝕機床,又容易污染環(huán)境。電解加工主要用于加工型孔、型腔、復雜型面、小直徑深孔、膛線以及進行去毛刺、刻印等。,特種加工,第三節(jié),三、激光加工激光加工工藝由激光加工機完成,激光加工機通常由激光器、電源、光學系統(tǒng)和機械系統(tǒng)等組成,如圖1-14所示。激光器(常用的有固體激光器和氣體激光器)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?產(chǎn)生所需的激光束,經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦后,照射在工件上進行加工。工件固定在三坐標精密工作臺上,由數(shù)控系統(tǒng)控制和驅(qū)動,完成加工所需的進給運動。,圖1-13激光加工機示意圖1激光器2光闌3反射鏡4聚焦鏡5工件6工作臺7電源,特種加工,第三節(jié),激光加工特點:不需要加工工具,故不存在工具磨損問題,同時也不存在斷屑、排屑的麻煩;激光束的功率密度很高,幾乎對任何難加工的金屬和非金屬材料都可以加工;激光加工是非接觸加工,工件無受力變形;激光打孔、切割的速度很高,加工部位受熱的影響較小,工件熱變形很小。切縫窄,切割邊緣質(zhì)量好。目前,激光加工已廣泛用于金剛石拉絲模、鐘表寶石軸承、發(fā)散式氣冷沖片的多孔蒙皮、發(fā)動機噴油嘴、航空發(fā)動機葉片等的小孔加工,以及多種金屬材料和非金屬材料的切割加工。在大規(guī)模集成電路的制作中,已采用激光焊接、激光劃片、激光熱處理等工藝。,特種加工,第三節(jié),四、超聲波加工超聲波加工是利用超聲頻(1625kHz)振動的工具端面沖擊工作液中的懸浮磨粒,由磨粒對工件表面撞擊拋磨來實現(xiàn)對工件加工的一種方法。,圖1-14超聲波的加工原理1超聲波發(fā)生器2、3冷卻水4換能器5振幅擴大棒6工具7工件8工作液,特種加工,第三節(jié),超聲波加工適宜加工各種硬脆材料,特別是電火花和電解加工無法加工的不導電材料和半導體材料,如玻璃、陶瓷、石英、鍺、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等;對于導電的硬質(zhì)合金、淬火鋼等也能加工,但加工效率比較低。適用于超聲波加工的工件表面有各種型孔、型腔及成形表面等。在加工難切削材料時,常將超聲振動與其他加工方法配合進行復合加工,如超聲車削、超聲磨削、超聲電解加工、超聲線切割等,這些復合加工方法把兩種甚至多種加工方法結(jié)合在一起,能起到取長補短的作用,使加工效率、加工精度及工件的表面質(zhì)量顯著提高。,特種加工,第三節(jié),五、高壓水射流加工水射流加工的基本原理是利用增壓器將水加壓,達到10400MPa甚至更高的壓力。水獲得壓力能,再從細小的噴嘴(0.150.35mm)噴射而出,將壓力能轉(zhuǎn)換為動能,從而形成高速射流(3001000m/s)。水射流加工正是利用這種高速射流的動能對工件表面進行沖擊、破壞,從而達到去除材料的加工目的。,圖1-15高壓水射流加工原理,1柱塞泵2溢流閥3換向閥4單向閥組5增壓器6蓄能器7水箱8水泵9壓力表10開關(guān)閥11磨料12磨料閥13水噴嘴14混砂管15