第4版機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)目錄機(jī)械加工方法01金屬切削原理與刀具02金屬切削機(jī)床03工藝規(guī)程設(shè)計(jì)05機(jī)械制造質(zhì)量分析與控制0604機(jī)床夾具原理與設(shè)計(jì)機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械加工方法目錄零件的成形原理機(jī)械加工方法特種加工010203

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(guò)程中質(zhì)量m的變化,可分為Δm<0,Δm=0,Δm>0三種原理,不同原理采用不同的成形工藝方法。 Δm<0材料去除原理,如傳統(tǒng)的切削加工方法,包括磨料磨削、特種加工等,在制造過(guò)程中通過(guò)逐漸去除材料而獲得需要的幾何形狀。 Δm=0材料基本不變?cè)?如鑄造、鍛造及模具成形(注塑、沖壓等)工藝,在成形前后,材料主要是發(fā)生形狀變化,而質(zhì)量基本不變。 Δm>0材料累加成形原理,如20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的快速原形(RapidPrototyping)技術(shù),在成形過(guò)程中通過(guò)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)(Δm<0)

減材制造技術(shù)主要指切削加工,是通過(guò)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及相互力的作用實(shí)現(xiàn)的。工件往往通過(guò)夾具安裝在機(jī)床上,機(jī)床帶動(dòng)刀具或工件或兩者同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。切削過(guò)程中,有力、熱、變形、振動(dòng)、磨損等現(xiàn)象發(fā)生,這些運(yùn)動(dòng)的綜合決定了零件最終獲得的幾何形狀及表面質(zhì)量。

特種加工是指利用電能、光能或化學(xué)能等方法完成材料的去除成形方法,這些方法主要適合于加工超硬、易碎等常規(guī)機(jī)械加工方法難以加工的場(chǎng)合。如當(dāng)前發(fā)展比較快的三束加工,包括激光束、電子束、離子束的加工,在微細(xì)加工中有廣泛的應(yīng)用。另外近幾年發(fā)展的高壓水射流等加工方法,也有其顯著的優(yōu)點(diǎn)。

零件的成形原理

第一節(jié)二、等材制造技術(shù)(Δm=0)

等材制造技術(shù)主要是指用模具成形的方法,成形前后,材料質(zhì)量基本不變,只是形狀的改變。

值得注意的是,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,機(jī)電產(chǎn)品40%~50%的零件是由模具成形的,因此模具的作用是顯而易見(jiàn)的。模具可分為注塑模、壓鑄模、鍛模、沖壓模、吹塑模等。在我國(guó)模具的設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。模具制造精度一般要求較高,其生產(chǎn)方式往往是單件生產(chǎn)。模具的設(shè)計(jì)要用到CAD、CAE等一系列技術(shù),是一個(gè)技術(shù)密集型的產(chǎn)業(yè)。

零件的成形原理

第一節(jié)三、增材制造技術(shù)(Δm>0)

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(guò)程,相對(duì)于減材制造技術(shù)它通常是逐層累加的過(guò)程。

這一工藝方法的長(zhǎng)處是可以成形任意復(fù)雜形狀的零件,而無(wú)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(wù),因而RP技術(shù)成為加速新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)并行工程的有效技術(shù)。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家(如美、日等)已經(jīng)全面應(yīng)用這一技術(shù)來(lái)提高制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)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(diǎn)不同,各有不同的適用場(chǎng)合。

近年來(lái)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(jī)械加工)作為產(chǎn)品或功能零件使用,從而實(shí)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(dāng)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。現(xiàn)在,利用3D打印設(shè)備可以“打印”出真實(shí)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(jī)械加工方法

第二節(jié)

車削

磨削

復(fù)雜曲面的數(shù)控聯(lián)動(dòng)加工

齒面加工

鉆削與鏜削

刨削

銑削

機(jī)械加工方法

第二節(jié)一、車削

車削方法的特點(diǎn)是工件旋轉(zhuǎn),形成主切削運(yùn)動(dòng),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(guò)刀具相對(duì)工件實(shí)現(xiàn)不同的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),可以獲得不同的工件形狀：

當(dāng)?shù)毒哐仄叫杏诠ぜD(zhuǎn)軸線運(yùn)動(dòng)時(shí),就形成內(nèi)、外圓柱面;

當(dāng)?shù)毒哐嘏c軸線相交的斜線運(yùn)動(dòng)時(shí),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(jìn)給,從而形成特定的旋轉(zhuǎn)曲面。采用成形車刀橫向進(jìn)給時(shí),也可加工出旋轉(zhuǎn)曲面來(lái)。

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(guò)程比較平穩(wěn),刀具較簡(jiǎn)單。

機(jī)械加工方法

第二節(jié)圖1-1車床加工的典型工序

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第二節(jié)二、銑削

銑削的主切削運(yùn)動(dòng)是刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),工件通過(guò)裝夾在機(jī)床的工作臺(tái)上完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。銑削刀具較復(fù)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(huì)形成沖擊,切削過(guò)程容易產(chǎn)生振動(dòng),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(dǎo)致硬質(zhì)合金刀片的碎裂。銑削時(shí),銑刀在切離工件的一段時(shí)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(shí),平面的形成是由銑刀外圓面上的刃形成的;

立銑時(shí),平面是由銑刀的端面刃形成的。

機(jī)械加工方法

第二節(jié)

按照銑削時(shí)主運(yùn)動(dòng)速度方向與工件進(jìn)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(jìn)給方向相同,而工作臺(tái)進(jìn)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(tái)一起向前竄動(dòng),使進(jìn)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(shí),銑刀齒首先接觸工件的硬皮,加劇了銑刀的磨損,逆銑則無(wú)這一缺點(diǎn)。但逆銑時(shí),切削厚度從零開(kāi)始逐漸增大,因而切削刃開(kāi)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(huì)加速刀具的磨損,同時(shí),逆銑時(shí),銑削力具有將工件上抬的趨勢(shì),也易引起振動(dòng),這是逆銑的不利之處。圖1-3順銑和逆銑a)順銑b)逆銑

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第二節(jié)三、刨削

刨削時(shí),刀具的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)為切削主運(yùn)動(dòng)。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(lái)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(shí)際上可以看作立式的牛頭刨床,主要用來(lái)加工鍵槽等內(nèi)表面。插齒機(jī)的插刀與轉(zhuǎn)動(dòng)的工件形成展成運(yùn)動(dòng),可加工出漸開(kāi)線齒輪的齒面。圖1-4刨削加工

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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(yùn)動(dòng)為主切削運(yùn)動(dòng),鉆頭的軸向運(yùn)動(dòng)是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

單件、小批生產(chǎn)中,中小型工件上較大的孔(D<50mm),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

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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(kuò)孔和鉸孔來(lái)進(jìn)行半精加工和精加工。

擴(kuò)孔采用擴(kuò)孔鉆頭,鉸孔采用鉸刀進(jìn)行加工。擴(kuò)孔、鉸孔時(shí),擴(kuò)孔鉆和鉸刀均在原底孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工,因此無(wú)法提高孔軸線的位置精度以及直線度。

鏜孔時(shí),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(jìn)行。在鏜床上鏜孔時(shí),鏜刀與車刀基本相同,不同之處是鏜刀隨鏜桿一起轉(zhuǎn)動(dòng),形成主切削運(yùn)動(dòng),而工件不動(dòng)。圖1-6鏜削加工圖1-7車床鏜孔

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第二節(jié)五、齒面加工

齒輪齒面的加工運(yùn)動(dòng)較復(fù)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(jī)床一般為普通銑床,刀具為成形銑刀,需要兩個(gè)簡(jiǎn)單的成形運(yùn)動(dòng):刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(主切削運(yùn)動(dòng))和直線移動(dòng)(進(jìn)給運(yùn)動(dòng))。展成法加工齒面的常用機(jī)床有滾齒機(jī)(如Y3150E型滾齒機(jī))、插齒機(jī)等。

在滾齒機(jī)上滾切斜齒圓柱齒輪時(shí),一般需要兩個(gè)復(fù)合成形運(yùn)動(dòng):由滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B11和工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B12組成的展成運(yùn)動(dòng);由刀架軸向移動(dòng)A21和工件附加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B22組成的差動(dòng)運(yùn)動(dòng)。前者產(chǎn)生漸開(kāi)線齒形,后者產(chǎn)生螺旋線齒長(zhǎng)。

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第二節(jié)速度傳動(dòng)鏈:“電動(dòng)機(jī)-1-2-uv-3-4”主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈,使?jié)L刀和工件共同獲得一定速度和方向的運(yùn)動(dòng);展成傳動(dòng)鏈:“4-5-∑-6-7-ux-8-9”產(chǎn)生展成運(yùn)動(dòng)并保證滾刀與工件之間的嚴(yán)格運(yùn)動(dòng)關(guān)系(工件轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒、滾刀轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒);軸向進(jìn)給傳動(dòng)鏈:“9-10-uf-11-12”使刀架獲得軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng);差動(dòng)傳動(dòng)鏈:“12-13-uy-14-15-∑-6-7-ux-8-9”,保證差動(dòng)運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)格運(yùn)動(dòng)關(guān)系。圖1-8滾齒機(jī)滾切斜齒圓柱齒輪的傳動(dòng)原理

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第二節(jié)六、復(fù)雜曲面的數(shù)控聯(lián)動(dòng)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(shí),曲面是通過(guò)球頭銑刀逐點(diǎn)按曲面坐標(biāo)值加工而成。在編制數(shù)控程序時(shí),要考慮刀具半徑補(bǔ)償,因?yàn)閿?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(yùn)動(dòng)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(dòng)生成,特殊情況下,還要二次開(kāi)發(fā)。

采用加工中心加工復(fù)雜曲面的優(yōu)點(diǎn)是加工中心上有刀庫(kù),配備多把刀具,對(duì)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(shí),通過(guò)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(duì)位置精度。

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第二節(jié)七、磨削

磨削以砂輪或其他磨具對(duì)工件進(jìn)行加工。其主運(yùn)動(dòng)是砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。砂輪上的每個(gè)磨粒都可以看成一個(gè)微小刀齒,砂輪的磨削過(guò)程,實(shí)際上是磨粒對(duì)工件表面的切削、刻削和滑擦三種作用的綜合效應(yīng)。

磨削中,磨粒本身也會(huì)由尖銳逐漸磨鈍,使切削能力變差,切削力變大,當(dāng)切削力超過(guò)粘結(jié)劑強(qiáng)度時(shí),磨鈍的磨粒會(huì)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(huì)阻塞砂輪,因而,磨削一定時(shí)間后,需用金剛石刀具等對(duì)砂輪進(jìn)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(jī)械加工方法

第二節(jié)

磨削時(shí),由于刀刃很多,所以加工過(guò)程平穩(wěn)、精度高,表面粗糙度值小。磨削的另一特點(diǎn)是可以對(duì)淬硬的工件進(jìn)行加工,因此,磨削往往作為最終加工工序。

但磨削時(shí),產(chǎn)生熱量大,需要有充分的切削液進(jìn)行冷卻,否則會(huì)產(chǎn)生磨削燒傷,降低表面質(zhì)量。強(qiáng)力磨削技術(shù),可以在單位時(shí)間內(nèi)達(dá)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(shí)火花放電所產(chǎn)生的高溫,熔蝕工件材料來(lái)獲得工件成形的。電火花加工在專用的電火花加工機(jī)床上進(jìn)行。圖1-10電火花加工原理示意圖1—床身2—立柱3—工作臺(tái)4—工件電極5—工具電極6—進(jìn)給機(jī)構(gòu)7—工作液8—脈沖電源9—工作液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)特種加工第三節(jié)

電火花加工機(jī)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(yīng)工件的電火花成形加工機(jī)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(jī)床。圖1-11電火花線切割加工機(jī)床的工作原理1—貯絲筒2—工作臺(tái)X-Y向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)3—導(dǎo)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(yīng)用范圍很廣:加工各種硬、脆、韌、軟和高熔點(diǎn)的導(dǎo)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(jìn)行切斷、切割,進(jìn)行表面強(qiáng)化、刻寫、打印銘牌和標(biāo)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(yáng)極溶解的電化學(xué)原理對(duì)工件進(jìn)行成形加工的一種方法。

工件接直流電源正極,工具接負(fù)極,兩極之間保持狹小間隙(0.1~0.8mm),具有一定壓力(0.5~2.5MPa)的電解液從兩極間的間隙中高速(15~60m/s)流過(guò)。當(dāng)陰極工具向陽(yáng)極工件不斷進(jìn)給時(shí),在面對(duì)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(yīng)地“復(fù)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(jìn)給機(jī)構(gòu)特種加工第三節(jié)電解加工特點(diǎn):工作電壓小(6~24V),工作電流大(500~20000A);能以簡(jiǎn)單的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一次加工出形狀復(fù)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5~10倍;加工中無(wú)機(jī)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(dá)±0.1mm左右;附屬設(shè)備多,占地面積大,造價(jià)高;⑧電解液既腐蝕機(jī)床,又容易污染環(huán)境。

電解加工主要用于加工型孔、型腔、復(fù)雜型面、小直徑深孔、膛線以及進(jìn)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(jī)完成,激光加工機(jī)通常由激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)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(xué)系統(tǒng)聚焦后,照射在工件上進(jìn)行加工。工件固定在三坐標(biāo)精密工作臺(tái)上,由數(shù)控系統(tǒng)控制和驅(qū)動(dòng),完成加工所需的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖1-13激光加工機(jī)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(tái)7—電源特種加工第三節(jié)激光加工特點(diǎn):不需要加工工具,故不存在工具磨損問(wèn)題,同時(shí)也不存在斷屑、排屑的麻煩;激光束的功率密度很高,幾乎對(duì)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(wú)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(dòng)機(jī)噴油嘴、航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(16~25kHz)振動(dòng)的工具端面沖擊工作液中的懸浮磨粒,由磨粒對(duì)工件表面撞擊拋磨來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kuò)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(wú)法加工的不導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料,如玻璃、陶瓷、石英、鍺、硅、瑪瑙、寶石、金剛石等;對(duì)于導(dǎo)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(shí),常將超