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第6章金屬切削加工基礎(chǔ)
切削加工的基本概念6.1金屬切削刀具6.2金屬切削過程6.36.1切削加工的基本概念6.1.1切削運(yùn)動(dòng)1.主運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)使刀具和工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),促使刀具切削刃接近工件,是進(jìn)行切削的最基本和最主要的運(yùn)動(dòng)。一般機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè),特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度最高,消耗功率最大。2.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)使刀具與工件之間產(chǎn)生附加的相對(duì)運(yùn)動(dòng),它與主運(yùn)動(dòng)配合,形成連續(xù)切削,最后獲得具有所需幾何特性的加工表面。通常它消耗機(jī)床功率較少,可由一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。6.1.2切削要素1.切削三要素(1)切削速度。切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度稱為切削速度,單位為m/s或m/min。①主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)(如車削),切削速度一般為其最大的線速度,可按下式計(jì)算c=πdn/1
000(m/s或m/min)式中:d—工件或刀具的直徑,mm;
n—工件或刀具的轉(zhuǎn)速,r/s或r/min。②主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)(如刨削、插削等),常以其平均速度作為切削速度,即c=2Lnr/1
000(m/s或m/min)式中:L——往復(fù)行程長(zhǎng)度,mm;
nr——主運(yùn)動(dòng)每秒或每分鐘的往復(fù)次數(shù),st/s或st/min(2)進(jìn)給量。
①單齒刀具(如車刀、刨刀等)加工時(shí),進(jìn)給量常用刀具或工件每轉(zhuǎn)(或每行程)時(shí)刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)工件的位移量來(lái)表示,稱為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量或每行程進(jìn)給量,以f表示,單位為mm/r或mm/st。②多齒刀具(如銑刀、鉆頭等)加工時(shí),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度稱進(jìn)給速度,以f表示,單位為mm/s或mm/min。③刀具每轉(zhuǎn)或每行程中每齒相對(duì)工件在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的位移量稱每齒進(jìn)給量,以fz表示,單位為mm/z。(3)背吃刀量(切削深度)ap
背吃刀量是工件已加工表面與待加工表面間的垂直距離,即通過切削刃上選定點(diǎn)并垂直于該點(diǎn)主運(yùn)動(dòng)方向的切削層尺寸平面中,垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上測(cè)量的切削層尺寸。背吃刀量的單位為mm。2.切削用量對(duì)加工的影響①切削深度和進(jìn)給量增大,都會(huì)使切削力增大,工件變形增大,并可能引起振動(dòng),從而降低加工精度和增大表面Ra值。②進(jìn)給量增大還會(huì)使殘留面積的高度顯著增大,表面更加粗糙,如圖6-7所示。③切削速度增大時(shí),切削力減小,并可減小或避免積屑瘤,有利于加工質(zhì)量和表面質(zhì)量的提高。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定,當(dāng)用硬質(zhì)合金刀具加工中碳鋼工件時(shí),刀具壽命和切削用量三要素之間符合以下關(guān)系:3.切削用量的選擇(1)背吃刀量的選擇。背吃刀量要盡可能大些。粗加工時(shí),除留下精加工余量外,一次走刀盡可能切除全部余量;而精加工的余量通常較小,可以一次切除。(2)進(jìn)給量的選擇。粗加工時(shí),一般對(duì)工件的表面質(zhì)量要求不太高,進(jìn)給量主要由機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性、刀桿的強(qiáng)度和剛性、刀具材料、工件尺寸以及已選背吃刀量等因素決定。(3)切削速度的選擇。切削速度可根據(jù)已選背吃刀量、進(jìn)給量以及刀具材料確定,也可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和查表的方法確定。6.1.3加工表面和切削層參數(shù)1.切削表面已加工表面:已經(jīng)切削加工完成的表面,也是刀具副后刀面正對(duì)的零件表面。加工表面:零件上正在加工生成的表面,也是刀具主后刀面正對(duì)的零件表面,也稱過渡表面。待加工表面:尚未加工但是即將加工的表面。2.切削層參數(shù)切削厚度:垂直于加工表面度量的切削層尺寸,如上頁(yè)圖中參數(shù)hD所示。切削寬度:沿主切削刃度量的切削層尺寸,如上頁(yè)圖中參數(shù)bD所示。切削面積:切削層在垂直于切削速度截面內(nèi)的面積,如上頁(yè)圖中帶有網(wǎng)格線的區(qū)域。殘留面積:切削加工中未被切到的區(qū)域,殘留面積越大,零件表面越粗糙,如上頁(yè)圖中網(wǎng)格區(qū)域右側(cè)的三角形BCD'
區(qū)域。6.2金屬切削刀具6.2.1刀具材料應(yīng)具備的性能(1)高硬度和高耐磨性。對(duì)于傳統(tǒng)切削加工,刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度,這是對(duì)刀具材料的基本要求,因此現(xiàn)有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬,其耐磨性越好,材料的耐磨性還取決于其化學(xué)成分和金相組織的穩(wěn)定性。(2)足夠的強(qiáng)度與沖擊韌性。刀具強(qiáng)度越高,在切削力的作用下刀刃就越不容易崩碎,刀桿也不易折斷。刀具的沖擊韌性越高,刀具在間斷切削或有沖擊的工作條件下就越不易崩刃。一般來(lái)說(shuō),刀具硬度越高,沖擊韌性越低,材料越脆。硬度和韌性是一對(duì)矛盾體,也是刀具材料所應(yīng)克服的一個(gè)問題。(3)良好的耐熱性。耐熱性又稱紅硬性,綜合反映了刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度、抗氧化、抗黏結(jié)和抗擴(kuò)散的能力。(4)良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。為了便于制造,刀具材料應(yīng)有良好的工藝性,如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當(dāng)然在制造和選用時(shí)還應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性。6.2.2常用刀具材料1.高速鋼高速鋼是一種加入了較多鎢、鉻、釩及鉬等合金元素的高合金工具鋼,其強(qiáng)度和韌性較好,制造工藝簡(jiǎn)單,容易刃磨成鋒利的切削刃。
2.硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金由硬度和熔點(diǎn)很高的金屬碳化物(WC或TiC等)微粉和黏結(jié)劑(Co、Ni和Mo等)經(jīng)高壓和高溫?zé)Y(jié)而成,其硬度高,耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性都較好。硬質(zhì)合金允許的切削速度比高速鋼高4~10倍,刀具耐用度比高速鋼高幾倍到幾十倍,能切削淬火鋼等硬材料。但其抗彎強(qiáng)度低,韌性差,不耐沖擊和振動(dòng),制造工藝性差。硬質(zhì)合金不適于制造復(fù)雜的整體刀具,主要用來(lái)制作刀具的切削部分,通常通過焊接或者連接的方式鑲嵌在刀具上,擔(dān)負(fù)切削加工的任務(wù)。3.其他刀具材料(1)涂層刀具。涂層刀具在一些韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上涂覆一層耐磨性高的難熔金屬化合物,很好地解決了刀具材料中硬度、耐磨性和強(qiáng)度與韌性之間的矛盾。(2)金剛石刀具。金剛石刀具分為天然金剛石刀具和人造金剛石刀具兩種,目前金剛石刀具主要使用人造金剛石(由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成)。(3)陶瓷刀具。陶瓷刀具以氧化鋁為主要成分在高溫下燒結(jié)而成,其耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性好,摩擦因素小,能以高的速度切削難加工的高硬度材料,但是其性脆、強(qiáng)度低、抗沖擊韌性很差。(4)立方氮化硼。聚晶立方氮化硼(CBN)由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下加入催化劑聚合而成,其硬度僅次于金剛石,耐熱性優(yōu)于金剛石,常用于加工高溫合金、淬火鋼及冷硬鑄鐵材料。6.2.3刀具的角度1.車刀切削部分的組成前刀面:加工過程中,切屑沿其流出的刀面。主后刀面:與工件加工表面相對(duì)的刀面。副后刀面:與工件已加工表面相對(duì)的刀面。主切削刃:前刀面與主后刀面的交線,承擔(dān)主要的切削工作。副切削刃:前刀面與副后刀面的交線。刀尖:主、副切削刃的交點(diǎn),為強(qiáng)化刀尖,刀尖處通常磨成折線或圓弧形過渡刃。2.定義刀具角度的輔助平面基面:通過主切削刃上一點(diǎn)并與該點(diǎn)切削速度方向垂直的平面。切削平面:通過主切削刃上一點(diǎn)并與該點(diǎn)加工表面相切的平面,它包含切削速度。主剖面:通過主切削刃上一點(diǎn)并與主切削刃在基面上的投影垂直的平面。3.刀具角度的定義主偏角r:在基面中,主切削刃的投影與進(jìn)給方向之間的夾角。副偏角r':在基面中,副切削刃的投影與進(jìn)給反方向之間的夾角。前角0:在主剖面中,前刀面與基面之間的夾角。分為正前角、零前角、負(fù)前角。通過選定點(diǎn)的基面若位于楔形刀體的實(shí)體之外,則前角為正值,反之為負(fù)值。后角α0:在主剖面中,主后刀面與切削平面之間的夾角。刃傾角λs:在切削平面中,主切削刃與基面之間的夾角。刃傾角也有正、零、負(fù)值。4.刀具角度的合理選擇(1)前角。前角較大時(shí),刀具較鋒利,切削能力強(qiáng),切削過程輕快,切削阻力小,零件的表面質(zhì)量也較高;同時(shí)刀具強(qiáng)度降低、實(shí)體尺寸減小、易磨損,而且在較大切削力作用下易崩刃。前角較小時(shí),刀具實(shí)體尺寸加大、強(qiáng)度提高,但是切削刃變鈍,切削阻力增大。(2)后角
后角越大,刀具后刀面與工件加工表面間的摩擦越小,切削刃越鋒利,切削阻力越小,但是此時(shí)刀具強(qiáng)度低、磨損快;后角越小,切削刃強(qiáng)度越高,散熱越好,但摩擦加劇。(3)主偏角和副偏角。主偏角主要影響切削層截面的形狀和幾何參數(shù),影響切削分力的變化,并和副偏角一起影響已加工表面的粗糙度;副偏角還有減小副切削刃和副后刀面與已加工表面摩擦的作用。(4)刃傾角。
當(dāng)?shù)都馐侵髑邢魅猩献畹忘c(diǎn)時(shí),刃傾角為負(fù)值;當(dāng)?shù)都馐侵髑邢魅猩献罡唿c(diǎn)時(shí),刃傾角為正值。刃傾角主要影響切屑的排除方向。刃傾角為正時(shí),切屑流向未加工表面;刃傾角為負(fù)時(shí),切屑流向已加工表面。6.2.4刀具的磨損1.刀具的磨損形式(1)前刀面磨損。(2)后刀面磨損。(3)前后刀面同時(shí)磨損。2.刀具的磨損原因刀具正常磨損的原因主要是機(jī)械磨損和熱、化學(xué)磨損。前者是由工件材料中硬質(zhì)點(diǎn)的刻劃作用引起的磨損。后者則是由黏結(jié)、擴(kuò)散、腐蝕等引起的磨損。3.影響刀具磨損的因素(1)切削用量。增大切削用量時(shí),切削溫度升高,這將加速刀具磨損。在切削用量中,又以切削速度對(duì)刀具磨損的影響最大。(2)刀具材料。耐熱性較好的刀具材料不易磨損。(3)刀具角度。適當(dāng)增大刀具前角,可以減小切削力,從而減小刀具磨損量。(4)加工條件。正確使用切削液可以改善切削條件,降低刀具的磨損量。4.刀具的磨損過程(1)初期磨損階段。(2)正常磨損階段。(3)急劇磨損階段。
5.刀具壽命和刀具耐用度(1)刀具壽命。刀具使用壽命是表征刀具材料切削性能優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)。在相同切削條件下,使用壽命越長(zhǎng),表明刀具材料的耐磨性越好。在比較不同工件材料的切削加工性時(shí),刀具使用壽命也是一個(gè)重要的指標(biāo),刀具使用壽命越長(zhǎng),表明工件材料的切削加工性越好。(2)刀具耐用度。刀具的磨損限度通常用后刀面的磨損程度作為標(biāo)準(zhǔn),但在生產(chǎn)實(shí)際中不可能經(jīng)常測(cè)量后刀面的磨損量來(lái)判斷刀具是否達(dá)到使用極限,而通常按照刀具進(jìn)行切削加工的時(shí)間來(lái)判斷。6.3金屬切削過程6.3.1切屑形成過程1.切屑類型(1)帶狀切屑。加工塑性材料,進(jìn)給量較小,切削速度較高,刀具前角較大時(shí),往往會(huì)得此類切屑。形成帶狀切屑的切削過程比較平穩(wěn),切削力波動(dòng)較小,已加工表面的粗糙度值較小。(2)節(jié)狀切屑。又稱擠裂切屑。其外弧表面呈鋸齒狀,內(nèi)弧表面有時(shí)有裂紋。節(jié)狀切屑多在切削速度較低、進(jìn)給量(切削厚度)較大、加工塑性材料時(shí)產(chǎn)生。(3)粒狀切屑。又稱單元切屑。當(dāng)切削塑性材料,前角較小(或?yàn)樨?fù)前角)、切削速度較低、進(jìn)給量較大時(shí)易產(chǎn)生單元切屑。(4)崩碎切屑。切削脆性材料時(shí),因工件材料的塑性很小,抗拉強(qiáng)度也很低,切屑未經(jīng)塑性變形就在拉應(yīng)力作用下脆斷形成崩碎切屑。工件材料越硬、越脆,進(jìn)給量越大,越易產(chǎn)生此類切屑。2.切屑變形(1)切屑變形系數(shù)。用切屑厚度與切削層厚度之比或切削長(zhǎng)度與切屑長(zhǎng)度之比來(lái)表示切屑形成時(shí)的變形程度,稱為切屑變形系數(shù):(2)切屑變形對(duì)加工的影響
切屑變形程度對(duì)切削力、切削溫度以及工件的表面質(zhì)量都有著重要影響。在其他條件不變的情況下,切屑變形系數(shù)越大,切削力越大,切削溫度越高,零件表面越粗糙。在加工過程中,可以根據(jù)具體情況采用相應(yīng)的措施來(lái)減小切屑變形,以改善切削過程。(3)影響切屑變形的因素。
①工件材料:工件材料的強(qiáng)度和硬度越大,變形系數(shù)越小,切屑變形越小。②刀具幾何參數(shù):刀具幾何參數(shù)中影響最大的是前角。刀具前角γ0越大,切屑變形系數(shù)越小。③切削用量。提高切削速度,切削溫度升高,摩擦系數(shù)減小,切屑變形系數(shù)減小。增大進(jìn)給量,摩擦系數(shù)減小,切屑變形系數(shù)也會(huì)越小。背吃刀量對(duì)變形系數(shù)基本無(wú)影響。6.3.2積屑瘤1.積屑瘤形成的原因當(dāng)切屑沿著刀具前刀面流出時(shí),在一定溫度和壓力作用下,與前刀面接觸的切削層底層會(huì)受到較大的摩擦阻力,使得這一層金屬流出的速度減慢,當(dāng)摩擦力超過材料的內(nèi)部結(jié)合力時(shí),就會(huì)有一部分金屬黏附在切削刃附近,形成積屑瘤。積屑瘤形成后不斷長(zhǎng)大,到一定大小后又會(huì)破裂,是一個(gè)不斷生長(zhǎng)和破壞的循環(huán)過程。2.積屑瘤對(duì)切削過程的影響(1)使刀具實(shí)際前角(γb)增大,切削力減小。(2)積屑瘤不斷生長(zhǎng)和破壞,頻率極高,因而可引起切削振動(dòng)。(3)積屑瘤的形狀和大小不穩(wěn)定,使加工表面質(zhì)量降低。(4)在積屑瘤相對(duì)穩(wěn)定時(shí),可代替刀刃切削,減少刀具磨損;在不穩(wěn)定情況下,可加劇刀具磨損。3.積屑瘤的控制(1)工件材料的力學(xué)性能。材料塑性越好,越容易形成積屑瘤。加工低碳鋼和鋁合金等材料時(shí)容易產(chǎn)生積屑瘤??蓪⒐ぜ牧线M(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理,以提高其強(qiáng)度和硬度,降低塑性,然后再進(jìn)行加工。(2)切削速度。加工中碳鋼工件時(shí),若切削速度很低(小于5m/mim),切削溫度較低,則前刀面與切屑間的摩擦小,不易形成切屑瘤;當(dāng)切削速度增大(5~10m/mim)時(shí),切削溫度升高,摩擦加大,易形成積屑瘤;當(dāng)切削速度很高(大于100m/min)時(shí),切削溫度較高,無(wú)切屑瘤形成。(3)冷卻潤(rùn)滑條件。當(dāng)切削過程中使用切削液時(shí),切屑和工件之間的摩擦小,不易形成積屑瘤。6.3.3切削力1.切削力的來(lái)源切削力的來(lái)源包括以下兩個(gè)部分。(1)切屑形成過程中彈性變形及塑性變形產(chǎn)生的抗力。(2)刀具與切屑及工件表面之間的摩擦阻力。2.切削力的分解(1)切削力Fc。切削力是總切削力在主運(yùn)動(dòng)方向上的分力,約占總切削力的80%~90%。該力消耗的機(jī)床功率最多,是計(jì)算機(jī)床動(dòng)力、主傳動(dòng)系統(tǒng)零件和刀具強(qiáng)度的主要依據(jù)。Fc過大,可能會(huì)損壞刀具,并且可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)負(fù)載過重而“悶車”。(2)背向力Fp。背向力是總切削力在垂直于工作平面方向上的分力。切削時(shí),該力不消耗功率。由于該力通常作用在工件剛度較弱的方向上,容易使工件變形,甚至產(chǎn)生振動(dòng),影響工件的加工精度。(3)進(jìn)給力Ff。進(jìn)給力是總切削力在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力,是設(shè)計(jì)和校驗(yàn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)所必需的數(shù)據(jù)。3.切削力的估算4.影響切削力的因素(1)工件材料。①工件材料的物理力學(xué)性能、加工硬化程度、化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)以及切削前的加工狀態(tài)都對(duì)切削力的大小產(chǎn)生影響。②工件材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和加工硬化程度越大,切削力越大。③工件材料的化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)等因素都直接影響其物理力學(xué)性能,因而也影響切削力。(2)刀具幾何參數(shù)。①前角對(duì)切削力的影響。加工塑性材料時(shí),前角增大,變形系數(shù)減小,切削力降低;加工脆性材料(如鑄鐵、青銅)時(shí),切屑變形很小,所以前角對(duì)切削力的影響不顯著。②主偏角對(duì)切削力的影響。主偏角r對(duì)切削力Fc的影響較小,主偏角r為60°~75°時(shí),切削力Fc最小。主偏角r對(duì)背向力Fp和進(jìn)給力Ff的影響較大,F(xiàn)f隨r的增大而增大。③刃傾角對(duì)切削力的影響。刃傾角λs對(duì)切削力Fc影響較小,但是對(duì)Fp和Ff影響較大,隨著λs的增大,F(xiàn)p減小,而Ff增大。(3)切削用量
①背吃刀量對(duì)切削力的影響。背吃刀量ap增大,切削力Fc成正比增大,背向力Fp和進(jìn)給力Ff近似成正比增大。②進(jìn)給量對(duì)切削力的影響。進(jìn)給量f增大,切削力Fc也增大,但切削力的增大與進(jìn)給量并不成正比。③切削速度對(duì)切削力的影響。隨著切削速度vc的提高,切削溫度增高,前刀面摩擦系數(shù)減小,變形程度減小,切削力減小。(4)刀具材料。刀具材料與工件材料之間的親和性影響它們之間的摩擦,從而影響切削力的大小。一般按立方碳化硼(CBN)刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具的順序,切削力依次增大。(5)切削液的影響。切削液具有潤(rùn)滑作用,使切削力降低。切削液的潤(rùn)滑作用越好,切削力的降低越顯著。在較低的切削速度下,切削液的潤(rùn)滑作用更為突出。6.3.4切削熱1.切削熱的來(lái)源(1)切屑變形所產(chǎn)生的熱量,這是切削熱的主要來(lái)源。(2)切屑與前刀面之間摩擦所產(chǎn)生的熱量。(3)工件和后刀面之間摩擦所產(chǎn)生的熱量。2.切削熱的傳出切削熱主要通過切屑﹑工件﹑刀具和周圍介質(zhì)(如空氣)向外傳出。各個(gè)部分傳出的比例取決于工件材料、切削速度、刀具材料、刀具幾何形狀等因素。例如,當(dāng)使用高速鋼車刀并選用適當(dāng)?shù)那邢魉俣惹邢麂摬臅r(shí),切屑傳出的熱量占總熱量的50%~86%,工件傳出的熱量占10%~40%,刀具傳出的熱量占3%~9%,而周圍介質(zhì)傳出的熱量約占1%。3.切削熱對(duì)加工的影響(1)對(duì)刀具的影響。刀具負(fù)擔(dān)切削部分的體積很小,因此即使是較小的熱量傳入刀具都可以導(dǎo)致溫度升高很高,這對(duì)于耐熱性不好的刀具材料來(lái)說(shuō),不但降低了使用性能,還會(huì)加速刀具的磨損。(2)對(duì)工件的影響。切削熱傳入工件后,將導(dǎo)致工件體積膨脹及不均勻變形,使零件產(chǎn)生加工誤差。6.3.5切削液1.切削液的用途(1)冷卻性能。切削液可以降低切削區(qū)的溫度,其冷卻性能的高低取決于液體的熱導(dǎo)率、切削液的流量以及流速等。(2)潤(rùn)滑性能。切削液可以在切屑、工件和刀具之間形成潤(rùn)滑油膜,改善材料的切削性能。切削液的潤(rùn)滑性能取決于其自身的滲透性以及形成潤(rùn)滑油膜的強(qiáng)度。(3)清洗性能。切削液能清除加工時(shí)產(chǎn)生的細(xì)碎切屑或磨料微粉,可以減少刀具磨損。切削液的清洗性能取決于其滲透性、流動(dòng)性以及液體的壓力與流量。(4)防銹性能。切削液中添加的防銹劑可以減少周圍介質(zhì)對(duì)機(jī)床、刀具和工件的腐蝕,在氣候潮濕的地區(qū),這一性能更為重要。2.切削液的分類(1)水溶液。水溶液以水作為主要成分,并加入一定量的添加劑,使其具有良好的防銹和潤(rùn)滑能力,冷卻和清洗性能好,透明,便于操作者觀察加工過程。(2)切削油。切削油以礦物油(機(jī)械油、輕柴油和煤油)和動(dòng)、植物油作為主要成分,
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