工業(yè)生產(chǎn)過程2機(jī)械加工與刀具概述

工業(yè)生產(chǎn)過程

機(jī)械加工與刀具概述

ZZQ2014-9-23本節(jié)課內(nèi)容：零件常見表面（外圓、孔、平面、螺紋、齒面）的機(jī)械加工方法；不同類型和結(jié)構(gòu)的刀具。

2014-9-23今天的課程學(xué)完后，預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果

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掌握機(jī)械零件表面的成形方法——軌跡法、成形法、相切法和展成法；熟悉零件常見表面（外圓、孔、平面、螺紋、齒面）的機(jī)械加工方法；了解切削用量與切削層截面參數(shù)等機(jī)械加工基本概念；了解刀具的類型和結(jié)構(gòu)，零件常見表面加工與所用刀具的對應(yīng)關(guān)系。2014-9-23CDIO相關(guān)能力在今天課程中的培養(yǎng)：應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)知識與工程基礎(chǔ)知識，實(shí)行工程推理并解決問題。對各項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行合理的時間安排，有效高質(zhì)量地完成。2014-9-23機(jī)械是由若干機(jī)械零件組成的。要獲得需要的機(jī)械零件，必須要了解該零件表面的成形方法，通過選擇合適的機(jī)床、刀具和夾具，采用正確的裝夾方法，對材料或毛坯進(jìn)行加工，使其成具有一定形狀、尺寸和精度的零件。其中，由機(jī)床、刀具、夾具和工件組成的系統(tǒng)稱為機(jī)械加工工藝系統(tǒng)（簡稱工藝系統(tǒng)），它對能否滿足工件的要求起著決定性的作用。本章（機(jī)械加工的基本概念）重點(diǎn)分析工藝系統(tǒng)各部分的特點(diǎn)及機(jī)械加工中常用的概念和方法。2014-9-23案例導(dǎo)入怎樣獲得如圖所示的階梯軸零件？分析：它是由一些外圓柱面、圓錐面(倒角)和平面組成，并有尺寸精度和表面粗糙度要求。怎樣才能獲得這些表面？需要哪些運(yùn)動？需要用什么機(jī)床、刀具、夾具和量具？怎樣把它裝在機(jī)床上？精度怎樣？2014-9-23工件表面的成形方法所有機(jī)械零件的表面，都是由一些基本表面形成的。這些表面包括平面、圓柱面、圓錐面以及各種成形表面（如螺紋表面、漸開線齒面等），這些表面通常可以看成是一條母線沿著另一條導(dǎo)線運(yùn)動而形成的。圖示的幾何表面都是由母線1沿導(dǎo)線2運(yùn)動而形成的。母線和導(dǎo)線統(tǒng)稱為發(fā)生線。2014-9-23注意：1雖然母線和導(dǎo)線相同，但若兩者間起始位置不同，形成的表面也不同，如上頁圖中的b及c。2有些表面，其母線和導(dǎo)線可以互換，如上頁圖中a、d和f等，稱為可逆表面；另一些表面則不能互換，如圖中b和e，稱為不可逆表面。切削加工中發(fā)生線是由刀具的切削刃和軌跡的相對運(yùn)動得到的，不同的加工運(yùn)動、不同的切削刃形狀，形成發(fā)生線的方式不同，獲得的零件表面就不同。2014-9-23平面的形成2014-9-23圓柱面的形成2014-9-23圓錐面的形成2014-9-23螺紋面的形成2014-9-23形成零件表面的4種方法2014-9-23形成零件表面的4種方法（1）軌跡法利用刀具作一定規(guī)律的軌跡運(yùn)動對工件進(jìn)行加工的方法。切削刃與被加工表面為點(diǎn)接觸，發(fā)生線為接觸點(diǎn)的軌跡線。如上頁圖中母線2，工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動形成導(dǎo)線，最終獲得回轉(zhuǎn)曲面。采用軌跡法形成發(fā)生線需要一個成形運(yùn)動。（2）成形法利用成形刀具對工件進(jìn)行加工的方法。如上頁圖b所示，切削刃1的形狀和長度與所需形成的發(fā)生線（母線2）完全吻合，工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動形成導(dǎo)線，最終也獲得回轉(zhuǎn)曲面。2014-9-23軌跡法2014-9-23成形法2014-9-23形成零件表面的4種方法（3）相切法利用刀具邊旋轉(zhuǎn)邊作軌跡運(yùn)動對工件進(jìn)行加工的方法。如圖c所示，刀刃1作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時刀具軸線沿著發(fā)生線的等距線作軌跡運(yùn)動，切削點(diǎn)運(yùn)動軌跡的包絡(luò)線就是所需的發(fā)生線。為了用相切法得到發(fā)生線，需要二個成形運(yùn)動，即刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和刀具中心按一定規(guī)律運(yùn)動。（4）展成法利用刀具和工件作展成切削運(yùn)動進(jìn)行加工的方法。如圖d所示，加工時，刀具1與工件按確定的運(yùn)動關(guān)系作相對運(yùn)動，切削刃與被加工表面相切，切削刃各瞬時位置的包絡(luò)線，就是所需的發(fā)生線。用展成法形成發(fā)生線需要一個成形運(yùn)動（即刀具運(yùn)動A與工件運(yùn)動B組合而成的展成運(yùn)動3）。2014-9-23相切法2014-9-23展成法2014-9-23表面成形運(yùn)動可分為：簡單成形運(yùn)動復(fù)合成形運(yùn)動2014-9-23車外圓時的成形運(yùn)動2014-9-23車螺紋時的成形運(yùn)動2014-9-23齒條刀加工齒輪時的成形運(yùn)動漸開線母線，由復(fù)合展成運(yùn)動形成，可分解為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動B11和刀具直線移動A12，屬復(fù)合成形運(yùn)動。直線導(dǎo)線，由齒向進(jìn)給運(yùn)動形成，屬簡單成形運(yùn)動。2014-9-23零件表面成形所需的成形運(yùn)動母線和導(dǎo)線是形成零件表面的兩條發(fā)生線。因此，形成表面所需要的成形運(yùn)動，就是形成母線及導(dǎo)線所需要的成形運(yùn)動的總和。為了加工出所需的零件表面，機(jī)床就必須具備這些成形運(yùn)動。馮之敬主編《機(jī)械制造工程原理》（第2版）P5-6列舉了形成幾種零件表面所需要的成形運(yùn)動的例子。2014-9-23課堂練習(xí)

教科書P33習(xí)題1-2

2014-9-23切削加工成形運(yùn)動（1）主運(yùn)動直接切除工件上的切削層，以形成工件以加工表面的基本運(yùn)動。主運(yùn)動的速度最高，消耗功率最大，機(jī)床的主運(yùn)動只有一個。主運(yùn)動可以由工件或由刀具完成，車削時的主運(yùn)動是工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。（2）進(jìn)給運(yùn)動是指不斷把切削層投入切削的運(yùn)動。進(jìn)給運(yùn)動的速度較低，消耗的功率較小。進(jìn)給運(yùn)動不限于一個，可以是連續(xù)的，也可以是間歇性的。2014-9-23合成切削運(yùn)動合成切削運(yùn)動是同時進(jìn)行的主運(yùn)動與進(jìn)給運(yùn)動合成的運(yùn)動。即主運(yùn)動與進(jìn)給運(yùn)動的向量和。合成切削速度ve

在主運(yùn)動與進(jìn)給運(yùn)動同時進(jìn)行的情況下，切削刃上任一點(diǎn)的實(shí)際切削速度是切削速度vc與進(jìn)給速度vf的合成速度ve

ve

=vc

+vf2014-9-23車螺紋合成切削運(yùn)動2014-9-23銑削合成切削運(yùn)動2014-9-23車削時的切削運(yùn)動與加工表面2014-9-23工件上三個不斷變化著的表面已加工表面指經(jīng)切削形成的新表面，它隨著切削運(yùn)動的進(jìn)行逐漸擴(kuò)大。待加工表面指即將被切除的表面。它隨著切削運(yùn)動的進(jìn)行，逐漸縮小，直至全部切去。過渡表面指切削刃正在切削的表面。2014-9-23各種切削運(yùn)動和加工表面在切削過程中，切削刃相對于工件運(yùn)動軌跡面，就是工件上的過渡表面和已加工表面。這里有兩個要素，一是切削刃，二是切削運(yùn)動。不同形狀的切削刃與不同的切削運(yùn)動組合，即可形成各種工件表面，如下兩頁圖示。2014-9-23各種切削運(yùn)動和加工表面2014-9-23各種切削運(yùn)動和加工表面2014-9-23切削用量三要素2014-9-23切削用量——切削速度

（1）切削速度它是切削刃上選定點(diǎn)相對于工件的主運(yùn)動線速度。當(dāng)主運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，其切削速度為（單位為m/min）式中d——完成主運(yùn)動的工件或刀具的最大直徑（單位為mm）；

n——主運(yùn)動的轉(zhuǎn)速（單位為r/min）2014-9-23切削用量——進(jìn)給量

（2）進(jìn)給量f

當(dāng)主運(yùn)動旋轉(zhuǎn)一周時，刀具（或工件）沿進(jìn)給方向上的位移量f。進(jìn)給量的大小也反映了進(jìn)給速度（單位為mm/min）的大小，關(guān)系為2014-9-23切削用量——切削深度切削深度（背吃刀量）車削時（單位為mm）是工件上待加工表面與已加工表面間的垂直距離：式中d

w——工件待加工表面的直徑,單位為mm；

dm——工件已加工表面的直徑,單位為mm。2014-9-23車削時的切削層尺寸2014-9-23切削層參數(shù)2014-9-23切削方式——正切削與斜切削2014-9-23切削方式——自由切削與非自由切削2014-9-23刀具切削過程就是刀具從工件表面上切除多余的材料。根據(jù)工件和機(jī)床的不同，刀具也有不同的類型、結(jié)構(gòu)、材料和幾何參數(shù)。2014-9-23刀具種類根據(jù)所用機(jī)床及的所加工對象的不同，刀具可分為：車刀——用于車床；銑刀——用于銑床；刨刀——用于刨床；鏜刀——用于鏜床；拉刀——用于拉床；孔加工刀具——用于加工孔；齒輪刀具——用于加工齒輪；廣義上，刀具還包括用于磨削加工的砂輪等。以上刀具種類還可進(jìn)一步細(xì)分。

2014-9-23各類型車刀

車刀是金屬切削加工中使用最廣泛的刀具，它可以用來加工各種內(nèi)、外回轉(zhuǎn)體表面，如外圓、內(nèi)孔、端面、螺紋，也可用于切槽和切斷等。以車刀為例，還可進(jìn)一步細(xì)分為可用于加工各種具體零件表面的各類型車刀——左偏刀、右偏刀、90°偏刀、75°偏刀（彎頭刀）、尖刀（直頭刀）、端面車刀、切斷刀、成形車刀、寬刃精車刀、螺紋車刀、通孔車刀、盲孔車刀和內(nèi)槽車刀等。下頁圖示為各類型焊接式車刀。2014-9-23各類型焊接式車刀1.切斷刀2、3.90°偏刀4.彎頭刀5.直頭刀6.成形車刀7.寬刃精車刀8、10.螺紋車刀9.端面車刀11.內(nèi)槽車刀12.通孔車刀13.盲孔車刀2014-9-23思考

盲孔車刀能否用于加工端面？為什么？2014-9-23銑刀銑刀是多齒回轉(zhuǎn)刀具，可以加工各種平面、溝槽和成形表面等。銑刀的種類很多，按其用途可分為加工平面用銑刀、加工溝槽用銑刀和加工成形面用銑刀等三大類。通用規(guī)格的銑刀已標(biāo)準(zhǔn)化，由專業(yè)工具廠生產(chǎn)。下頁介紹幾種常用的銑刀。2014-9-23常用銑刀與加工的典型表面

a)、b)、銑平面c)銑螺紋d)、e)銑溝槽f)銑臺階g)銑T型槽h)切斷i)、j)銑角度槽k)、l)銑鍵槽m)銑齒形n)銑螺旋槽o)銑曲面p)銑立體曲面q)球頭銑刀2014-9-23圓柱銑刀2014-9-23端銑刀2014-9-23盤形銑刀2014-9-23立銑刀和鍵槽銑刀2014-9-23角度銑刀2014-9-23成形銑刀2014-9-23直齒圓柱齒輪的成形銑削2014-9-23孔加工刀具在實(shí)體上加工孔，常用麻花鉆、中心鉆及深孔鉆；而對已有孔作進(jìn)一步加工，則用擴(kuò)孔鉆、鉸刀、鏜刀等，此外，內(nèi)孔拉（推）刀、內(nèi)圓磨砂輪及珩磨頭也用來對已有孔作進(jìn)一步的精加工。2014-9-23麻花鉆麻花鉆是一種形狀復(fù)雜的雙刃鉆孔或擴(kuò)孔的標(biāo)準(zhǔn)刀具。標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆是由柄部、頸部和工作部分組成，如圖所示。麻花鉆的主要幾何參數(shù)有螺旋角β（一般為25°～32°），頂角2φ，（2φ=118°），橫刃長度，橫刃斜角ψ等。2014-9-23麻花鉆的刃磨2014-9-23群鉆基本型群鉆1、1′—外刃后刀面

2、2′—月牙槽

3、3′—內(nèi)刃前刀面

4、4′—分屑槽標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的缺點(diǎn)是：切削刃長，前角變化大（從外緣30°逐漸減小到鉆芯-30°），橫刃切削條件差，排屑不暢等，為提高鉆孔的精度和效率，常將標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆按特定方式修磨成“群鉆”。2014-9-23硬質(zhì)合金鉆頭2014-9-23擴(kuò)孔鉆擴(kuò)孔鉆是將孔進(jìn)一步擴(kuò)大用的刀具。擴(kuò)孔鉆有整體式和套式兩種，如圖所示。擴(kuò)孔鉆的外形與麻花鉆類似，但其齒數(shù)較多（一般為3～4齒），容屑槽較淺，無橫刃，導(dǎo)向性好，可獲得比鉆孔高的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。常用來加工直徑小于Φ100mm的孔。2014-9-23鉸刀的結(jié)構(gòu)鉸刀用于中小尺寸孔的半精加工和精加工。鉸刀的齒數(shù)多（6～12個），齒槽淺，剛性和導(dǎo)向性好。鉸刀的結(jié)構(gòu)由工作部分、頸部和柄部組成，工作部分有切削部分和校準(zhǔn)部分，校準(zhǔn)部分有圓柱部分和倒錐部分。鉸刀圓柱校準(zhǔn)部分的直徑為鉸刀的直徑，它直接影響到被加工孔的尺寸精度及刀具使用壽命。2014-9-23鉸刀的種類鉸刀的種類較多，可分為機(jī)用鉸刀和手用鉸刀，機(jī)用鉸刀由機(jī)床引導(dǎo)，導(dǎo)向性能好，故工作部分長度短。2014-9-23鏜刀鏜刀是在車床、鏜床、加工中心、自動機(jī)床及組合機(jī)床上使用的刀具。鏜刀按刀刃數(shù)可分為單刃鏜刀和雙刃鏜刀。如圖所示為單刃鏜刀，其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，通用性好，但調(diào)整費(fèi)時，且精度不易控制。下頁圖所示為雙刃浮動鏜刀，鏜刀兩邊都有切削刃，可以消除徑向力對鏜刀桿的影響，所鏜孔的尺寸和精度由鏜刀的徑向尺寸D保證。通過調(diào)整兩刀刃的徑向位置，可以加工一定尺寸范圍內(nèi)的孔。浮動鏜刀是以間隙配合裝入鏜桿的方孔中，無需夾緊。2014-9-23雙刃浮動鏜刀2014-9-23拉刀拉刀是一種高精度和高生產(chǎn)率的多齒刀具，各種形狀貫通的內(nèi)、外表面都能用拉刀加工。拉刀使用壽命長，但制造較復(fù)雜，成本高，主要用于大批量生產(chǎn)中。拉削的各種表面2014-9-23圓孔拉刀的組成和拉削過程拉刀軸向尺寸較大，由切削部分、校準(zhǔn)部分和輔助部分組成（圓孔拉刀的結(jié)構(gòu)見圖ａ）。切削部分完成全部余量的切除工作（見圖ｂ），它由粗切齒、過渡齒、精切齒組成。相鄰刀齒的半徑差稱為齒升量，粗切齒齒升量最大，逐步遞減至精切齒。校準(zhǔn)部分起修光、校準(zhǔn)作用，校準(zhǔn)齒齒升量等于零。輔助部分包括前柄、頸部、過渡錐、前導(dǎo)部、后導(dǎo)部和后柄等。2014-9-23提問

如何做到“好鋼用在刀刃上”？

2014-9-23刀具的結(jié)構(gòu)類型

大多數(shù)刀具的刀刃（刀頭）部分和夾持（刀體）部分采用不同的材料。根據(jù)刀頭部分和刀體部分不同的組合方式，刀具可有不同的結(jié)構(gòu)類型。2014-9-23車刀的結(jié)構(gòu)類型車刀按結(jié)構(gòu)可分為整體式、焊接式、機(jī)夾重磨式、可轉(zhuǎn)位式及成形車刀等。焊接車刀是將一定形狀的硬質(zhì)合金刀片用黃銅、純銅等焊接在刀桿上的刀槽內(nèi)而成。這種刀片有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，應(yīng)選用合適的硬質(zhì)合金牌號和刀片規(guī)格。2014-9-23可轉(zhuǎn)位車刀采用機(jī)械夾固的方法，將刀片夾緊在刀桿上，如圖所示。它由刀桿、刀片、刀墊和夾緊元件組成，當(dāng)切削刃用鈍后，將刀片轉(zhuǎn)過一個位置，便可用新的一個切削刃進(jìn)行切削，當(dāng)全部刀刃都用鈍后再更換新刀片?？赊D(zhuǎn)位車刀是一種高效率的新型刀具?？赊D(zhuǎn)位刀片已經(jīng)有國家標(biāo)準(zhǔn)，種類很多，可根據(jù)需要選擇。2014-9-23成形車刀是加工回轉(zhuǎn)體成形表面的專用高效車刀。它的刃形是根據(jù)工件廓形設(shè)計的,用成形車刀加工，只要一次就能切出成形表面，操作簡單，生產(chǎn)率高，刀具使用壽命長，主要用于大批量生產(chǎn)。成形車刀按結(jié)構(gòu)和形狀分為平體成形車刀、棱體成形車刀和圓體成形車刀三類。2014-9-23齒輪刀具加工齒輪齒形的刀具稱為齒輪刀具。齒輪刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類較多。按齒形形成的原理，齒輪刀具可分為成形法和展成法兩大類。2014-9-23滾齒刀展成法加工齒輪2014-9-23Φ8米滾齒機(jī)2014-9-23插齒刀加工Φ6米內(nèi)齒輪2014-9-23砂輪的特性砂輪是磨削加工中的重要工具，砂輪是由按一定比例的磨料和結(jié)合劑，經(jīng)壓坯、干燥、焙燒而制成，有很多氣孔。磨料、結(jié)合劑與氣孔三者構(gòu)成了砂輪三要素。砂輪的特性主要由磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度和組織五個參數(shù)決定。2014-9-23砂輪的磨料磨料即砂粒，是構(gòu)成砂輪的主要成分。磨料應(yīng)具備很高的硬度、耐磨性、耐熱性和韌性，才能承受磨削時的熱和磨削力，還要具有相當(dāng)鋒利的形狀，以利磨削金屬。常用的磨料有氧化物系、碳化物系和超硬磨料(人造金剛石、立方氮化硼等)。2014-9-23砂輪的粒度粒度指磨料顆粒的大小，用磨粒能通過的篩網(wǎng)號表示。例如30粒度是指磨粒剛可通過每英寸長度上有30個孔眼的篩網(wǎng)。粒度號越大則磨粒的顆粒越小。粗加工的磨粒尺寸大，精加工的磨粒尺寸小。通常把磨料顆粒尺寸大于40μm的稱為磨粒，顆粒尺寸小于40μm的稱為微粉，以W表示，例如W10，表示磨粒的實(shí)際尺寸為10μm，微粉號越小則微粉越細(xì)。磨料的粒度將直接影響磨削表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。2014-9-23砂輪的結(jié)合劑結(jié)合劑的作用是將磨粒粘結(jié)在一起，使砂輪具有一定的形狀和強(qiáng)度結(jié)合劑的特性影響砂輪的強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐熱性及砂輪壽命。2014-9-23砂輪的硬度砂輪的硬度是指在磨削力作用下，磨粒從砂輪表面脫落的難易程度。它反映了磨粒與粘合劑的粘結(jié)強(qiáng)度。砂輪硬，磨粒不易脫落，砂輪軟，磨粒容易脫落。砂輪硬度的選用，主要是根據(jù)工件材料的性質(zhì)和具體磨削條件，基本原則為：1）工件材料硬，砂輪硬度應(yīng)選軟些，以便磨鈍的磨粒及時脫落。2）砂輪與工件磨削接觸面積和弧長較大時，砂輪硬度應(yīng)選軟些。3）用成形砂輪磨削時，為保持必要的形狀，應(yīng)選硬些的砂輪。4）磨削有色金屬（鋁、黃銅等）等軟材料時，為防止砂輪堵塞，應(yīng)選用較軟的砂輪。5）砂輪的粒度號大時，應(yīng)選軟些的砂輪。2014-9-23砂輪的組織

砂輪的組織表示砂輪的疏密程