機(jī)械行業(yè)制造技術(shù)管理知識(shí)基礎(chǔ)

1、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 制作：機(jī)械制造教研室授 課：恩吉 緒 論1、制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位制造是人類科學(xué)理念物化的過程（P1）。它是指人類按照所需目的，運(yùn)用主觀掌握的知識(shí)和技能，應(yīng)用可利用的設(shè)備和工具，采用有效的方法，將原材料轉(zhuǎn)化為有使用價(jià)值的物質(zhì)產(chǎn)品并投放市場的全過程。（1）機(jī)械制造業(yè)是國家工業(yè)體系的重要基礎(chǔ)和國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，是衡量一個(gè)國家科技水平的重要標(biāo)志之一；（2）制造技術(shù)是生產(chǎn)、國際經(jīng)濟(jì)竟?fàn)?、產(chǎn)品革新的一種重要手段；（3）基礎(chǔ)機(jī)械、基礎(chǔ)零部件、基礎(chǔ)工藝的發(fā)展，其關(guān)鍵在于制造技術(shù)的發(fā)展；（4）現(xiàn)代以制造技術(shù)為重點(diǎn)的工業(yè)革命，就是第三次工業(yè)革命；在國防中舉足輕重殲10：國產(chǎn)最先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)中

2、華神盾：國產(chǎn)最先進(jìn)驅(qū)逐艦遨游太空的神六航空母艦：制造業(yè)的顛峰2、先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢信息技術(shù)對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展起著越來越重要的作用。設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷現(xiàn)代化。加工制造技術(shù)向超精密、超高速以及發(fā)展新一代制造裝備的方向發(fā)展。綠色制造將成為21世紀(jì)制造業(yè)的主要特征。目前研究熱點(diǎn)超高速切削精密及超精密加工、微細(xì)加工和納米級(jí)加工自動(dòng)化加工中刀具可靠性研究切削過程在線檢測、監(jiān)控和預(yù)報(bào)新型刀具材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)新型高難加工材料的切削加工其它新型加工方法，如：基于環(huán)保意識(shí)的綠色干切削、硬切削、低溫切削、加熱切削、振動(dòng)切削等復(fù)雜曲面加工，復(fù)雜刀具CAD/CAM 國內(nèi)研究現(xiàn)狀山東大學(xué) (新型陶瓷刀具材料、刀具磨損破

3、損、切削可靠性等、高速切削)，代表性人物：艾興院士哈爾濱工業(yè)大學(xué) (精密、超精密加工、納米級(jí)加工、特種加工等)，代表性人物：袁哲俊教授大連理工大學(xué) (切削理論、剪切角理論 、石材加工等)，代表性人物：劉培德教授北京理工 (硬質(zhì)合金刀具、難加工材料加工等) ，代表性人物：于啟勛教授天津大學(xué) (陶瓷精密磨削加工等) ，代表性人物：于思遠(yuǎn)教授東北大學(xué) (磨削加工) ，代表性人物：鄭煥文教授華南理工大學(xué) (加工表面質(zhì)量、 積屑瘤、加工表面殘余應(yīng)力)，代表性人物：周澤華教授華中科技大學(xué)（陳日曜教授）南京航空航天大學(xué)(張幼幀教授）北京航空航天大學(xué)（陳鼎昌教授）清華大學(xué)成都工具研究所等美國、日本、德國、澳大

4、利亞等美國: Merchant, Lee and Shaffer日本：臼井英治、小野浩二、中山一雄澳大利亞：Oxley 國外研究現(xiàn)狀3、如何學(xué)好本課程性質(zhì)：是機(jī)械類各專業(yè)的主干專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。研究對(duì)象：金屬切削原理、金屬切削機(jī)床與刀具、機(jī)床夾具設(shè)計(jì)原理以及機(jī)械產(chǎn)品的制造工藝（包括零件加工和裝配兩方面）。課程的主要內(nèi)容金屬切削的基本原理和基本知識(shí)；金屬切削機(jī)床與刀具；零件機(jī)械加工工藝過程的制訂；機(jī)床夾具設(shè)計(jì)原理；機(jī)械加工精度與加工質(zhì)量；裝配工藝過程設(shè)計(jì)；課程的學(xué)習(xí)要求以金屬切削理論為基礎(chǔ)，掌握金屬切削的基本原理和基本知識(shí)，并有根據(jù)具體情況合理選擇加工方法（機(jī)床、刀具、切削用量、切削液等）的初步

5、能力；以制造工藝為主線，以產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率與經(jīng)濟(jì)性三者的優(yōu)化為目標(biāo)，了解和掌握機(jī)械加工工藝過程、機(jī)械加工精度和質(zhì)量以及裝配過程的基本原理和基本知識(shí)，具有設(shè)計(jì)工藝規(guī)程的初步能力。了解和能夠選用常用工藝裝備（機(jī)床、刀具、夾具），并具有初步設(shè)計(jì)工藝裝備的能力。對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢有一定的了解。本課程的學(xué)習(xí)方法金屬切削理論和機(jī)械制造工藝知識(shí)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。因此，希望學(xué)習(xí)本書時(shí)必須重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，即通過實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)及工廠調(diào)研來更好地體會(huì)、加深理解。本書給出的僅是基本概念與理論，真正的掌握與應(yīng)用必須在不斷的實(shí)踐理論實(shí)踐的循環(huán)中善于總結(jié)，才能達(dá)到自由王國的境界。學(xué)時(shí)安排: 1.(5) 2.(8)

6、3.(11) 5.(11) 7.(5) 8.(2) 9.(1)考核 平時(shí)成績30分: 考勤和課堂紀(jì)律15 ; 課堂討論、筆記和作 業(yè)15。 期末閉卷考試70分. 試卷題型：1填空 15 約5題 ； 2. 選擇題35 約7題 ； 3. 簡答題16 約4題 ； 4. 分析題24 約3題 ； 5計(jì)算題10 約1題 。第一章：金屬切削過程的基礎(chǔ)知識(shí)（約5學(xué)時(shí)） 本章提要 一、基本定義 介紹金屬切削過程方面的一些基本概念，它包括切削運(yùn)動(dòng)、切削用量、參考系（基面、切削平面、主剖面）、刀具標(biāo)注角度、切削層參數(shù)等。二、刀具材料 介紹刀具材料應(yīng)具備的性能（硬度、耐磨性、強(qiáng)度、韌性、耐熱性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性），兩種

7、常用的刀具材料（高速鋼、硬質(zhì)合金）和其它刀具材料（涂層、陶瓷、人造金剛石、立方氮化硼）。1.1基本定義1.1.1切削運(yùn)動(dòng)與切削用量 工件三個(gè)表面定義： 待加工表面：即將被切去金屬層的表 面； 加工表面：切削刃正在切削著的表面； 已加工表面：已經(jīng)切去一部分金屬形成的新表面。平面刨削的切削運(yùn)動(dòng)及工件上三表面課堂問題：指出鉆、銑削的切削運(yùn)動(dòng)及工件上三個(gè)表面。1.1.1.1切削運(yùn)動(dòng)*主運(yùn)動(dòng) 主運(yùn)動(dòng)是速度最高，消耗機(jī)床功率最多的那個(gè)運(yùn)動(dòng)。（如圖1.3Vc）注：(a) 主運(yùn)動(dòng)可為刀具，也可為工件； (b) 主運(yùn)動(dòng)可是直線運(yùn)動(dòng)，也可旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； (c) 切削加工中，主運(yùn)動(dòng)必須有一個(gè)，也只有一個(gè)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 進(jìn)給

8、運(yùn)動(dòng)使新的金屬不斷投入切削的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可是一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)，通常消耗功率較小。（如圖1.3Vf）注：（a）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以是一個(gè)、幾個(gè)或沒有； （b）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可是直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或兩者的組合； （c）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可由刀具或工件完成。 Ve=Vc+VfVcVeVf圖1.3合成切削速度合成運(yùn)動(dòng)與合成切削速度 當(dāng)主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行時(shí)，刀具切削刃上某點(diǎn)相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)稱為合成切削運(yùn)動(dòng)。(如圖1.3Ve) 1.1.1.2 切削用量三要素* (1) 切削速度 （車鉆鏜） (2) 進(jìn)給速度、進(jìn)給量和每齒進(jìn)給量 進(jìn)給速度Vf是單位時(shí)間的進(jìn)給量，單位是mm/s(mm/min)進(jìn)給量f是工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周兩者

9、沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位移，單位是mm/r對(duì)于銑刀、齒輪滾刀等多刃切削工具，在它們進(jìn)行工作時(shí)，還應(yīng)規(guī)定每一個(gè)刀齒的進(jìn)給量f z 。三者的關(guān)系:(3)背吃刀量 背吃刀量ap為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離（車削） （鉆削） 1.1.2.刀具切削部分的基本定義1.1.2.1 刀具切削部分的構(gòu)造 主后刀面Aa是指與工件加工表面相對(duì)的刀具 表面。 副后刀面Aa是指與工件已加工表面相對(duì)的 刀具表面。(3)切削刃：主切削刃指前刀面與主后刀面相交的鋒邊；副切削刃指前刀面與副后刀面相交的鋒邊。 (1)前刀面：前刀面Ar 是切屑流出的表面; (2)后刀面：后刀面分為主后刀面與副后刀面 ;車刀的組成(4)

10、刀尖：刀尖可以是主、副切削刃的實(shí)際交點(diǎn)（圖1.5）它也可以是圓弧或直線（通常都稱為過渡刃）。1.1.2.2 刀具標(biāo)注角度的參考系刀具標(biāo)注角度的參考系由下列諸平面構(gòu)成：基面Pr 通過切削刃選定點(diǎn)，垂直假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面。切削平面Ps 通過切削刃選定點(diǎn)，與主切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。主剖面Po和主剖面參考系 主剖面Po是通過切削刃選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。 由Pr-Ps-Po組成的一個(gè)正交的主剖面參考系。 法剖面Pn和法剖面參考系 法剖面 Pn是通過切削刃選定點(diǎn)，垂直于切削刃的平面。Pr-Ps-Pn組成一個(gè)法剖面參考系VPrVf進(jìn)給剖面Pf和背平面Pp及其組成的進(jìn)

11、給、背平面參考系 進(jìn)給剖面Pf是通過切削刃選定點(diǎn)，平行于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向并垂直于基面Pr的平面。背平面Pp是通過切削刃選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于Pr和Pf的平面。Pr-Pf-Pp組成一個(gè)進(jìn)給、背平面參考系。1.1.2.3 刀具工作角度的參考系（自閱） 刀具工作角度參考系與標(biāo)注角度參考系的唯一不同是：用主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的合成切削運(yùn)動(dòng)Ve取代主運(yùn)動(dòng)VcVe =Vc + Vf1.1.2.4 刀具的標(biāo)注角度* 主偏角r：基面中測量的主切削刃與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角。刃傾角s：切削平面中測量的主切削刃與基面間的夾角。前角0：前刀面與基面間的夾角（在主剖面中測量）。后角0：后刀面與切削平面的夾角（在主剖面中測量）。 同理

12、可得：副偏角r，副后角0， ，副刃傾角s， ， 副前角0， ，。它們的定義與主切削刃上的四種角度類似。 幾個(gè)派生角如下：楔角 ：主剖面中測量的前、后刀面間夾角。刀尖角 ：基面中測量的主、副切削刃間夾角。前角主偏角刃傾角作業(yè)：P21 1.6，1.131.1.3.刀具角度的換算 (自閱)nff端面車刀切斷車刀1.1.4.刀具工作角度1.1.4.1進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響橫車基面位置變化所致: 前角 后角VeVfVc縱車基面位置變化所致：前角后角1.1.4.2 刀具安裝對(duì)工作角度的影響 刀尖安裝高低對(duì)工作角度的影響 裝高了導(dǎo)致：課堂問題：鏜孔時(shí)，當(dāng)鏜刀刀尖安裝得高于工件中心線時(shí)，工作前角和工作后角的

13、變化如何？刀桿安裝傾斜對(duì)工作角度的影響 車刀刀桿與進(jìn)給方向不垂直時(shí)，工作主偏角和工作副偏角將發(fā)生變化： ,1.1.5切削層參數(shù)與切削形式1.1.5.1 切削層參數(shù)* 切削厚度 垂直于加工表面來度量的切削層尺寸（圖1.19）稱為切削厚度，以hD表示。切削寬度 沿加工表面度量的切削層尺寸（圖1.19），稱為切削寬度，以 bD 表示。切削面積AD bD2bD1hD2hD1hD3hD2hD1 bD 上面所計(jì)算的均為名義切削面積。實(shí)際切削面積等于名義切削面積減去殘留面積注：殘留面積直接影響表面粗糙度。1.1.5.2切削形式(自閱) 正切削與斜切削自由切削與非自由切削有關(guān)刀具材料的一組“名言”工欲善其事，

14、必先利其器好鋼用在刀刃上刀具材料的每一次進(jìn)步幾乎都給機(jī)械加工業(yè)帶來一次革命再先進(jìn)的機(jī)床沒有刀具尤如一堆廢鐵 1.2 刀具材料有關(guān)刀具材料的一組“名言”機(jī)床、刀具和工件組成的切削加工系統(tǒng)中，刀具是最活躍的因素 機(jī)床與刀具材料交替進(jìn)展，成為切削技術(shù)不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律金屬切削的發(fā)展史，從某種意義上說，可歸結(jié)為刀具材料的發(fā)展史 1.2.1.刀具材料應(yīng)具備的性能* 高的硬度與耐磨性足夠的強(qiáng)度和韌性高的耐熱性良好的工藝性良好的經(jīng)濟(jì)性 （1）高的硬度與耐磨性A、刀具是從工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度應(yīng)在60HRC以上。對(duì)于碳素工具鋼材料，在室溫條件下硬度應(yīng)在6

15、2HRC以上；高速鋼硬度為63HRC70HRC；硬質(zhì)合金刀具硬度為89HRC93HRC。B、刀具耐磨性是刀具抵抗磨損能力。一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相組織中硬質(zhì)點(diǎn)（如碳化物、氮化物等）越多，顆粒越小，分布越均勻，則刀具耐磨性越好。足夠的強(qiáng)度和韌性刀具材料在切削時(shí)受到很大的切削力與沖擊力。如車削45鋼，在背吃刀量ap4，進(jìn)給量f 0.5/r的條件下，刀片所承受的切削力達(dá)到4000N，可見，刀具材料必須具有較高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的韌性。一般刀具材料的韌性用沖擊韌度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。（3）高的耐熱性刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標(biāo)志，通常用高溫下保持高硬度的性能來衡

16、量，也稱熱硬性。刀具材料高溫硬度越高，則耐熱性越好，在高溫抗塑性變形能力、抗磨損能力越強(qiáng)。（5）良好的經(jīng)濟(jì)性 刀具不但要有良好的切削性能，本身還應(yīng)該易于制造，這要求刀具材料有較好的工藝性，如鍛造、熱處理、焊接、磨削、高溫塑性變形等功能。（4）良好的工藝性 經(jīng)濟(jì)性也是刀具材料的重要指標(biāo)之一，選擇刀具時(shí)，要考慮經(jīng)濟(jì)效果，以降低生產(chǎn)成本。1.2.2.常用的刀具材料1.2.2.1.高速鋼*1高速鋼 概念： 高速鋼是一種含有鎢、鉬、鉻、釩等合金元素較多的高合金工具鋼 。 性質(zhì)及特點(diǎn)：高速鋼具有良好的熱穩(wěn)定性 （正常工作切削溫度可達(dá)500 650 oC ）；高速鋼具有較高強(qiáng)度和韌性 、具有一定的硬度(63

17、70HRC)和耐磨性 高速鋼制造工藝性好（常用于鉆頭等）。通用型高速鋼鎢鋼 W18Cr4V (簡稱W18) 含(鎢)W18%(鉻)Cr4% (釩)V1% 有良好的綜合性能，在600 oC時(shí)其高溫硬度為HRC48.5，可以制造各種復(fù)雜刀具。 鎢鉬鋼 W6Mo5Cr4V2 (簡稱M2) （將一部分鎢用鉬代替所制成的鋼 ）含(鎢)W6% (鉬)MO5% (鉻)Cr4% (釩)V2% 減小了碳化物數(shù)量及分布的不均勻性 ，高溫切削性能和W18相比稍差，適用于制造熱軋鉆頭等。高性能高速鋼 是在通用高速鋼的基礎(chǔ)上再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素。適合于加工高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。

18、 典型牌號(hào)有高碳高速鋼、高釩高速鋼、鈷高速鋼、超硬高速鋼等。粉末冶金高速鋼 用高壓氬氣或氮?dú)忪F化熔融的高速鋼水，直接得到細(xì)小的高速鋼粉末，高溫下壓制成致密的鋼坯，而后鍛壓成材或刀具形狀。適合制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滾刀、插齒刀）、精密刀具等。1.2.2.2.硬質(zhì)合金 *硬質(zhì)合金是由難熔金屬化合物（如WC、TiC）和金屬粘結(jié)劑（Co）經(jīng)粉末冶金法制成。其性能：硬度可達(dá)HRA89-93，在800-1000 oC還能承擔(dān)切削，耐用度較高速鋼高幾十倍。適合切削速度較高，可提高45倍。但抗彎強(qiáng)度較高速鋼低，沖擊韌性差。 碳化物含量較高時(shí)，硬度高，但抗彎強(qiáng)度低； 粘結(jié)劑含量較高時(shí)，抗彎強(qiáng)度

19、高，但硬度低。ISO將切削用的硬質(zhì)合金分為以下四類：YG(K)類，即WC-Co類硬質(zhì)合金*成份：由WC和Co組成。 牌號(hào)有YG6，YG8（中晶粒，粗加工用），含鈷量分別為6%，8%，；YG3X，YG6X（細(xì)晶粒，精加工用），含鈷量分別為3%，6%。性能：硬度為HRA8991.5； 抗彎強(qiáng)度為1.11.5 Gpa (110150kgf/mm2 )； 此類合金韌性、磨削性、導(dǎo)熱性較好。 “細(xì)晶粒”比 “中晶?！庇捕雀?，韌性低。 適用場合：加工產(chǎn)生崩碎切屑、有沖擊切削力作用在刃口附近的脆性材料(鑄鐵、有色金屬及其合金)和導(dǎo)熱系數(shù)低的不銹鋼等。YT(P)類，即WC-TiC-Co類硬質(zhì)合金*成份： 硬質(zhì)

20、點(diǎn)除WC外，還含有5%30%的TiC。 牌號(hào)有 YT5（粗加工）, YT14, YT15, YT30（精加工）, TiC的含量分別為5%，14%，15%，30%， 鈷的相應(yīng)含量為10%，8%，6%，4%。性能：硬度為HRA91.592.5； 抗彎強(qiáng)度為0.91.4GPa (90140 kgf/mm2 )。 TiC含量提高，Co含量降低，硬度和耐磨性提高，但是沖擊韌性顯著降低。適用場合：高速切削鋼料（含鈷量增加，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性提高，適于粗加工；含鈷減少，硬度、耐磨性及耐熱性增加，適于精加工）。注：YT（P)類不適于加工不銹鋼和鈦合金。因YT中的鈦元素和工件中的鈦元素之間的親合力會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的粘

21、刀現(xiàn)象，在高溫切削及磨擦系數(shù)大的情況下會(huì)加劇刀具磨損。YW(M)類，即WC-TiC-Co類硬質(zhì)合金成份及性能：在YT類中加入TaC(NbC)可提高其抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、高溫硬度、強(qiáng)度和抗氧化能力、耐磨性等。適用場合：既可用于加工鑄鐵，也可加工鋼。常用的牌號(hào)為YW1，YW2。以上三類的主要成分均為WC，所以以稱WC基硬質(zhì)合金。TiC基硬質(zhì)合金 以TiC為主體，加入少量其他的碳化物，以鎳（Ni）和鉬（Mo）為粘接劑壓制燒結(jié)而成，即Ti-Ni-Mo合金。典型牌號(hào)為YN10、YN05。（2）新型硬質(zhì)合金1）超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金2）高速鋼基硬質(zhì)合金3）涂層硬質(zhì)合金 它是在韌性較好的硬質(zhì)合金的基體上，或在高速鋼刀具基體上，涂抹一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的。既提高了刀具材料的耐磨性，又不降低其韌性。 ( 常用的涂層材料有TiC 、TiN 、Al2O3等。) (1)TiC涂層 硬度高，耐磨性好、抗氧化性好，切削時(shí)能產(chǎn)生氧化鈦膜，減小摩擦及刀具磨損。 (2)TiN涂層 在高溫時(shí)能產(chǎn)生氧化膜，與鐵基材料摩擦