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普通铣削一般只能加工平面,用成形铣刀也可以加工出固定的曲面。
数控铣床可以用软件通过数控系统控制几个轴按一定关系联动,铣出复杂曲面来,这时一般采用球头铣刀。
数控铣床对加工叶轮机械的叶片、模具的模芯和型腔等形状复杂的工件,具有特别重要的意义。
三:
刨削
刨削时,刀具的往复直线运动为切削主运动。
因此,刨削速度不可能太高,生产率较低。
刨削比铣削平稳,其加工精度一般可达IT8—IT7,表面粗糙度为Ra6.3—1.6μm,精刨平面度可达0.02/1000,表面粗糙度为0.8—0.4μm。
四:
磨削
磨削以砂轮或其它磨具对工件进行加工,其主运动是砂轮的旋转。
砂轮的磨削过程实际上是磨粒对工件表面的切削、刻削和滑擦三种作用的综合效应。
磨削中,磨粒本身也由尖锐逐渐磨钝,使切削作用变差,切削力变大。
当切削力超过粘合剂强度时,圆钝的磨粒脱落,露出一层新的磨粒,形成砂轮的“自锐性”。
但切屑和碎磨粒仍会将砂轮阻塞。
因而,磨削一定时间后,需用金刚石车刀等对砂轮进行修整。
磨削时,由于刀刃很多,所以加工时平稳、精度高。
磨床是精加工机床,磨削精度可达IT6—IT4,表面粗糙度Ra可达1.25—0.01μm,甚至可达0.1—0.008μm。
磨削的另一特点是可以对淬硬的金属材料进行加工。
因此,往往作为最终加工工序。
磨削时,产生热量大,需有充分的切削液进行冷却。
按功能不同,磨削还可分为外园磨、内孔磨、平磨等。
五:
钻削与镗削
在钻床上,用钻头旋转钻削孔,是孔加工的最常用方法。
钻削的加工精度较低,一般只能达到IT10,表面粗糙度一般为12.5—6.3μm在钻削后常常采用扩孔和铰孔来进行半精加工和精加工。
扩孔采用扩孔钻,铰孔采用铰刀进行加工。
铰削加工精度一般为IT9—IT6,表面粗糙度为Ra1.6—0.4μm。
扩孔、铰孔时,钻头、铰刀一般顺着原底孔的轴线,无法提高孔的位置精度。
镗孔可以较正孔的位置。
镗孔可在镗床上或车床上进行。
在镗床上镗孔时,镗刀基本与车刀相同,不同之处是工件不动,镗刀在旋转。
镗孔加工精度一般为IT9—IT7,表面粗糙度为Ra6.3—0.8mm。
。
钻削加工
镗床加工
车床加工
六:
齿面加工
齿轮齿面加工方法可分为两大类:
成形法和展成法。
成形法加工齿面所使用的机床一般为普通铣床,刀具为成形铣刀,需要两个简单成形运动:
刀具的旋转运动和直线移动。
展成法加工齿面的常用机床有滚齿机、插齿机等。
七:
复杂曲面加工
三维曲面的切削加工,主要采用仿形铣和数控铣的方法或特种加工方法(见本节八)。
仿形铣必须有原型作为靠模。
加工中球头仿形头,一直以一定压力接触原型曲面。
仿形头的运动变换为电感量,加工放大控制铣床三个轴的运动,形成刀头沿曲面运动的轨迹。
铣刀多采用与仿形头等半径的球头铣刀。
数控技术的出现为曲面加工提供了更有效的方法。
在数控铣床或加工中心上加工时,是通过球头铣刀逐点按坐标值加工而成。
采用加工中心加工复杂曲面的优点是:
加工中心上有刀库,配备几十把刀具。
曲面的粗、精加工,可用不同刀具对凹曲面的不同曲率半径,也可选用适当的刀具。
同时,可在一次安装中加工各种辅助表面,如孔、螺纹、槽等。
这样充分保证了各表面的相对位置精度。
八:
特种加工
特种加工方法是指区别于传统切削加工方法,利用化学、物理(电、声、光、热、磁)或电化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方法的总称。
这些加工方法包括:
化学加工(CHM)、电化学加工(ECM)、电化学机械加工(ECMM)、电火花加工(EDM)、电接触加工(RHM)、超声波加工(USM)、激光束加工(LBM)、离子束加工(IBM)、电子束加工(EBM)、等离子体加工(PAM)、电液加工(EHM)、磨料流加工(AFM)、磨料喷射加工(AJM)、液体喷射加工(HDM)及各类复合加工等。
分类
原理
原理示意
特点
应用范围
电
火
花
加
工
电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温熔蚀工件表面材料来实现加工的。
电火花加工机床一般由脉冲电源、自动进给机构、机床本体及工作液循环过滤系统等部分组成。
工件固定在机床工作台上。
脉冲电源提供加工所需的能量,其两极分别接在工具电极与工件上。
当工具电极与工件在进给机构的驱动下在工作液中相互靠近时,极间电压击穿间隙而产生火花放电,释放大量的热。
工件表层吸收热量后达到很高的温度(10000℃以上),其局部材料因熔化甚至气化而被蚀除下来,形成一个微小的凹坑。
工作液循环过滤系统强迫清洁的工作液以一定的压力通过工具电极与工件之间的间隙,及时排除电蚀产物,并将电蚀产物从工作液中过滤出去。
多次放电的结果,工件表面产生大量凹坑。
工具电极在进给机构的驱动下不断下降,其轮廓形状便被“复印”到工件上(工具电极材料尽管也会被蚀除,但其速度远小于工件材料)。
用特殊形的电极工具加工相应工件的电火花成形加工机床
————
①加工硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料;
②加工半导体材料及非导电材料;
③加工各种型孔、曲线孔和微小孔;
④加工各种立体曲面型腔,如锻模、压铸模、塑料模的模膛;
⑤用来进行切断、切割以及进行表面强化、刻写、打印铭牌和标记等。
用线电极加工二维轮廓形状工件的电火花线切割机床
解
电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成形加工的一种方法。
工件接直流电源正极,工具接负极,两极之间保持狭小间隙(0.1mm~0.8mm)。
具有一定压力(0.5MPa~2.5MPa)的电解液从两极间的间隙中高速15m/s~60m/s)流过。
当工具阴极向工件不断进给时,在面对阴极的工件表面上,金属材料按阴极型面的形状不断溶解,电解产物被高速电解液带走,于是工具型面的形状就相应地“复印”在工件上。
①工作电压小,工作电流大;
②以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面或型腔;
③可加工难加工材料;
④生产率较高,约为电火花加工的5~10倍;
⑤加工中无机械切削力或切削热,适于易变形或薄壁零件的加工;
⑥平均加工公差可达±
0.1mm左右;
⑦附属设备多,占地面积大,造价高;
⑧电解液既腐蚀机床,又容易污染环境。
电解加工主要用于加工型孔、型腔、复杂型面、小直径深孔、膛线以及进行去毛刺、刻印等。
激
光
对工件的激光加工由激光加工机完成。
激光加工机通常由激光器、电源、光学系统和机械系统等组成。
激光器(常用的有固体激光器和气体激光器)把电能转变为光能,产生所需的激光束,经光学系统聚焦后,照射在工件上进行加工。
工件固定在三坐标精密工作台上,由数控系统控制和驱动,完成加工所需的进给运动。
①不需要加工工具;
②激光束的功率密度很高,几乎对任何难加工的金属和非金属材料都可以加工;
③激光加工是非接触加工,工件无受力变形;
④激光打孔、切割的速度很高,加工部位周围的材料几乎不受切削热的影响,工件热变形很小。
⑤激光切割的切缝窄,切割边缘质量好。
激光加工已广泛用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、发散式气冷冲片的多孔蒙皮、发动机喷油咀、航空发动机叶片等的小孔加工以及多种金属材料和非金属材料的切割加工。
超
声
波
超声波加工是利用超声频(16KHz~25KHz)振动的工具端面冲击工作液中的悬浮磨料,由磨粒对工件表面撞击抛磨来实现对工件加工的一种方法。
超声发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡,通过换能器将此超声频电振荡转变为超声机械振动,借助于振幅扩大棒把振动的位移幅值由0.005mm~0.01mm放大到0.01~0.15mm,驱动工具振动。
工具端面在振动中冲击工作液中的悬浮磨粒,使其以很大的速度,不断地撞击、抛磨被加工表面,把加工区域的材料粉碎成很细的微粒后打击下来。
虽然每次打击下来的材料很少,但由于打击的频率高,仍有一定的加工速度。
由于工作液的循环流动,被打击下来的材料微粒被及时带走。
随着工具的逐渐伸入,其形状便“复印”在工件上。
——————————
在加工难切削材料时,常将超声振动与其它加工方法配合进行复合加工,如超声车削、超声磨削、超声电解加工、超声线切割等。
这些复合加工方法把两种甚至多种加工方法结合在一起,能起到取长补短的作用,使加工效率、加工精度及工件的表面质量显著提高。
九:
加工方法的选择
选择加工方法主要考虑零件表面形状、尺寸精度和位置精度要求、表面粗糙度要求,以及现有机床、刀具等资源情况、生产批量、生产率和经济技术分析等因素。
第二节
机床
机床是制造机器的机器,被称为工作母机。
根据加工工艺方法的不同,机床有几大类,如金属切削机床、锻压机床、电加工机床、坐标测量机、铸造机床、热处理机床(表面淬火机床)等。
本书以介绍金属切削机床为主。
一、机床的基本结构
机
床
结
构
动力源
机床动力源一般采用交流异步电机、步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。
执行机构
执行机构为执行运动的部件,如主轴、刀架、工作台等,它们带动工件或刀具完成运动。
控制系统
控制系统一般指数控机床的计算机控制部分的软硬件,它完成机床运动的控制,实现几个运动的准确协调。
传动系统
传动系统把动力源的动力传递给执行机构,或将运动由一个执行机构传递到另一个执行机构,以保持二个运动之间的准确关系。
传递机构还可以变换运动的方向、速度及运动的类别。
数控机床与加工中心
(一)数控机床的组成与工作原理
1.数控装置
数控装置是数控机床的控制中心,一般由一台通用或专用微型计算机充任。
按其功能分为输入装置、控制运算器和输出装置。
如图示,点划线框内为数控装置。
2.伺服系统
伺服系统是数控机床的执行机构,包括驱动和执行两大部分。
伺服系统接受数控装置的指令信息,并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作,以加工出符合要求的零件。
指令信息是以脉冲信息体现的,每一脉冲使机床移动部件产生的移量叫脉冲当量。
常用的脉冲当量为0.001mm~0.01mm。
3.机床本体
机床本体就是数控机床上完成各种切削加工的机械部分,它是数控机床的主体,具有以下特点:
(1)采用高性能的主轴及伺服传动系统,机械传动部分的结构简单,传动链较短。
(2)具有较高的刚度、阻尼及耐磨性,热变形小。
(3)一般采用高效传动部件,如滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。
除上述四个主要部分外,数控机床还有一些辅助装置和附属设备,如电器、液压、气动系统,冷却、排屑、润滑、照明、储运装置,以及编程机、对刀仪等。
(二)加工中心
加工中心比数控机床有更高的集成度。
往往配有刀库、换刀机械手、交换工作台、多动力头等装置。
在程序控制下,可以方便地在一次安装中执行多工序作业,实现了工序的最高集成。
因而,加工质量,尤其是表面间的位置精度得到了更好的保证。
由于工件装夹、换刀、对刀等辅助时间大为减少,生产效率也大为提高。
第三节刀具
切削过程是工件和刀具相互作用的过程。
对刀具的基本要求是:
应具有适当的几何参数即切削角度,刀具材料对工件具有一定的切削能力。
金属切削加工的基本概念
切削
运动
与切
削表
面
金属切削加工是利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层(加工余量),以获得具有一定的表面精度(形状、尺寸和位置精度)和表面质量的机械零件的机械加工方法。
刀具与工件间的相对运动称为切削运动(即表面成形运动),切削运动可分为主运动和进给运动。
右图给出了车刀进行普通外圆车削时的切削运动,图中合成运动的切削速度Ve、主运动速度V和进给运动速度Vf之间的关系。
在切削过程中,工件上通常存在着三个不断变化的切削表面。
即:
待加工表面[工件上即将被切除的表面]、已加工表面[工件上已切去切削层而形成的新表面]、过渡表面(加工表面)[工件上正被刀具切削着的表面,介于已加工表面和待加工表面之间]。
切削运动与切削表面
用量
削层
参数
切
削
用
量
切削用量
刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的速度,单位为m/s。
由于切削刃上各点的切削速度可能是不同,计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。
外圆车刀车削外圆时的切削速度计算公式为:
V=πdwn/1000
其中:
dw—工件待加工表面的直径,(mm);
n—工件的转速,(r/s)。
进给量
在主运动每转一转或每一行程时,刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量,单位是mm/r(用于车削、镗削等)或mm/行程(用于刨削、磨削等)。
进给量表示进给运动的速度。
进给运动速度还可以用进给速度Vf(单位mm/s)或每齿进给量fz(用于铣刀、铰刀等多刃刀具,单位是mm/齿)表示。
Vf=nf=nzfz
其中:
n—主运动的转速,(mm/s);
z—刀齿齿数。
背吃刀量(切削深度)ap
在垂直于主运动方向和进给方向的工作平面内测量的刀具切削刃与工件切削表面的接触长度。
对于外圆车削,背吃刀量为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离,单位为mm。
即ap=(dw-dm)/2
dm—工件已加工表面的直径,(mm)。
层
参
数
在切削过程中,刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层,称为切削层。
切削层公称厚度ac
在过渡表面法线方向测量的切削层尺寸,即相邻两过渡表面之间的距离。
ac反映了切削刃单位长度上的切削负荷。
由图得:
ac=fsinkr
ac—切削层公称厚度,(mm);
f—进给量,(mm/r);
kr—车刀主偏角,(。
)。
切削层公称宽度aw
沿过渡表面测量的切削层尺寸。
aw反映了切削刃参加切削的工作长度。
aw=ap/sinkr
aw—切削层公称宽度,(mm)。
切削层公称横截面积Ac
切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。
Ac=acaw=fsinkrap/sinkr=fap
Ac—切削层公称横截面积,(mm2)。
刀具角度
(一)刀具切削部分的组成
外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具,其切削部分(又称刀头)由前面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。
其定义分别为:
(1)前面
刀具上与切屑接触并相互作用的表面。
(2)主后面
刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。
(3)副后面
刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。
(4)主切削刃
前刀面与主后刀面的交线。
它完成主要的切削工作。
(5)副切削刃
它配合主切削刃完成切削工作,并最终形成已加工表面。
(6)刀尖
主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。
它可以是小的直线段或圆弧。
具体参见切削运动与切削表面图和车刀的组成图。
其它各类刀具,如刨刀、钻头、铣刀等,都可以看作是车刀的演变和组合。
车刀的组成
刨刀
钻头
铣刀
确定车刀角度的参考平面
(二)确定刀具角度的参考平面
刀具要从工件上切下金属,必须具有一定的切削角度,也正是由于切削角度才决定了刀具切削部分各表面的空间位置。
要确定和测量刀具角度,必须引入三个相互垂直的参考平面,如图示。
(1)切削平面通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切的平面。
(2)基
面
通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。
(3)正交平面通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面。
切削平面、基面和正交平面共同组成标注刀具角度的平面参考系。
常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。
(三)刀具的标注角度
刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所需要的,并在刀具设计图上予以标注的角度。
刀具的标注角度主要有五个,以车刀为例,表示了几个角度的定义。
前
角γo
在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。
前角表示前刀面的倾斜程度,有正、负和零值之分,其符号规定如图所示。
后
角αo
在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。
后角表示主后刀面的倾斜程度,一般为正值。
主偏角κr
在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。
主偏角一般为正值。
副偏角κr'
在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。
副偏角一般为正值。
刃倾角λs
在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。
当主切削刃呈水平时,λs=0;
刀尖为主切削刃最低点时,λs〈0;
刀尖为主切削刃上最高点是,λs〉0,如图示。
刃倾角的符号
车刀的主要角度
(四)刀具的工作角度
在实际的切削加工中,由于刀具安装位置和进给运动的影响,上述标注角度会发生一定的变化。
角度变化的根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变。
以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度,又称实际角度。
刀具安装位置对工作角度的影响
以车刀车外圆为例,若不考虑进给运动,当刀尖安装得高于或低于工件轴线时,将引起工作前角γoe和工作后角αoe的变化,如右图示。
车刀安装高度对工作角度的影响
当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时,将会引起工作主偏角κre和工作副偏角κre'
的变化,如右图示。
车刀安装偏斜对工作角度的影响
进给运动对工作角度的影响
车削时由于进给运动的存在,使车外圆及车螺纹的加工表面实际上是一个螺旋面,如右图示。
纵向进给运动对工作角度的影响
车端面或切断时,加工表面是阿基米德螺旋面,如右图示。
因此,实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角μ,使车刀的工作前角γoe增大,工作后角αoe减小。
一般车削时,进给量比工作直径小很多,故螺旋升角μ很小,它对车刀工作角度影响不大,可忽略不计。
但在车端面、切断和车外圆进给量(或加工螺纹的导程)较大,则应考虑螺旋升角的影响。
横向进给运动对工作角度的影响
刀具种类
(一)刀具分类
由于机械零件的材质、形状、技术要求和加工工艺的多样性,客观上要求进行加工的刀具具有不同的结构和切削性能。
因此,生产中所使用的刀具的种类很多。
刀具常按加工方式和具体用途,分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型。
刀具还可以按其它方式进行分类,如按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和金刚石刀具等;
按结构分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等;
按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等。
(二)常用刀具简介
1.车刀
车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。
它可以在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔,也可用于切槽和切断等。
车刀在结构上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。
机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀和可转位车刀。
机械夹固车刀的切削性能稳定,工人不必磨刀,所以在现代生产中应用越来越多。
2.孔加工刀具
孔加工刀具一般可分为两大类:
一类是从实体材料上加工出孔的刀具,常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻等;
另一类是对工件上已有孔进行再加工的刀具,常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀等。
例如,下图示标准高速钢麻花钻的结构。
工作部分(刀体)的前端为切削部分,承担主要的切削工作,后端为导向部分,起引导钻头的作用,也是切削部分的后备部分。
3.铣刀
铣刀是一种应用广泛的多刃回转刀具,其种类很多。
按用途分有:
1)加工平面用的,如圆柱平面铣刀、端铣刀等;
2)加工沟槽用的,如立铣刀、T形刀和角度铣刀等;
3)加工成形表面用的,如凸半圆和凹半圆铣刀和加工其它复杂成形表面用的铣刀。
铣削的生产率一般较高,加工表面粗糙度值较大。
4.拉刀
拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具,广泛应用于大批量生产中,可加工各种内、外表面。
拉刀按所加工工件表面的不同,可分为各种内拉刀和外拉刀两类。
使用拉刀加工时,除了要根据工件材料选择刀齿的前角、后角,根据工件加工表面的尺寸(如圆孔直径)确定拉刀尺寸外,还需要确定两个参数:
(1)齿升角af[即前后两刀齿(或齿组)的半径或高度之差];
(2)齿距p[即相邻两刀齿之间的轴向距离]。
5.螺纹刀具
螺纹可用切削法和滚压法进行加工。
6.齿轮刀具
齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。
按刀具的工作原理,齿轮分为成形齿轮刀具和展成齿轮刀具。
常用的成形齿轮刀具有盘形齿轮铣刀和指形齿轮刀具等。
常用的展成齿轮刀具有插齿刀、齿轮滚刀和剃齿刀等。
选用齿轮滚刀和插齿刀时,应注意以下几点:
(1)刀具基本参数(模数、齿形角、齿顶高系数等)应与被加工齿轮相同。
(2)刀具精度等级应与被加工齿轮要求的精度等级相当。
(3)刀具旋向应尽可能与被加工齿轮的旋向相同。
滚切直齿轮时,一般用左旋齿刀。
7.自动线与数控机床刀具
这类刀具的切削部分总的来说与一般刀具没有多大区别不同情况,只是为了适应数控机
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