機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)張世昌學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1機(jī)械制造機(jī)械制造(j xi zh zo)技術(shù)基礎(chǔ)張世昌技術(shù)基礎(chǔ)張世昌第一頁，共80頁。2第1頁/共80頁第二頁，共80頁。3沒有(mi yu)副刃參加切削，且s = 0圖3-1 直角、斜角自由切削與不自由切削a）直角切削）直角切削b）斜角切削）斜角切削c）不自由切削）不自由切削第2頁/共80頁第三頁，共80頁。4 FABOM45a）正擠壓）正擠壓FABOM45b）偏擠壓）偏擠壓OMFc）切削）切削圖3-2 金屬擠壓與切削比較第3頁/共80頁第四頁，共80頁。5圖3-3 切屑(qi xi)根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：=s剪切角第4頁/共80頁第五頁，共80頁。第5頁/共8

2、0頁第六頁，共80頁。第6頁/共80頁第七頁，共80頁。8形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達(dá)到斷裂程度局部剪切應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度剪切應(yīng)力完全達(dá)到斷裂強(qiáng)度未經(jīng)塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進(jìn)給量較小， 刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進(jìn)給量較大， 刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料， 刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小， 妨礙切削工作，應(yīng)設(shè)法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動(dòng)較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動(dòng)大，有沖擊，表面粗糙度惡劣

3、，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑表3-1 切屑類型及形成條件第7頁/共80頁第八頁，共80頁。9帶狀切屑Real擠裂切屑Real單元切屑Real崩碎切屑Real圖3-6 切屑(qi xi)形態(tài)照片第8頁/共80頁第九頁，共80頁。10v 為使切削過程正常進(jìn)行和保證已加工表面質(zhì)量，應(yīng)使切屑卷曲和折斷。v 切屑的卷曲是切屑基本變形或經(jīng)過卷屑槽使之產(chǎn)生附加(fji)變形的結(jié)果（圖3-7）圖3-7 切屑的卷曲圖3-8 斷屑的產(chǎn)生v斷屑是對已變形的切屑再附加(fji)一次變形（常需有斷屑裝置，圖3-8） 第9頁/共80頁第十頁，共80頁。11切削(qixio)層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長度縮小，

4、寬度基本不變?？捎闷浔硎厩邢?qixio)層變的變形程度。LchhDhchLD圖3-9 切屑與切削層尺寸 （3-1） Dchhhh長度變形系數(shù)chDLLL （3-2） 第10頁/共80頁第十一頁，共80頁。12ysOM0圖3-10 相對滑移系數(shù))cos(sincos00yS （3-3） 第11頁/共80頁第十二頁，共80頁。13 圖圖3-11 切屑切屑(qi xi)與前刀面的摩擦與前刀面的摩擦 在高溫高壓作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生沾接，切屑與前刀面之間既有外摩擦，也有內(nèi)摩擦?；瑒?dòng)區(qū)：切屑在脫離前刀面之前，與前刀面只在一些突出點(diǎn)接觸，切屑與前刀面之間的摩擦屬于外摩擦。lfolfi第12頁/共8

5、0頁第十三頁，共80頁。14n切削刃存在刃口圓弧，導(dǎo)致擠壓和摩擦(mc)，產(chǎn)生第變形區(qū)。A點(diǎn)以上(yshng)部分沿前刀面流出，形成切屑；A點(diǎn)以下部分受擠壓和摩擦留在加工表面上，并有彈性恢復(fù)。hDhDhACFE圖3-12 已加工表面變形A點(diǎn)前方正應(yīng)力最大，剪應(yīng)力為 0。 A點(diǎn)兩側(cè)正應(yīng)力逐漸減小，剪應(yīng)力逐漸增大，繼而減小。第13頁/共80頁第十四頁，共80頁。15 GGC （3-4）式中 G 裂紋擴(kuò)展單位長度時(shí)釋放(shfng)的能量（應(yīng)變能 釋放(shfng)率）； GC 裂紋擴(kuò)展單位長度時(shí)所需的能量（裂紋擴(kuò) 展阻力）。K1K1C （3-5）式中 K1 應(yīng)力(yngl)強(qiáng)度因 子； K1C K

6、1臨界值。對于型（張開型）裂紋，在平面應(yīng)變條件下，脆性斷裂條件為：第14頁/共80頁第十五頁，共80頁。16 a）b）c）d）e）圖3-13 硬脆材料切削過程a）大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除）b）空切c）小規(guī)模擠裂（小塊破碎切除）d）小規(guī)模擠裂（次小塊破碎切除）e）重復(fù)大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除）flashflash第15頁/共80頁第十六頁，共80頁。17 第16頁/共80頁第十七頁，共80頁。18 圖3-14 磨屑形成過程a）平面示意圖 b）截面示意圖第17頁/共80頁第十八頁，共80頁。19第18頁/共80頁第十九頁，共80頁。20rFcFFpFf pFfFf pFf pfv圖3-15 切削力

7、的分解F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff進(jìn)給抗力第19頁/共80頁第二十頁，共80頁。21FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK（3-6）式中 CFc , CFp , CFf 與工件、刀具材料有關(guān)系數(shù)(xsh)； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 對切削力影響指數(shù)； yFc , yFp , yFf 進(jìn)給量 f 對切削力影響指數(shù)； KFc , KFp , KFf 考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)(xsh)。第20頁/共80頁第二十一頁，共80頁。221FFFccccccFcxyxFpFFpc

8、yDppCafKCaFpAafaf（3-7） 切除單位切削層面積的主切削力（令修正系數(shù)KFc =1）式中 Fc 主切削力（N）； v 主運(yùn)動(dòng)(yndng)速度（m/s）。 （3-8）310()ccPFvKW第21頁/共80頁第二十二頁，共80頁。23式中 機(jī)床傳動(dòng)效率(xio l)，通常= 0.750.85 （3-10）63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW（3-9）指單位時(shí)間切除單位體積 V0 材料所消耗的功率第22頁/共80頁第二十三頁，共80頁。24強(qiáng)度高加工硬化傾向大切削力大5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削

9、力Fc（N）圖3-16 切削速度對切削力的影響第23頁/共80頁第二十四頁，共80頁。25圖3-17 前角對0切削力的影響前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff圖3-18 主偏角r對切削力的影響主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006001000140018002200第24頁/共80頁第二十五頁，共80頁。26 刀具材料：與工件材料之間的親和性影響其間的摩擦，而影響切削力 切削液：有潤滑作用，使切削力降低 后刀面磨損：使切削力增大，對吃刀抗力Fp的影響最為顯著第25頁/共80頁第二十六頁，共80頁。27第26頁/共80頁第二十七頁，共80頁。28

10、切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)（切削液、空氣)等傳散出去工件切屑刀具圖3-19 切削熱的來源與傳出 主要來源 QA=QD+QFF+QFR （3-12）cccvFPq（3-11）式中，QD , QFF , QFR分別為切削層變形、前刀面摩擦、后刀面摩擦產(chǎn)生的熱量第27頁/共80頁第二十八頁，共80頁。29TJ University750刀具圖3-20 二維切削中的溫度分布 工件材料：低碳易切鋼； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削條件：干切削， 預(yù)熱611C第28頁/共80頁第二十九頁，共80頁。30q 切削用量的影響(yngxing) 式

11、中 用自然熱電偶法測出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度(C)； C 與工件、刀具材料(cilio)和其它切削參數(shù)有關(guān)的切削溫度系數(shù)； Z、Y、X vc、f、ap 的指數(shù)。 經(jīng)驗(yàn)公式ZyxcpC vfa （3-12）刀具材料加工方法高速鋼車削1401700.350.480.10銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車削320f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2 切削溫度的系數(shù)及指數(shù)第29頁/共80頁第三十頁，共80頁。31q 刀具幾何(j h)參數(shù)的影響 q 工件材料的影響 vc（m/min）圖3-21 切削速度、工件材料對切削溫度的影響1GH131

12、 21Cr18Ni9Ti 345鋼(正火) 4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數(shù)：o=15，o=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243q 刀具磨損的影響 q 冷卻液的影響 第30頁/共80頁第三十一頁，共80頁。32工件(gngjin)和刀具材料不同，組成熱 電 偶 兩 極 ， 切 削 時(shí) 刀 具 與 工 件(gngjin)接觸處的高溫產(chǎn)生溫差電勢，通過電位差計(jì)測得切削區(qū)的平均溫度。利用紅外輻射原理，借助熱敏感元件，測量切削區(qū)溫度?？蓽y量切

13、削區(qū)側(cè)面溫度場。 用不同材料、相互絕緣金屬絲作熱電偶兩極（圖3-22）。 可測量刀具或工件指定點(diǎn)溫度，可測最高溫度及溫度分布場。mV圖3-22 人工熱電偶工件刀具金屬絲小孔第31頁/共80頁第三十二頁，共80頁。33磨削時(shí)去除單位體積材料所需能量為普通切削的1030倍，砂輪線速度高，且為非良導(dǎo)熱體 磨削熱多，且大部分傳入工件，工件表面最高溫度可達(dá)1000以上。第32頁/共80頁第三十三頁，共80頁。34第33頁/共80頁第三十四頁，共80頁。35滯留粘接長大切屑刀具圖3-23 積屑瘤積屑瘤RealReal第34頁/共80頁第三十五頁，共80頁。36未施加(shji)任何外力作用情況下，材料內(nèi)部

14、保持平衡而存在的應(yīng)力。 殘余張應(yīng)力： 易使加工表面產(chǎn)生裂紋，降低零件疲勞強(qiáng)度殘余壓應(yīng)力： 有利于提高零件疲勞強(qiáng)度殘余應(yīng)力分布不均： 會使工件發(fā)生變形，影響形狀和尺寸精度第35頁/共80頁第三十六頁，共80頁。37控制切削過程：盡可能減小殘余應(yīng)力時(shí)效處理：最大限度減小殘余應(yīng)力殘余壓應(yīng)力的利用：采用滾壓、噴丸等方法第36頁/共80頁第三十七頁，共80頁。38已加工表面表層金屬(jnsh)硬度高于里層金屬(jnsh)硬度的現(xiàn)象加工表面嚴(yán)重變形(bin xng)層內(nèi)金屬晶格拉長、擠緊、扭曲、碎裂，使表層組織硬化硬化程度00100%HHNH（3-13）式中 H 硬化層顯微硬度（HV）； H0 基體層顯微

15、硬度（HV）。硬化層深度指硬化層深入基體的距離hd（m）第37頁/共80頁第三十八頁，共80頁。39距表面深度HVH0hiH0圖3-24 加工硬化與表面深度的關(guān)系第38頁/共80頁第三十九頁，共80頁。40第39頁/共80頁第四十頁，共80頁。41形式：月牙洼形成條件：加工塑性材料，v大，hD大影響：削弱刀刃強(qiáng)度，降低加工質(zhì)量形式：后角=0的磨損面（參數(shù)VB，VBmax）形成條件：加工塑性材料, v 較小, hD 較小；加工脆性材料影響：切削力, 切削溫度, 產(chǎn)生振動(dòng)，降低加工質(zhì)量VBVBmaxa) KTKBb)圖3-25 刀具磨損形態(tài)第40頁/共80頁第四十一頁，共80頁。42破損(p sn

16、)（裂紋、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性變形）圖3-26 刀具磨損過程初期磨損后刀面磨損量VB正常磨損急劇磨損切削時(shí)間刀具磨損過程3個(gè)階段（圖3-26）常取后刀面最大允許磨損量VB磨鈍標(biāo)準(zhǔn)第41頁/共80頁第四十二頁，共80頁。43粘結(jié)磨損(m sn)加劇第42頁/共80頁第四十三頁，共80頁。44111TpmnpCTvfa（3-14）式中CT 、m、n、p 為與工件、刀具材料等有關(guān)的常數(shù) 。52.250.75TpCTvfa（3-15）可見v 的影響最顯著；f 次之；ap 影響最小 。用硬質(zhì)合金刀具切削碳鋼（b= 0.763GP a）時(shí)，有：第43頁/共80頁第四十四頁，共80頁。45圖3-2

17、7 不同刀具材料的耐用度比較硬質(zhì)合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速鋼刀具耐用度T（min）1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度v（m/min）第44頁/共80頁第四十五頁，共80頁。46式中to 、 tm 、 ta 、 tc 分別為工序時(shí)間、基本時(shí)間、輔助(fzh)時(shí)間和換刀時(shí)間；T 為刀具壽命。令f，ap為常數(shù)，有：10001000mwwwwmppLdLdtTvfaAfa 使工序時(shí)間(shjin)最短的刀具壽命。以車削為例，工序時(shí)間(shjin)：mv TA將上式代入式（4-14），對T求導(dǎo)，

18、并令其為0，可得到最大生產(chǎn)率刀具壽命為：momactttttT（3-16）（3-17）1opcmTtm又：第45頁/共80頁第四十六頁，共80頁。470mmmamcmttCtCtCtCCT（3-18）式中 C0 工序成本； Cm 機(jī)時(shí)費(fèi)； Ct 刀具費(fèi)用(fi yong)； tm ，ta ，tc ，T 含義同前。使工序(gngx)成本最小的刀具壽命。仍以車削為例，工序(gngx)成本為：（3-19）1topcmCmTtmC仍令f，ap為常數(shù)，采用相同(xin tn)方法，可得到經(jīng)濟(jì)壽命為（圖3-28）tmCm刀具費(fèi)用taCmC0刀具耐用度Top成本 圖3-28 經(jīng)濟(jì)壽命第46頁/共80頁第四十

19、七頁，共80頁。48規(guī)定刀具切削(qixio)時(shí)間，離線檢測切削加工時(shí)，切屑剝離，工件塑性變形，刀具與工件之間摩擦以及刀具破損等，都會產(chǎn)生聲發(fā)射。正常切削時(shí)，聲發(fā)射信號小而連續(xù)，刀具嚴(yán)重磨損后聲發(fā)射信號會增大，而當(dāng)?shù)毒咂茡p時(shí)聲發(fā)射信號會突然增大許多，達(dá)到正常切削時(shí)的幾倍 第47頁/共80頁第四十八頁，共80頁。49鉆頭破損 檢測器圖3-29 聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖交換機(jī)床控制器工件折斷工作臺聲發(fā)射傳感器破損信號flash第48頁/共80頁第四十九頁，共80頁。50第49頁/共80頁第五十頁，共80頁。511. 確定確定(qudng)切削深度切削深度 ap盡可能一次切除全部(qunb)余量

20、，余量過大時(shí)可分 2 次走刀，第一次走刀的切削深度取單邊余量的 2/33/4 。2. 確定進(jìn)給量 f粗切時(shí)根據(jù)工藝系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度條件確定（計(jì)算或查表）精切時(shí)根據(jù)加工表面粗糙度要求確定（計(jì)算或查表）3. 確定切削速度 v根據(jù)規(guī)定的刀具耐用度確定切削速度 v （計(jì)算或查表）4. 校驗(yàn)機(jī)床功率(僅對粗加工) 310cF vP 310cPvF （3-20）式中 P 機(jī)床電機(jī)功率（KW）； 機(jī)床傳動(dòng)效率； Fc 主切削力（N）。由：，可導(dǎo)出：第50頁/共80頁第五十一頁，共80頁。52求設(shè)計(jì)(shj)變量：X = x1, x2, , xn T ，使目標(biāo)函數(shù) f (X)min ，并滿足約束條件：g i (

21、X)0 （i = 1, 2, , m）（3-21）1111000momacwwmPTpmnptttttTDLtvfaCTvfa 1）以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)使工序時(shí)間為最短第51頁/共80頁第五十二頁，共80頁。53（3-22）1111000mommamcmtwwmPTpmnptCtCtCtCCTDLtvfaCTvfa （3-23）1111000mctmPTpmnpMRRHCtCCTMRRvfaCTvfa2）以最小生產(chǎn)成本為優(yōu)化目標(biāo)(mbio)使工序成本為最小3）以最大利潤(lrn)為優(yōu)化目標(biāo)使單位成本金屬去除率最大第52頁/共80頁第五十三頁，共80頁。54minmaxminmaxfffvvv

22、（3-24）1）機(jī)床結(jié)構(gòu)(jigu)參數(shù)限制2）加工(ji gng)表面粗糙度限制0.0321afRr（3-25）式中 Ra 表面粗糙度（m）； r 刀尖圓弧半徑（mm）。3）機(jī)床功率的限制FFccccxyFpFCafKvP（3-26）式中各符號含義同前。第53頁/共80頁第五十四頁，共80頁。55即函數(shù)求極值的方法。不能考慮約束條件，只適于處理(chl)簡單問題。21(,)()max(),0nPPiiP XMfXMgX（3-27）可利用設(shè)置懲罰函數(shù)，將約束(yush)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束(yush)優(yōu)化問題處理。懲罰函數(shù)的表達(dá)式：式中 Ra 懲罰函數(shù)； r 原目標(biāo)函數(shù)； Mp 懲罰因子（一個(gè)

23、很大的數(shù)）； 21max(),0npiiMgX 懲罰項(xiàng)；0()0max(),0()()0iiiigXgXgXgX第54頁/共80頁第五十五頁，共80頁。56fv0圖3-30 田川法尋優(yōu)過程示意圖fminfmaxvminvmaxPPmax約束邊界Pop可行域等值線Pcop第55頁/共80頁第五十六頁，共80頁。57第56頁/共80頁第五十七頁，共80頁。58q 高速加工定義第57頁/共80頁第五十八頁，共80頁。59圖3-31 Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應(yīng)區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應(yīng)區(qū)0 600 1200 1800 2400 3000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980高速鋼6

24、50碳素工具鋼450Stelite合金8501600 1200800400切削溫度/切削適應(yīng)區(qū)非鐵金屬第58頁/共80頁第五十九頁，共80頁。60圖3-32 高速與超高速切削速度范圍 10 100 1000 10000切削速度V（m/min）塑料鋁合金銅鑄鐵鋼鈦合金鎳合金q 高速加工(ji gng)的切削速度范圍第59頁/共80頁第六十頁，共80頁。61q 高速加工(ji gng)的特點(diǎn)RealReal第60頁/共80頁第六十一頁，共80頁。62q 高速加工(ji gng)的應(yīng)用模具制造：模具制造：儀器儀表：儀器儀表：第61頁/共80頁第六十二頁，共80頁。63第62頁/共80頁第六十三頁，共

25、80頁。64刀具材料種類 合金 高速鋼 硬質(zhì)合金 陶瓷 天然 聚晶金剛石 聚晶立方氮工具鋼 W18Cr4V YG6 Si3N4 金剛石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗彎強(qiáng)度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù) 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100熱穩(wěn)定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化學(xué)惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐

26、磨性 低 低 較高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工質(zhì)量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工對象低速加工一般鋼材、鑄鐵一般鋼材、鑄鐵粗、精加工一般鋼材、鑄鐵粗、精加工高硬度鋼材精加工硬質(zhì)合金、銅、鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料 表3-3 普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對比第63頁/共80頁第六十四頁，共80頁。65圖3-36 金剛石（左）與CBN（右）原子結(jié)構(gòu)碳原子氮原子硼原子第64頁/共80頁第六十五頁，共80頁。66q 天然(tinr

27、n)金剛石第65頁/共80頁第六十六頁，共80頁。67q 聚晶金剛石第66頁/共80頁第六十七頁，共80頁。68表3-4 聚晶金剛石應(yīng)用實(shí)例加工對象 硬度 加工方式 工藝參數(shù) 加工效果鋁合金 端銑 v=4000m/mim Ra0.8-0.4m共晶硅 HRC71 車削 v=600m/mim 一次刃磨切削行程800km鋁合金 f = 0.1mm/r Ra0.8m，刀具壽命為 硬質(zhì)合金的50倍共晶硅 HRC71 銑削 v=2900m/mim 刀具壽命為硬質(zhì)合金的80倍 vf=0.018mm/齒 Ra0.8m玻璃纖維 HRA87 車削 v=500m/mim 刀具壽命為硬質(zhì)合金的強(qiáng)化塑料 150倍，Ra

28、0.8-0.4m熱塑性醋 銑削 v = 4500m/s 比硬質(zhì)合金壽命提高380倍酸鹽 vf=10mm/min Ra=0.8m高Si-Al 銑削 v=2200m/mim Ra=0.8m鑄造件 鋁合金 鉆削 v=360m/mim 以鉆代鏜， Ra=0.8m第67頁/共80頁第六十八頁，共80頁。69PCBN切削性能切削性能q 聚晶立方(lfng)氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride) q 1970年問世500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600 800 1000 溫度/BN100BN20陶瓷硬質(zhì)合金圖3-37 PCBN刀具高溫硬度第68頁/共80頁第六十九頁，共80頁。70第69頁/共80頁第七十頁，共80頁。71800750700650600 30 40 50 60 70 硬度HRC（V=320m/m