NO7金属切削加工基础电子教案 机械制造基础

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1、NO7金属切削加工基础电子教案 机械制造基础教学目标知识目标：了解金属切削机床的分类与编号，以及常用切削加工机床加工的工艺特点；掌握切削用量、刀具几何参数、刀具材料等金属切削条件的合理选择；掌握常见表面加工的分类、加工方法和加工方案的选择。能力目标：能根据加工要求，正确选用常用刀具材料；合理选择刀具几何参数和切削用量参数，以保证零件的加工质量，提高生产效率；根据零件的类型选择合理的加工方法和加工方案。素质目标： 教学重点常见表面加工的分类、加工方法和加工方案的选择。教学难点刀具几何参数的合理选择教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时6教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计注 释模块

2、七 金属切削加工基础任务描述如图7-1所示，车削工件的端面和内孔，试指明主运动和进给运动，标出待加工表面、已加工表面、过渡表面，并指出刀具的前面、后面、副后面、切削刃、副切削刃、刀尖。简单说明图7-1（a）中零件的加工方法和加工方案。图7-1 车削工件的端面和内孔任务分析若要车削图71所示工件的内孔和端面，要具备的知识有切削运动的分解、加工零件表面的分类、车刀的结构组成。除此之外，还需具备与之相关的知识，包括外圆表面的加工方法和加工方案的选择、内圆表面的加工方法和加工方案的选择等。相关知识学习情境一 金属切削加工的基本概念一、零件表面的形成及切削运动根据切削运动作用的不同，可将其分为主运动和进

3、给运动，如图7-2所示。图7-2 外圆车削1.主运动主运动是使工件和刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动。主运动消耗功率最大，速度最高。主运动有且仅有一个。切削刃上选定点相对于工件沿主运动方向的瞬时线速度称为切削速度，用vc表示，单位为m/s。当主运动是旋转运动时，则其切削速度的计算公式为vc=dn/1 00060（7-1）式中，d为完成主运动的工件或刀具的最大直径（mm）；n为工件或刀具每分钟转速（r/min）。2.进给运动新切削层不断投入切削，使切削工作得以继续下去的运动称为进给运动，见图7-2。进给运动的速度一般较低，功率也较小，是形成已加工表面的辅助运动。进给运动可以是一个，也可以是

4、多个；可以是连续进行的，也可以是断续进行的。与主运动速度相对应，进给运动的大小用进给速度vf表示，单位为mm/s或mm/min。即在单位时间内，刀具相对于工件在进给方向上的位移量。进给量f是指在单位时间内，刀具相对于工件沿进给运动方向的相对位移。如车削时，工件每转一转刀具所移动的距离，即为（每转）进给量，单位为mm/r。又如在牛头刨床上刨平面时，刀具往复一次工件移动的距离，单位为mm/str（即毫米/双行程）。切削深度ap是指工件待加工表面与已加工表面间的垂直距离，即ap=dwdm/2 （7-2）式中，dw为工件待加工表面直径（mm）；dm为工件已加工表面直径（mm）。任何切削加工都必须选择合

5、适的主运动速度vc、进给量 f 和切削深度ap，它们合称为切削用量三要素。二、工件表面在切削过程中，工件上通常存在三个变化着的表面，见图7-2。（1）待加工表面。工件上即将被切除的表面称为待加工表面。（2）已加工表面。工件上经刀具切削后形成的表面称为已加工表面。（3）过渡表面。工件上被切削刃正在切削的表面称为过渡表面，它总是处在待加工表面与已加工表面之间。三、切削层的几何参数1.切削层公称厚度垂直于切削刃方向测量的切削层的截面尺寸称为切削层公称厚度，简称为切削厚度，用符号hD表示，单位为mm，如图7-3所示。它反映了切削刃单位长度上的切削负荷。车外圆时，若车刀主切削刃为直线，则切削层公称厚度的

6、计算公式为hD=fsinr （7-3）2.切削层公称宽度给定瞬间主切削刃在切削层尺寸平面上的投影的两个极限点间的距离称为切削层公称宽度，简称为切削宽度，用符号bD表示，单位为mm。外圆车削时，切削层公称宽度的计算公式为bD=ap/sinr（7-4）图7-3 外圆车削时切削层参数3.切削层公称横截面积给定瞬间切削层在与主运动垂直的平面内度量的实际横截面积称为切削层公称横截面积，简称为公称面积，用符号AD表示，单位为mm2，其计算公式为AD=hDbD=fap （7-5）学习情境二 金属切削机床的基本知识一、金属切削加工概述金属切削加工方式很多，一般可分为车削加工、铣削加工、钻削加工、镗削加工、刨削

7、加工、磨削加工、齿轮加工及钳工等。切削加工的主要特点是工件精度高、生产率高及适应性好。凡是要求具有一定几何尺寸精度和表面粗糙度的零件，通常都采用切削加工方法来制造。1.机床的分类机床的分类方法很多，最基本的是按加工方法和所用刀具及用途进行分类。根据国家制定的机床型号编制方法，目前将机床分为12大类。除了上述基本分类方法外，机床还可按其他特征进行分类。机床按其万能性可以分为通用机床、专门化机床和专用机床。机床按其加工精度可分为普通精度机床、精密机床和高精度机床。机床按其自动化程度可分为手动机床、机动机床、半自动机床和自动机床。机床按其主要部件的数目可分为单轴机床、多轴机床、单刀机床和多刀机床等。

8、机床按其重量和尺寸可分为仪表机床、中型机床（一般机床）、大型机床（质量在10 t以上）、重型机床（质量在30 t以上）和超重型机床（质量在100 t以上）。2.机床的型号编制机床的型号是用汉语拼音字母和阿拉伯数字按照一定规律组合而成的，用来表示机床的类型、主要技术参数、通用特性和结构特性等。我国的机床型号是按照国家标准 GB/T 153752008金属切削机床型号编制方法的规定编制的。1）机床的类别代号机床的类别代号用该类机床名称的汉语拼音的第一个字母大写表示。当需要时，类以下还可以分若干分类，分类代号用阿拉伯数字表示，置于类别代号之前，但第一分类不予表示。如磨床类包括M、2M、3M三个分类。

9、2）机床的特性代号机床的特性代号主要有通用特性代号和结构特性代号。3）机床的组代号和系代号机床的组代号和系代号分别用一个数字表示。每类机床按其结构性能及适用范围划分为10个组，每组又分为10个系，分别用数字09表示。在同类机床中，主要布局或使用范围基本相同的机床即为同一组；在同一组机床中，主参数相同，并按一定公比排列，基本结构及布局也相同的机床即为同一系。各类机床的组代号和系代号及划分可查阅有关资料。4）机床主参数或设计顺序号机床主参数表示机床的规格，是反映机床最大工作能力的一种重要技术参数。通用机床的主参数已由机床的系列型谱规定。主参数用实际值或折算系数（1/10或1/100）表示，位于系代

10、号之后。5）机床的主轴数或第二主参数多轴机床的主轴数是必须表示的，应以实际的轴数标于主参数之后，并用“”分开，读作“点”。第二主参数一般指主轴数、最大跨距、最大零件长度、最大模数、工作台工作面长度等。第二主参数也用折算系数表示，位于主参数后，并用“”分开，读作“乘”。6）机床的重大改进顺序号当机床的性能及结构有重大改进，并按新产品重新设计、试制和鉴定时，应分别用字母、等在原机床型号的最后表示设计改进的次序。7）其他特性代号某些专门用途的通用机床，改变机床的部分结构性能，则在原机床型号后加、等数字，并用“”分开，读作“之”，以便与原机床型号区分。3.机床型号实例（1）C21506表示加工最大棒料

11、直径为50 mm的卧式六轴自动车床。（2）MG1432A表示经过一次重大改进，最大磨削直径为320 mm的高精度万能外圆磨床。（3）MB8240/1表示最大回转直径为400 mm的半自动曲轴磨床的第一种变型。（4）Z304016表示最大钻孔直径为40 mm，最大跨距为1 600 mm的摇臂钻床。三、机床的运动1.零件表面的形成方法任何一种经切削加工得到的机械零件，其形状都是由若干经过刀具切削加工获得的表面组成的。这些表面包括平面、外圆柱面、外圆锥面以及各种成形表面。从几何角度看，这些表面都可看作是一条线（母线）沿另一条线（导线）运动而形成的，如图7-4所示。图7-4 零件表面的形成2.表面成形

12、运动用机床加工零件时，为获得所需的表面，零件和刀具之间做相对运动，既要形成母线，又要形成导线，于是形成这两条发生线所需的运动的总和就是形成该表面所需所需的运动，称为机床的表面成形运动，又称为工作运动。3.机床的技术性能机床的技术性能是根据使用要求提出和设计的，了解机床的技术性能对于选用机床及安排零件的加工是很重要的。一般机床的技术性能包括机床的工艺范围、机床的技术参数和加工质量。四、机床的传动1.机床传动的基本组成部分机床传动的基本组成部分包括动力源、执行件和传动装置。2.机床的传动链在机床上为了得到所需的运动，需要通过一系列的传动装置把动力源和执行件或者把执行件和执行件连接起来。按一定规律排

13、列组成的一系列传动装置称为传动链。传动链可分为外联系传动链和内联系传动链两类。1）外联系传动链外联系传动链是联系机床动力源和执行件之间的传动链，可使执行件得到动力并运动起来。如车削外圆时，电动机至主轴的传动链即是外联系传动链。外联系传动链传动比没有严格要求，它的变化只影响切削速度或进给量大小，不影响加工表面的形状。2）内联系传动链内联系传动链是联系两个执行件，实现复合表面成形运动的传动链。它的作用是保证两个执行件之间有严格的相对运动关系。如车削螺纹时，主轴至刀架的传动链就是内联系传动链，又如滚齿机的范成运动传动链也是内联系传动链。内联系传动链中不允许采用传动比不准确或瞬时传动比不恒定的传动机构

14、。学习情境三 金属切削刀具一、金属切削刀具的几何角度1.车刀切削部分的组成车刀由刀头和刀杆组成。刀杆用于装夹，刀头用于切削，其结构形式如图7-6所示。图7-6 车刀切削部分的组成2.刀具角度的坐标平面与参考系刀具切削部分的各刀面、各切削刃的空间位置常常用这些刀面、切削刃相对某些坐标平面的几何角度来表示，这样就必须将刀具置于空间坐标平面参考系内。该参考系包括参考坐标平面和测量坐标平面，如图7-7所示。图7-7 刀具坐标平面参考系3.刀具的标注角度刀具标注角度是画刀具图及磨刀时掌握的角度，是假定条件下的切削角度，以便于刀具的设计与制造。所谓假定条件即假定运动条件（不考虑进给运动的大小）和假定安装条

15、件（规定刀具的刃磨和安装基准面垂直于切削平面或平行于基面，同时规定刀杆的中心线同进给运动方向垂直）。车刀的常用标注角度有五个，即前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角，如图7-8所示。图7-8 外圆车刀的标注角度二、金属切削刀具的材料1.刀具材料必须具备的性能1）高的硬度硬度是指材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力，刀具材料的硬度高于工件材料的硬度。一般刀具硬度应高于工件材料的硬度1.31.5倍，目前室温下刀具材料硬度应大于或者等于60 HRC。2）足够的强度和韧性强度是指材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。刀具材料的强度一般指抗弯强度。切削时刀具要承受较大的切削力、冲击和振动，为避免崩刃和

16、折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。材料的强度和韧性通常用抗弯强度和韧性表示。3）高的耐磨性和耐热性耐磨性是指材料抵抗磨损的能力。耐磨性与材料的硬度、化学成分、显微组织有关。一般而言，材料硬度越高，耐磨性越好。刀具材料组织中的硬质点的硬度越高，数量越多，分布越均匀，耐磨性越好。4）良好的工艺性能为了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工艺性能，如热轧、锻造、焊接、热处理和机械加工等性能。2.常用刀具材料刀具材料可分为工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料（包括金刚石、立方氮化硼等）五大类。目前切削加工中使用较多的刀具材料是工具钢、高速钢、硬质合金等。学习情境四

17、 常见表面加工 一、外圆表面的加工1.外圆表面的加工方法外圆表面加工最常用的方法有车削、磨削。当精度及表面质量要求很高时，还需进行光整加工。1）粗车粗车的主要目的是尽快去除毛坯的大部分加工余量，使之接近工件的形状和尺寸，为精加工做准备。因此，一般采用尽可能大的切削用量，以达到较高的生产率。粗车的尺寸公差等级为IT13IT11，表面粗糙度Ra值为5012.5 m。2）半精车半精车是在粗车的基础上进行的，其背吃刀量与进给量均较粗车小，常作为高精度外圆表面磨削或精车前的预备加工，也可作为中等精度外圆表面的终加工。半精车的尺寸公差等级为IT10IT9，表面粗糙度Ra值为6.33.2 m。3）精车一般作

18、为高精度外圆表面的终加工，其主要目的是达到零件表面的加工要求。为此，需合理选择车刀几何角度和切削用量。精车的尺寸公差等级为IT7IT5，表面粗糙度Ra值为1.60.8 m。4）精细车精细车的尺寸公差等级为IT6IT5，表面粗糙度Ra值为0.80.4 m，一般用于单件、小批量的高精度外圆表面的终加工。5）粗磨粗磨采用较粗磨粒的砂轮和较大的背吃刀量及进给量，以提高生产率。粗磨的尺寸公差等级为IT8IT7，表面粗糙度Ra值为1.60.8 m。6）精磨精磨则采用较细磨粒的砂轮和较小的背吃刀量及进给量，以获得较高的精度及较小的表面粗糙度。精磨的尺寸公差等级为IT6IT5，表面粗糙度Ra值可达0.2 m。

19、7）光整加工如果工件公差等级要求IT5以上，表面粗糙度Ra值为0.10.008 m，则在经过精车或精磨以后，还需通过光整加工。常用的外圆表面光整加工方法有研磨、超级光磨和抛光等。2.外圆表面加工方案的选择1）外圆表面加工方案分析图7-9按外圆表面的技术要求列出了几种典型加工方案，并注明各种工序能达到的精度和表面粗糙度。显然，对于零件上某一外圆表面来说，其加工方案只要满足规定的技术要求即可，不一定要完成图7-9所列典型方案的全过程。图7-9 外圆表面的加工方案以下结合图79作几点说明。（1） 加工淬火钢件的外圆面。（2）加工不淬火钢件和铸铁件的外圆表面。（3）加工有色金属等韧性材料零件的外圆表面

20、。2）外圆表面加工方案选用实例二、内圆表面的加工1.机床的选择（1）轴、盘、套类零件轴线位置的孔，一般选用车床（镗孔）、磨床加工。在大批大量生产中，盘、套类零件轴线位置上的通直配合孔，多选用拉床加工。（2）小型支架上的轴承支承孔，一般选用车床利用花盘弯板装夹加工或选用卧式铣床加工。（3）箱体和大、中型支架上的轴承支承孔，多选用铣、镗床加工。（4）各种零件上的销钉孔、穿螺钉孔和润滑油孔，一般在钻床上加工。（5）各种小孔、微孔及特殊机构、难加工材料上的孔，应选用特种加工机床加工。2.孔加工方案的选用1）孔加工常用的方案孔加工常用的方案如图7-14所示（表中Ra的单位为m）。拟定孔加工方案时，除要考

21、虑加工表面所要求的精度、表面粗糙度、材料性质、热处理要求以及生产规模以外，还要考虑孔径大小和长径比。图7-14 孔常用的加工方案2）所选用孔加工方案的几点说明3.孔加工方案选择实例三、平面的加工平面是盘形和板形零件的主要表面，也是箱体类零件的主要表面之一。根据平面所起的作用不同，大致可以分为以下几种。（1）非结合面。这类平面只是在外观或防腐蚀上有要求时，才进行加工。（2）结合面和重要结合面。如零件的固定连接平面等。（3）导向平面。如机床的导轨面等。（4）精密测量工具的工作面等。平面的技术要求与外圆表面和内圆表面的技术要求稍有不同，一般平面本身的尺寸精度要求不高，其技术要求主要包括以下三个方面。

22、（1）形状精度。如平面度、直线度等。（2）位置精度。如平面之间的尺寸精度以及平行度、垂直度等。（3）表面质量。如表面粗糙度、表层硬度、残余应力、显微组织等。1）平面加工方案分析平面加工方案应根据被加工平面的精度、表面粗糙度要求以及零件的结构和尺寸、材料性能、热处理要求、生产批量等来选择，如图7-17所示（图中Ra的单位m），图7-17 平面加工常用的方案应考虑如下几点。（1）要求不高的平面（包括不与其他任何零件接触的非工作面）采用粗铣、粗刨或粗车即可。但对于要求表面光滑的平面，粗加工后仍需进行精加工和光整加工。（2）板形零件的平面常采用铣（刨）磨方案。不论零件淬火与否，精加工一般都采用磨削。这

23、比单一采用铣（刨）削方案更为经济。平板、平尺和块规的精密测量平面在磨削以后，还需进行研磨。（3）盘套类零件和轴类零件端面的加工应与零件的外圆表面和孔加工结合进行，常采用粗车半精车磨的方案。（4）箱体、支架类零件的固定连接平面，要求中等精度和表面粗糙度时，常采用粗铣（刨）精铣（刨）的方案。其中窄长的平面宜用刨削、宽度大的平面宜用铣削，这样有利于提高生产率。要求较高的平面，如车床主轴箱与床身的连接面，则还需进行磨削或刮研。（5）各种导向平面常采用粗刨精刨宽刃精刨（或刮研）的方案。（6）单件小批生产加工内平面（如方孔和花键孔等）常采用粗插精插。粗插前需预钻孔。（7）大批量生产中，加工技术要求较高的、

24、面积不大的平面或内平面常用拉削的方法，以保证高的生产率。（8）有色金属零件刨削时容易扎刀，磨削时又容易堵塞砂轮，均难以保证质量，宜采用粗铣精铣高速精铣方案，且有较高的生产率。值得注意的是，将工艺过程划分成几个阶段是对整个加工过程而言的，不能简单地以某一工序的性质或某一表面的加工特点来决定。例如，对零件的定位基准，在半精加工阶段(甚至在粗加工阶段)中就需要加工得很准确，而某些钻小孔、攻螺纹之类的粗加工工序，也可安排在精加工阶段进行。同时，加工阶段的划分也不是绝对的。拓展训练1. 车床的开启、停车和变速2. 刀具角度的选择明确任务，在任务的驱动下学习。掌握主运动及进给运动的过程及含义。教师结合图片讲解切削层的几何参数。掌握机床的型号编制规则。学生读取实例中的机床型号，教师确认。结合图片讲解零件表面的形成方法。掌握外联系传动链和内联系传动链所起到的作用。掌握各坐标的含义。掌握各标注角度的含义。学生结合实际思考刀具材料必须具备的性能，教师总结。掌握各加工方法的特点。结合图讲解外圆表面的加工方案。能够根据实际需要选择合适的机床。学生分组讨论选择孔加工方案时的注意事项，教师总结。结合图片讲解平面加工常用的方案。学生分组讨论在选择平面加工常用方案时应注意的事项，教师总结。9第 页