CA6140机床后托架加工工艺及夹具设计1
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攀枝花学院毕业设计(论文) 附 件附件1:毕业设计(论文)任务书机制 专业 2002 年级2005 年3 月28 日批准专业负责人: 乔 水 明 发给学生: 王中蔚 贺 兵 1.毕业设计(论文)题目:CA6140机床后托架加工工艺及夹具设计 2.学生完成全部任务期限: 2006 年 6 月 9 日3.任务要求:(1)、设计内容:制订年产5000台CA6140机床后托架的加工工艺;(2)、设计主视图中的三孔的加工夹具;(3)、设计铣底面的夹具;(4)、设计俯视图中4孔的加工夹具;(5)、提交夹具装配图、零件图、加工工艺卡片、设计说明书及精度分析等相关设计分析结果。 注意:多人做一题时,设计方案、内容不能相同 4.实验(调验)部分内容要求:(1)、查阅相关资料,分析所给题目的零件结构工艺性,编排出该零件的合理的加工工艺过程,选择各加工工序的合理的切削用量,计算各工序的定额,填写零件的加工工艺卡片;(2)、完成给定加工面的夹具设计(须有方案分析比较、优选),每套夹具须完成装配图1张,夹具主要零、部件2-3张; (3)、编写夹具的设计说明书,字数在15000字以上。 5.文献查阅及翻译要求:(1)、机械加工工艺人员手册; (2)、机床家具设计手册; (3)、机床夹具图册; (4)、翻译有关机械制造方面10000个字符以上的外文资料,字数不得少于三千。 6.发出日期: 2006 年 2 月 18 日指导教师: 卢 宗 彪 (签名)完成任务日期: 2006 年 6 月 9 日学生:王 中 蔚 (签名)攀枝花学院本科毕业设计(论文)开 题 报 告题 目:CA6140车床后托架加工工艺及夹具设计院 (系): 攀枝花学院机电工程学院 专 业: 2002级机械设计制造及自动化 学 生 姓 名: 王中蔚 学号 : ZJD02043指 导 教 师: 卢宗彪 职称 : 副教授 2006年04月12日攀枝花学院本科毕业设计(论文) 开题报告1、本课题的研究意义,国内外研究现状、水平和发展趋势CA6140车床后托架的加工工艺及夹具设计为本课题的研究内容,对此研究查阅的大量的资料,首先明白机械加工工艺过程就是用切削的方法改变毛坯的形状、尺寸和材料的物理机械性质成为具有所需要的一定精度、粗糙度等的零件。为了能具体确切的说明过程,使工件能按照零件图的技术要求加工出来,就得制定复杂的机械加工工艺规程来作为生产的指导性技术文件,学习研究制定机械加工工艺规程的意义与作用就是本课题研究目的。在整个设计过程中,我们将学习到更多的知识。(1)我们必须仔细了解零件结构,认真分析零件图,培养我们独立识图能力,增强我们对零件图的认识和了解,通过对零件图的绘制,不仅能增强我们的绘图能力和运用autoCAD软件的能力。(2)制订工艺规程、确定加工余量、工艺尺寸计算、工时定额计算、定位误差分析等。在整个设计中也是非常重要的,通过这些设计,不仅让我们更为全面地了解零件的加工过程、加工尺寸的确定,而且让我们知道工艺路线和加工余量的确定,必须与工厂实际的机床相适应。 这对以前学习过的知识的复习,也是以后工作的一个铺垫。(3)在这个设计过程中,我们还必须考虑工件的安装和夹紧.安装的正确与否直接影响工件加工精度,安装是否方便和迅速,又会影响辅助时间的长短,从而影响生产率,夹具是加工工件时,为完成某道工序,用来正确迅速安装工件的装置.它对保证加工精度、提高生产率和减轻工人劳动量有很大作用。这是整个设计的重点,也是一个难点近年来,机械制造工艺有着飞速的发展。比如,应用人工智能选择零件的工艺规程。因为特种加工的微观物理过程非常复杂,往往涉及电磁场、热力学、流体力学、电化学等诸多领域,其加工机理的理论研究极其困难,通常很难用简单的解析式来表达。近年来,虽然各国学者采用各种理论对不同的特种加工技术进行了深入的研究,并取得了卓越的理论成就,但离定量的实际应用尚有一定的距离。然而采用每一种特种加工方法所获得的加工精度和表面 质量与加工条件参数间都有其规律。因此,目前常采用研究传统切削加工机理的实验统计方 法来了解特种加工的工艺规律,以便实际应用,但还缺乏系统性。受其限制,目前特种加工 的工艺参数只能凭经验选取,还难以实现最优化和自动化,例如,电火花成形电极的沉入式 加工工艺,它在占电火花成形机床总数95%以上的非数控电火花成形加工机床和较大尺寸的模具型腔加工中得到广泛应用。虽然已有学者对其CAD、CAPP和CAM原理开展了一些研究,并取得了一些成果,但由于工艺数据的缺乏,仍未有成熟的商品化的CAD/CAM系统问世。通常 只能采用手工的方法或部分借助于CAD造型、部分生成复杂电极的三维型面数据。随着模糊 数学、神经元网络及专家系统等多种人工智能技术的成熟发展,人们开始尝试利用这一技术 来建立加工效果和加工条件之间的定量化的精度、效率、经济性等实验模型,并得到了初步 的成果。因此,通过实验建模,将典型加工实例和加工经验作为知识存储起来,建立描述特 种加工工艺规律的可扩展性开放系统的条件已经成熟。并为进一步开展特种加工加工工艺过程的计算机模拟,应用人工智能选择零件的工艺规程和虚拟加工奠定基础。 同时,在机械加工过程中,夹具占有非常重要的地位,它可靠地保证了工件的加工精度,提高了加工效率,减轻了劳动的强度,夹具的设计过程中,应深入生产实际,(对工件的图纸,工艺文件,生产纲领等分析),精心调查研究,吸取国内外的先进技术,制订出合理的设计方案。我们都知道减少停工检修期是提高生产力、使生产能力利用系数最大化的一项重要因素。然而零件加工过程中的精确定位和装夹的重复精度也是改进效率和质量的关键。譬如柔性加工中心的产生就是为了减少产品循环周期。目前中国制造业发展迅猛,以前的我国制造业普遍使用刚性专机加工各种各样的零部件,导致改型和生产个零部件周期较长。随着我国制造业发展和各种各种零件的需求与日俱增,加工设备和工艺也向着柔性化的方向转变。加工装备的柔性概念和需求主要体现在对设备快速性和适应性的需求上,因此制造商不得不寻求柔性和产量之间的最佳组合。当然,在满足了柔性的条件下、也有着不同的解决方案,如:模块化、可变换化、可重新配置化、在线兼容性等。不论采用哪种方案,使用高性能的液压夹具都显得尤为重要,现在,柔性专机、可重新配置的机床及专用加工中心的组合应用,使得发动机零件的加工变得越来越柔性化,具体情况取决于每个加工项目的产量配额使用液压夹具的主要优势是能节省夹紧和松卸工件时所花的大量的时间。有关统计资料表明液压夹紧相比机械夹紧节省90%95%的时间,缩小了生产循环周期,从而增加了产量也就意味着降低了成本。当加工一长型铝合金零件时,刀具通过时旋转油缸可快速让开,刀具通过后可快速复位。液压夹具系统的第二项重要特点是可实现非常高的定位精度。关键在于夹紧力在定位和夹紧过程中保持恒定不变。从而确保了同一道工序下的加工质量一致性。由于变形造成的废品率将会微乎其微夹具是机械加工不可缺少的部件,在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下,夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济的方向发展2、本课题的基本内容,预计可能遇到的困难,提出解决问题的方法和措施本课题的基本内容:CA6140车床后托架加工工艺及夹具设计1、CA6140车床后托架加工工艺1、 制订CA6140车床后托架加工工艺规程,关键是工序的划分和定位基准的选择。在设计开始的过程中,我们必须要认真分析零件图,了解其箱体零件的结构特点和相关的技术要求,对箱体零件的每一个细节,都应仔细的分析,如箱体加工表面的平行度、粗糙度、垂直度,特别是要注意箱体零件各孔系自身精度(同轴度、圆度、粗糙度等)和它们的相互位置精度(轴线之间的平行度、垂直度以及轴线与平面之间的平行度、垂直度等要求),箱体零件的尺寸是整个零件加工的关键,必须弄清箱体零件的每一个尺寸。绘制零件图是一个重点,同时因为箱体零件比较复杂,所以也是一个难点。我们采用autoCAD软件绘制零件图,一方面增加我们对零件的了解认识,另一方面增加我们对autoCAD软件的熟悉。工序的划分确定加工顺序和工序内容,安排工序的集中和分散程度,划分工序阶段,这项工作与生产纲领有密切关系,具体可以根据生产类型、零件的结构特点、技术要求和机床设备等。生产条件确定工艺过程的工序次数;如批量小时可采用在通用机床上工序集中原则,批量大时即可按工序分散原则,组织流水线生产,也可利用高生产率的通用设备,按工序集中原则组织生产。定位基准的选择根据粗基准,精基准的选择原则;遵循基准统一、基准重合。由零件图具体分析可得:CA6140车床后托架首先以一个侧面和一个孔为粗基准,对底平面A进行粗加工,再以底平面A为基准加工孔。2、夹具设计可能遇到的问题:工件定位是否正确,定位精度是否满足要求,工件夹紧牢固是否可靠等等。工件在夹具中的定位精度,主要与定位基准是否与工序基准重合、定位基准与定位元件的配合状况等因素有关,可提高夹具的制造精度,减少配合间隙,就能提高夹具在机床上的定位精度,夹具中出现过定位时,可通过撤消多余定位元件,使多余定位元件失去限制重复自由度的能力,增加过定位元件与定位基准的配合间隙等办法来解决。夹紧必须可靠,但夹紧力不可过大,以免工件或夹具产生过大变形。可采用多点夹紧或在工件钢性薄弱部位安放适当的辅助支撑。夹具的设计必须要保证夹具的定位准确和机构合理,考虑夹具的定位误差和安装误差。我们将通过对工件与夹具的认真分析,结合一些夹具的具体设计事例,查阅相关的夹具设计资料,联系在工厂看到的一些箱体零件加工的夹具来解决这些问题.上述即为遇到困难的解决措施3、 本课题拟采用的研究手段(途径)和可行性分析根据不同的研究对象拟采用不同的研究手段(途径),本课题包括两方面内容:CA6140车床后托架加工工艺的设计和夹具设计制定工艺规程的研究途径和可行性分析毛坯的选择:根据生产纲领和零件结构选择毛坯,毛坯的类型一般在零件图上已有规定。对于铸件和锻件应了解其分模面、浇口、冒口位置和拔模率,以便在选择定位基准和计算加工余量时有所考虑。如果毛坯是棒料或型材,则按其标准确定尺寸规格,并决定每批加工件数。毛坯的种类和其质量对机械加工的质量有密切的关系。同时对提高劳动生产率、节约材料、降低成本有很大的影响。CA6140车床后托架毛坯材料为灰铸铁(HT150),硬度范围在150200HBS,承受中等载荷。采用砂型铸造方法,由于大批量生产故宜采用实体模样(金属模)进行两箱造型,这不仅简化了造型和合箱操作,还因型砂紧实度较为均匀,铸件的表面质量得到提高。在切削加工前进行石墨化退火处理,消除铸件表层和壁厚较薄的部位可能出现的白口组织(大量渗碳体出现)以便进行切削加工。拟订工艺路线:表示零件的加工顺序及加工方法,分出工序,安装或工位及工步等。并选择各工序所使用的机床型号、刀具、夹具及量具等。拟订工艺路线从实际出发,理论联系实际和工人结合起来。常常需要提出几个方案,进行分析比较后再确定。计算切削用量、加工余量及工时定额:查阅切削用量手册等资料并进行计算确定。目前,对单件小批量生产不规定切削用量,而是由操作工人根据经验自行选定,但对于自动线和流水线,为保证生产的节拍,必须规定切削用量,并不能随意改变。计算加工余量、工序尺寸及公差是要控制各工序的加工质量以保证最终加工质量。工时定额一般按各工厂的实际经验积累起来的统计资料来估算。随着生产的发展,工艺的改进,新工艺,新技术的不断出现,工时定额应进行相应的修改。对机械加工工艺规程基本要求可归结为质量、生产率和经济性。虽然有时互相矛盾,但只要把它们处理好,就会成为一个统一体。在三个要求中,质量是首要的。质量表现在机械产品的各项技术性能指标,质量不能保证,根本谈不上数量;质量和生产率之间是密切联系的,在保证质量的前提下,应该不断地最大限度地提高生产率,满足生产量的要求。如果两者矛盾,则生产率要服从于质量,应在保证质量的前提下解决生产率问题。在保证质量的前提下,应尽可能的节约耗费,减少投资,降低制造成本,这就是经济性。因此,CA6140车床后托架的工艺规程研究途径应该体现质量、生产率和经济性的统一,达到经济合理及可行的最优方案。夹具设计的研究途径和可行性分析CA6140车床后托架镗、铣、钻等工序使用的专用夹具,此类夹具的特点是针对性强、结构紧凑、操作简便、生产率高。夹具设计最关键是要求对工件定位正确,且满足定位精度要求。为了解决此问题,首先得了解影响定位精度的因素。然后采取措施解决具体的问题。如定位基准与定位元件的配合状况和影响定位精度,那么可以提高夹具的制造精度,减小配合间隙就能提高夹具在机床上的定位精度。除此之外,选择夹具的类型与结构型式必须与零件生产批量大小相适应,夹具结构与零部件应具有足够的刚度和强度,从而保证夹具操作方便、夹紧可靠、使用安全、并有合理的装卸空间。报告人签名:王 中 蔚 2006年 4 月 10 日4、进度计划序号日期进度安排13月27号开始进行毕业设计、熟悉题目及要求23月31号设计资料的收集及借阅34月4号分析研究所得到的设计资料44月10号方案设计、比较54月20号设计方案实施(设计、计算等)65月20号设计、论文整理及修改76月9号毕业设计答辩891011125、指导教师意见(对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计结果的预测) 王中蔚同学在毕业设计选题后,能综合运用所学的专业知识研究、分析设计内容,明确所要完成的设计任务和要求。对该设计课题即“机械加工工艺与夹具设计”以及与之相关的机械制造技术当今的发展方向、发展水平的认识基本正确,对该毕业设计的初步解决方法,思路基本正确。有关设计所需要的参考资料、手册等的查阅、收集基本就绪,根据已具备的条件,可以进行零件的机械加工艺工规程设计、并依据所优选的零件机械加工规程进行夹具的方案设计等工作。在进行过程中,希望该同学注意保留有关方案构思、计算等有关材料,以便后续工艺卡填写及设计说明书的整理。指导教师: 2006年 月 日6、教研室主任意见 教研室负责人:2006年 月 日说明:1、开题报告应根据教师下发的毕业设计(论文)任务书,在教师的指导下由学生独立撰写,在毕业设计开始后两周内完成。2、“课题的研究意义、现状、发展趋势”应不少于1200字,“课题的基本内容及研究手段和可行性分析”应不少于1000字。3、本页不够,请加页 我的设计题目是CA6140机床后托架的加工工艺及夹具设计 对于我的设计,我把它分为两部分,即工艺设计部分和夹具设计部分 首先我看图纸对CA6140机床后托架进行了基本的结构和工艺分析: 一个好的结构不但要应该达到设计要求,而且要有好的机械加工工艺性,也就是要有加工的可能性,要便于加工,要能够保证加工质量,同时使加工的劳动量最小。而设计和工艺是密切相关的,又是相辅相成的。设计者要考虑加工工艺问题。工艺师要考虑如何从工艺上保证设计的要求。CA6140机床后托架的是CA6140机床上的一个重要零件,因为其零件尺寸较小,结构形状也不是很复杂复杂,但侧面三杠孔和底面的精度要求较高,此外还有对精度要求不是很高的顶面的四孔要求加工,后托架上的底面和侧面三杠孔的粗糙度要求都是Ra1.6,所以都要求精加工。其三杠孔的中心线和底平面,有平面度的公差要求等。因为其尺寸精度、几何形状精度和相互位置精度,以及各表面的表面质量均影响机器或部件的装配质量,进而影响其性能与工作寿命,因此它的加工是非常关键和重要的。 接下来,我按照要求确定后托架的毛坯,因为是要求是中批量的生产,我选择选择金属行浇铸,这样可以免去每次造型 然后,我开始按照图纸要求的技术参数进行系统的分析各要求加工的面及孔的加工方法,(其中主要包括底平面,侧面三杠孔、顶面的四个孔、以及左视图上的两个孔)对于底平面的加工,我选择的是粗铣精铣,侧面的三杠孔的加工,则选择的是粗镗半精镗精镗,也许老师会问我为什么不选择钻孔,我想解释一下,因为我考虑到我是做毕业设计,不是真正在工厂在实际中来设计,所以,我想到后面的顶面的四孔的加工,我是要选择钻孔,所以,可以说我是因为想在这次毕业设计中多学点东西,所以在加工侧面三杠孔的时候我选择了镗的加工方法。对于顶面的四孔,我选择了先钻,对于不同的孔的要求,在进行扩,锪,以及铰等加工方法! 再然后,确定粗精基准,接下来,我开始拟订加工路线,这其中要考虑到工序的合理组合,阶段的划分,以及方案的比较。再下来就是确定毛坯的尺寸以及偏差计算,然后我又对各工艺步骤进行了机动时间的计算以及各工序的辅助时间的安排。 下面我进行了我的整个毕业设计的第二个部分,这是一个相当重要的部分,CA6140机床后托架夹具设计 对于夹具的设计,为了提高劳动生产率,保证加工质量,降低劳动强度。在加工CA6140机床后托架零件时,需要设计专用夹具。根据任务要求中的设计内容,需要设计加工工艺孔夹具及铣底面夹具一套。其中加工侧面的三孔的夹具将用于卧式镗床,刀具分别为两把麻花钻、扩孔钻、铰刀对工件上的四个孔进行加工。侧面两个孔将用两把麻花钻对起进行加工。 1、首先,我们进行专用铣夹具的设计,利用本夹具主要用来粗铣底平面,该底平面对孔三杠孔的中心线要满足尺寸要求以及平行度要求。在粗铣此底平面时,其他都是未加工表面。为了保证技术要求,最关键是找到定位基准。同时,应考虑如何提高劳动生产率和降低劳动强度。由零件图可知:粗铣平面对三杠孔孔的中心线和轴线有尺寸要求及平行度要求,其设计基准为孔的中心线。为了使定位误差达到要求的范围之内,在此选用V形块定心自动找到中心线,这种定位在结构上简单易操作。采用V形块定心平面定位的方式,保证平面加工的技术要求。同时,应加一侧面定位支承来限制一个沿y轴方向移动的自由度。在此看图纸对其做一些说明. 2、由零件图可知:侧面的三杠孔的轴线与底平面有平行度公差要求,在对孔进行加工前,底平面进行了粗精铣加工。因此,选底平面为定位精基准(设计基准)来满足平行度公差要求。三杠孔的轴线间有位置公差,选择左侧面为定位基准来设计镗模,从而满足孔轴线间的位置公差要求。工件定位用底平面和两个侧面来限制六个自由度。 在此看图纸对其做一些说明. 3、由零件图可知:顶面四孔的轴线与左侧面和后侧面的尺寸要求要求,在对孔进行加工前,底平面进行了铣加工,后侧面也是一直都不加工的侧面,因此,选后侧面和左侧面面为定位精基准(设计基准)来满足CA6140机床后托架顶面四孔加工的尺寸要求。由零件图可以知道,图中对孔的的加工没有位置公差要求,所以我们选择左侧面和后侧面为定位基准来设计钻模,从而满足孔轴线和两个侧面的尺寸要求。工件定位用底面和两个侧面来限制5个自由度。 在此看图纸对其做一些说明. 通过本次的毕业设计,使我能够对书本的知识做进一步的了解与学习,对资料的查询与合理的应用做了更深入的了解,本次进行工件的工艺路线分析、工艺卡的制定、工艺过程的分析、铣镗钻夹具的设计与分析,对我们在大学期间所学的课程进行了实际的应用与综合的学习。攀枝花学院本科毕业设计(论文)外文译文院 (系): 机电工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 姓 名: 王 中 蔚 学 号: ZJD02043 指导教师评语: 签名: 年 月 日外语文献翻译摘自: 制造工程与技术(机加工)(英文版) Manufacturing Engineering and TechnologyMachining 机械工业出版社 2004年3月第1版 美 s. 卡尔帕基安(Serope kalpakjian) s.r 施密德(Steven R.Schmid) 著原文:20.9 MACHINABILITYThe machinability of a material usually defined in terms of four factors:1、 Surface finish and integrity of the machined part;2、 Tool life obtained;3、 Force and power requirements;4、 Chip control. Thus, good machinability good surface finish and integrity, long tool life, and low force And power requirements. As for chip control, long and thin (stringy) cured chips, if not broken up, can severely interfere with the cutting operation by becoming entangled in the cutting zone.Because of the complex nature of cutting operations, it is difficult to establish relationships that quantitatively define the machinability of a material. In manufacturing plants, tool life and surface roughness are generally considered to be the most important factors in machinability. Although not used much any more, approximate machinability ratings are available in the example below.20.9.1 Machinability Of SteelsBecause steels are among the most important engineering materials (as noted in Chapter 5), their machinability has been studied extensively. The machinability of steels has been mainly improved by adding lead and sulfur to obtain so-called free-machining steels.Resulfurized and Rephosphorized steels. Sulfur in steels forms manganese sulfide inclusions (second-phase particles), which act as stress raisers in the primary shear zone. As a result, the chips produced break up easily and are small; this improves machinability. The size, shape, distribution, and concentration of these inclusions significantly influence machinability. Elements such as tellurium and selenium, which are both chemically similar to sulfur, act as inclusion modifiers in resulfurized steels.Phosphorus in steels has two major effects. It strengthens the ferrite, causing increased hardness. Harder steels result in better chip formation and surface finish. Note that soft steels can be difficult to machine, with built-up edge formation and poor surface finish. The second effect is that increased hardness causes the formation of short chips instead of continuous stringy ones, thereby improving machinability.Leaded Steels. A high percentage of lead in steels solidifies at the tip of manganese sulfide inclusions. In non-resulfurized grades of steel, lead takes the form of dispersed fine particles. Lead is insoluble in iron, copper, and aluminum and their alloys. Because of its low shear strength, therefore, lead acts as a solid lubricant (Section 32.11) and is smeared over the tool-chip interface during cutting. This behavior has been verified by the presence of high concentrations of lead on the tool-side face of chips when machining leaded steels.When the temperature is sufficiently high-for instance, at high cutting speeds and feeds (Section 20.6)the lead melts directly in front of the tool, acting as a liquid lubricant. In addition to this effect, lead lowers the shear stress in the primary shear zone, reducing cutting forces and power consumption. Lead can be used in every grade of steel, such as 10xx, 11xx, 12xx, 41xx, etc. Leaded steels are identified by the letter L between the second and third numerals (for example, 10L45). (Note that in stainless steels, similar use of the letter L means “low carbon,” a condition that improves their corrosion resistance.)However, because lead is a well-known toxin and a pollutant, there are serious environmental concerns about its use in steels (estimated at 4500 tons of lead consumption every year in the production of steels). Consequently, there is a continuing trend toward eliminating the use of lead in steels (lead-free steels). Bismuth and tin are now being investigated as possible substitutes for lead in steels.Calcium-Deoxidized Steels. An important development is calcium-deoxidized steels, in which oxide flakes of calcium silicates (CaSo) are formed. These flakes, in turn, reduce the strength of the secondary shear zone, decreasing tool-chip interface and wear. Temperature is correspondingly reduced. Consequently, these steels produce less crater wear, especially at high cutting speeds.Stainless Steels. Austenitic (300 series) steels are generally difficult to machine. Chatter can be s problem, necessitating machine tools with high stiffness. However, ferritic stainless steels (also 300 series) have good machinability. Martensitic (400 series) steels are abrasive, tend to form a built-up edge, and require tool materials with high hot hardness and crater-wear resistance. Precipitation-hardening stainless steels are strong and abrasive, requiring hard and abrasion-resistant tool materials.The Effects of Other Elements in Steels on Machinability. The presence of aluminum and silicon in steels is always harmful because these elements combine with oxygen to form aluminum oxide and silicates, which are hard and abrasive. These compounds increase tool wear and reduce machinability. It is essential to produce and use clean steels.Carbon and manganese have various effects on the machinability of steels, depending on their composition. Plain low-carbon steels (less than 0.15% C) can produce poor surface finish by forming a built-up edge. Cast steels are more abrasive, although their machinability is similar to that of wrought steels. Tool and die steels are very difficult to machine and usually require annealing prior to machining. Machinability of most steels is improved by cold working, which hardens the material and reduces the tendency for built-up edge formation.Other alloying elements, such as nickel, chromium, molybdenum, and vanadium, which improve the properties of steels, generally reduce machinability. The effect of boron is negligible. Gaseous elements such as hydrogen and nitrogen can have particularly detrimental effects on the properties of steel. Oxygen has been shown to have a strong effect on the aspect ratio of the manganese sulfide inclusions; the higher the oxygen content, the lower the aspect ratio and the higher the machinability.In selecting various elements to improve machinability, we should consider the possible detrimental effects of these elements on the properties and strength of the machined part in service. At elevated temperatures, for example, lead causes embrittlement of steels (liquid-metal embrittlement, hot shortness; see Section 1.4.3), although at room temperature it has no effect on mechanical properties.Sulfur can severely reduce the hot workability of steels, because of the formation of iron sulfide, unless sufficient manganese is present to prevent such formation. At room temperature, the mechanical properties of resulfurized steels depend on the orientation of the deformed manganese sulfide inclusions (anisotropy). Rephosphorized steels are significantly less ductile, and are produced solely to improve machinability.20.9.2 Machinability of Various Other Metals Aluminum is generally very easy to machine, although the softer grades tend to form a built-up edge, resulting in poor surface finish. High cutting speeds, high rake angles, and high relief angles are recommended. Wrought aluminum alloys with high silicon content and cast aluminum alloys may be abrasive; they require harder tool materials. Dimensional tolerance control may be a problem in machining aluminum, since it has a high thermal coefficient of expansion and a relatively low elastic modulus.Beryllium is similar to cast irons. Because it is more abrasive and toxic, though, it requires machining in a controlled environment.Cast gray irons are generally machinable but are. Free carbides in castings reduce their machinability and cause tool chipping or fracture, necessitating tools with high toughness. Nodular and malleable irons are machinable with hard tool materials.Cobalt-based alloys are abrasive and highly work-hardening. They require sharp, abrasion-resistant tool materials and low feeds and speeds.Wrought copper can be difficult to machine because of built-up edge formation, although cast copper alloys are easy to machine. Brasses are easy to machine, especially with the addition pf lead (leaded free-machining brass). Bronzes are more difficult to machine than brass.Magnesium is very easy to machine, with good surface finish and prolonged tool life. However care should be exercised because of its high rate of oxidation and the danger of fire (the element is pyrophoric).Molybdenum is ductile and work-hardening, so it can produce poor surface finish. Sharp tools are necessary.Nickel-based alloys are work-hardening, abrasive, and strong at high temperatures. Their machinability is similar to that of stainless steels.Tantalum is very work-hardening, ductile, and soft. It produces a poor surface finish; tool wear is high.Titanium and its alloys have poor thermal conductivity (indeed, the lowest of all metals), causing significant temperature rise and built-up edge; they can be difficult to machine.Tungsten is brittle, strong, and very abrasive, so its machinability is low, although it greatly improves at elevated temperatures.Zirconium has good machinability. It requires a coolant-type cutting fluid, however, because of the explosion and fire.20.9.3 Machinability of Various MaterialsGraphite is abrasive; it requires hard, abrasion-resistant, sharp tools.Thermoplastics generally have low thermal conductivity, low elastic modulus, and low softening temperature. Consequently, machining them requires tools with positive rake angles (to reduce cutting forces), large relief angles, small depths of cut and feed, relatively high speeds, and proper support of the workpiece. Tools should be sharp.External cooling of the cutting zone may be necessary to keep the chips from becoming “gummy” and sticking to the tools. Cooling can usually be achieved with a jet of air, vapor mist, or water-soluble oils. Residual stresses may develop during machining. To relieve these stresses, machined parts can be annealed for a period of time at temperatures ranging from to (to), and then cooled slowly and uniformly to room temperature.Thermosetting plastics are brittle and sensitive to thermal gradients during cutting. Their machinability is generally similar to that of thermoplastics.Because of the fibers present, reinforced plastics are very abrasive and are difficult to machine. Fiber tearing, pulling, and edge delamination are significant problems; they can lead to severe reduction in the load-carrying capacity of the component. Furthermore, machining of these materials requires careful removal of machining debris to avoid contact with and inhaling of the fibers.The machinability of ceramics has improved steadily with the development of nanoceramics (Section 8.2.5) and with the selection of appropriate processing parameters, such as ductile-regime cutting (Section 22.4.2).Metal-matrix and ceramic-matrix composites can be difficult to machine, depending on the properties of the individual components, i.e., reinforcing or whiskers, as well as the matrix material.20.9.4 Thermally Assisted MachiningMetals and alloys that are difficult to machine at room temperature can be machined more easily at elevated temperatures. In thermally assisted machining (hot machining), the source of heata torch, induction coil, high-energy beam (such as laser or electron beam), or plasma arcis forces, (b) increased tool life, (c) use of inexpensive cutting-tool materials, (d) higher material-removal rates, and (e) reduced tendency for vibration and chatter.It may be difficult to heat and maintain a uniform temperature distribution within the workpiece. Also, the original microstructure of the workpiece may be adversely affected by elevated temperatures. Most applications of hot machining are in the turning of high-strength metals and alloys, although experiments are in progress to machine ceramics such as silicon nitride. SUMMARYMachinability is usually defined in terms of surface finish, tool life, force and power requirements, and chip control. Machinability of materials depends not only on their intrinsic properties and microstructure, but also on proper selection and control of process variables.译文:20.9 可机加工性一种材料的可机加工性通常以四种因素的方式定义:1、 分的表面光洁性和表面完整性。2、刀具的寿命。3、切削力和功率的需求。4、切屑控制。以这种方式,好的可机加工性指的是好的表面光洁性和完整性,长的刀具寿命,低的切削力和功率需求。关于切屑控制,细长的卷曲切屑,如果没有被切割成小片,以在切屑区变的混乱,缠在一起的方式能够严重的介入剪切工序。因为剪切工序的复杂属性,所以很难建立定量地释义材料的可机加工性的关系。在制造厂里,刀具寿命和表面粗糙度通常被认为是可机加工性中最重要的因素。尽管已不再大量的被使用,近乎准确的机加工率在以下的例子中能够被看到。20.9.1 钢的可机加工性因为钢是最重要的工程材料之一(正如第5章所示),所以他们的可机加工性已经被广泛地研究过。通过宗教铅和硫磺,钢的可机加工性已经大大地提高了。从而得到了所谓的易切削钢。二次硫化钢和二次磷化钢 硫在钢中形成硫化锰夹杂物(第二相粒子),这些夹杂物在第一剪切区引起应力。其结果是使切屑容易断开而变小,从而改善了可加工性。这些夹杂物的大小、形状、分布和集中程度显著的影响可加工性。化学元素如碲和硒,其化学性质与硫类似,在二次硫化钢中起夹杂物改性作用。钢中的磷有两个主要的影响。它加强铁素体,增加硬度。越硬的钢,形成更好的切屑形成和表面光洁性。需要注意的是软钢不适合用于有积屑瘤形成和很差的表面光洁性的机器。第二个影响是增加的硬度引起短切屑而不是不断的细长的切屑的形成,因此提高可加工性。含铅的钢 钢中高含量的铅在硫化锰夹杂物尖端析出。在非二次硫化钢中,铅呈细小而分散的颗粒。铅在铁、铜、铝和它们的合金中是不能溶解的。因为它的低抗剪强度。因此,铅充当固体润滑剂并且在切削时,被涂在刀具和切屑的接口处。这一特性已经被在机加工铅钢时,在切屑的刀具面表面有高浓度的铅的存在所证实。当温度足够高时例如,在高的切削速度和进刀速度下铅在刀具前直接熔化,并且充当液体润滑剂。除了这个作用,铅降低第一剪切区中的剪应力,减小切削力和功率消耗。铅能用于各种钢号,例如10XX,11XX,12XX,41XX等等。铅钢被第二和第三数码中的字母L所识别(例如,10L45)。(需要注意的是在不锈钢中,字母L的相同用法指的是低碳,提高它们的耐蚀性的条件)。然而,因为铅是有名的毒素和污染物,因此在钢的使用中存在着严重的环境隐患(在钢产品中每年大约有4500吨的铅消耗)。结果,对于估算钢中含铅量的使用存在一个持续的趋势。铋和锡现正作为钢中的铅最可能的替代物而被人们所研究。脱氧钙钢 一个重要的发展是脱氧钙钢,在脱氧钙钢中矽酸钙盐中的氧化物片的形成。这些片状,依次减小第二剪切区中的力量,降低刀具和切屑接口处的摩擦和磨损。温度也相应地降低。结果,这些钢产生更小的月牙洼磨损,特别是在高切削速度时更是如此。不锈钢 奥氏体钢通常很难机加工。振动能成为一个问题,需要有高硬度的机床。然而,铁素体不锈钢有很好的可机加工性。马氏体钢易磨蚀,易于形成积屑瘤,并且要求刀具材料有高的热硬度和耐月牙洼磨损性。经沉淀硬化的不锈钢强度高、磨蚀性强,因此要求刀具材料硬而耐磨。钢中其它元素在可机加工性方面的影响 钢中铝和矽的存在总是有害的,因为这些元素结合氧会生成氧化铝和矽酸盐,而氧化铝和矽酸盐硬且具有磨蚀性。这些化合物增加刀具磨损,降低可机加工性。因此生产和使用净化钢非常必要。根据它们的构成,碳和锰钢在钢的可机加工性方面有不同的影响。低碳素钢(少于0.15%的碳)通过形成一个积屑瘤能生成很差的表面光洁性。尽管铸钢的可机加工性和锻钢的大致相同,但铸钢具有更大的磨蚀性。刀具和模具钢很难用于机加工,他们通常再煅烧后再机加工。大多数钢的可机加工性在冷加工后都有所提高,冷加工能使材料变硬并且减少积屑瘤的形成。其它合金元素,例如镍、铬、钳和钒,能提高钢的特性,减小可机加工性。硼的影响可以忽视。气态元素比如氢和氮在钢的特性方面能有特别的有害影响。氧已经被证明了在硫化锰夹杂物的纵横比方面有很强的影响。越高的含氧量,就产生越低的纵横比和越高的可机加工性。选择各种元素以改善可加工性,我们应该考虑到这些元素对已加工零件在使用中的性能和强度的不利影响。例如,当温度升高时,铝会使钢变脆(液体金属脆化,热脆化,见1.4.3节),尽管其在室温下对力学性能没有影响。因为硫化铁的构成,硫能严重的减少钢的热加工性,除非有足够的锰来防止这种结构的形成。在室温下,二次磷化钢的机械性能依赖于变形的硫化锰夹杂物的定位(各向异性)。二次磷化钢具有更小的延展性,被单独生成来提高机加工性。20.9.2 其它不同金属的机加工性尽管越软的品种易于生成积屑瘤,但铝通常很容易被机加工,导致了很差的表面光洁性。高的切削速度,高的前角和高的后角都被推荐了。有高含量的矽的锻铝合金铸铝合金也许具有磨蚀性,它们要求更硬的刀具材料。尺寸公差控制也许在机加工铝时会成为一个问题,因为它有膨胀的高导热系数和相对低的弹性模数。铍和铸铁相同。因为它更具磨蚀性和毒性,尽管它要求在可控人工环境下进行机加工。灰铸铁普遍地可加工,但也有磨蚀性。铸造无中的游离碳化物降低它们的可机加工性,引起刀具切屑或裂口。它需要具有强韧性的工具。具有坚硬的刀具材料的球墨铸铁和韧性铁是可加工的。钴基合金有磨蚀性且高度加工硬化的。它们要求尖的且具有耐蚀性的刀具材料并且有低的走刀和速度。尽管铸铜合金很容易机加工,但因为锻铜的积屑瘤形成因而锻铜很难机加工。黄铜很容易机加工,特别是有添加的铅更容易。青铜比黄铜更难机加工。镁很容易机加工,镁既有很好的表面光洁性和长久的刀具寿命。然而,因为高的氧化速度和火种的危险(这种元素易燃),因此我们应该特别小心使用它。钳易拉长且加工硬化,因此它生成很差的表面光洁性。尖的刀具是很必要的。镍基合金加工硬化,具有磨蚀性,且在高温下非常坚硬。它的可机加工性和不锈钢相同。钽非常的加工硬化,具有可延性且柔软。它生成很差的表面光洁性且刀具磨损非常大。钛和它的合金导热性(的确,是所有金属中最低的),因此引起明显的温度升高和积屑瘤。它们是难机加工的。钨易脆,坚硬,且具有磨蚀性,因此尽管它的性能在高温下能大大提高,但它的机加工性仍很低。锆有很好的机加工性。然而,因为有爆炸和火种的危险性,它要求有一个冷却性质好的切削液。20.9.3 各种材料的机加工性石墨具有磨蚀性。它要求硬的、尖的,具有耐蚀性的刀具。塑性塑料通常有低的导热性,低的弹性模数和低的软化温度。因此,机加工热塑性塑料要求有正前角的刀具(以此降低切削力),还要求有大的后角,小的切削和走刀深的,相对高的速度和工件的正确支承。刀具应该很尖。切削区的外部冷却也许很必要,以此来防止切屑变的有黏性且粘在刀具上。有了空气流,汽雾或水溶性油,通常就能实现冷却。在机加工时,残余应力也许能生成并发展。为了解除这些力,已机加工的部分要在()的温度范围内冷却一段时间,然而慢慢地无变化地冷却到室温。热固性塑料易脆,并且在切削时对热梯度很敏感。它的机加工性和热塑性塑料的相同。因为纤维的存在,加强塑料具有磨蚀性,且很难机加工。纤维的撕裂、拉出和边界分层是非常严重的问题。它们能导致构成要素的承载能力大大下降。而且,这些材料的机加工要求对加工残片仔细切除,以此来避免接触和吸进纤维。随着纳米陶瓷(见8.2.5节)的发展和适当的参数处理的选择,例如塑性切削(见22.4.2节),陶瓷器的可机加工性已大大地提高了。金属基复合材料和陶瓷基复合材料很能机加工,它们依赖于单独的成分的特性,比如说增强纤维或金属须和基体材料。20.9.4 热辅助加工在室温下很难机加工的金属和合金在高温下能更容易地机加工。在热辅助加工时(高温切削),热源一个火把,感应线圈,高能束流(例如雷射或电子束),或等离子弧被集中在切削刀具前的一块区域内。好处是:(a)低的切削力。(b)增加的刀具寿命。(c)便宜的切削刀具材料的使用。(d)更高的材料切除率。(e)减少振动。也许很难在工件内加热和保持一个不变的温度分布。而且,工件的最初微观结构也许被高温影响,且这种影响是相当有害的。尽管实验在进行中,以此来机加工陶瓷器如氮化矽,但高温切削仍大多数应用在高强度金属和高温度合金的车削中。小结通常,零件的可机加工性能是根据以下因素来定义的:表面粗糙度,刀具的寿命,切削力和功率的需求以及切屑的控制。材料的可机加工性能不仅取决于起内在特性和微观结构,而且也依赖于工艺参数的适当选择与控制。
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