机械加工工艺及装备习题参考答案文档格式.docx
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(1)在基面投影图
中注出已加工表面、待加工表面、过渡表面,刀具前面、主切削刃、主偏角、副偏角和正交平面。
(参见教材图2-4、图2-9)。
(2)按投影关系作出正交平面,并注出基面、切削平面、前面、后面,
=
10°
、
6°
。
(参见教材图2-10)。
4
(1)
90°
外圆车刀的几何角度:
κ
r=
、γo
15°
、a
o=8°
、λ
s=5°
8°
(参见教材图2-10、图2-11)
(2)
=45°
弯头刀车端面,几何角度:
45°
−5°
−3°
(3)切断刀的几何角度:
κrL
105°
5°
1°
0°
=
30'
(参见教材图2-10、图2-11)。
5
(1)高硬度
要实现切削加工,刀具材料必须具有比工件材料高的硬度,硬度的高低在一定程度上决定了刀具材料的应用范围。
(2)高耐磨性
耐磨性是刀具材料抵抗摩擦和磨损的能力,它是刀具材料应具备的主要条件之一,是决定刀具耐用度的主要因素。
一般来说,材料的硬度越高,耐磨性越好。
(3)足够的强度和韧性
要使刀具在切削力作用下不致产生破坏,就必须具有足够的强度,同时还要具备足够的韧性,以承受着各种应力、冲击载荷和震动的作用。
通常用材料的抗弯强度和冲击韧度表示刀具的强度和韧度。
(4)高的耐热性(热稳定性)
耐热性是指在高温下材料保持硬度、耐磨性、强度和硬度的能力。
切削过程中一般都会产生很高的温度,刀具材料必须具有一定的耐热性,以保证在高温下仍然具有所要求的性能,耐热性可用红硬性或高温硬度表示。
(5)良好的热物理性能和耐热冲击性能
刀具材料的导热性越好,切削时产生的热量越容易传导出去,从而降低切削部分的温度,减轻刀具的磨损,避免因热冲击产生刀具材料裂纹。
(6)良好的工艺性
为了便于制造,刀具切削部分材料应具有良好的锻造、焊接、热处理和磨削加工等性能。
6
常见高性能高速钢的牌号、主要化学成分、性能及用途如表2-5所示。
表2-5常用高速钢的力学性能和应用范围
牌号
硬度
(HRC)
抗弯强度
(GPa)
冲击韧性
(MJ/m2)
600
℃时
硬度(HRC)
主要性能和适用范围
普通高速钢
W18Cr4V(W18)
63~66
3.0~3.4
0.18~0.32
48.5
综合性能好,通用性强,可磨削,适用于加工轻合金、碳素钢、合金钢、普通铸铁的精加工刀具和复杂刀具。
如螺纹车刀、成形车刀、拉刀等
W6Mo5Cr4V2
(M2)
3.5~4.0
0.30~0.40
47~48
强度和韧性略高于W18Cr4V,热硬性略低于W18Cr4V,热塑性好。
适用于制造加工轻合金、碳钢、合金钢的热成形刀具及承受冲击、结构薄弱的刀具
W14Cr4VMnRe
64~66
~4.0
~0.31
50.5
切削性能与W18Cr4V相当,热塑性好,适用于制作热轧刀具
高性能高速钢
95W18Cr4V
66~68
0.17~0.22
51
属高碳高速钢,常温硬度和高温硬度有所提高,适用于加工普通钢材和铸铁,耐磨性要求较高的钻头、铰刀、丝锥、铣刀和车刀等,但不宜受大的冲击
W6Mo5Cr4V3
(M3)
65~67
~3.2
~0.25
51.7
属高钒高速钢,耐磨性很好,适合切削对刀具磨损较大的材料,如纤维、硬橡胶、塑料等,也用于加工不锈钢、高强度钢和高温合金等
W2Mo9Cr4VCo8
(M42)
67~69
2.7~3.8
0.23~0.30
55
属含钴高速钢,有很高的常温和高温硬度,适合加工高强度耐热钢、高温合金、钛合金等难加工材料,可磨性好,适于作精密复杂刀具,但不宜在冲击切削条件下工作
W6Mo5Cr4V2Al
(501)
2.84~3.82
属含铝高速钢,切削性能相当于W2Mo9Cr4VCo8,适宜制造铣刀、钻头、铰刀、齿轮刀具和拉刀等,用于加工合金钢、不锈钢、高强度钢和高温合金
7
表面涂层是在韧性较好的硬质合金或高速钢基体上,通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)法涂覆一薄层耐磨性很高的难熔金属化合物。
通过这种方法,使刀具既具有基体材料的强度和韧性,又具有很高的耐磨性,从而较好地解决强度韧性与硬度耐磨性的矛盾。
8
常用硬质合金牌号及用途如表2-6所示。
表2-6硬质合金的用途
化学成分(%)
性能
比较
适用场合
ISO
国产
wc
TiC
TaC
(TbC)
Co
K01
YG3X
96.5
—
<
0.5
(至上而下)抗弯强度、韧性、进给量依次降低,
(至上而下)硬度、耐磨性、切削速度依次升高
铸铁、有色金属及合金的精加工,也可用于合金钢、淬火钢等的精加工、不能承受冲击载荷
K10
YG6X
93.5
铸铁、冷硬铸铁、合金铸铁、耐热钢、合金钢的半精加工、精加工
K20
YG6
94
铸铁、有色金属及合金的粗加工、半精加工
K30
YG8
92
铸铁、有色金属及合金、非金属的粗加工,能适应断续切削
P01
YT30
66
30
碳钢和合金钢连续切削时的精加工
P10
YT15
79
15
碳钢和合金钢连续切削时的半精加工、精加工
P20
YT14
78
14
碳钢和合金钢连续切削时的粗加工、半精加工、精加工或断续切削时的精加工
P30
YT5
85
10
碳钢和合金钢的粗加工,也可用于断续切削
M10
YW1
84
不锈钢、耐热钢、高锰钢及其他难加工材料及普通钢料、铸铁的半精加工和精加工
M20
YW2
82
不锈钢、耐热钢、高锰钢及其他难加工材料及普通钢料、铸铁的粗加工和半精加工
9
(1)积屑瘤的形成原因主要是由于切削加工时,在一定的温度和压力作用下,切屑与刀具前面发生强烈摩擦,致使切屑底层金属流动速度降低而形成滞流层,如果温度和压力合适,滞流层就与前刀面黏结而留在刀具前面上,由于黏结层经过塑性变形硬度提高,连续流动的切屑在黏结层上流动时,又会形成新的滞留层,使黏结层在前一层的基础上积聚,这样一层又一层地堆积,黏结层愈来愈大,最后形成积屑瘤。
(2)积屑瘤对切削过程的影响。
①增大实际前角。
积屑瘤黏结在刀具前刀面刀尖处,可代替刀具切削,增大了刀具的实际前角。
②增大切入深度。
积屑瘤前端伸出切削刃之外,加工中出现过切,使刀具切入深度比没有积屑瘤时增大了Δ,因而影响了加工尺寸。
③增大已加工表面粗糙度。
由于积屑瘤很不稳定,使切削深度不断变化,导致实际前角发生变化,引起切削过程震动;
积屑瘤脱落时的碎片可能黏附在已加工表面上;
积屑瘤凸出刀刃部分,在已加工表面上形成沟纹,这些都可以造成已加工表面的粗糙度值增大。
④影响刀具耐用度。
积屑瘤覆盖着刀具部分刃口和前面,对切削刃和前面有一定保护作用,从而减小了刀具磨损,但积屑瘤脱落时,又可能使黏结牢固的硬质合金表面剥落,加剧刀具磨损。
(3)影响积屑瘤的主要因素与控制。
精加工时必须避免或抑制积屑瘤的生成。
其措施有如下几种。
①控制切削速度。
尽量采用很低或很高的切削速度。
②降低工件材料塑性。
通过热处理降低材料塑性,提高硬度,可抑制积屑瘤生成。
③其他措施。
减小进给量、增大刀具前角,减小刀具前面的粗糙度值,合理使用切削液等,均可使切削变形减小,切削力减小,切削温度下降,从而抑制积屑瘤的生成。
(1)
工件材料对切屑变形的影响。
工件材料的塑性是影响切屑变形的主要因素。
如碳钢的塑性越大,抗拉强度和屈服强度越低,越容易产生塑性滑移和剪切变形,在较小的应力条件下就开始产生塑性变形。
在相同的切削条件下,工件材料的塑性越大,切屑变形就越大。
例如,1Cr18Ni9Ti和45钢的强度近似,但前者延伸率大得多,切削时切屑变形大,易粘刀且不易断屑。
(2)刀具前角对切屑变形的影响。
刀具前角越大,减小切屑沿前刀面流出的阻力越小,切屑变形越小。
(3)
切削速度对切屑变形的影响。
在无积屑瘤的切削速度范围内(例如高速切削),切削速度越高,则变形越小。
因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢。
(4)切削厚度对切屑变形的影响。
当切削厚度增加时,摩擦系数减小,变形变小。
切削厚度增加,切屑底层变形大,上层变形小且变形程度严重的金属层,占切屑体积的百分比随着切屑厚度增加而下降。
因此,从切削层整体看,切屑的平均变形减小。
反之,切屑越薄,变形量越大。
11
(1)工件材料的影响。
工件材料的强度越大、硬度越高,切削时消耗的功越多,产生的切削热越多,切削温度升高。
工件材料的热导率大,热量容易传出,若产生的切削热相同,则热容量大的材料切削温度低。
工件材料的塑性越好,切削变形越大,切削时消耗的功越多,产生的切削热越多,切削温度升高。
(2)切削用量的影响。
切削用量中,切削速度对切削温度影响最大。
切削速度vc增加,切削的路径增长,切屑底层与刀具前面发生强烈摩擦从而产生大量的切削热,切削温度显著升高。
进给量f对切削温度有一定的影响。
随着进给量的增大,单位时间内金属的切除量增加,消耗的功率增大,切削热增大,切削温度上升。
背吃刀量ap对切削温度影响很小。
随着背吃刀量的增加,切削层金属的变形与摩擦成正比例增加,产生的热量按比例增加。
但由于切削刃参加工作的长度也成比例增长,改善了刀头的散热条件,最终切削温度略有增高。
(3)刀具几何角度的影响。
刀具几何参数对切削温度影响较大的是前角和主偏角。
前角γo增大,切削变形及切屑与刀具前面的摩擦减小,产生的热量小,切削温度下降。
反之,切削温度升高。
但是如果前角太大,刀具的楔角减小,散热体积减小,切削温度反而升高。
主偏角κr增大,刀具主切削刃工作长度缩短,刀尖角εr减小,散热面积减少,切削热相对集中,从而提高了切削温度。
反之,主偏角减小,切削温度降低。
(4)其他因素。
刀具后面磨损较大时,会加剧刀具与工件的摩擦,使切削温度升高,切削速度越高,刀具磨损对切削温度的升高越明显。
切削液对降低切削温度有明显的效果,切削液的润滑作用可减小摩擦,减少切削热。
12
在使用刀具时,在刀具产生急剧磨损前必须重磨或更换新切削刃,这时刀具的磨损量称为磨钝标准或磨损限度。
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刀具一次刃磨后从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的实际切削时间称为刀具耐用度。
刀具耐用度的大小表示刀具磨损的快慢,刀具耐用度大,表示刀具磨损慢;
耐用度小,表示刀具磨损快。
另外,刀具耐用度与刀具寿命是两个不同的概念。
刀具寿命是指一把新刀从投入使用到报废为止总的切削时间,刀具的寿命等于刀具耐用度乘以刃磨次数。
断屑槽的槽形有折线型、直线圆弧型和全圆弧型3种。
它们在垂直切削刃的剖面上的形状如图2-27(a)、(b)、(c)所示。
除槽宽尺寸外,其中反屑角也是影响断屑的主要因素,反屑角增大,切屑易断裂,但会使切屑卷曲半径Rch减小,增大卷曲变形和弯曲应用,如图2-27(d)所示。
图2-27断屑槽的形式
(1)刀具材料采用涂层高速钢或硬质合金均可。
(2)Vc=60.288m/min
(3)公称宽度
=5.6577mm公称厚度
=0.35355mm横截面积
=2mm2
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主偏角对刀具耐用度影响很大。
减小主偏角可使刀尖角εr增大,刀尖强度提高,散热条件改善,因而刀具耐用度高。
减小主偏角可降低加工表面残留面积的高度,故可减小加工表面的粗糙度。
主偏角还会影响各切削分力的大小和比例。
如车削外圆时,增大主偏角,可使背向力Fp减小,进给力Ff增大,因而有利于减小工艺系统的弹性变形和震动。
工艺系统刚性较好时,主偏角宜取较小值,如κr
30°
~45°
,例如选用45°
偏刀;
当工艺系统刚性较差或强力切削时,一般取κr
60°
~75°
,例如选用75°
偏刀。
车削细长轴时,取κr
~93°
,以减小背向力Fp。
17
刃倾角主要影响切屑流向和刀尖强度。
刃倾角对切屑流向的影响如图2-16所示。
刃倾角为正值,切削开始时刀尖与工件先接触,切屑流向待加工表面,可避免缠绕和划伤已加工表面,对精加工和半精加工有利,如图2-16(b)所示。
刃倾角为负值时,切削中切屑流向已加工表面,如图2-16(a)所示,容易缠绕和划伤已加工表面。
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(1)背吃刀量ap的选择
(2)进给量f的选择
(3)切削速度νc的选择
因为切削用量3个要素对刀具耐用度T的影响程度各不相同,对刀具耐用度影响最大的是切削速度vc,其次是进给量f,最小的是背吃刀量ap。
由于要保持已确定的刀具耐用度T值,提高其中某一要素时,必须相应地降低另外两个要素。
所谓选择切削用量是选择切削用量三要素的最佳组合,在保持刀具合理耐用度的前提下,使ap、f、vc三者的乘积值最大,以获得最高的生产率。
根据已选定的背吃刀量、进给量,按照一定刀具耐用度下允许的切削速度公式,通过计算最后确定切削速度νc。
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(1)背吃刀量ap方面
切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。
粗加工时应尽量用一次走刀切除全部粗加工余量。
当粗加工余量过大、机床功率不足、工艺系统刚度较低、刀具强度不够、断续切削及切削时冲击震动较大时,可分几次走刀。
切削表面层有硬皮的铸、锻件时,应尽量使背吃刀量大于硬皮层的厚度,以保护刀尖。
半精加工和精加工的加工余量一般较小,可一次走刀切除,即ap等于半精(精)加工余量。
当为保证工件的加工质量时,也可二次走刀。
多次走刀时,应将第一次的背吃刀量取大些,一般为总加工余量的2/3~3/4。
(2)进给量f方面
粗加工时,由于粗加工的工艺目标是尽量高效切出加工余量,对加工后表面质量没有太高的要求,这时在工艺系统的强度、刚度允许的情况下,可选用较大的进给量,可根据工件材料、刀杆尺寸、工件直径和已确定的背吃刀量查阅相关手册确定。
半精加工和精加工时,由于半精、精加工的工艺目标是确保加工表面质量(主要是表面粗糙度),进给量应取较小值,通常按照工件的表面粗糙度值要求,可根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度等条件查阅切削用量等相关手册来选择进给量。
(3)切削速度νc方面
粗加工时,背吃刀量和进给量都较大,切削速度受刀具耐用度和机床功率的限制,一般较低。
精加工时,背吃刀量和进给量都取得较小,切削速度主要受加工质量和刀具耐用度影响,一般较高。
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常用的切削液分为3大类:
水溶液、乳化液和切削油。
(1)粗加工时切削液的选择。
因为粗加工所用的加工余量、切削用量较大,所以产生大量的切削热。
在采用高速钢刀具切削时,由于高速钢刀具耐热性较差,需要采用切削液,这时使用切削液的主要目的是降温冷却,减少刀具磨损,因此应采用3%~5%的乳化液;
硬质合金刀具由于耐热性较高,一般不用切削液,若要使用切削液,则必须连续、充分地浇注,以免处在高温状态的硬质合金刀片产生巨大的内应力而出现裂纹。
(2)精加工时切削液的选择。
精加工要求表面粗糙度值较小,一般应采用润滑性能较好的切削液,如高浓度的乳化液或含极压添加剂的切削油。
采用高速钢刀具精加工时可用15%~20%的乳化液,以降低刀具磨损,改善加工表面质量。
(3)根据工件材料的性质选用切削液。
切削塑性材料时需用切削液。
切削铸铁等脆性材料时,一般不加切削液,以免崩碎状切屑黏附在机床的运动部件上。
切削铜合金和有色金属时,一般不得使用含硫化添加剂的切削液,以免腐蚀工件表面。
切削铝、镁及其合金时,不得使用水溶液或水溶性乳化液。
在贵重精密机床上加工工件时,不得使用水溶性切削液及含硫、氯添加剂的切削油。
磨削的特点是温度高,会产生大量的细屑和砂粒,因此磨削液应有较好的冷却性和清洗性,并应有一定的润滑性和防锈性。
第三章金属切削基础知识与刀具
按机床工艺规程的要求,保证工件获得相对于机床和刀具的正确位置,并通过夹紧工件保证在加工过程中始终保持工件位置正确的工艺装备,称为机床夹具。
简单地说用来装夹工件(和引导刀具)的装置称为机床夹具,简称夹具。
夹具主要起定位夹紧作用。
定位是“确定工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程”;
夹紧是“工件定位后将其固定,使其在加工过程中保持定位位置不变的操作”。
(1)定位元件
用于确定工件在夹具中的位置使工件在加工时相对刀具及运动轨迹有一个正确的位置。
(2)夹紧装置
用于保持工件在夹具中的既定位置,使它不致因加工时受到外力的作用而改变原定的位置。
(3)对刀元件
用来确定夹具相对于刀具的位置。
(4)夹具体
用于连接夹具上各个元件或装置,使之成为一个整体的基础件。
夹具体也用来与机床有关部位相连接。
(5)其他元件和装置
根据需要,夹具上还可以有其他组成部分,如分度装置等。
定位,就是限制自由度。
用合理设置的6个支承点,限制工件的6个自由度,使工件在夹具中的位置完全确定,这就是工件定位的“六点定位原理”。
有些自由度对加工要求有影响,有些自由度对加工要求无影响,这种定位情况称为不完全定位。
不完全定位在对加工要求无影响的情况下是允许的。
过定位会导致重复限制同一个自由度的定位支承点之间产生干涉现象,从而导致定位不稳定,破坏定位精度。
是不允许的。
但实际生产应用中,过定位并不是必须完全避免的。
有时因为要加强工件刚性或者特殊原因,必须使用相当于比6个支承点多的定位元件。
夹紧是“工件定位后将其固定,使其在加工过程中保持定位位置不变的操作”,它与定位位置无关,是保证位置不变。
属于固定支承的定位元件有支承钉和支承板,如果工件平面较小,则定位元件应采用支承钉。
支承钉分为A型、B型和C型3种。
工件定位基准面是毛坯表面时(粗基准),因工件表面不平整,应采用布置较远的3个球头支承钉(B型支承钉),使其与毛坯面接触良好;
而C型支承钉为齿纹头,用于粗基准的侧面定位,能增大摩擦系数,防止工件受力滑动。
工件以加工过的平面(精基准)作定位基准时,应该采用平头支承钉(书中图3-33中的A型)。
如果工件平面较大,则定位元件可采用支承板,如书中图3-34所示。
支承板分A型和B型两种,一般用2~3个螺钉紧固在夹具体上。
A型支承板的结构简单,制造方便,但板上螺钉孔的边缘容易粘切屑,且不易清除干净,适用于工件的侧面和顶面定位;
B型结构易于保证工作表面清洁,适用于工件底面定位。
采用支承钉或支承板做定位基准时,必须保证其装配后定位基准表面等高。
一般采用将支承钉、支承板装配于夹具
自位支承是指支承本身的位置在定位过程中,能自适应工件定位基准面位置变化的一类支承,如图3-38所示。
图3-38(a)、(b)所示为两点式自位支承,图3-38(c)所示为三点接触,这类支承的工作特点是:
浮动支承点的位置能随着工件定位基准位置的不同而自动浮动。
当基准面不平时,压下其中一点,其余点即上升,直至全部接触为止,故其作用仍相当于一个固定支承,只限制一个自由度,未发生过定位。
由于增加了接触点数,故可提高工件的安装刚性和稳定性,多用于工件刚性不足的毛坯表面或不连续的平面的定位。
图3-38自位支承
可调支承是指高度可以调整的支承,如图3-35所示。
当夹具支承的高度要求能够调整时,可采用可调支承。
可调支承常用于铸件毛坯、以粗基准定位的场合。
在生产中,有时为了提
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