车削加工的过程及应用毕业设计论文 - 图文

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车削加工的过程及应用

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题目车削加工的过程及应用

车削加工的过程及应用

毕业设计（论文）任务书

学生姓名专业班级机加工的过程及应用设计（论文）题目任务从年月日开始至年月日结束批准日期接受任务日期指导教师年月答辩委员会主任（签名）日完成任务日期指导教师单位设计内容目标 1、通过查阅相关资料对车削加工进行简述 2、着重对车削过程中力，与角度的影响进行分析 3、阐述切削要素对切削工艺的影响以便采用适当的切削参数 4、对车削设备进行简要介绍设计要求通过此次毕业设计，巩固所学的理论知识和技能，提高学生的设计计算、制图、编写技术文件的能力，学会正确使用技术资料、手册等工具书，并在设计中培养学生理论联系实际、严肃认真的工作作风和独立工作能力。为以后毕业从事技术工作奠定良好基础。 2

车削加工的过程及应用

参考资料 [1] 王欣.机械制造基础.北京：化学工业出版社，2010. [2]刘烈元刘兆祥.机械加工工艺基础.北京：高等教育出版社，2007. [3]冯鹤敏陈彩凤.机械工程基础.北京：化学工业出版社，2011. [4]戴裕崴.数控机床电器控制.大连：大连理工大学出版社，2013. 毕业设计（论文）成绩表学生姓名专业班级设计（论文）题目车削加工的过程及应用指导教师评语：论文选题符合专业培养目标，能够达到综合训练目标，题目有一定难度，工作量一般。选题具有一定的学术研究价值和实践指导意义。该生查阅文献资料能力一般，能收集关于论文的资料，写作过程中基本能综合运用专业知识，全面分析论文所涉及的有关问题，综合运用知识能力一般。该生在论文创作过程中，能比较积极主动地完成指导老师分配的各项任务，认真对待指导老师提出的建议和意见。文章篇幅完全符合学院规定，格式完全符合规范要求。内容基本完整，层次结构基本合理。主要观点基本正确，但缺乏个人见解。文题基本相符，论点比较突出，论述能较好地服务于论点。语言表达一般，逻辑关系比较清楚。成绩指导教师（签名）评阅教师评语：该论文篇幅完全符合学院规定，格式完全符合规范要求，内容基本完整，结构基本合理。主要观点突出，逻辑关系清楚，语言表达一般。文题基本相符，论点基本正确，论据比较充分，论述基本围绕主题，但缺乏人见解。论文选题符合专业培养目标，能够达到综合训练目标，题目有一定难度，工作量一般。选题具有一定的学术研究价值和实践指导意义。该生查阅文献资料能力一般，能全面分析论文所涉及的有关问题，综合运用知识能力一般。成绩评阅教师（签名） 3

车削加工的过程及应用

答辩评语：成绩：答辩委员会主任（签名）毕业设计（论文）总分成人教育学院院长：（签名）

年月日成绩

1.车削加工的定义................................................ 5 2.车削加工的构成................................................ 6

2.1车削运动的构成 .......................................... 6 2.2车削过程中的切削用量及切削层参数 ........................ 6

2.2.1切削速度 .......................................... 7 2.2.2进给量 ............................................ 7 2.2.3背吃刀量 .......................................... 7 2.2.4切削层参数 ........................................ 8 2.3车削过程中工件表面的变化 ................................ 8 2.4切屑的形成及种类 ........................................ 8

2.4.1切屑的形成过程 .................................... 8 2.4.2切削的种类 ........................................ 9 2.4.3.................................................. 10 2.5车削过程中的切削力与切削功率 ........................... 11

2.5.1切削力的来源与分解 ............................... 11 2.5.2切削力的估算 ..................................... 13 2.4.3切削功率Pm ....................................... 13

3切削刀具 ..................................................... 14

车削加工的过程及应用

3.1刀具的材料 ............................................. 14 3.1.1常用刀具材料 ..................................... 14 3.2刀具角度 ............................................... 15

3.2.2车刀主要角度加工中的作用 ......................... 15 3.2.3车刀的工作角度 ................................... 17

4.车削加工的应用及其经济性原则................................. 18

4.1车削加工的应用及其特点 ................................. 18 4.2车削加工工艺的经济性 ................................... 18 5.车削加工设备简介............................................. 19

5.1机床的组成 ............................................. 19 5.2机床的传动 ............................................. 19 5.3机床的导向 ............................................. 20 5.4数控车床的简介 ......................................... 20 6.结论......................................................... 20

车削加工的过程及应用

摘要：

本文通过对车削加工过程中的力，与运动进行了详细阐述并解释了其对车削经济性及生产工艺成本的影响。通过不同因素的不同影响方向阐述了，车削经济性的基本原则，并对车削设备进行了简要的说明。

关键词：车刀、车削运动、车削力、车削经济性

随着现代制造技术的迅速发展，机械加工方式层出不穷，但是使刀具与工件坯料处于一定的相对位置并发生相对运动的切削加工方式，仍然是主要的机械加工方式。金属切削加工的方式很多，常用的有车削、铣削、刨削、镗削、磨削、钻削等。本文将对车削加工的原理、工艺以及应用范围进行尝试性探讨。

1.车削加工的定义

车削加工是指用车刀在车床上使刀具与工件产生相对运动，从而获得所需要的零件尺寸形状及粗糙度要求的一种切削加工。

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2.车削加工的构成

机械零件形状很多，但主要由外圆面、内圆（孔）面、平面和成形面等基本表面组成。如外圆面和孔是以一直线为母线，以圆为轨迹作旋转运动而形成的。根据母线与圆心轴线的不同相对位置又可形成圆柱面、圆锥面和段平面等。平面则是以一直线为母线，以另一直线作为轨迹作平移运动所形成的。

这些母线和运动轨迹，都是通过刀具与工件之间的相对运动（即切削运动）来实现的。

2.1车削运动的构成

根据在切削过程中的作用不同，切削运动可分为主运动和进给运动。

主运动：主要完成切削的运动，通常他的速度最高，消耗功率最大。在一种加工方式中主运动只有一个（图2-1）。进给运动:使切削运动连续进行的运动，进给运动可有一个或一个以上（图2-1）。

图2-1 车削运动和工件上的表面

当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动。

2.2车削过程中的切削用量及切削层参数

切削用量是衡量切削加工时切削运动大小及工件与刀具相对位置的量。它通常包括切削速度、进给量和背吃刀量三要素。之所以称为三要素，是因为在切削加工中，这三者缺一不可，对切削过程有重要影响。

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2.2.1切削速度

切削刃上选定点相对于工件上的主运动的瞬时速度，以Vc表示。

当主运动为旋转运动时，切削速度定义为其最大线速度，按下式计算：

式中：d——工件或刀具的直径，mm； n——工件或刀具的转速，r/s或r/min；的单位为m/s或m/min。 2.2.2进给量

刀具在进给方向上相对工件的单位位移量。车削加工中用刀具或工件每转或每行程的位移量来度量，以f表示单位为mm/r或mm/st。

f、vf之间的关系如下：

vf=fn （2-2）

式中：n——工件的转速，r/s或r/min。 vf的单位为mm/s或mm/min。

2.2.3背吃刀量

在通过切削刃上选定点并垂直该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向测量的尺寸，以ap表示，单位为mm. 车外圆时，ap的计算式如下：

ap=

（2-3）

式中：dw——工件待加工表面直径，mm； dm——工件已加工表面直径，mm。 ap的单位为mm。

车削加工的过程及应用图2-2 车削时切屑层参数

2.2.4切削层参数

切削层是切削过程中，刀具切削部分正在切除的工件材料层，通常在前述切削层尺寸平面中测量。它决定了切屑的尺寸和刀具切削部分的载荷等其它参数。

（1）切削层公称横截面积AD在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位为mm2。

（2）切削层公称宽度bD在给定瞬间，沿主切削刃测量的切削层尺寸，单位为mm。

（3）切削层公称厚度hD在同一瞬间，垂直于过渡表面度量的切削层尺寸，单位为mm。

由定义可知

（2-4）

在车削时，当残留面积很小时可以认为

（2-5）

2.3车削过程中工件表面的变化

车削加工过程中在切削运动的作用下，工件表面上一层金属不断的被切下来变为切削，从而加工出所需要的新的表面，在新表面形成的过程中，工件上有三个依次变化着的表面，他们分别是待加工表面（过渡表面）、切削表面和已加工表面（图2-2）。

待加工表面：即将被切去的金属层表面。切削表面：切削刃正在切削而形成的表面，切削表面又称加工表面或过渡表面。

已加工表面:已经切去多余金属层而形成的新表面。

2.4切屑的形成及种类

2.4.1切屑的形成过程

金属切削过程实际上是一种挤压过程，在刀具的挤压作用下，塑性材料（如优质碳素钢、碳素结构钢等）的被切削层金属已经过弹性变形——塑性剪切滑移（脆性材料无此阶段如铸铁件）——挤裂而形成切屑，同时切屑和工件已加工表面分别与刀具的前、后刀面发生挤压和摩擦，继续产生塑性变形。在金属切削研究中，将以上变形以及由此产生的物理现象，归纳到切削刃附近的三个变形区（图

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2-3）来分析讨论。塑性材料的剪切滑移变形主要发生在第Ⅰ变形区内。金属材料的变形程度、切削力、切削热的大小和切削形态等，主要决定于该区的状况。在切削速度较大时，该区就逐渐变窄成一个面（图中OM面），通常OM面的位置就反映了金属变形程度。

刀具前刀面的磨损和积屑瘤现象就发生在第Ⅱ变形区内。刀具后刀面的磨损以及已加工表面的质量（包括加工硬化、表面纤维化等），均发生在第Ⅲ变形区内。

图2-3 三个变形区的示意图

2.4.2切削的种类

工件材料的塑性不同、刀具的前角不同或采用不同的切削用量等，会形成不同类型的切屑，同时也反映了对切削加工的不同影响。常见的切屑种类有以下几种

(1)带状切屑

其特征是切削连绵不断，底部很光滑。通常用大前角、较高的切削速度、较小的切削厚度切削塑性材料时易得到。这时切削力稳定，加工表面较光洁，但切屑易缠绕工件，即不安全又会刮伤已加工表面。精加工时出现这种切屑较为理想，但必须采取断屑措施。

(2)挤裂切屑

挤裂切屑又称节状切屑，切屑的背部呈锯齿形，底面有时出现裂纹，这时表明材料的剪切滑移量较大，使切削材料局部地方加工硬化严重，达到了断裂强度。在用较低的切削速度、较大的切削厚度或刀具前角较小时，加工较硬的塑性金属材料时容易产生。此时切削力波动较大，已加工表面粗糙度值大，粗加工时才允许出现。

(3)崩碎切屑

切屑为不规则的碎块状，这时工件已加工表面凹凸不平。在切削铸铁黄铜等脆性材料时会产生。工件材料越是硬脆、刀具前角越小、切削厚度越大时，崩碎

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现象越严重。此时刀尖也越容易磨损，以加工表面质量也越差。

切屑的形状可以随切削条件的改变而变化，在生产中可通过采取不同措施来得到理想的切削，以保证切削加工的顺利进行。

图2-4切削的种类

2.4.3积削瘤

在一定条件下切削塑性金属时，常发生刀具前刀面靠近切削刃的部位，粘附着一小块很硬的金属，这就是积屑瘤或称刀瘤（图2-5）。

图2-5积屑瘤

2.4.3.1积屑瘤的形成

切屑与刀具在第Ⅱ变形区发生强烈的挤压和摩擦，切屑底面金属的流动速度变慢而形成“滞流层”，在适当的温度和压力作用下，前刀面对滞流层的摩擦力和粘接力超过切屑材料的内部分子结合力时，部分滞流层金属会粘接在刀刃附

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近，形成积屑瘤。

积屑瘤是不稳定的，它不断的产生、长大和破裂，或被切屑带走，或嵌附在工件表面上。

2.4.3.2积屑瘤对切削加工的影响

积屑瘤的硬度比工件材料高，能代替切削刃进行切削，保护刀刃以减少磨损；此外积屑瘤增大了刀具实际工作前角，使切削轻快，所以粗加工时可以利用积屑瘤。

但是，积屑瘤的顶端伸出刀刃之外，且不断的产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响工件尺寸精度。而切削力的变化又会引起振动，加上一些积屑瘤碎片会粘附在已加工表面上，增加工件表面粗糙度值。因此，精加工时应当避免积屑瘤产生。

2.4.3.3积屑瘤的控制

首先可控制切削速度，因为切削速度与摩擦系数、切削温度关系密切，从而影响积屑瘤的产生和大小。试验证明当切削速度很低（v<5m/min）时，以及切削速度很高（v>100m/min）时，都不会产生积屑瘤。因此，精车一般采用高速切削，而精车丝杆采用低速加工以避免积屑瘤的影响。

此外，降低工件材料的塑性（如低碳钢、不锈钢等正火后切削），增大刀具前角和选用适当的切削液等，都是有效地减少或避免积屑瘤的重要措施。

2.5车削过程中的切削力与切削功率

2.5.1切削力的来源与分解

刀具切削工件时，必须首先克服材料的变形抗力，主要是第Ⅰ变形区的剪切滑移抗力，加上第Ⅱ、第Ⅲ变形区的摩擦阻力，这些力的合力就构成了作用在刀具上的总切削力F。

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实际加工中，总切削力的方向和大小的测定既不容易也没有必要。为了适应设计和工艺分析的需要，又便于测定，通常将总切削力分解为三个相互垂直的里（图2-6）

图2-6 车外圆时的切削合力与分力

2.5.1.1主切削力Fc

F在主运动方向上的分力（又称切向力），垂直于基面，其大小约占F的80%~90%。其消耗的功率约占总功率的90%以上。它是计算机床动力、刀具和夹具强度与刚度的主要依据，也是选择刀具角度和切削用量的依据。若Fc过大时，往往会使刀具损坏或使机床发生“闷车”现象。

2.5.1.2进给力Ff

F在进给运动方向上的分力（又称走刀抗力，轴向力），作用在基面内，它消耗的功率只占总功率的1%~5%。它是设计和校验进给机构强度的依据。

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2.5.1.3背向力FP

F在垂直进给方向上的分力（又称吃刀抗力、径向力），作用在基面内，它不消耗功率。但它一般作用在机床、工作刚度较弱的方向上，易使刀架位移和工件变形，且易引起振动，影响工件的加工精度。当工件刚度较小（如车细长轴）时，应当设法减小或消除Fp的影响。常使主偏角kr=90°，就是为了消除背向力的影响。

2.5.2切削力的估算

切削力的大小是由很多因素决定的，有工件材料、刀具角度、切削用量、刀具材料和切削液等。一般影响较大的是工件材料和切削用量。

目前由于切削力的理论计算公式较繁琐，又精度不高，所以用实验测量方法总结的经验公式得到广泛的应用。经验公式的形式主要有指数和单位切削力两种形式。

2.5.2.1指数公式

车外圆时，计算主切削力Fc的指数公式如下：

（2-6）

式中：

——与工件材料、刀具材料及切削条件等有关的系数；

ap、f、vc——切削三要素，单位分别为mm、mm/r、m/min；、——指数；

——切削条件不同时的综合修正系数。 Fc的单位为N。

同样，进给力Ff、背向力Fp也采用相同形式的指数公式模型。 2.5.2.2单位切削力公式

生产中，还常用切削层单位面积切削力Kc来估算切削力Fc的大小。如下式：

（2-7）

式中：——切削层单位面积切削力，Mpa；

——切削层参数，单位分别是mm2、mm、mm。

的数值可查询相关手册。 2.4.3切削功率Pm

Pm是指切削过程的总功率，但背向力Fp不消耗功率，进给力Ff消耗的功率很小，一般可忽略不计。因此，Pm计算公式如下：

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PmPc=10-3 vc （2-8）

式中：Fc——主切削力，N； vc——切削速度，m/s。 Pm的单位为kW

3切削刀具

切削过程中，刀具是直接完成切削工作的，一般刀具都由切削部分和夹持部分组成。夹持部分是用来将刀具夹持在机床上，传递所需的运动和动力，保证刀具有正确的工作位置，并夹固可靠，装卸方便。切削部分是直接参与切削的，它的材料、几何角度与结构决定了刀具切削性能的优劣。

3.1刀具的材料

刀具材料是指切削部分的材料，切削时它在高温、高压、高摩擦以及冲击和振动的条件下工作，因此它必须具有以下性能。

（1）高硬度

刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般其常温硬度要求在62HRC以上。

（2）足够的强度和韧性足够的强度和韧性以承受很大的切削力、冲击与振动。（3）高耐磨性

高耐磨性以抵抗切削过程中的剧烈磨损，保持刀刃锋利。一般情况下材料的硬度越高，耐磨性越好。

（4）高的耐热性

高的耐热性刀具材料应在高温下仍能保持较高硬度，又称为红硬性或热硬性。耐热性是衡量刀具材料性能的主要指标，他基本上决定了刀具允许的切削速度。

（5）良好的工艺性良好的工艺性以便于刀具制造，具体包括锻造、轧制、焊接、切削加工、磨削加工和热处理性能等。

3.1.1常用刀具材料

目前常用的刀具材料种类有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金与陶瓷材料等。

硬质合金与高速钢相比其硬度、耐磨性和耐热性（900~1000℃）均比高速钢

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高的多，因此允许的切削速度可提高数倍，但其强度、韧性低，工艺性差，价格也高。硬质合金常制成各种形式的刀片，用焊接或机械夹固的方式制成车刀使用。

陶瓷刀具因其具有突出的优良性能，目前不但应用在难加工材料的加工中而且已扩大到普通铸铁和钢件的加工；也可加工某些非铁金属（银、纯铜等，不宜加工铝系金属）和非金属材料。

3.2刀具角度

3.2.1车刀切削部分的组成

外圆车刀由三个刀面、两条切削刃和一个刀尖组成。（1）前刀面：刀具上切屑流过的表面（A?）。

（2）后刀面：刀具上，与工件切削中产生的表面。与过渡表面相对的是主后刀面（Aα）。与已加工表面相对的是副后刀面（A'α）。

（3）切削刃：前刀面与主后刀面相交形成的交线称为主切削刃（S），它完成主要的切削工作。前刀面与副后刀面相交形成的是副切削刃（S'），它完成部分的切削工作，并最终形成已加工表面。

（4）刀尖：主副切削刃的连接部分。为了增强刀尖，实际刀具的刀尖多磨出圆弧或直线过渡刃，分别称为修圆刀尖和倒角刀尖。

图3-1 外圆车刀

3.2.2车刀主要角度加工中的作用

（1）前角?0 前刀面与基面之间的夹角。

增大前角，使主切削刃锋利，减小切削力和切削刃。但前角过大，刀刃很脆弱，易产生崩刃。生产中应根据工件材料、刀具材料和加工要求合理选择前角的数值。当工件材料塑性大、强度和硬度低、刀具材料的强度和韧性好或精加工时，

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取较大的前角；反之取较小前角。前角有正与负的区分（图3-3）。

图3-2 车刀的主要角度图3-3 前角的正与负

（2）后角α0 主后刀面与切削平面之间的夹角。

后角的主要作用是减少刀具后刀面与工件表面间的摩擦和后刀面的磨损，并配合前角影响切削刃的锋利和强度。后角大，切削刃锋利，但过大，切削刃脆弱，散热差，刀具易磨损。通常粗加工、工件材料较硬或承受冲击载荷的刀具，后角α0取较小值（6°~8°）。反之α0取较大值（8°~12°）。

（3）主偏角kr 主切削刃和假定进给方向在基面Pr上投影的夹角。主偏角的大小影响切削断面形状和切削分力的大小。当背吃刀量和进给量一定时，减小主偏角，将得到薄而宽的切屑。由于主切削刃单位长度上的负荷减小，且改善了散热条件，使刀具磨损减小。但减小主偏角时，切削背向力Fp增大，若加工刚度较差的工件，易引起工件变形，并可能产生振动。有时主偏角也根据工件加工形状来定。

（4）副偏角k'r 副切削刃和假定进给的相反方向在基面Pr上投影的夹角。副偏角的主要作用是减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，减少刀具磨损和防止切削时产生振动。减小副偏角，可减少切削残留面积，降低已加工面的粗糙度值（图3-4）。一般车刀副偏角取5°~15°，精加工时取最小值，必要时可

磨出k'r=0°的一段修光刃，其长度为进给量f的1.2~1.5倍。

图3-4 副偏角对残留面积的影响

（5）刃倾角λs 在主切削平面Ps里测量的主切削刃与基面间的夹角。

λs=0时称为直角切削，λs0时称为斜角切削。刃倾角主要影响刀头的强度、切削分力和排屑方向。刃倾角取负可起到增强刀头的作用，但也会使背向力Fp增大，可能引起振动，而且还会使切削排向已加工表面，易划伤已加工表面。粗加工与断续切削时取负值，精加工时取正值或零度。

选择刀具时在保证一定强度的强度时应使刀具尽量锋利。刀具的角度选择宜采用大的前角、刃倾角和主偏角，小的后角。

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3.2.3车刀的工作角度

车刀的工作角度是在工作参考系中定义的，在实际生产过程中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，使刀具的实际切削角度不同于其在静止参考系中的角度。假定进给运动较慢，其对合成运动的影响较小，则此时合成运动与假定主运动方向重合；同时刀具安装正确，即车刀刀尖与工件回转轴线等高，刀柄纵向轴线垂直于进给方向和刀柄面水平安装等，这时车刀的工作角度近似于标注角度。

（1）刀尖安装高低的影响

车外圆时若刀尖高于工件的回转轴线，则工作前角?0e0，工作后角α0eα0；若刀尖低时则相反。

图3-5 车刀安装高低对前角和后角的影响

（2）刀杆中心线安装偏斜的影响当刀杆中心线与进给方向不垂直时，工作主偏角kre和工作副偏角k're将发生变化。

图3-6 车刀安装偏斜对主偏角和副偏角的影响

（3）进给运动对工作角度的影响以切断刀或车端面为例，当存在较大的横向进给运动时，刀尖的运动轨迹为阿基米德螺旋线，这时实际的切削平面和基面都发生了变化，从而形成了与标注角度不同的工作前角和后角。

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图3-7 横向进给对前角和后角的影响

4.车削加工的应用及其经济性原则

4.1车削加工的应用及其特点

任何复杂零件结构都可由构图要素点、线、面构成。点做直线运动构成线，线绕点运动构成面面绕一点或线运动构成体。车削加工在实际生产中应用广泛，最常见的是回转体的加工如外圆柱面、球面、锥面的加工。平面的加工，采用车床对有转动圆度有一定要求的端面进行端平面加工。内圆孔的加工，普通内圆孔、阶梯孔的车镗加工。成形加工，螺纹线的加工、滚花加工等。

车削加工具有以下特点：

（1）切削过程比较平稳，除断续切削外，车削一般是连续进行的，无冲击，切削力变化小，允许采用较大的切削用量，如高速切削和强力切削（ap较大），以提高生产率。

（2）刀具简单，车刀是各种刀具中最简单的一种，其制造、刃磨和安装都很方便，选用合理的切削角度较为灵活，刀具成本也低。

（3）易于保证工件各加工面的位置精度。在一次安装中可同时加工其它外圆面、内孔、端面和切槽等，可以保证这些表面之间的位置精度，如同轴度、垂直度等。

（4）适应加工各种材料，如钢料、铸铁和非金属材料（有机玻璃、橡胶、胶木等），尤其是适应加工不宜磨削的有色金属零件的精细切削。

4.2车削加工工艺的经济性

优质、高产、低成本是生产企业追求产品市场占有率的最基本要求。生产率是指单位时间内制造出合格产品的数量，或生产一个产品所花费的工人劳动时间。单位时间由基本工艺时间（即生产一个零件所需的切削总时间）、辅助时间和其他与生产无直接关系的时间构成。

在车削加工中基本工艺时间可参考下列公式进行计算。

式中：L——车刀行程长度，mm；

i——切去加工余量所需的走刀次数，h/ap数值取整数； h——外圆面加工余量的一半，mm； n——主轴转速，r/min； f——进给量，mm/r；

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ap——背吃刀量，mm。