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对零件进行机械制造工艺规划时，必须熟悉零件的成形原理，绪论中已经对零件成形进行了归纳总结说明。本节主要介绍减材制造（ Δ m <0）中基于力学加工原理的加工方法，包括切（磨）削加工，这是最为传统的金属切削工艺，也是进行零件工艺规划、规程设计的基础。
切（磨）削加工属于减材制造范畴，其基本原理是通过工件和刀具的相互作用，由刀具从待加工的工件上切除多余的材料，并在控制生产率和成本的前提下，使工件得到符合设计要求的精度和表面质量。
金属切削加工是利用刀具切去工件上多余的金属层（加工余量），以获得一定质量的加工方法。刀具的切削作用是通过刀具和工件之间的相互作用和相对运动来实现的。刀具与工件间的相对运动称为切削运动，即表面成形运动。切削运动可分解为主运动和进给运动。
主运动是切下切屑所需的最基本运动。在切削运动中，主运动的速度最高，消耗的功率最大。主运动只有一个，如车削时工件的旋转运动、铣削时铣刀的旋转运动。
进给运动是多余材料不断被投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。进给运动可以有一个或几个。例如，车削时车刀的纵向和横向运动，磨削外圆时工件的旋转和工作台带动工件的纵向移动。
每种加工方法中，主运动只有一个，进给运动可能是一个也可能是多个。
在切削过程中，工件上通常存在着3个不断变化的表面，如图1.1所示。
已加工表面：工件上已切去切屑的表面。
待加工表面：工件上即将被切去切屑的表面。
加工表面（过渡表面）：工件上正在被切削的表面。
切削要素包括切削用量和切削层的几何参数。
切削用量是切削时各参数的合称，包括切削速度、进给量和切削深度（背吃刀量）3个要素，它们是设计机床运动的依据。
单位时间内，刀具和工件在主运动方向上的相对位移，单位为m /s。
若主运动为旋转运动，则计算公式为
式中 d w ——工件待加工表面或刀具的最大直径，mm；
n ——工件或刀具每分钟转数，r/ min。
若主运动为往复直线运动（如刨削），则常用其平均速度 v 作为切削速度，即
式中 L ——往复直线运动的行程长度，mm；
n r ——主运动每分钟的往复次数，次/ min。
在主运动每转一转或每一行程时（或单位时间内），刀具和工件之间在进给运动方向上的相对位移，单位为mm/r（用于车削、镗削等）或mm/行程（用于刨削、磨削等）。进给量还可以用进给速度
v
f
（单位为mm/s）或每齿进给量
（用于铣刀、铰刀等多刃刀具，单位为mm /齿）表示。
一般情况下
式中 n ——主运动的转速，r/s；
z ——刀具齿数。
待加工表面与已加工表面之间的垂直距离（mm）。车削外圆时为
式中 d w 、 d m ——待加工表面和已加工表面的直径，mm。
图1.1 切削运动车削表面
图1.2 切削用量与切削层参数
切削层是指工件上正被切削刃切削的一层金属，亦即相邻两个加工表面之间的一层金属。如图1.2所示的车削外圆中，切削层是指工件每转一转，刀具从工件上切下的那一层金属。
沿主切削刃方向度量的切削层尺寸（mm）。车外圆时，有
两相邻加工表面的垂直距离
切削层垂直于切削速度截面内的面积（mm 2 ）。车外圆时，有
如图1.3所示，车削方法的特点是工件旋转，形成主切削运动，因此车削加工后成形面主要为回转表面，也可加工工件的端面。通过调整刀具相对于工件的不同的进给运动，可以获得不同形状的工件。当刀具沿平行于工件旋转轴线运动时，就形成内、外圆柱面；当刀具沿与轴线相交的斜线运动时，就形成锥面。仿形车床或数控车床，可以控制刀具沿着一条曲线进给，从而形成特定的旋转曲面。采用成形车刀横向进给时，也可加工出旋转曲面来。因此，车削加工可以加工螺纹面、端平面及偏心轴等。车削加工精度可达IT8~IT7，表面粗糙度 Ra 值为5~1.25μm。车削的生产率较高，切削过程比较平稳，刀具较简单，是优先考虑的工艺方法。
图1.3 车削的典型工序
铣削的主切削运动是刀具的旋转运动，工件通过装夹在机床的工作台上完成进给运动。
铣削刀具较复杂，一般为多刃刀具。如图1.4所示，为各种类型的铣刀。图1.4（a）为圆柱铣刀，切削刃在外圆柱面上，用于卧式铣床上加工平面。图1.4（b）为端铣刀，轴线垂直于被加工面，主切削刃分布在外圆柱（或圆锥）面上，端部有副切削刃，用于加工与轴线垂直的平面，加工效率较高。图1.4（c）~（f）统称为盘形铣刀，图1.4（c）为槽铣刀，一般用于加工浅槽，图1.4（d）为两面刃铣刀，用于加工台阶面，图1.4（e）、（f）为三面刃铣刀，用于加工切槽和台阶面。图1.4（g）为立铣刀，铣刀外圆柱面上有主切削刃，端部有副切削刃，可用于加工平面、台阶、槽和相互垂直的平面。图1.4（h）为键槽铣刀，圆柱面一般为2~3个刃瓣，端刃为完整刃口，既像立铣刀又像钻头，用于铣键槽时，先沿铣刀轴向进给钻孔，然后沿键槽长度方向铣出键槽全长。图1.4（i）为单角度铣刀，图1.4（j）为双角度铣刀，角度铣刀用于铣削沟槽和斜面。图1.4（k）为成形铣刀，刀齿廓形根据工件加工表面确定，用于加工成形表面。
图1.4 铣刀的类型
提高铣刀的转速可以获得较高的切削速度，从而提高生产率。但由于铣刀刀齿的切入、切出会形成冲击，切削过程容易产生振动，在一定程度上限制了表面质量的提升。这种冲击也加剧了刀具的磨损和破损，容易导致刀片的碎裂。
圆柱铣刀铣削时，根据铣刀的旋转方向和工件进给方向的关系，分为逆铣和顺铣，如图1.5所示。
如图1.5（a）所示，铣刀在切入工件处的切削速度 v c 与工件的进给速度 v f 的方向相反时，称为逆铣。在逆铣时，刀齿切下的切屑层由薄变厚。开始时，刀齿不能切入工件，而是一面挤压工件表面，一面在其上滑行。这样会导致刀齿磨损、加工表面产生冷硬现象并增加了表面粗糙度值，因此逆铣适合粗加工。逆铣时铣刀作用工件垂直方向的分力向上，有抬起工件的趋势，影响了工件装夹的稳定性。但是，逆铣时刀齿是从工件内部切入（从工件表层切出），因此工件表层的硬化层对刀齿影响很小。铣床工作台的进给一般是通过丝杠螺母结构中的丝杠转动而带动螺母移动的。进给时，铣刀对工件的水平分力作用在螺母上，与进给方向相反，使丝杠工作面压紧在为螺母提供进给力的工作侧面上，丝杠和螺母的两工作面始终保持良好的接触，进给速度比较均匀。
如图1.5（b）所示，铣刀在切削工件处的切削速度 v c 与工件的进给速度 v f 的方向相同时，称为顺铣。顺铣时，刀齿的切削厚度由厚变薄，有利于提高加工表面质量，并易于切下切削层，同时减少刀齿的磨损量。与逆铣相比，顺铣可提高刀具耐用度2~3倍，尤其在铣削难加工材料时，效果更明显。顺铣时，刀齿对工件垂直方向的分力是朝下压下工作台的，避免了上下振动，加工较平稳。刀齿对工件水平方向的分力与工件的进给方向相同，若丝杠和螺母之间有间隙，铣刀会带动工件及螺母在间隙行程内窜动，使得进给速度不均匀。因此，采用顺铣时，必须要求丝杠螺母结构有消除间隙的措施。
图1.5 逆铣和顺铣
一般情况下，逆铣较顺铣更常用。在精铣时，为提高表面质量，最好采用顺铣。此外，顺铣还可以提高刀具耐用度，节省机床动力消耗。工件表层若没有硬化层，如薄壁件、塑料、尼龙等，可以使用顺铣，反之使用逆铣。
铣削的加工精度一般可达IT8~IT6，表面粗糙度 Ra 值为5~0.63μm。普通铣削一般能加工平面或槽面等，用成形铣刀也可以加工出特定的曲面等，如铣削齿轮等。数控铣床可通过数控系统控制几个轴按一定关系联动，铣出复杂曲面来，这时刀具一般采用球头铣刀。数控铣床在加工模具的模芯和型腔、叶轮机械的叶片等形状复杂的工件时，应用非常广泛，因而相应的多轴联动数控铣床发展也较快。
刨削时，刀具的往复直线运动为切削主运动，如图1.6所示。刨削速度不高，生产率较低。刨削比铣削平稳，其加工精度一般可达IT8~IT6，表面粗糙度 Ra 值为5~0.63μm。牛头刨床一般只用于单件生产，加工中小型工件；龙门刨床主要用来加工大型工件，加工精度和生产率都高于牛头刨床。
图1.6 刨削加工
插床实际上可以看作立式的牛头刨床，主要用来加工内表面的键槽等。
在钻床上，用旋转的钻头钻削孔，是孔加工最常用的方法。钻头的旋转运动为主切削运动，钻头的轴向运动是进给运动，如图1.7所示。钻削的加工精度较低，一般只能达到IT11，表面粗糙度 Ra 值一般可达5μm。单件、小批生产中，中小型工件上较大的孔（ D <50 mm），常用立式钻床加工；大中型工件上的孔，用摇臂钻床加工。精度高、表面质量要求高的小孔，在钻削后常常采用扩孔和铰孔来进行半精加工和精加工。扩孔采用扩孔钻头，铰孔采用铰刀进行加工。铰削加工精度一般可达IT7~IT6，表面粗糙度 Ra 值为5~0.32μm。扩孔时，扩孔钻和铰刀均在原底孔的基础上进行加工，因此无法提高孔轴线的位置精度。而镗孔时，镗孔后的轴线是以镗杆的回转轴线决定的，因此可以校正原底孔轴线的位置精度。在镗床上镗孔时，镗刀随镗杆一起转动形成主切削运动，而进给一般是工作台的工件进给运动实现，如图1.8所示，有时也可是镗刀杆进给运动。若工件是回转类工件或可以在车床上装夹的工件，需要对位于回转中心的孔进行镗削加工，如图1.9所示，车床的三爪卡盘或其他夹具的夹持工件高速旋转，是主切削运动，刀架的纵向进给运动就可以实现车床上的镗削加工。如果要钻中心孔，可以在尾座上装夹钻头来实现。镗孔加工精度一般可达IT9~IT7，表面粗糙度 Ra 值为5~0.63μm。数控钻床、数控镗床主要是通过数控指令控制刀具移到孔中心的坐标上来实现加工。
图1.7 钻削加工
图1.8 镗削加工
图1.9 车床上镗削
齿轮齿面的加工运动较复杂，根据形成齿面的方法不同，可分为成形法和展成法两大类。成形法加工齿面所使用的机床一般为普通铣床，刀具为成形铣刀，需要刀具的旋转运动（主切削运动）和直线移动（进给运动）两个简单的成形运动。展成法加工齿面的常用机床有滚齿机（如Y3150E型滚齿机）、插齿机等。
在滚齿机上滚切斜齿圆柱齿轮时，一般需要两个复合成形运动：由滚刀的旋转运动 B 11 和工件的旋转运动 B 12 组成的展成运动；由刀架轴向移动 A 21 和工件附加旋转运动 B 22 组成的差动运动。前者产生渐开线齿形，后者产生螺旋线齿长。如图1.10所示为滚齿机滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理，共由4条传动链组成：
①速度传动链：“电动机—1—2— u v —3—4”，即主运动传动链，使滚刀和工件共同获得一定速度和方向的运动；
②展成传动链：“4—5—∑—6—7— u x —8—9”，产生展成运动并保证滚刀与工件之间的严格运动关系（工件转过一个齿、滚刀转过一个齿）；
③轴向进给传动链：“9—10— u f —11—12”，使刀架获得轴向进给运动；
④差动传动链：“12—13— u y —14—15—∑—6—7— u x —8—9”，保证差动运动的严格运动关系（刀架移动一个导程，工件附加转1转）。
4条传动链中，速度传动链和轴向进给传动链为外联系传动链。滚切直齿圆柱齿轮时，不需要差动运动。滚切蜗轮的传动原理与滚切圆柱齿轮相似。
图1.10 滚齿机滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理
如图1.11所示为Y3150E型滚齿机的外形图。立柱2固定在床身1上，刀架溜板3可沿立柱上的导轨做轴向进给运动。滚刀安装在刀杆4上，可随刀架体5倾斜一定的角度（滚刀安装角），以便用不同旋向和螺纹升角的滚刀加工不同的工件。加工时，工件固定在工作台9的心轴7上，可沿床身导轨做径向进给运动或调整径向位置。
数控技术的出现为曲面加工提供了更有效的方法。在数控铣床或加工中心上加工时，曲面是通过球头铣刀逐点按曲面坐标值加工而成。在编制数控程序时，要考虑刀具半径补偿，因为数控系统控制的是球头铣刀球心位置轨迹，而成形面是球头铣刀切削刃运动的包络面。曲面加工数控程序的编制，一般情况下，可由CAD/CAM集成软件包（大型商用CAD软件都有CAM模块）自动生成，特殊情况下，还要进行二次开发。采用加工中心加工复杂曲面的优点是加工中心上有刀库，配备多把刀具，对曲面的粗、精加工及凹曲面的不同曲率半径的要求，都可选到合适的刀具。同时，通过一次装夹，可完成各主要表面及辅助表面（如孔、螺纹、槽等）的加工，有利于保证各加工表面的相对位置精度。
图1.11 Y3150E型滚齿机
1—床身；2—立柱；3—刀架溜板；4—刀杆；5—刀架体；6—支架；7—心轴；8—后立柱；9—工作台；10—床鞍
如图1.12所示，磨削是利用砂轮或其他磨具对工件进行加工。其主运动是砂轮的旋转运动。砂轮上的每个磨粒都可以看成一个微小刀齿，砂轮的磨削过程，实际上是磨粒对工件表面的切削、刻削和滑擦3种作用的综合效应。磨削中，磨粒本身也会由尖锐逐渐磨钝，使切削能力变差，切削力变大，当切削力超过黏结剂强度时，磨钝的磨粒会脱落，露出一层新的磨粒，这就是砂轮的“自锐性”。但切屑和碎磨粒仍会阻塞砂轮，因此，磨削一定时间后，需用金刚石刀具等对砂轮进行修整。
图1.12 磨削加工
磨削时，由于切削刃很多，所以加工过程平稳、精度高，表面粗糙度值小。磨床是精加工机床，磨削精度可达IT7~IT5，表面粗糙度 Ra 值可达1.6~0.025μm，甚至可达0.008μm。磨削的另一特点是可以对淬硬的工件进行加工，因此，磨削往往作为最终加工工序。但磨削时会产生大量热量，需要有充分的切削液进行冷却，否则会产生磨削烧伤，降低表面质量。强力磨削技术，可以在单位时间内达到很大的切除量，因而可以一次完成粗精加工。按功能不同，磨削可分为外圆磨、内圆磨、平面磨等，分别用于外圆面、内孔及平面的磨削加工，如图1.12所示。